随着我国智能电网的快速发展，其中用于居民和企业的智能电表是电网改造的关键所在。无线智能电表是智能电表的发展的主要趋势。智能电网高级量测体系AMI（Advanced Metering Infrastructure）要求智能电表满足以下功能：能支持具有分布式发电的用户；电量能够实时采集和控制；支持远程抄表；支持远程编程设定和软件升级；能提供电能质量的监测；提供断电报警以及供电信息恢复处理等[2]。成本和性能是智能电表推广应用的关键因素，目前，由于GSM/GPRS无线抄表需要付费且工作频段拥挤而实时性差，基于各类高性能嵌入式系统如DSP、ARM、SOC的智能电表成本较高，因此，采用低成本高性能单片机与免费无线频段的智能电表是低成本方案的首选[3-8]。本系统选用AT89C51作为主控制器，采用嵌入式操作系统µC/OS-II，电能计量采用高性能ADE7758，无线收发器Si4438，本方案是低成本高性能无线智能电表的可行方案。
1 系统整体方案设计
根据AMI对智能电表系统功能的主要要求确定的系统整体方案，按功能分为三个单元：电能采集单元、信号处理单元、通信单元，多功能电能表的系统框图如图1所示。


图1 多功能电能表系统框图
图1 中，测量部分将测量数据（电流、电压、功率等）送给控制单元，单片机根据时段设置，对无功、有功、费率、电流、电压等进行计算，并驱动显示器件显示有关信息。通过接口电路与外部进行数据传输和通讯。选用AT89C51单片机作为系统主控单元，它具有4KB可编程存储器，两个定时器和计数器，32个I/O口，并设有掉电模式、看门狗等资源。
主控单元设计可满足对正反向有功电能的平、峰、谷和总电量的计量，可进行手持终端抄表、符合DL/T645-97要求的ZigBee无线RS485远程抄表。可分别计量、显示和存储多时段，可跨零点、电量存储，提供临时冻结电量等[9]。
本设计采用ADE7758，它是先进的智能电量计量芯片，由此构建了一个低成本、高精度的电能测量解决方案[10],该芯片内部集成的电路可测量有功功率、无功功率和视在功率等。
综合以上论述，此方案具有性能高、灵活性高、价格廉等优点，已成为智能电表控制系统应用的一种很好的选择。
1．1 系统功能设计
系统设计根据AMI对智能电度表的功能要求，主要有以下几个方面：
1.1.1显示及键盘功能
采用LCD显示屏，显示功能主要有上电显示（全亮数秒）；正常工作时的循环显示，显示内容包括：时钟、日期；总、尖、峰、平、谷的循环显示。系统设置4个按键，其功能分别为：启动（模式）键、增大、减小、确认键（长按2秒停止）。
1.1.2存储及扩展
智能电表设计两级存储系统，以第二级为主。第一级存储系统由CPU的程序存储器Flash ROM；第二级存储系统采用外扩展Flash ROM实现。
1.1.3 抄表功能
数据通信采用无线RS485接口，实现远程自动抄表。可通过手持终端抄读电表条码号、当前电量数据、保存的任意月份的电量和历史数据等。
1.1.4通信功能
智能电度表要具有多种数据通信功能接口。通信距离一般不小于1200m；RS485接口符合DL/T645-97通信规程要求；可与目前市场上主流的手持抄表终端设备通过红外通信接口进行相互通信。采用标准红外RS232通信接口，通信距离一般不小于4m，符合DL/T645-97通信规程要求，通信速率采用1200bps；红外波长范围从900 nm到1000 nm；主动与被动抄表可通过Zigbee或蓝牙射频接口进行，无线抄表采用ISM免费频段实现，在被动抄表方式下，可实现单播、组播、广播等通信方式。
1.1.5计费功能
计费功能可实现对尖、峰、平、谷四种费率的计费，智能电表采用实时时钟电路。内部时钟具有日历计时，每日任意时段的实际时间与预置时间之差不超过1秒。采用双锂电电池，电池最大容量为1200mAh，用于保持时钟和停电显示。
1.1.6编程功能
编程可以实现智能电表应用的灵活性，可以采用红外或射频形式RS232/RS485通信接口对电度表进行编程控制。可编程项目包括时间、日期设置；时段和费率设置；显示项目及显示内容设置等。这些编程内容可单独进行设定，或通过“综合设定”功能进行一次性完成设定。
1.2工作原理
工作时，传感器将六个电压信号送入ADE7758，经过片内PGA1/PGA2可编程增益放大器放大后进行模数ADC变换为相应的数字信号，其中的电流信号经高通滤波器滤除直流分量，再将输出信号进行数字积分，接着与经相位调整后的电压量相乘得到瞬时功率,最后通过低通滤波器后得到瞬时有功功率信号；总的三相瞬时有功功率经芯片的DOUT 引脚输出。视在功率和无功功率的计算与此相似。MCU通过脉冲及串行通信接口接收有功功率数据，MCU根据预先设置的相应时段进行处理，将数据和输出结果实时显示出来，并保存到闪存中；同时，也可通过串口、红外或ZigBee模块，与便携终端或其它数据平台进行通信。