功能设计论文范文
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第1篇
总的来说，当前基于产品自身进化思想的研究大多还都停留在理论探索阶段，相应的计算机辅助创新（ComputerAidedInnovation，CAI）软件也十分匮乏，更加限制了设计理论的应用与发展。因此，本文在Jacob、Ma.GL等的研究基础上，通过引入系统功能分析的方法，并综合考虑功能、结构两方面因素的作用，提出了一种从多个角度进行激励分析的功能需求内生式产品创新设计方法。并在课题组开发的原型系统中实现了该功能模块，体系化、导向性地辅助设计者较好地进行产品概念设计。
内生功能驱动产品创新设计模式
1功能驱动产品创新机理
产品是基于一定物理及几何结构，在相应技术条件支撑下，实现所需功能集合的有机体。其与生俱来就是市场信息的折射，且任何产品都在按照一定规律不断的发展和进化。类似于“适者生存”的过程，在市场因素的作用下，产品也在不断的优胜劣汰。随着时间的推移，一些市场特性就逐渐被“映射”或“编码”到存活产品中，内化为产品功能或结构的一部分。正是这些蕴含于产品自身的进化特性信息为需求信息提供了一个较为高效、可靠的获取渠道。发现这些特性并使之向更优的方向转变，就可以带动产品进化，感知并满足新的市场需求。
基于这一思想，本文从功能演化角度构建了一种基于内生功能驱动的产品创新设计模式。主要通过功能演化的形式拉动结构、市场等特性进化，进而实现产品全面进化，如图1所示（功能、结构、市场等特性的进化，均是技术系统进步的反映）。其创新机理在于暂时摆脱现有技术和市场对产品设计的束缚，从产品自身出发，运用一定的功能激励策略对其进行功能改进操作，以激励产生更多新功能需求信息，实现功能进化；并针对这些功能需求进行概念求解，带动产品结构也向更适于功能实现的方向演进，进而开拓出新的市场应用空间，实现产品全面进化。
2功能激励分析策略
产品作为一个有机体，与生物体相类似，也是由功能及承载功能的结构载体组成的系统。借鉴系统功能分析的方法，结合已有产品对其加以功能结构分解，并根据其功能-组件间的链式关系及组件间的隶属关系进行系统功能建模，构建相应的基础功能模型——功能-组件链图，如图2所示。功能是产品存在的目的，功能的实现除了与产品自身结构有关外，还与超系统内其它关联组件相关。为了较好地实现对产品自身蕴含的进化特性信息的挖掘，本文提出的方法正是在系统功能建模基础上，从超系统和技术系统两个方面对已有产品进行较为全面的功能激励分析。进行技术系统分析，是为了实现其自身功能结构特性优化，增进其理想化水平。而引入超系统分析，其目的在于实现技术系统特性向超系统特性进化，进而实现超系统进化反向促进技术系统进化的作用。技术系统分析是功能激励的主要内容，超系统分析是其有益补充。
本文提出的方法是从功能演化角度，综合考虑功能、结构二因素的设计模式。因此，技术系统分析包含单组件操作、多组件操作两个方面，超系统分析则采取赋予新的功能关联关系的激励模式。对于单组件而言，功能激励主要是针对其承载功能加以改变操作；对于多组件，则从功能组合角度对其加以激励操作。基于以上考虑，本文提出从多个角度进行功能激励的分析策略，如图3所示。
基于功能需求内生的产品概念设计
1超系统组件功能关联
一般情况下，每一个超系统功能都是为了辅助产品技术系统内某个/某些功能的顺利实现，即一个超系统功能肯定与系统内某个/某些功能存在相关关系，但通常并不是与所有功能都存在相关关系（关系十分薄弱/暂未发现其相关性）。且超系统功能间通常也存在很多不相关的情况。因此，这就给产品系统提供了不小的创新思考空间。超系统组件功能关联分析正是基于对这一创新空间信息进行系统挖掘的创新策略。它通过选择某个超系统功能，在与其不相关的某个系统功能（超系统功能、系统内功能）间建立起良性关系，使其变为相关。如此，便能创造出新的产品功能需求，进而产生新的产品创意。
这种相关分析主要通过以产品超系统功能为行，所有系统功能为列，而构建的系统功能相关性分析矩阵加以分析，如表1所示。其中，“1”表示功能间存在相关关系，“0”则代表不存在，“X”表示两个功能相同（在此不予讨论）。针对笔记本电脑功能创新实例，通过在“敲击键盘”与“存储电能”间建立起关联（由0变为1），便激发出在使用者敲击键盘的同时可以产生电能，并有效地将其储存利用的新型节能笔记本电脑的创意。
2系统内单组件功能改变
系统内单组件功能改变分析主要针对技术系统内某一功能组件及其所承载的功能加以改变性操作，以激励设计者产生新的想法。
（1）功能扩展
功能扩展主要针对系统内某一功能组件，通过赋予其新的功能，从而带动其结构也发生相应的改变，进而形成能适应未来市场需求的新产品，如图4a所示。扩展的功能主要通过超系统组件功能关联分析得到，也包括由新的超系统组件引入而衍生得到的新需求功能。如在轮椅创新设计中，通过在超系统中引入台阶，以产生攀爬台阶的新功能需求，进而激励产生带越障功能的行星轮式车轮的创新方案。
（2）功能裁剪
功能裁剪主要是基于产品简化及专用化的思想，通过裁剪掉链内的冗余功能或对特定应用环境可有可无的功能，甚至一些看上去不可或缺的功能，进而带动链内其它关联功能改变，以实现产品功能、结构、工艺等方面的简化，得到更具市场竞争力的产品创意，属于破坏性创新（DisruptiveInnovation）范畴，如图4b所示。如可通过去除电视机的显示图像功能，以降低其生产及使用成本，使盲人得到相对物美价廉的新产品。
（3）功能分割
功能分割主要是对系统内某组件所承载的功能进行分割，以形成新的结构及新市场的产品创新模式，包括功能作用分割、功能量值分割两种形式。功能作用分割是将组件上承载的多个功能进行分割，进而形成多个新功能单元，以促使功能组件向更趋于专业化、标准化的方向改进，如图4c所示；功能量值分割主要将组件上承载的功能从量值上加以分割，以形成多个量值相同或不同的新功能单元，以促使功能组件向精准化、微控化等方向演进，如图4d所示。如在显示器演进道路上，通过对显示内容加以分割，激励产生了多显示器协同显示的超大显示屏。
（4）功能替代
功能替代主要建立在技术进步或技术优化基础上，在不影响产品主要功能实现前提下，通过将某组件所承载的功能利用更优的功能，或将发出某功能的组件用更优的组件加以替换操作，以带动链内其它相关功能组件改变，进而实现产品整体性能优化的目的，如图4e所示。例如，将精密机械移动替换成磁致伸缩移动的，高精密度显微镜玻片载物台移动装置创新设计方案。
3系统内多组件功能组合
系统内多组件功能组合分析主要是针对技术系统内多个组件间所承载的功能加以组合优化，以激励设计者产生创新想法，进而推动产品功能-结构改进向理想化方向逼近而引入的创新策略。
（1）功能合并
功能合并主要建立在对相同或不同功能链中具有相近或相关功能的不同组件进行系统分析的基础上，通过对其进行功能并处理操作，以实现功能、组件的高效利用，去除多余功能结构，实现产品功能结构优化的目的，演进过程如图5a所示。通过这一处理，可使产品功能结构得到优化，经济性、易操作性增强，提升其市场竞争力。如在冰箱制冰机创新设计中，将储冰装置内为定向输送冰块而进行的螺旋搅动操作，与为防止冰块粘结而加入的反向搅动操作合并，便形成了定时双向螺旋搅动装置的设计方案。
（2）功能整合
功能整合主要基于合理化配置的思想，对多组件间承载的多个功能进行优化整合处理，进而带动结构上的优化整合，以增强其系统性、经济性、适用性等综合性能，形成新的竞争优势，这一过程如图5b所示。例如，在轮椅创新设计中，通过对各组件间所承载的功能进行整合处理，最终得到利用汽缸结构实现自动调节升降高度及靠背角度调节功能，利用行星轮结构实现越障、行进功能，利用套扣结构实现可变形（变身为担架）功能等集多种实用功能于一体的新型多功能轮椅的改进方案。
（3）功能捆绑
功能捆绑主要是对功能-组件链图中功能作用密集的组件加以分析，将作用于该组件的功能，以及链内其它相关功能进行打包组合；然后，采取反问“引入该功能目的”的思考形式，探求这些功能的本质（设计需求）；最后，对这些设计目的加以组合优化处理，并进行相应的功能性再设计，激励产生新的功能配置方案，实现功能集成进化，如图5c所示。这一过程通常会伴随新功能的产生，可有效带动产品结构产生较为全面的进化，进而得到更具市场竞争优势的创新产品。例如，将冰箱制冰机储冰装置的储冰功能与制冰装置的储水功能，以及输冰装置的定向输送功能加以捆绑，激励得到传输带式制冰机的创新方案。
4功能需求内生式产品概念设计过程
本文提出的方法应用的关键在于合理利用上述激励策略进行功能激励分析。将这种方法与计算机辅助创新设计模式相结合，构建的产品概念设计过程模型如图6所示。这一过程主要包含系统功能建模、功能激励分析、概念方案生成、方案优化评价四大分析模块。具体操作步骤描述如下：
步骤1产品组件、功能录入。结合已有产品对其进行功能结构分解，提取并录入产品功能组件及其所承载的功能。
步骤2功能-组件链图构建。针对步骤1的录入结果，构建相应的产品功能-组件链图，并适时对录入的功能、组件加以调整。
步骤3多角度激励分析。结合功能-组件链图及在此基础上生成的功能相关矩阵，从三大分析角度出发，利用对应的分析策略进行遍历式分析，以得到多个功能改进方向，形成相应的功能需求信息集。
步骤4概念方案求解。针对上一步分析得到的功能需求信息利用FBS方法进行知识资源检索，以映射得到相应的原理解。
步骤5领域具体化分析。结合得到的原理解及已有产品进行具体化分析，使之转化为相应的产品创新方案。这一步是结合获取的知识资源进行创造性思维的阶段，是新知识生成的过程。
步骤6方案优化评价。此步操作主要通过对生成的方案做进一步探讨，借鉴功能跟随形式（FunctionFollowForms）原理发现新产品的潜在应用市场，并结合已有信息及设计经验对方案加以优化评价，进而得到创新性、实用性及可实现性相对较好的产品创新方案。
5功能模块实现
产品创新是市场需求与技术实现对立统一的过程，是创新主体与现代设计技术有机协同的设计过程，是以知识为基础，以获取及创造新知识为核心的知识物化过程。本文基于提出的多角度功能激励的设计思想，融合认知科学、信息技术及创新设计理论，实现了该功能模块。其体系架构如图7所示，包含交互层、推理层、资源层。
（1）交互层是实现人机交互的重要单元，主要给用户提供一个友好的交互界面，提供信息输入、输出接口，并对整个设计过程加以可视化。其中，也包含管理员对系统及知识库进行的日常维护操作。
（2）推理层主要根据设计过程中用户输入的设计信息，为其提供所需的设计原理及过程推理方法支持。该层除了系统功能建模、功能激励分析等人机交互式信息操作单元外，还包括信息转换、映射求解、评价计算等多个采用推理机形式，通过调用相应的知识资源，以实现创新信息映射转换的智能操作单元。信息转换单元主要采用自然语义与基于规则推理的形式，对功能激励结果加以标准化转换；映射求解单元利用FBS方法，对生成的标准化信息进行概念求解；评价计算单元则是根据输入的评价信息，利用一定的评价规则对方案加以量化比较，以筛选得到相对较优的设计方案。
（3）资源层主要为概念设计过程提供知识支持，包括本体库、效应库、评价库等多个知识单元。
系统内的效应库、专利库等知识库主要采用功能基的形式加以组织，并提供基于自然语义的Internet3应用实例冰箱通常都在冷冻室内装一制冰装置，其制冰的工作原理与大型制冰机一样。制冰装置的上面部分放置有普通的栅格式盒子。往盒子里倒上水，冷冻一定时间后，再由一个特制的带有蜗杆减速器的电机把盒子翻转。当盒子几乎朝下时，盒子的另外一边就顶到了专门的凸出部位上。盒子倾斜后，冰块就能实现与内壁相分离，往下脱落，并掉到收集器中。这一加工过程一直会持续到收集器装满冰块为止，如图8所示。但这种制冰装置也存在很多问题，如占用空间较大，工作震动、噪声大等问题，迫切需要对其加以改进。运用本文提出的方法进行创新分析，具体步骤如下：
步骤1通过选择已有的制冰装置作为基础产品，对其进行功能结构分解，录入电机1、连杆、制冷装置、驱动减速器1、转动冰盒等产品组件及功能信息。
步骤2结合已有产品，并针对录入结果对制冰机进行系统建模，构建相应的产品功能-组件链图（如图9）。
步骤3根据超系统功能与所有功能间的关系，建立起相应的制冰机功能相关矩阵，如表2所示。并针对矩阵进行超系统组件功能关联分析，如通过在“提供水”与“转动冰层推杆”之间建立起关联，提出在“转动冰层推杆”时，根据其受到的阻力大小，实时控制是否“提供水”的创意；在“提供水”与“储存2冰块”间建立关联，提出只有当开始“储存2冰块”操作时，机器才“提供水”的新需求。针对链图，从系统内单组件功能改变、系统内多组件功能组合两个角度进行激励分析。如图10所示，经功能裁剪分析，提出去除搅拌器“搅拌2冰块”操作的创意，以减小装置的控制复杂程度；经功能合并分析，并根据经其它激励操作得到的设计过程信息，提出将驱动拨冰装置叶轮转动的“转动连杆”功能与驱动传输带转动的“转动转轴”功能加以合并的新需求，以在一定程度上实现结构简化；经功能捆绑分析，将冰盒的“储存水”功能、储冰器的“储存冰块”功能和搅拌器“输送冰块”等多个功能加以捆绑，激励产生要设计一个既能“储存水及冰块”，又能“按需定向输送冰块”的集成化装置的想法。
步骤4通过以上遍历式创新分析，生成“输送冰块”、“转动转轴”等多个功能需求。对其进行相应的知识检索，得到“一种提高冰淇淋抗融性的乳化剂以及用其制备的冰淇淋”、“超薄潜水数显磁力搅拌器”、“物料输送螺旋机构”等知识。
步骤5结合已有产品，对步骤4得到的原理解进行具体化思考，进而产生“在储冰盒内增加可溶且可食用的抗融泡沫添加剂”、“用磁力搅拌器代替机械搅拌”、“采用多栅格式制冰、储冰装置，且伴随传送带输送，出冰口处受扭曲力和重力作用而自动脱落”等多个概念方案，如图11所示。
步骤6结合已有设计经验及企业实际情况，对以上分析得到的多个概念方案进行初步评价筛选，并进行合理的市场定位，去除可实现性低、经济性差、创新性不高的噪声方案。然后，再对剩余的创新想法做进一步组合优化分析，以得到最终制冰机改进方案。即采用一种栅格式的传输带式结构，将其直接放在冷冻室的顶部沿着圆周运动，并采用一个带叶轮的旋转装置，以顶出栅格内的冰块，供用户食用；且储水罐的“提供水”功能也与传输带的运行建立起相应的控制关系，使滴水速度与栅格制冰、储冰速度保持同步。改进后的制冰机系统工作过程如图12所示。其去除了原有的冷藏室，缩减了工作空间，部分消除了收集、储存冰块所带来的各种不便，并通过合理调节传输带的运行速度，可实现按用户需求持续提供冰块等优势。
第2篇
摘要：随着人民生活水平的提高和科学技术的发展，住宅楼电气的设计建设也应跟上时代的步伐。简述现代住宅楼电设计中应注意的几个问题。
关键词：住宅；电气设计；方向
随着我国社会经济的发展，人民生活水平的极大提高，各类家用电器逐渐增多，特别是空调、大荧屏彩电等大功率电器进入普通家庭，使住宅设计由原来纯照明向多功能的方向发展。
1住宅用电负荷的预测
住宅面积分为三类：小型住宅60m2以下，中型住宅60~100m2，大型住宅100m2以上。一般小型住宅照明用电负荷500W，娱乐用电(包括电视机、音响、电脑等)负荷950W，厨房用电(包括电饭煲、电热开水器等)负荷3500W，卫生间用电(洗衣机、排气扇)负荷1170W，空调用电负荷2250W，综合上述各类用电负荷共8370W，中型住宅乘1.3系数10881W，大型住宅乘2.6系数21762W。根据统计调查，一般住宅用电负荷的高峰期是夏天晚饭后的时间，这时用电负荷有：电视、电冰箱、电热开水器、消毒碗柜、电脑、空调，共有住宅用电负荷的40%，查设计手册得需要系数0.4~0.6，所以根据实际情况，我们设计时取0.4系数便可以，则小型住宅负荷计算取3.5kW，中型住宅负荷计算取4.5kW，大型住宅负荷计算取8.5kW即可。
2住宅的电源与配电系统
一般住宅供电由小区变配电所引入，应采用三相四线（TN-C系统），经重复接地后进入单元总电表开关箱，改成三相五线制（TN-S系统）后再放射到各用户，配电箱中应有短路、过载、漏电保护，断路器应选用能同时切断相线——中性线的断路器。住宅用电负荷计量应采用一户一表制，建议将单元总开关及分户电能表集中设置以便管理。户内配电系统：随着家用电器的增多，为避免电气线路过载和降低谐波电压的影响，户内配电系统应采用多回路形式，至少应设照明回路、一般插座回路和空调回路，如实际需要也可将厨房和淋浴室设为单独回路。此外考虑到家庭办公和信息化的发展，还应增加一条专用回路。
3导线及电器设备的选择
室内外导线及电器设备的选择合理与否，直接关系到住宅用电的安全及经济效益，因而必须在工程设计中合理选用导线和有关电器设备。
3.1导线的选择
导线的选择主要是确定导线的型号和规格，其原则是既能保证配电的质量与安全又能节省材料，做到既经济又合理。其中导线型号应按使用工作电压及敷设环境来选择；导线的规格（导线截面）可按下列要求进行选择：
（1）有足够的机械强度。为防止出现断线事故，导线必须有足够的机械强度，一般照明回路计算电流较小时（＜10A），其导线都应按机械强度选择。
（2）能确保导线安全运行。选择导线时应保证其安全电流大于长期最大负载电流，同时应注意以下几点：
a.在选择进户线及干线截面时应留有适当余量；
b.单相制中的中性线应与相线截面相同；
c.三相四线制中的中性线载流量不应小于线路中的最大不平衡负荷电流。用于接中性线保护的中性线，其电导不应小于该线路相线电导的50%，气体放电灯的照明线路因受三次谐波电流的影响，其中性线截面应按最大一相电流选用。
（3）能确保电压质量。对于住宅建筑来说，电源引入端至负荷末端的线路电压损失不应大于2.5%，如线路电压损失值大于规定电压损失允许值，应加大导线截面以保证线路的电压质量。
总之，在选择导线时要考虑实际使用及未来发展需要，适当留有余量，减少电压损失，保证导线使用的安全可靠和经济有效。
3.2电器设备的选择
电器设备主要指电源配电箱、电表、控制开关、漏电保护开关及电源插座等。电器设备的选择合理与否直接影响工程的质量。选用时应根据住宅的负荷情况、安装要求、使用环境、设备的工作电压和工作电流等合理选择电器设备的型号规格，注意设备的容量等级宁大勿小，但又要避免选得过大造成浪费，一般来说在计算工作电流的基础上选大一级即可。为确保其质量，应选用符合国际电工委员会IEC标准和国内GB、JB有关行业标准，并具有产品质量认可证书的电器产品。总之，电器设备的选择尽可能做到安全可靠和经济合理。
4防雷与接地
4.1防雷内容与措施
防雷内容一般可分为：防直击雷，防感应雷及防高电位入侵三个内容。就防直击雷而言，一般是在屋面易受雷击部位安装接闪器，然后通过引下线与接地电阻很小的接地装置可靠连接，安装时要注意屋面突出的金属部件与避雷针、带、网应全部可靠连接。目前一般利用屋面板钢筋作为避雷网，柱主钢筋作为引下线，基础钢筋作为接地装置，这是较为实用经济的作法。为了防止感应雷和高电位入侵的危害，可在电缆进出户处将绝缘子的铁脚支架可靠接地，同时安装避雷器或其它型式的过电压保护器。此外要强调进行等电位联结，也就是在设计施工中要把建筑物内、附近的所有金属物用电气的方法连接起来使整座建筑物空间成为一个良好的等电位体，这样能有效地降低建筑物内部和附近不同金属部件间的电位差，从而避免内部的设备被高电位反击和人被雷击的事故。
4.2安全接地的形式与要求
在住宅电气设计建设中为确保电器设备和人身安全务必做好用电系统的安全接地。目前我国的住宅配电系统方式一般有三种：TT、TN-C-S和TN-S系统，在进行设计施工时可根据实际情况选择接地系统。以下着重谈谈住宅配电系统中的保护接地。
在中性点不接地的低压供电系统中，电气设备必须保护接地，接地电阻R≤4Ω。在中性点直接接地的低压供电系统中既可采用保护接地，也可采用保护接中性线。为确保接中性线保护系统的安全可靠，必须将中性线干线或支线的终端再次接地，这称为重复接地。重复接地有以下作用：增大流过线路保护装置的电流使其加速动作，从而减轻或避免事故的发生；设置重复接地后可降低漏电设备的对地电压，减少触电的危险程度。为确保接中性线保护的安全可靠，按规定必须做到以下几点：（1）重复接地的接地电阻必须小于10Ω；（2）保护接中性线的其电导不得小于线路中相线电导的一半；（3）在任何情况下，同一供电系统中不可一部分电气设备采用“保护接地”，另一部份采用“保护接中性线”；（4）用于接中性线保护的中性线不能安装带熔丝的开关或熔断器。
此外，随着家用电器的增多及智能化的发展，应作好防静电接地和屏蔽接地工作。
5消防系统
大型现代住宅中由于电气设备越多就越容易发生火灾，因此应安装完善的消防系统。大型现代住宅在电气消防方面应做到以下几点：
（1）供电电源应采用两路方式，一路为市电电源，另一路为应急电源；
（2）有应急照明系统；
（3）应用手动响鸣火警警报系统，如可能，可加装火灾自动报警系统；
（4）开关和导线应选用符合防火规范的开关和阻燃型的电线电缆。
6智能化发展
第3篇
电子式多功能电能表主要针对国内市场三相用电的工业用户。随着电力行业改革深入,工业三相用电对多功能电能表的需求大量增加。目前国内多功能表种类少、价格较高、功能不完善,往往仅是针对某些地区的特定要求开发,缺乏通用性,某些产品未能完全达到国标的要求。本文介绍的电子式多功能电能表正是为了适应这种市场需求而设计的。
这是一款智能型高科技电能计量产品,该表可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能,还具有多费率控制,负荷曲线记录,各相失压、过压、频率超限记录,数据LCD显示等多种功能。主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作。
软件代码全部采用C/C++语言编写,编码效率高,可维护性好,便于实现模块化设计,可根据用户的需求方便地对功能模块进行裁剪。而且代码经过优化,其生成的目标代码大小和执行效率已与汇编代码相差无几。该产品的技术指标全面符合GB/T17215-1998《1级和2级静止式交流有功电度表》、DL/T614-1997《多功能电能表》和DL/T645—1997《多功能电能表通信规约》的要求。
多功能电能表的总体结构和硬件设计
多功能表总体结构
电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器,它负责按键输入扫描、工作状态检测,计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。其主要功能单元包括MCU主控制器单元、电量计量模块、红外和RS—485通信模块、校表模块、EEPROM存储阵列等;其他辅助模块主要有:时钟日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。多功能表总体结构框图如图1所示。
高性能主控制器单元
主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品uPD78P0338。该款单片机为120脚QFP封装,单片集成有60KBFlash、一个异步通信串行口、40x4段LCD驱动器、高达10MHz的总线时钟和10路10位精度的ADC,并可通过简单的接口进行在系统编程,极大地方便在线调试和软件升级。并且支持高级语言,较好地满足了多功能表任务繁多、数据量庞大、算法较复杂的功能要求。
串口复用通信单元
通信电路模块主要包括TSOPl838红外接收头、红外发射二极管、载波电路、MAX487专用485收发电路、驱动/开关二极管和其他元件。
本电能表为便于用户抄表,设计有红外本地抄表和RS-485集中抄表两种串行抄表方式,因为uPD78F0338仅有一个串口,故通信电路设计时采用串口复用技术。由9012、9014和若干电阻等器件组成互补开关,由MCU的一个I/O口来控制红外和RS-485通信方式的切换,如图2所示。
高精度电量计量模块
计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904,电流互感器和其他电路元件组成。SA9904是Sames公司生产的一款三相双向功率/电能计量芯片,可以计量有功/无功功率、电压、频率、相序异常等,可以单独计量每一相的用电信息,符合IEC521/1036标准,可达到1级交流电能表的精度要求,各数据寄存器具有24位精度,可通过三线SPI接口与CPU交换数据。从而可以较好地适应多功能表需要计量多种电量数据的要求。SA9904引脚及其电路图如图3所示。
其中,CLK、DO、DI构成与MCU控制器的接口,用于传输控制命令和测得的电量数据,IIps、IIPt、IIPr用来对电流取样,IVPl、IVP2、IVP3用来对电压取样。
时钟日历模块
时钟电路采用EPSON生产的RTC-4553实时时钟芯片。内部集成了32.768kHz的石英晶体振荡器,简化电路,并可以根据需要进行自由设置以得到较高的频率;同时集成有时钟和日历计数器,可选择24或12小时显示模式,时钟可通过软件方式进行间隔30秒的调整,并提供0.1Hz或1024Hz的定时脉冲输出,以便于在电能表的外部对时钟精度进行定期检查。RTC-4553引脚及其电路图如图4所示。其中,SCK、Sin、Sout与主处理器接口,用于发送控制指令或者传输日期时间数据,本系统日历时钟模块采用电池作后备电源,以确保在停电状态下,日期时间的准确无误。
多功能电能表的软件设计
数据结构设计
多功能电能表涉及的数据类型种类繁多。按字节分包括单字节、双字节、三字节、四字节和六字节等,按表征的意义分有时间、时刻、电压、电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、次数、功率因数、门限、状态字、系数、表号等。复杂的数据类型对数据结构的设计提出了较高的要求,本实现方案通过采用多种数据寻址方式和多种类型存储器较好地解决了这一问题。
数据结构设计要点
系统的数据存放方式有:内部ROM、RAM和外挂EEPROM。
内部ROM用来存放大量的常数表格,RAM用于存放临时变量和堆栈,本方案需要2.5KB左右的RAM,串行EEPROM则存储各种用户电量数据和设表参数,通过12C总线与CPU交换数据,电能表按设计需求的最大要求大约需要250KB的EEPROM,本方案采用8片256位EEPROM通过级联来实现。
数据寻址方式
EEPROM数据访问采用两种方式;直接地址访问,通过数据的EEPROM地址直接读写数据;数据ID寻址,通过数据的编码读写数据。
通信口复用功能设计
红外通信和RS-485共用一个串行口(RxD/TxD)通信,由于串行口通信开始都有一低电平位(0),因此将红外接收端(与485接收端用一三极管隔开)引到一中断引脚INTP1,通过其引发的中断可判断串行口数据是否来自红外。发送时按时应方式发送,使其不互相干扰。由于红外通信和遥控接收用同一接收管,因此在判断红外来源的中断中启动定时器INTTM4检测红外接收端,如果检测到脉冲宽度为9ms或0.56ms,则判断为红外遥控,并根据定时检测遥控编码;否则判断为红外产生的串行口接收中断,并将定时检测关闭。
红外38.4kHz调制信号由CPU内部分频输出(P05/PCL)。f=fx/27=4.9152/128=38.4kHz。
因红外发送字节之间可选有15～20ms的延时,而485通信则不需要延时。数据发送在发送中断中进行,红外通信在发送操作后立即关闭发送中断允许,待延时时间到后再允许发送中断。
多功能表程序流程图
