仪表具备三相多功能电能表、脉冲采集器二合一的功能。除可测量常用电力参数及实现电能计量外，还具备3路外部输入脉冲计量功能，可对基于脉冲电路技术的计量表进行信号采集、运算处理、存储，并与仪表自身测量的电参数一起通过RS485总线上传至能源管理平台，其示意图如图1所示。

图1 仪表功能示意图

仪表设计主要基于以下标准：

（1）GB/T 20866-2007基于用户脉冲计量表的数据采集器；

（2）IEC 61557-8:2007 交流1000V和直流1500V以下低压配电系统的电气安全  防护措施的试验、测量或监控设备；

3.1 总体框图

      基于产品功能考虑，结合外型结构、生产及调试维修操作方便等因素，将硬件划分分为处理器、电压电流信号采集、存储器、显示液晶、按键输入、能量脉冲输入、电能脉冲输出、通讯等部分。其中，信号采集部分将电网电压、电流信号整定到71M6533所允许输入的范围之内，存储器采用非易失性铁电存储器FM25CL04，其原理框图如图2所示。

图2  仪表硬件原理框图

3.2 主芯片选型

      仪表选用专用于三相多功能电表解决方案的SOC，TERIDIAN Energy Meter IC 71M6533（见图3）。此芯片集电能计量和管理于一体，配备了1个高精度的22位Δ-ΣADC、7个模拟输入、数字温度补偿、精密参考电压和独立的32位计算引擎，在超过2000:1范围内计量精度优于0.1%。

      而且该SOC芯片只需要极少的低成本外部元器件，极大地简化了软硬件设计，从而能够高效快速的完成开发设计。

图3  IC  71M6533功能框图

3.3信号采集

（1）三相交流电压、电流信号采集：

      基于成本、内部空间和0.5级精度设计的综合考虑，电压信号采样选用电阻网络分压的方式，电流信号采样选用电流互感器加电阻取样的方式，并都采用二极管BAV199作箝位保护，其原理如图4所示。

电压信号采样电路

电流信号采样电路

图4

（2）外部输入脉冲信号采集：

      参照GB/T 20866-2007《基于用户脉冲计量表的数据采集器》标准，对脉宽为80ms±20ms的三路外部输入脉冲信号进行计数（对于脉宽不在此范围之内的信号作为杂波滤除）。然后根据用户设置的脉冲变比转化为对应的水、气当量，其原理如图5所示。

图5  脉冲输入电路

3.4人机界面

      该仪表功能丰富，提供给用户的参数信息较多，采用带背光的122*32点阵液晶作为显示单元，并采用薄膜按键，可方便的进行参数的查看与设置（如电压、电流、功率、功率因数、电能等）。

      绿色LED灯EX1、EX2、EX3分别对应指示3路外部输入能量脉冲，红色LED灯EP用来指示仪表有功电能脉冲输出。

3.5输出接口

      脉冲输出接口为光耦隔离型，脉冲波形为标准方波，脉冲宽度为80ms±20ms，硬件原理如图6所示。

图6    脉冲输出电路

3.6通讯电路

      仪表具有一路RS485通讯接口，采用Modbus-RTU协议，所有测量得到的数据和脉冲能量都可通过此端口进行远传。硬件设计采用高速光耦6N137和485芯片SN75LBC184，其电路如图7所示。

图7  通讯电路

      借助keil μvison3的软件开发环境，采用前后台设计、模块化编程，实现了高可靠性的要求，其流程如图8所示。

图8  仪表软件流程图

（1）仪表测量电量、计量电能精度实验

       给仪表输入额定值为AC220V、5A的信号。电压、电流实验数据如下（实验仪器为南京丹迪克DK-34B1交流采样变送器校验装置）：

电能实验数据如下（实验仪器为PTC 三相便携式电能表检验装置、HC-3100三相标准电能表）：

实验结果表明，本仪表测量电量、计量电能精度符合0.5级要求。

（2）仪表对外部输入脉冲的采集是否符合精度要求实验。

      对仪表进行了脉冲接收对比试验：将信号发生器分别连接到计数器和本仪表，使信号发生器输出电压幅度为4V、占空比为60%的方波脉冲，分别在频率3Hz、8Hz、1Hz的条件下，测试仪表脉冲采集情况，结果如下所示。

实验结果表明，本仪表采集外部脉冲输入精度符合0.5级要求。