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多功能电能表的研究与设计(五)
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毕业论文范文题目:
多功能电能表的研究与设计(五)
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多功能电能表的研究与设计(五)
多功能电能表的研究与设计(五)毕业论文范文介绍开始:
3.8智能电表PCB设计
本文采用模块化设计,元器件按照原理图设计思路布局,还要考虑到波峰焊与回流焊的操作工艺。PCB布局布线总体原则模块化布局,其中模拟电路和数字电路要隔开。输入部分和输出部分尽量在PCB边缘,使得接线端子在线路板上的导线越短越好。专用电能计量芯片RN8209D所采的电压电流信号为模拟信号,在布局时要考虑与数字信号之间的干扰。FM3308单片机布局在液晶的下方切斜放置,存储芯片紧靠单片机布局,数据通讯线尽量做到最短。32.768K晶振靠近单片机放置,晶振两边的电容对称放置,单片机去耦电容靠近单片机的电源引脚。RS485通信部分电路要与主回路通过光耦隔离,RS485部分元器件的布局要与主回路元件保持6毫米的距离,确保EMC静电放电试验中的接触放电6000V能够顺利通过。继电器驱动部分的元器件靠近继电器安装的位置放置,使继电器驱动线最短,也要考虑到继电器安装和装配时是否合理。液晶放在线路板的正上方,位置要考虑到表壳的尺寸与实际面板开口的位置。脉冲灯、报警灯、红外接收发送管放在液晶的正下方,并一直排开。间距要符合国网的要求。编程按键,循显按键和开盖检测按键放在线路板的上方,根据表壳的实际尺寸确定其具体的位置。所有元器件根据其性能布局外,要遵循美观,容易布线的原则[14]。
智能电表PCB板布线主要考虑电源线,地线与信号线。在本方案中,计量芯片与单片机之间的通讯为高速数值信号,在布线是要考虑信号的反射与过冲问题,在布线时,拉开距离,并尽量用地线环绕,高速信号尽量做到不跨分割。编程信号,循显信号,开盖检测信号与单片机距离较远,采用地线保护处理。计量部分信号采样部分属于模拟部分,做到地线大面积覆铜,模拟部分与数字部分电源由10欧电阻隔离。变压器前段220V供电部分采用100mil的粗线,5V电源线和12V电源线采用
20mil,所有信号线采用10mil。走线与元器件间距为10mil。在布线时遵循线路最短原则,尽量做到信号线不上下打孔过线。FM3308芯片下尽量不要走高速信号线,空闲部分覆铜。在布线时要考虑到安装孔的位置,在安装孔附近不要布线,以免固定螺丝导通电路。在满足电气特性的同时,所有布线要规整,做到横线在正面,竖线在背面的原则,走线规整统一。布线时尽量做到走线所环绕的面积最小,尽量留有大部分空间覆铜。布线时不远靠近线路板边缘布线,因为在做静电放电试验时,容易放电。继电器驱动、485通讯处线路板处镂空,主要是考虑加工时容易焊接。
智能电表线路板分两部分覆铜,485部分覆铜,单片机部分覆铜。覆铜由一系列的导线组成,可以完成电路板内不规则区域的填充,用铜箔铺满部分区域和电路的地线网络相连,可以做到提高电路的抗干扰能力,经过覆铜处理后制作的线路板会显得十分美观,同时,可以加大地线过电流的能力。本方案采用火线覆铜处理,原因是电流采样部分是火线采样,电压采样是零线采样。覆铜采用正反面覆铜,重叠处打过孔连接上下覆铜,保持同电位。单片机部分与计量部分包括继电器驱动部分是一个地,做到大面积覆铜。485部分单独覆铜,考虑到绝缘性能485部分覆铜与单片机部分的通间隔要在6毫米以上。单片机部分覆铜时,要考虑到脉冲输出和多功能输出部分,要留有足够的空间,承受住4000V耐压试验。覆铜时铜与元器件的距离设定为15mil。在导线和焊盘或是过孔的连接处,通常需要补泪滴,以去除连接处的直角,加大连接面。这样做有两个好处,一是在PCB的制作中,避免因钻孔定位偏差导致焊盘与导线断裂;二是在安装使用过程中,可以避免因用力集中导致连接处断裂。本方案中,插件的焊盘都经过泪滴处理。
图14 PCB布局布线图
3.9智能电表软件概述
作为一个平台软件,设计时需嬰考虑以下这些基本原则:
1.作为一个新开展的项目,软件巧计和代巧编写要尽量遵循软件编程规范和嵌入式C语言编程规范指南。设计过程要认真编写巧计说明书井进巧方案评审,要有规范的软件版本控制流程,从源头保证软件的设计质量。
2.由于硬件资源限制,软件设计时要考虑合理的节约资源,并预留足够的资源给应用层;例如由于RAM有限,在函数参数中尽量传递宇节少的数据体,函数的临时变量尽量定义得小而且少。
3.作为平台软件,设计时要考虑满足应用居需求的变化,要提供足够灵巧的配置接口,在适当的配置后能满足应用层需求的变化(考虑到资源的限制,应该是适当的变化);另外平台的各个模块,甚至模块内部的各个子模块都要求可以方便的裁减定制,适应应用层的不同需求;为了实现平台要求的可扩展性和可维护性,需要降低一定的执行效率为代价,所以要求硬件能提供更强大的计算能力。
4.平台软件开发完成后发布的是库文件和头文件给应用层,所以平台软件必须提供完备的接口及相关说明文档给应用层,以满足应用层的功能开发需要。
5.平台软件设计一定要考虑电能表的安全性、可靠性、低功耗特性。需要定期的检测硬件的状态是否正确,例如I/O口的方向定期设置,计量和通信部分的寄存器需要定期的检测(读取,和外存对比,有错误则要写入正确值)等等。另外RAM中的重要数据要做备份和校验:RAM中保存的数据经过一段时间后要刷新,保证其正确性。
图15 智能电表程序框架
本方案的程序由C语言编写,电能表主控模块程序的总体内容为:电表上电后先进行程序初始化内部寄存器,开全局中断和掉电中断,清看门狗。初始化完成后检测是否有485或红外通讯完成的数据帧,如有则处理通讯部分事件返回后逐次查询分钟改变事件并逐一处理,处理数据后逐一检测数据的合法性。每秒读计量芯片RN8209D状态寄存器并判断电量方向,每5秒重新计算一次电压、电流、功率和功率因数,每分钟进行计量芯片内部寄存器合法性能校验,包括与数据存储器里校表参数比对和立即数比对。主程序显示按键判断,并定时刷新液晶,间隔5秒进行一次温度检测,进行温度补偿,间隔5秒进行一次电池电压检测,进行电池电压判断,如有欠压可液晶显示报警,每600毫秒进行一次继电器回路检测,如有继电器不能正常切合闸或存储的状态与实际的状态不符,则置继电器错误标志。主程序检测编程按键,如果有编程按键则置编程按键标志,最后返回上电初始化后的程序,循环检测各个事件。
3.10智能电表EMC试验项目
智能电表的EMC能力是考核其质量的重要标准,包括电快速瞬变脉冲群试验,浪涌电压试验,衰减震荡波试验和周波跌落试验。其中电快速瞬变脉冲群试验的目的是保证电表在现场运行时,有高次谐波或不规则的高压信号时能准确计量,是考验电表性能的主要指标。浪涌电压试验是验证电表辅助端子与高压侧的绝缘性的好坏,确保辅助端子与高压侧能达到6千伏以上的绝缘。衰减震荡波试验是模拟现场有高压大电流的开关信号,在大功率开关信号时,对电网有很强的干扰。周波跌落主要是模拟现场电压不稳,特别是验证电压忽高忽低时,对电表时钟芯片计时准确度的影响。电子设备的电磁兼容特性指的是设备或系统在其电磁环境中能正常工作,且不对该环境中的任何事物产生不允许的电磁骚扰的能力,也就是电子设备产生干扰信号及对外来干扰信号的抵抗能力。国家标准GB/T17626.4规定了电快速瞬变脉冲群的试验流程和判断依据。电快速瞬变脉冲群主要是模拟来源于开关通断时产生的电压和电流的瞬变,特征是宽带脉冲电磁干扰,上升沿几纳秒,能量小重复率高的干扰。
图16 智能电表线路板实物
3.11总结
在国家电网统一招标这样一个大环境下,电能表的功能相对越来越固定化和规范法,但同时硬件方案的多样化也越来越明显。怎么样去又快又稳地适应当前这种状况成了仪表仪器制造厂商急需解决的问题,很多大的电能表厂家针对这种现状纷纷建立适应自己公司的电能表软硬件平台。目前,结合国家电网表的项目开展,单相表高端软件平台的首要目标是,作为一个软件平台能满足国家电网多功能电能表和预付费电能表现有的功能需求,以及未来国家电网智能表可能的扩展功能需求。本文的主要工作内容如下:
1.査阅文献总结智能电能表在智能电网发展建设中的重要地位,以及对国内外的研究热点进行大概的概述。
2.选择复旦微电子出品的智能电表专用单片机FM3308,以及锐能微2014年量产的单相多功能零线防窃电芯片RN8209D,基于模块化设计的思想将硬件模块主要划分为控制模块、计量模块和电源模块,并以此设计单相智能电表的硬件原理图和PCB布局布线,强化了PCB的设计规范知识。
3.打样设计好的PCB并手工焊接元器件,结合外壳装配成完整的产品并进行主要的电快速瞬变脉冲群试验、浪涌电压试验、衰减震荡波试验以及周波跌落EMC试验项目,以此验证设计的PCB布局布线是否国家标准规定的EMC特性要求。
参考文献
链接: https://pan.baidu.com/s/1ErqxLXXypKT3-VklCR5rCw 提取码: aq3f
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