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0引言

    近年來我國高校公寓管理不斷商業化、市場化，但是調研發現目前大部分高校公寓電費收費采用宿舍內學生均分的現象，改變公寓的電費收費不合理的現狀已經成為一種社會的發展趨勢。另外，雖然部分高校公寓已經安裝了計費系統，但這些系統存在著體積龐大、計費準確度不高、維護困難等弊端[1]，因此，也需要對目前的計費系統進行升級和改造。該方案以高校學生公寓為研究對象，從高校公寓房間的實際出發，研制了具有身分識別功能的電能監控系統，該系統能有效克服目前各種電量計量所存在的不足之處，采用在房間內計量，精度高、功能全，并能夠實現按個人的使用量收費的需求，也便于組成監控系統，使電量計量向人性化、智能化的方向發展。

1系統總體設計

    系統的基本框架設計如圖1所示。

    該系統分為四層結構，由監控機、CAN-USB轉換卡、中繼器、電能計量裝置組成。電能計量裝置是系統的核心，在每個學生宿舍中安裝1臺，負責用電量的計量，另外有過電流報警與斷電、預付費不足報警、欠費斷電等功能；該裝置利用CAN總線信號將所用電量、過電流等信息傳送至監控機[2]。

2硬件設計

    2.1電量計量裝置設計

    2.1.1硬件總體設計

    電能計量裝置主要由微控制器基本電路、智能開關電路、電力參數采集電路、CAN接口電路等組成。硬件結構框圖如圖2所示。
 

圖2 具有身分識別功能的電量計量裝置結構框圖

    該裝置對宿舍內的N個使用者進行獨立的用電量計量。該宿舍內成員通過非接觸式射頻卡進行身份識別后，對應于該用戶的插座就進行供電（通過控制繼電器通斷實現），然后就可以使用。通過電流和電壓互感器分別進行電流和電壓信號的變換，通過調理電路和A/D轉換后，微處理器把轉換的結果進行相應的處理計算出用電量。

    值得注意的是，由于存在多個用戶共同照明的問題，提出了公共電作為第N+1個用戶收費的解決方案，解決了學生公寓內的公共電的問題，與自己的利益掛鉤，使得學生自覺的節約用電。另一方面，若長時間不用，通過檢測該支路電流，進行自動斷電。

    2.1.2 主控制器選擇

    根據高校內的學生公寓的電量計量的實際情況，本裝置要達到0.5級的整體水平，因此選用基于ARM7TDMI為內核STR730FZ2微控制器，該芯片具有極高的處理速度和豐富的資源。STR730FZ2基本系統的設計部分包括晶振電路、復位電路、JTAG接口電路和抗干擾電路等。

    2.1.3智能開關電路

    智能開關主要實現兩個過程，分別是身份識別過程和識別后通斷電控制過程。

    1）身份識別功能主要由非接觸式射頻卡來實現的。本系統采用MF RC500來實現讀卡功能的，MF RC500是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員，該讀卡IC系列利用了先進的調制和解調概念完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議MF RC500支持ISO14443A所有的層[3]。MF RC500方便的并行接口可直接連接到微處理器上，給讀卡器/終端的設計提供了極大的靈活性。讀卡器電路如圖3所示（其中MF ANT接讀卡器天線），圖中的C64、C65、C66、C67的值的設定直接影響讀卡距離，經計算匹配成功。

    2）身份經過確認后，由微處理器發出控制信號，來控制繼電器的通斷，進而控制對應于該用戶的插座是否供電。通斷電控制電路如圖4所示。為了增強I/O口的抗干擾及驅動能力，電路中使用了光耦TLP521；二極管VD13進行繼電器的保護及快速放電而設計的。光耦和繼電器兩級隔離的方法把強電與弱電進行了隔離，保證了系統安全可靠的運行。
 

圖3讀卡器電路



圖4通斷電控制電路

    2.1.4電力參數采樣電路

    考慮到裝置要達到0.5級的標準，因此采用高精度的電壓互感器和電流互感器進行采樣[4]。由于學生宿舍的用電電流不能超過5A，以及A/D轉換的基準電壓設計為2.5V，因此本裝置采用電壓輸出型電壓變換器TR1102-2（300V/1.76V）和電壓輸出型電流變換器TR0102-2（5A/1.76V）。TR1102-2（300/1.76V）與TR0102-2（5A/1.76V）具有良好的共模和差模干擾抑制能力，因此可以大大簡化接口電路的設計，能夠增強裝置的整體性能。

    2.1.5 CAN接口電路

    STR730FZ2集成了CAN2.0的控制器，但是沒有集成CAN總線驅動器，因此必須進行CAN總線驅動接口電路的設計。經過比較采用PCA82C250作為總線驅動器具有良好的性價比。

    2.1.6其他控制電路設計

    本裝置還加入了時鐘電路、液晶顯示、聲光報警電路、電源電路等。

    時鐘電路主要是為了復費率功能而設計的，選用DS12C887作為實時時鐘芯片。本系統采用圖形點陣液晶12864-16作為顯示單元，12864-16液晶顯示模塊具有低功耗、供應電壓范圍寬等特點。報警電路采用了聲光報警的形式，當發生故障、過電流以及欠費時，裝置將發出報警信號；本裝置通過不同顏色LED燈的組合來通知當前報警的類型，以便用戶進行相應的處理。

    整個裝置中的芯片需要兩個電源供電，以保證系統工作的穩定性。因此，裝置采用12V交流或直流電壓供電，經過整流、濾波、7805穩壓后輸出+5V的直流電壓，以滿足裝置的需求。

    2.2 CAN到USB轉換卡

    該轉換卡采用C8051F045、SN65HVD230和CP2102組成。CP2102是 USB轉UART的單芯片橋接器，利用它可以使設計簡化很多，降低了編程難度。

    2.3 中繼器

    中繼器主要完成節點擴展與線路延長的功能，實現了在兩個CAN網段之間數據轉發，有效的增加了網絡通信的長度。一個中繼器下面掛載50~70個點，可以根據每個樓層房間數進行設置中繼器個數，來完成電能數據的傳輸。

3軟件設計

    軟件設計主要進行了電量計量裝置的設計。軟件主要完成采集后的電力參數的處理、CAN數據的處理、射頻數據的交換、故障報警等功能。整個軟件系統的設計是基于中斷的思想來設計的，這樣有利于降低系統的功耗。系統的主程序主要完成自檢和初始化的任務，之后進入低功耗模式，其余的功能由中斷來觸發完成相應的功能。

    3.1中斷處理程序

    中斷程序主要包括電量數據采集中斷（定時中斷）、CAN中斷、射頻中斷等，其中電量數據采集中斷具有最高的優先級, 射頻中斷屬于外部中斷。

    1） 電量數據采集中斷主要采用定時中斷完成電力參數的采集，根據采樣定理以及電能計算公式的要求，設定每200μs中斷一次，進行A/D轉換及對結果的處理，由于采樣及處理在具有最高優先級的定時中斷中完成，其余中斷不能干擾采樣的進行，保證了采樣的實時性及準確性[5]。

    在此還需要考慮采集的通道數，設定用戶數為N=8，所以有8路電流和1路電壓采樣通道，另外把公共電流也作為第N+1個用戶，所以實際上采樣的通道數為10個。所以在中斷程序中要進行10次A/D轉換數據的讀取。
電量數據采集的流程圖如圖5所示。
 

圖5電量數據采集中斷流程圖

    2）CAN中斷完成CAN數據的接收以及進行相應的處理。由于CAN中斷是由于上位機的呼叫產生的，因此根據數據協議主要是完成上傳用電數據和斷電的功能[6] 。

    3）射頻中斷子程序中，當用戶想開啟自己的供電通道時進行刷卡，產生相應的中斷，在中斷中完成射頻數據的交換及相應供電通道的開啟[7]。射頻電路中斷流程圖如圖6所示。
 

圖6射頻中斷流程圖