《智能仪表》网络作业
I2C总线通讯方式
I2C总线是一种串行通讯的国际标准，I2C总线具有如下特征：
⑴仅要求具备两条总线线路：串行数据线（SDA）与串行时钟线（SCL）。
⑵总线上连接的各个器件都可以通过唯一的地址与长期存在的简单的主机/从机关系设计地址。
⑶真正意义上的多主机总线，当多个主机同时初始化数据传输时，可以通过冲突检测以及仲裁功能来防止数据遭到破坏。
⑷片上的滤波器可以滤去总线数据上的杂波干扰，从而保证数据的完整性。I2C总线支持任何IC生产过程，串行数据线和串行时钟线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别，而且都可以作为一个发送器或接收器。SDASCL均为双向线路，通常采用一个上拉电阻连接到正的电源电压，当总线处于空闲状态时，这两条线路都处在高电平。连接到总线的器件输出级漏极或集电极必须处于开路状态，才能执行相关的线与功能。
电源模块
系统的电源模块部分，主要用于给微控制器（MCU）、时钟芯片以及相关用电部分提供 电能，而电能表所在的电力线网络又是220V的高压，因此，必须进行相关相应的降压、整流、稳压以及滤波处理过程，才能用于给整个电能表系统相关用电部分供电。同时为防止供电线路故障以及其他偶然因素造成断电现象的发生，还必须给电能表系统准备备用电源，本系统在设计时选用锂电池作为备用电源。系统在电源模块电路设计时，首先对电力线电压通过变压器进行降压，然后经整流，以及三端稳压器78L05进行稳压，最后经滤波处理，得到的5伏的低压稳定电源。
存储器模块
单相费控智能电能表在实际工作中，要对用户的当前用电数据、历史用电数据、事件 记录以及冻结数据等进行大量数据的存储，这就要求大容量的存储芯片，同时，又要保证用户用电数据在各种突发事件而造成的掉电事故影响下，用电数据的长时间保留。因此，在对系统存储器模块进行设计时，选用CATALYST公司生产的AT24C256。AT24C256是一个256K位的串行CMOS可擦可编程存储器即E2PROM，与I2C总线兼容。工作电压为1.8伏到6伏，该芯片功耗低，具有写保护功能，可靠性高，64字节页写缓冲器，擦写次数高达100万次，在掉电状态下，数据可保持长达100年不变，能较好的满足费控智能电能表对存储器的要求。 存储器及其外围电路如下图所示。
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图5 存储器模块电路设计
LCD显示模块
单相远程费控智能电能表不需要在表内实现预付费功能，电费的计算在远程售电系统 中完成，表内不显示与电费、电价相关的信息。只显示当前用户各时段的电量以及组合总电量。远程售电系统通过虚拟介质（主要是载波和RS485通信）对费控电能表下发复费率时段表、电量结算日等信息。
系统在显示部分设计时，选用THR2760型液晶显示器以及HL6024型液晶驱动芯片。其中HL6024是一种能和任意的具有低复用速率的液晶显示器接口的外围驱动器。能对任意静态或复合态的LCD，能产生高达24段的驱动信号，并且通过级联方式能轻松实现大型LCD应用。HL6024能和大多数微控制器实现兼容，并通过两线双向的二线-串行通信总线通讯。同时，由于带自动地址增量的显示RAM，使得通讯开销可大幅度降低。
HL6024是一款1/4DUTY和1/3BIAS的通用LCD驱动显示电路，共有24各SEG输出端口和4个COM输出端口，直接和LCD相连可驱动96段液晶，当少于24段SEG和4段COM时，不用的段可空出。当数据传送给HL6024后，HL6024根据初始地址把数据依次填入相应的RAM中，由驱动电路把相应的驱动电平信号送至液晶。
RS485通讯模块
RS485通讯接口是串行接口的标准之一，是在RS-232的基础上发展起来的一种串行通信方式，通常在要求远距离通讯时，广泛采用RS—485的串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收的方式，这就使得该通信方式具备了很强的抗共模干扰能力。
RS485通信解决了电能表数据的远程通信和控制问题，使电能表与电力部门的远程售电系统的联网成为现实。另外，由于PC机默认的是只带有RS-232的接口，通常需要通过RS232转RS485电路，从而将PC机串口的RS232信号转换成RS485信号。在国家电网公司智能电能表的功能规范中对于RS485通讯部分指出，智能电能表的RS485通讯部分要满足：
⑴RS485接口必须和电能表内部电路实行电气隔离，并有失效保护电路； ⑵RS485接口应满足DL/T645-2007电气要求，并能承受380V交流电压； ⑶RS485接口通信速率可灵活设置；
⑷RS485通信遵循DL/T645-2007协议及其备案文件。 ESAM安全模块
在国家电网的相关标准和规范中指出，ESAM安全模块必须嵌入在设备内，用以实现安全存储、数据加/解密、双向身份认证、存取权限控制、线路加密传输等安全控制功能。
ESAM安全模块，是英文EmbeddedSecureAccessModule的缩写，即嵌入式认证加密模块，是指一种嵌入式的安全控制模块。ESAM安全模块采用专用的智能卡芯片模块封装形式，系统是建立的在专用的高性能的安全微处理器的硬件平台基础上的，同时在安全模块内部，拥有独立的片上操作系统，除了具备防检测、抗攻击等硬件特性外，还具有安全的文件密钥管理，标准的加解密运算功能，完善的安全机制等特性。
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ESAM安全模块最主要的应用模式是嵌入到某些专用设备或仪器中，一方面可作为设备的唯一标识，提供安全的硬件平台以存储密钥和相关重要数据外，另一方面，还可以利用模块内置算法完成数据的加密解密、双向身份认证、访问权限控制以及临时过程密钥导出等多种功能。可广泛应用于需要加密或身份认证功能的智能设备中。正是基于上述功能，ESAM安全模块广泛应用于智能电表，通信设备以及网络安全等众多领域。
在国家电网公司智能电能表的功能规范中对ESAM安全认证部分指出，智能电能表的安全认证部分必须满足：
⑴通过固态介质或虚拟介质对电能表进行参数设置、预存电费、以及下发远程控制命令操作时，需通过严格的密码验证及ESAM模块等安全认证，以确保数据传输安全可靠。
⑵ESAM模块的加密算法应采用国密算法。 信号输出模块电路
在国家电网公司相关规范中，对智能电表信号输出部分指出，智能电能表的信号输出部分主要包括电能量脉冲输出、多功能信号输出以及控制输出三部分：
⑴电能量脉冲输出
①智能电能表应具备与所计量的电能量成正比的光脉冲输出和电脉冲输出； ②光脉冲输出采用超亮、长寿命LED指示灯； ③电脉冲输出必须采用电气隔离措施。 ⑵多功能信号输出
智能电表的多功能信号端子应可输出时间信号、需量周期信号或时段切换信号，以便检测人员检测。其中，时间信号为秒信号，需量周期信号、时段切换信号为80ms±20ms的脉冲信号。
⑶控制输出
智能电能表可输出脉冲或电平开关信号，控制外部报警装置或负荷开关。 载波模块
电力线载波通信技术是指利用现有的输配电电力线网络作为传输介质，实现数据传输与信息交换的一种技术。电力线载波通信主要采用的是通过载波调制技术，其最大的优是无需另外架设新的通信网络线路，存在的不足主要是电力线路存在较强的噪声干扰以及电力线网络对传输信号的衰减较大。
在国家电网公司的相关规范中，对智能电能表的载波模块部分指出： ⑴智能电能表可配置窄带或宽带载波模块；
⑵智能电能表与载波通信模块之间的通讯遵循DL/T645-2007协议及其备案文件； ⑶若采用外置式载波通讯模块，为保护电能表，载波通信接口必须有失效保护电路； ⑷在载波通信时电能表的计量性能、存储的计量数据以及参数不应受到影响和改变。继电器控制模块继电器控制部分用于对用户的用电情况进行相应控制，当用户电能表剩余金额为0时，上位机下发允许拉闸命令，继电器断开，停止供电。当接收到用户续交电费信息后，
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上位机下发允许合闸命令，继电器闭合，恢复供电。系统继电器控制部分电路如下图所示。
图6 继电器控制模块电路设计
二、单相费控智能电能表的主要功能
电量计量
（1）具有正、反向有功电能计量功能，能存储其数据，
（2）能存储上3个月的总电能和各费率电能量；数据存储分界时刻为月末24时。 电量冻结
电量冻结可以冻结正向（反向）有功电量，具体分为以下几种情况： （1） 按RS-485通讯规约方式冻结。
（2）定时冻结：电表按照用户约定的时间及间隔冻结电能量数据；每个冻结量保存12次。 （3）瞬时冻结：在非正常情况下，冻结当前的日历、时间、所有电能量和有功功率的数据；瞬时冻结量保存最后3次的数据。
（4）约定冻结：在新老两套费率/时段转换、阶梯电价转换或电力公司认为有特殊需要时，冻结转换时刻的电能量以及其他重要数据，保存最后2次冻结数据。 （5）日冻结：存储每天零点时刻的电能量，存储60天的数据。
（6）整点冻结：存储整点时刻或半点时刻的有功总电能和无功总电量以及冻结时间，可存储96个数据。冻结内容及对应的数据标识均符合DL/T645—2007及其备案文件要求，冻结电量可通过用户卡、检查卡或其它通信接口抄出，便于进行用电量分析和线损统计。
清零
电能表只有在被授权及通过安全验证的情况下能进行电量清零操作，清除电表内部存储的电能量、冻结量、事件记录等数据。永久记录电能表清零事件的发生时刻及清零时的电能量数据。
时钟
具有日历、计时和闰年自动转换功能。日历、时钟均可通过RS485、红外数据接口等进行设
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置和调整，设置时需按下编程键，进入编程状态。
安全认证
对电能表进行参数设置命令操作时，需通过严格的密码验证等安全认证，以确保数据传输安全可靠。
电力参数测量及监测
智能电表能测量、记录、显示当前电压、电流（包括零线电流）、有功功率、功率因数等运行参数。测量误差（引用误差）±1％以内。
事件记录
电量的事件记录功能可以记录对电表的编程和清零操作以及电表运行状态，具体分为以下几种情况：
1、永久记录电能表清零事件的发生时刻及清零时的电能量数据。
2、记录编程总次数，最近10次编程的时刻、操作者代码、编程项的数据标识。 3、记录校时总次数（不包含广播校时），最近10次校时的时刻、操作者代码。 4、记录掉电的总次数，最近10次掉电发生及结束的时刻。 计时功能
采用内置带温度补偿的硬件时钟电路，具有日历、计时、闰年自动转换功能；内部时钟端子输出频率为1Hz。电能表可接受的广播校时范围不大于5min；广播校时无需编程键和通讯密码配合；每天只允许校对一次，且应避免在电能表执行冻结或结算数据转存操作前后5min内进行。
显示功能
该电能表采用大屏幕宽温中文字符液晶显示，具有防紫外线功能，在正常使用情况下，LCD寿命大于10年。电能表具备自动循环和按键两种显示方式；自动循环显示时间间隔可在5～20秒内设置；液晶显示关闭后，可用按键唤醒液晶显示；
通讯功能
具有一个红外通信接口、一个RS485通信接口，通信接口物理层彼此独立，一种通信信道的损坏不影响其它信道。电能表通过通信接口可以与手持终端、数据采集器、检测设备、计算机等进行数据传输、广播对时设置、抄读、编程、管理等。通讯规约符合DL/T645-2007标准。RS485通信传输速率允许在1200bps、2400bps、4800bps、9600bps中选择，缺省设置为1200bps。RS485通信接口和电能表内部电路实现电气隔离，具有失效保护电路。通信接口通过电气性能、抗干扰试验，符合DL/T614—2007的要求。载波模块接口与RS485接口物理层相互独立，一个通信接口的损坏不影响其它通信接口正常工作。
端口输出
电能表具备与所计电能成正比的光脉冲测试输出和电脉冲测试输出功能。光脉冲测试输出装置的特性符合GB/T17215.211-2006的要求。电脉冲测试输出为光隔离无源输出,脉宽为80ms±20ms，输出装置的特性符合GB/T15284-2002的要求。电能表具备秒时间信号输出端子。
报警功能