一、硬件设计原理

电能表的硬件电路设计由电源电路设计、计量电路设计、通讯电路设计、 MCU 及其它部分电路设计四大部分组成。其中核心部分是计量电路的设计，它是电能表计 量准确性的关键部分， 是电能表计量功能的体现， 但是其他部分也是缺一不可的， 特别是单 片机控制器， 它是电能表系统的灵魂， 实现系统中各个部件协调控制，人机交互，多费率控 制等等重要的功能。

硬件组成

由上图所示， 电源电路为了提高系统的抗干扰性、可靠性， 分为三个独立的电源， 使计量电路， RS485通讯和MCU的电源相互隔离，达到互不影响的目的，但是它们使用同一个 变压器，所以应注意变压器的选择。

在计量电路部分，ADE7755芯片是一个数模混合的电路， 因此设计较为困难， 要到达良好的计量效果， 要采取一定的抗干扰措施(比如数字地和 模拟地应在PCB板上单点连接)，特别是在对电流、电压采样的电路直接接在外部线路上， 干扰比较严重。 I2C总线在整个系统中占有重要的地位， 它关系到LCD显示、电量数据存储、 时间和日期的读取等等，它是MCU与外部设备的接口，是MCU获取信息的窗口，并且根据 外部信息作出相应的判断和动作(比如冻结时间到， MCU作出冻结电量事件发生)。在通讯电路中， 电能表有两个通讯信道(红外信道、 RS485 通讯信道)，在通讯发生时MCU要判断 是那个信道进行通讯， 并且接收通讯帧， 判断是否正确，并执行通讯命令。

二、软件系统设计原理

是整个电能表系统的灵魂， 它是系统的神经中枢， 它是整个系统的控制、指挥中心。电能表软件系统的算法设计在整个电能表系统设计中占有重要的一个环节， 控制算法的优劣对整个系统正确、可靠的运行有决定性的影响， 因此在进行电能 表软件系统的算法设计时， 要仔细、反复地进行设计、论证，考虑各个方面地因素使控制算法正确、可靠。

软件系统结构框图

三、电路设计部分

3.1电源设计部分

电源电路提供系统运行的能量，所以在进行电源电路设计时 保证原理正确的前提下考虑电源容量并保证一定的工程余量，同时计算各个元件的电流、电压值，选择合适的元件参数。

电压、电流采样供电电源电路

RS485通信电源电路

3.2功能管理电路设计

a 部分电路原理说明

通过电网输入 220V 的交流电源， 通过变压器 TR1 降压， 在 5 、6 端产生 12V 的交流电 源，通过 AB1 全波整流集成块及 C1 、TR2 、C2 、E1 滤波(C1 、TR2 、C2 构成差分滤波网 络)，产生一个带有一定脉动分量的直流电。在通过并联稳压集成电路 LM317，同时调整 R1 、R2 的比值，得到所需电压值(3.9V)。

b 部分电路原理说明

在电源上电的时候， 如果上电缓慢时， 单片机出 现复位错误， 程序不能正确运行。为了解决这个问题， 采用快速上电的方法， 利用 MAX809 电源监控芯片，当上电电源达到电压门槛时， T1 三极管导通，开通电源通道，达到 MCU 快速上电的目的， VCC 的电压为 V3.9 减 0.7V 得到 3.3V 电压值。

c 部分电路原理说明

由于有后备电池的原因， 要解决实时时钟芯片电源的问题， 采取的原则是： 电网正常供 电时， 从电网吸收电能， 但是不能进行对电池充电， 电网停电时， 电池只对时时钟芯片供电。 采用二极管或逻辑的方式，对 V3.9 和电池电压进行选择。

当电网正常供电时， V3.9 的电压为 3.9V，大于电池电压， 由于 VD1 器件的作用， VDD 选择 V3.9 电源供电。当电网停电时，由于 VD1 器件的作用， VDD 选择电池电源供电，同 时电池通过 R7 限流对时钟芯片供电。

单片机及周围供电电路

3.3电压采样电路设计

电压通道电路实际上是一个分压电路， 通过电阻分压， 确保 ADE7755 电压通道中信号电压在其工作的范围内。由于电能表工作的实际环境和元件参数的误差， 在 电压衰减网络中，设计一个电阻调整网络， 可在一定范围内调整信号电压的大小，校验 ADE7755 电能输出脉冲的频率，调整电能表的精度，因此电压衰减网络又称校验网络。

电压采样电路

3.4电流采样电路设计

电流通道电路中，是一个 PGA 可编程的差动运算放大电路，外围电路设计主要是抗混 滤波器的设计， R27C19 和 R28C21 组成两个一阶低通滤波器，滤除电流通道的高频分量。 C20 是通过 JL1 跳线来选择是否作用于系统，它是补偿电流信号本身不平衡造成 ADE7755 计量电能出现比较大的误差，人为造成不平衡，使得系统达到平衡的目的

电流采样电路

3.5计量芯片电路设计

DVDD 和 AVDD 通过 C22、R23、R29 组成的滤波电路连接在一起， 同时 AGND 和 DGND 通过电感连接在一起， 滤除干扰。选择内部基准电源， 在基准电源输出端加上一个滤波电容 C24 ，加强内部基准不受外界干扰。

计量单元电路

3.6通信单元设计电路

电能表有两个通讯通道， 一个是 RS485 通讯信道， 另一个是。 RS485 通讯信 道是用来和其他电能表组成 RS485 通讯网络，实现远程网络抄表；红外通讯信道是利用红 外线为媒介，利用掌上抄表器进行抄表的，两个信道都是通过 MCU 的 UART 进行通讯的， 判断通讯信道是一个问题。 DDSF 系列电能表通讯电路由红外通讯电路、 RS485 通讯电路、 通讯信道切换电路组成， 红外通讯电路完成红外通讯信道通讯的功能， RS485 通讯电路完成 RS485 通讯的功能，通讯切换电路判断当前通讯信道的功能。

近红外通信电路

RS485通信电路

通信切换电路

LCD显示、时钟等电路设计

四、软件主程序逻辑设计

软件系统主程序在电能表整个程序当中是最重要的部分，它是电能表 的执行部分。它包括整个程序初始化部分、显示刷新处理部分、日期时间及与其相关操作处 理部分、通讯帧命令处理部分、电量运算及储存部分、电量结算处理部分以及其他事件处理部分。整个程序是通过查询方式执行的，通过查询电表事件发生的条件情况，判断电能表事件是否发生，来执行相应的操作，这种执行方式只要保证 CPU 的执行速度足够快，是能够保证事件响应的时效性的。 在电量处理模块算法中，它包含电量小数事件和电量整数事件，当对应类型（总峰平 谷反）电量脉冲累计到 0.01kWh，电量小数事件发生，电量小数加 1 及保存电量小数数据， 当电量小数发生进位时，电量整数事件发生同时应进行电量整数部分及相关事件处理。

主程序运行逻辑

只要用电，就会有电量计量的需求，用电缴费是每个用电居民的基本义务，但电费计量的设备需要准确运行，电能表就是承担这个功能的主要设备，正确理解计量设备显得很有必要。以上普及一个基本电能表的设计原理，便于直观理解。