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计算机硕士开题报告

全日制工程硕士研究生学位论文开题报告

论文（设计）题目：

基于ARM技术的三相智能电表设计

研究生姓名：

学　　　　　号：

工程领域：

计算机技术

学校导师：

教授

企业导师：

高工

填　表　时　间：

年月

研究生部制表

说明

一、工程硕士学位论文选题应直接来源于生产实际，或具有明确的工程背景与应用价值，并具有一定的技术难度和工作量。

二、论文选题类型必须下列类型之一：

1、一个较为完整的工程技术项目、工程管理项目的规划或研究；

2、工程设计或实施；

3、技术攻关、技术改造、技术推广与应用；

4、新工艺、新材料、新产品、新设备的研制与开发；

5、引进、消化、吸收和应用国外先进技术项目；

6、应用基础性研究、应用研究、预先研究。

三、开题报告交所在学院、研究生部各保留一份存查，并作为检查报告执行情况的依据。

研究生姓名

入学时间

论文名称

基于ARM技术的智能电表设计

选题类型

工程设计

报告时间

报告地点

预计学位论文完成时间：

2012年5月

开题报告评议组成员名单

姓名

职称

姓名

职称

教授

教授

教授

教授

副教授

摘

要

研究内容和意义简介：

智能电网的迅速发展，对智能电表的要求也随之越来越高。

智能电表作为家庭中重要的组成部分，用户和电力公司都要求它能够做到精确、稳定和多功能。

此次主要研究ARM技术在智能电表中的应用，实现电表的全数字化、无线传输、可视化、以及电量值的精确计算。

本课题对ARM在智能电表上应用的实现做了详细论述，考虑到智能电表的发展趋势，ARM的可扩展性和高性能能够达到智能电表未来所需要的要求；参考国内外智能电表各个时期的发展，以及对智能电表未来的要求，本课题拟提出了ARM在智能电表上的硬件和软件的初步设计；描述了基于ARM技术的智能电表的各项功能，包括智能电表的采样、滤波、模数转换、MCU控制、显示、数据存储以及无线传输等模块。

一、

立项依据（课题来源、选题依据、工程应用价值等）

1、课题来源：

2、选题依据：

2.1、智能电表的发展背景

随着国民经济的不断发展，电力已经成为国家的最重要能源。

就民用电力来说，由于人民物质生活的极大丰富，生活质量迅速提高，对电力的需求也越来越大。

但是，当前居民用电的管理过于落后，居民用电管理收费多年来一直采用先用电、后抄表、再付费的传统作业方式。

为了适应社会的需要，保证用户安全、合理、方便地用电，对传统的电表和用电的管理模式进行改造，使之符合社会发展的需要就显得很有必要。

就系统的完整性而言，电力系统从发电、配电、传输和区域变电所已基本实现网络化管理,而唯独用户终端没有和网络连接上，造成了系统的不完整，直接或间接的影响了系统潜能的发挥。

正是由于以上背景，智能电度表应运而生。

所谓智能电表，就是应用计算机技术，通讯技术等，形成以智能芯片为核心，具有电功率计量计时、记费、与上位机通讯、用电管理等功能的电度表。

大多数设计的智能电表系统其控制器一般是8位或16位的单片机控制，其控制功能比较简单，很难实现网络化和无线传输，对于未来的智能电表系统的扩展性也比较有限。

基于这样的局限性，我们提出一种基于ARM处理器的智能电表系统。

2.2、智能电表的技术要求

智能电表是在数字电表的基础上增加多个功能，使之能更加适应居民的要求，读取用户电量更加智能、方便和快捷，甚至以后也可以实现单个用户的配电、变电的功能。

目前我们需要设计的智能电表主要实现以下功能：

1、实现智能电表的高精度计算和可扩展；

2、实现数据的双向传输，包括无线抄表，电表将客户用电情况发送给电力部门，电力部门将客户账户余额发送回电表，并在电表上显示；

3、实现数据的LED显示，上月、本月电量的显示，以及余额显示等；

由于智能电表的功能要求，以前的电表是很难做到这些，所以必然要对电表的软、硬件要求更高。

ARM技术具有性能高、成本低和能耗低的特点适用于多种领域，比如嵌入控制、消费、教育类多媒体和移动式应用等。

到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，并且在智能仪器仪表上也有过应用的先例，所以选用ARM7技术应用在智能电表上。

2.3、ARM技术介绍

ARM（AdvancedRISCMachines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。

技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。

适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

ARM7系列为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。

ARM7内核是三级流水线和冯·诺伊曼结构,ARM7-TDMI提供了非常好的性能——功耗比。

它包含了Thumb指令集快速乘法指令和ICE调试技术的内核。

ARM7TDMI-S处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一，ARM处理器具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。

ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多，这样的简化实现了：

1、高的指令吞吐量；

2、出色的实时中断响应；

3、小的、高性价比的处理器宏单元。

3、工程应用价值：

智能电表的发展前景：

第一阶段2000-2007

逐步以电子计量表取代传统机电式电表；在美国和欧洲着手推广单向通信网络；

第二阶段2008-2012

全球范围内正在淘汰机电式电表；在欧美及中国大规模推广基于自动计量基础架构（AMI，即有IP地址的智能电表和电力公司之间的一种自动双向流通架构）的双向通信网络；智能电表作为简易型家庭网关，可用于多种公用设施的自动抄表（AMR）和负荷管理。

从上面的人两个阶段我们可以看到，智能电表不仅没有向小型、单一功能的方向发展，并且恰恰相反，赋予了智能电表更多的功能，使之成为家庭不可或缺的组成部分。

随着信息时代的推进及技术的发展，智能电表作为智能电网的神经末梢，在不久的将来，智能电表将在信息社会中发挥更大的作用，具有更加广阔的应用前景。

二、文献综述（国内外研究现状、发展动态、主要参考文献）

1、国内研究现状：

在国内，智能电表从结构上大致可分为机电一体式和全电子式两大类。

机电一体式智能电表是在原机械式电能表的基础上附加一定的部件，不仅能使其完成所需功能，又可以降低造价且方便安装。

全电子式智能电表则从计量到数据处理都采用以集成电路为核心的电子器件，从而取消了电能表上长期使用的机械部件。

与机电一体化智能电表相比，具有体积小、可靠性高、更精确、耗电少等。

按抄表方式来分，智能电表又分为分时复费率式、预付费（IC卡）式和集中远传自动抄表式3种。

自动抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。

目前，国内生产自动抄表的厂家超过150家。

通过电力工业部电力设备及仪表检测中心检测的厂家接近100家，受理的专利超过165项。

2、国外发展现状：

在国外，如以色列尤尼克（Unique）技术公司开发了collectric集中抄表系统，利用现有的电网和电表，以电力线作为信息传递媒介，建立数据采集通讯系统，通过电力线载波技术将信息远距离传送。

由英国自动化仪表公司本部策划，组织杭州沃制电力有限公司研制的IC系列电表，可按用户需要装上通讯接口，利用RS-485接口，零电压脉冲继电器输出或4～20mA线性输出进行运程监测。

德国D-Tech公司则为此专门开发了SMI专用模块，用于电子式电能表的数据采集，以400脉冲/度或800脉冲/度向外输出数据。

美国等发达国家已把智能电表系统广泛应用于配电管理之中了。

3、发展动态：

从目前三相功率表的市场情况上看，对于高精度的仪表需求有限，不容易形成大规模的生产，而0.05级需求量很大，该准确度等级的仪表对整流效率的测量也实用，而且可以作为应用型功率仪表进行推广使用，量大面广，具有较好的社会效益和经济效益。

此种仪表将作为基层计量部门管理电能计量的主要标准设备而获得推广。

4、参考文献

[1]樊昌信,詹道庸等．通信原理[M]．北京国防工业出版社,1995．

[2]周立功．深入浅出ARM7[M]．广州周立功单片机发展有限公司,2005．

[3]邱关源．电路[M]．北京高等教育出版社,1989．

[4]赵秀菊．单片微机8XC196原理及应用[M]．东南大学出版社,1994．

[5]邱公伟．实时控制与智能仪表多微机系统的通信技术[M]．清华大学出版社,1996．

[6]张高龙．智能电表技术及市场[J]．电器工业,2010．

[7]李华．MCS-51系列单片机实用接口技术[M]．北京航空航天大学出版社,1993．

[8]赵彤,沈新宇．智能电表的发展现状及前景分析[J]．电力系统装备,2004．

[9]李跃忠,李昌禧等．多功能智能调节仪开关电源设计[J]．华东理工学院学报,2005．

[10]于庆广,张宁．三相四线制数字电表专用电源的设计和实现[J]．电子技术应用,2006．

[11]黄勇．嵌入式开发查询手册[M]．人民邮电出版社,2007．

[12]刘振兴．ARM嵌入式技术实践教程[M]．北京航空航天出版社,2005．

[13]金向东．基于高速单片机内核的高精度三相智能电表设计[J]．自动化仪表,2006．

[14]郝世宇．基于can总线和arm技术的集中电表抄表系统[J]．计算机系统应用,2010．

[15]AllenJA,MaintainingKnowledgeaboutTemporalIntervals[J]．CommunicationsoftheACM,2008．

[16]PeterKlootwijk,StefanP.Nelwan,TeusB.VanDam,SimonHMei.Wireless（GPRS-Based）mobilerealtimePatientmonitoring[J]．JournaloftheAmericaCollegeofCardiology,2009.

[17]季呈．ARM嵌入式应用系统开发典型实例[M]．中国电力出版社,2005.7.

[18]余启家．基于ARM及GPRS的智能家居系统的实现[J]．微型计算机,2007.5.

[19]李建勇．基于ARM的智能家居安防监控报警系统设计[J]．机械与电子,2008.10.

[20]MC35TerminalSiemensCellularEngineHardwareInterfaceDescription,SiemensMobile,2002.

三、研究方法及技术路线（技术可行性论证，设计方法或实施方案的可行性分析，可能出现的困难与问题，拟采取的方法与措施等）

1、技术可行性：

1.1、ARM在智能电表中的应用可行性：

ARM已经被广泛的应用在各个行业，例如车载系统、手机、MP4等等，应用在智能电表上也不存在什么阻碍，还可以提高智能电表的精确度和可扩展性。

1.2、远程抄表的实现：

由采集器定时顺序采集来自多路分线连接的电表信号并进行数据处理、存储，各采集器之间采用总线连接，最后连接至计算机。

其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器位置，在由采集器通过无线传输发送给服务器子系统，这样可以避免为每个智能电表都安装一个无线视频模块，以节约成本。

如图1所示。

系统一般分为四层次结构：

前端采集子系统、服务器（区域管理器）子系统、通信子系统、管理中心子系统，部分产品还可以附带一个掌抄器。

图1抄表系统结构图

1.3、采样滤波：

根据设计方案，选用的是利用专用变压器件互感器直接进行变压，得到所需的交流信号后，经过滤波电路，直接输出给MCU的A/D接口进行采样，如图2。

图2采样滤波电路示意图

2、设计方法：

电子式智能电表主要是由电子元器件构成，其工作原理首先是通过对用户供电电压和电流的实时采样，再采用集成电路，对采样电压和电流信号进行变压，通过滤波得到0-3V的模拟信号，在通过A/D转换器采样、保持、量化及编码四个过程后转换得到数字信号，在数字信号处理单元中通过公式进行计算，得出每秒的电量，最后进行累加，最后将所得电量值通过控制单元进行处理、控制，把电量值进行储存或输出。

图3智能电表的结构框图

整个硬件设计关键的部分就是信号采集。

信号采集是将220V工频交流电转换成相对应的0到3V的交流信号，这是关系到整个系统精度的问题，如果采集失真，不仅导致精度下降，还有可能产生严重的错误。

计划采用一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI的CPU，并带有嵌入的高速Flash存储器，存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。

为对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。

A/D转换器需要满足对三相工频交流电进行不失真的采样。

多个串行接口可方便地进行接口扩展。

3、关键问题：

主要是采样信号的变压和滤波，射频模块的双向传输，以及在程序中利用公式计算出用电量等。

四、论文主要内容及预期成果

1、论文主要内容：

本文主要将包括以下两个方面的工作：

1、智能电表的设计原则及优点:

首先分析智能电表的典型结构；其次论述智能电表的应用和与其他电表相比较的优点；最后查找相关规范，并根据智能电表规范进行研究、设计智能电表。

2、分析智能电表应该具备的功能，包括远程传输、精确计算电量值、数字显示等，给出该仪表的总体设计框图。

3、详细叙述该电路的核心芯片选取、前置电路实现、以及数据采集电路的设计。

核心芯片计划采用LPC2132，充分利用该芯片的各项功能克服传统电表的固有问题，使电表的稳定性和精确性得到提高，实现更灵活的可扩展性。

前置电路包括采样滤波和模数转换，采样滤波采用专用互感器进行交流电采样，模数转换使用LPC2132的A/D转换器对采集的交流信号进行模数转换。

4、研究如何确定采样频率、利用软件套用公式实现包括加减乘除积分等数学运算将电流、电压、功率等参数计算出结果、以及数据的处理（包括显示、传输等）。

在对U、I采集和转换后，通过公式计算出电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等，最后为了方便计算，将电能公式W=

根据积分定义转换成累加公式，即W=

，计算出每秒的用电量。

2、预期成果：

1、论述对智能电表的硬件的选取，包括芯片、以及各模块等；

2、对智能电表的硬件设计，包括采样滤波、数模转换和数据的存储、显示和传输等；

3、对智能电表的软件设计，实现电量值的精确计算等；

4、发表1-2篇相关论文。

五、工作进度安排

1、2010.10—2010.11了解课题背景，查阅相关信息与相关书籍；

2、2010.12—2011.03收集相关的资料；

3、2011.04—2011.08阅读大量学术期刊、学位论文和专业书籍，准备开题；

4、2011.09—2011.11实习并完成系统的总体设计、详细设计及编码；

5、2011.12—2012.06实习并撰写论文、审稿、装订，准备答辩。

学校导师意见:

学校导师签字:

企业导师意见:

企业导师签字:

评议组意见：

组长（签字）：

　　　　年月日

所在学院审查意见

学院（公章）院长（签字）：

　年月日