功能設計論文范文
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第1篇
總的來說，當前基于產品自身進化思想的研究大多還都停留在理論探索階段，相應的計算機輔助創新（ComputerAidedInnovation，CAI）軟件也十分匱乏，更加限制了設計理論的應用與發展。因此，本文在Jacob、Ma.GL等的研究基礎上，通過引入系統功能分析的方法，并綜合考慮功能、結構兩方面因素的作用，提出了一種從多個角度進行激勵分析的功能需求內生式產品創新設計方法。并在課題組開發的原型系統中實現了該功能模塊，體系化、導向性地輔助設計者較好地進行產品概念設計。
內生功能驅動產品創新設計模式
1功能驅動產品創新機理
產品是基于一定物理及幾何結構，在相應技術條件支撐下，實現所需功能集合的有機體。其與生俱來就是市場信息的折射，且任何產品都在按照一定規律不斷的發展和進化。類似于“適者生存”的過程，在市場因素的作用下，產品也在不斷的優勝劣汰。隨著時間的推移，一些市場特性就逐漸被“映射”或“編碼”到存活產品中，內化為產品功能或結構的一部分。正是這些蘊含于產品自身的進化特性信息為需求信息提供了一個較為高效、可靠的獲取渠道。發現這些特性并使之向更優的方向轉變，就可以帶動產品進化，感知并滿足新的市場需求。
基于這一思想，本文從功能演化角度構建了一種基于內生功能驅動的產品創新設計模式。主要通過功能演化的形式拉動結構、市場等特性進化，進而實現產品全面進化，如圖1所示（功能、結構、市場等特性的進化，均是技術系統進步的反映）。其創新機理在于暫時擺脫現有技術和市場對產品設計的束縛，從產品自身出發，運用一定的功能激勵策略對其進行功能改進操作，以激勵產生更多新功能需求信息，實現功能進化；并針對這些功能需求進行概念求解，帶動產品結構也向更適于功能實現的方向演進，進而開拓出新的市場應用空間，實現產品全面進化。
2功能激勵分析策略
產品作為一個有機體，與生物體相類似，也是由功能及承載功能的結構載體組成的系統。借鑒系統功能分析的方法，結合已有產品對其加以功能結構分解，并根據其功能-組件間的鏈式關系及組件間的隸屬關系進行系統功能建模，構建相應的基礎功能模型——功能-組件鏈圖，如圖2所示。功能是產品存在的目的，功能的實現除了與產品自身結構有關外，還與超系統內其它關聯組件相關。為了較好地實現對產品自身蘊含的進化特性信息的挖掘，本文提出的方法正是在系統功能建模基礎上，從超系統和技術系統兩個方面對已有產品進行較為全面的功能激勵分析。進行技術系統分析，是為了實現其自身功能結構特性優化，增進其理想化水平。而引入超系統分析，其目的在于實現技術系統特性向超系統特性進化，進而實現超系統進化反向促進技術系統進化的作用。技術系統分析是功能激勵的主要內容，超系統分析是其有益補充。
本文提出的方法是從功能演化角度，綜合考慮功能、結構二因素的設計模式。因此，技術系統分析包含單組件操作、多組件操作兩個方面，超系統分析則采取賦予新的功能關聯關系的激勵模式。對于單組件而言，功能激勵主要是針對其承載功能加以改變操作；對于多組件，則從功能組合角度對其加以激勵操作。基于以上考慮，本文提出從多個角度進行功能激勵的分析策略，如圖3所示。
基于功能需求內生的產品概念設計
1超系統組件功能關聯
一般情況下，每一個超系統功能都是為了輔助產品技術系統內某個/某些功能的順利實現，即一個超系統功能肯定與系統內某個/某些功能存在相關關系，但通常并不是與所有功能都存在相關關系（關系十分薄弱/暫未發現其相關性）。且超系統功能間通常也存在很多不相關的情況。因此，這就給產品系統提供了不小的創新思考空間。超系統組件功能關聯分析正是基于對這一創新空間信息進行系統挖掘的創新策略。它通過選擇某個超系統功能，在與其不相關的某個系統功能（超系統功能、系統內功能）間建立起良性關系，使其變為相關。如此，便能創造出新的產品功能需求，進而產生新的產品創意。
這種相關分析主要通過以產品超系統功能為行，所有系統功能為列，而構建的系統功能相關性分析矩陣加以分析，如表1所示。其中，“1”表示功能間存在相關關系，“0”則代表不存在，“X”表示兩個功能相同（在此不予討論）。針對筆記本電腦功能創新實例，通過在“敲擊鍵盤”與“存儲電能”間建立起關聯（由0變為1），便激發出在使用者敲擊鍵盤的同時可以產生電能，并有效地將其儲存利用的新型節能筆記本電腦的創意。
2系統內單組件功能改變
系統內單組件功能改變分析主要針對技術系統內某一功能組件及其所承載的功能加以改變性操作，以激勵設計者產生新的想法。
（1）功能擴展
功能擴展主要針對系統內某一功能組件，通過賦予其新的功能，從而帶動其結構也發生相應的改變，進而形成能適應未來市場需求的新產品，如圖4a所示。擴展的功能主要通過超系統組件功能關聯分析得到，也包括由新的超系統組件引入而衍生得到的新需求功能。如在輪椅創新設計中，通過在超系統中引入臺階，以產生攀爬臺階的新功能需求，進而激勵產生帶越障功能的行星輪式車輪的創新方案。
（2）功能裁剪
功能裁剪主要是基于產品簡化及專用化的思想，通過裁剪掉鏈內的冗余功能或對特定應用環境可有可無的功能，甚至一些看上去不可或缺的功能，進而帶動鏈內其它關聯功能改變，以實現產品功能、結構、工藝等方面的簡化，得到更具市場競爭力的產品創意，屬于破壞性創新（DisruptiveInnovation）范疇，如圖4b所示。如可通過去除電視機的顯示圖像功能，以降低其生產及使用成本，使盲人得到相對物美價廉的新產品。
（3）功能分割
功能分割主要是對系統內某組件所承載的功能進行分割，以形成新的結構及新市場的產品創新模式，包括功能作用分割、功能量值分割兩種形式。功能作用分割是將組件上承載的多個功能進行分割，進而形成多個新功能單元，以促使功能組件向更趨于專業化、標準化的方向改進，如圖4c所示；功能量值分割主要將組件上承載的功能從量值上加以分割，以形成多個量值相同或不同的新功能單元，以促使功能組件向精準化、微控化等方向演進，如圖4d所示。如在顯示器演進道路上，通過對顯示內容加以分割，激勵產生了多顯示器協同顯示的超大顯示屏。
（4）功能替代
功能替代主要建立在技術進步或技術優化基礎上，在不影響產品主要功能實現前提下，通過將某組件所承載的功能利用更優的功能，或將發出某功能的組件用更優的組件加以替換操作，以帶動鏈內其它相關功能組件改變，進而實現產品整體性能優化的目的，如圖4e所示。例如，將精密機械移動替換成磁致伸縮移動的，高精密度顯微鏡玻片載物臺移動裝置創新設計方案。
3系統內多組件功能組合
系統內多組件功能組合分析主要是針對技術系統內多個組件間所承載的功能加以組合優化，以激勵設計者產生創新想法，進而推動產品功能-結構改進向理想化方向逼近而引入的創新策略。
（1）功能合并
功能合并主要建立在對相同或不同功能鏈中具有相近或相關功能的不同組件進行系統分析的基礎上，通過對其進行功能并處理操作，以實現功能、組件的高效利用，去除多余功能結構，實現產品功能結構優化的目的，演進過程如圖5a所示。通過這一處理，可使產品功能結構得到優化，經濟性、易操作性增強，提升其市場競爭力。如在冰箱制冰機創新設計中，將儲冰裝置內為定向輸送冰塊而進行的螺旋攪動操作，與為防止冰塊粘結而加入的反向攪動操作合并，便形成了定時雙向螺旋攪動裝置的設計方案。
（2）功能整合
功能整合主要基于合理化配置的思想，對多組件間承載的多個功能進行優化整合處理，進而帶動結構上的優化整合，以增強其系統性、經濟性、適用性等綜合性能，形成新的競爭優勢，這一過程如圖5b所示。例如，在輪椅創新設計中，通過對各組件間所承載的功能進行整合處理，最終得到利用汽缸結構實現自動調節升降高度及靠背角度調節功能，利用行星輪結構實現越障、行進功能，利用套扣結構實現可變形（變身為擔架）功能等集多種實用功能于一體的新型多功能輪椅的改進方案。
（3）功能捆綁
功能捆綁主要是對功能-組件鏈圖中功能作用密集的組件加以分析，將作用于該組件的功能，以及鏈內其它相關功能進行打包組合；然后，采取反問“引入該功能目的”的思考形式，探求這些功能的本質（設計需求）；最后，對這些設計目的加以組合優化處理，并進行相應的功能性再設計，激勵產生新的功能配置方案，實現功能集成進化，如圖5c所示。這一過程通常會伴隨新功能的產生，可有效帶動產品結構產生較為全面的進化，進而得到更具市場競爭優勢的創新產品。例如，將冰箱制冰機儲冰裝置的儲冰功能與制冰裝置的儲水功能，以及輸冰裝置的定向輸送功能加以捆綁，激勵得到傳輸帶式制冰機的創新方案。
4功能需求內生式產品概念設計過程
本文提出的方法應用的關鍵在于合理利用上述激勵策略進行功能激勵分析。將這種方法與計算機輔助創新設計模式相結合，構建的產品概念設計過程模型如圖6所示。這一過程主要包含系統功能建模、功能激勵分析、概念方案生成、方案優化評價四大分析模塊。具體操作步驟描述如下：
步驟1產品組件、功能錄入。結合已有產品對其進行功能結構分解，提取并錄入產品功能組件及其所承載的功能。
步驟2功能-組件鏈圖構建。針對步驟1的錄入結果，構建相應的產品功能-組件鏈圖，并適時對錄入的功能、組件加以調整。
步驟3多角度激勵分析。結合功能-組件鏈圖及在此基礎上生成的功能相關矩陣，從三大分析角度出發，利用對應的分析策略進行遍歷式分析，以得到多個功能改進方向，形成相應的功能需求信息集。
步驟4概念方案求解。針對上一步分析得到的功能需求信息利用FBS方法進行知識資源檢索，以映射得到相應的原理解。
步驟5領域具體化分析。結合得到的原理解及已有產品進行具體化分析，使之轉化為相應的產品創新方案。這一步是結合獲取的知識資源進行創造性思維的階段，是新知識生成的過程。
步驟6方案優化評價。此步操作主要通過對生成的方案做進一步探討，借鑒功能跟隨形式（FunctionFollowForms）原理發現新產品的潛在應用市場，并結合已有信息及設計經驗對方案加以優化評價，進而得到創新性、實用性及可實現性相對較好的產品創新方案。
5功能模塊實現
產品創新是市場需求與技術實現對立統一的過程，是創新主體與現代設計技術有機協同的設計過程，是以知識為基礎，以獲取及創造新知識為核心的知識物化過程。本文基于提出的多角度功能激勵的設計思想，融合認知科學、信息技術及創新設計理論，實現了該功能模塊。其體系架構如圖7所示，包含交互層、推理層、資源層。
（1）交互層是實現人機交互的重要單元，主要給用戶提供一個友好的交互界面，提供信息輸入、輸出接口，并對整個設計過程加以可視化。其中，也包含管理員對系統及知識庫進行的日常維護操作。
（2）推理層主要根據設計過程中用戶輸入的設計信息，為其提供所需的設計原理及過程推理方法支持。該層除了系統功能建模、功能激勵分析等人機交互式信息操作單元外，還包括信息轉換、映射求解、評價計算等多個采用推理機形式，通過調用相應的知識資源，以實現創新信息映射轉換的智能操作單元。信息轉換單元主要采用自然語義與基于規則推理的形式，對功能激勵結果加以標準化轉換；映射求解單元利用FBS方法，對生成的標準化信息進行概念求解；評價計算單元則是根據輸入的評價信息，利用一定的評價規則對方案加以量化比較，以篩選得到相對較優的設計方案。
（3）資源層主要為概念設計過程提供知識支持，包括本體庫、效應庫、評價庫等多個知識單元。
系統內的效應庫、專利庫等知識庫主要采用功能基的形式加以組織，并提供基于自然語義的Internet3應用實例冰箱通常都在冷凍室內裝一制冰裝置，其制冰的工作原理與大型制冰機一樣。制冰裝置的上面部分放置有普通的柵格式盒子。往盒子里倒上水，冷凍一定時間后，再由一個特制的帶有蝸桿減速器的電機把盒子翻轉。當盒子幾乎朝下時，盒子的另外一邊就頂到了專門的凸出部位上。盒子傾斜后，冰塊就能實現與內壁相分離，往下脫落，并掉到收集器中。這一加工過程一直會持續到收集器裝滿冰塊為止，如圖8所示。但這種制冰裝置也存在很多問題，如占用空間較大，工作震動、噪聲大等問題，迫切需要對其加以改進。運用本文提出的方法進行創新分析，具體步驟如下：
步驟1通過選擇已有的制冰裝置作為基礎產品，對其進行功能結構分解，錄入電機1、連桿、制冷裝置、驅動減速器1、轉動冰盒等產品組件及功能信息。
步驟2結合已有產品，并針對錄入結果對制冰機進行系統建模，構建相應的產品功能-組件鏈圖（如圖9）。
步驟3根據超系統功能與所有功能間的關系，建立起相應的制冰機功能相關矩陣，如表2所示。并針對矩陣進行超系統組件功能關聯分析，如通過在“提供水”與“轉動冰層推桿”之間建立起關聯，提出在“轉動冰層推桿”時，根據其受到的阻力大小，實時控制是否“提供水”的創意；在“提供水”與“儲存2冰塊”間建立關聯，提出只有當開始“儲存2冰塊”操作時，機器才“提供水”的新需求。針對鏈圖，從系統內單組件功能改變、系統內多組件功能組合兩個角度進行激勵分析。如圖10所示，經功能裁剪分析，提出去除攪拌器“攪拌2冰塊”操作的創意，以減小裝置的控制復雜程度；經功能合并分析，并根據經其它激勵操作得到的設計過程信息，提出將驅動撥冰裝置葉輪轉動的“轉動連桿”功能與驅動傳輸帶轉動的“轉動轉軸”功能加以合并的新需求，以在一定程度上實現結構簡化；經功能捆綁分析，將冰盒的“儲存水”功能、儲冰器的“儲存冰塊”功能和攪拌器“輸送冰塊”等多個功能加以捆綁，激勵產生要設計一個既能“儲存水及冰塊”，又能“按需定向輸送冰塊”的集成化裝置的想法。
步驟4通過以上遍歷式創新分析，生成“輸送冰塊”、“轉動轉軸”等多個功能需求。對其進行相應的知識檢索，得到“一種提高冰淇淋抗融性的乳化劑以及用其制備的冰淇淋”、“超薄潛水數顯磁力攪拌器”、“物料輸送螺旋機構”等知識。
步驟5結合已有產品，對步驟4得到的原理解進行具體化思考，進而產生“在儲冰盒內增加可溶且可食用的抗融泡沫添加劑”、“用磁力攪拌器代替機械攪拌”、“采用多柵格式制冰、儲冰裝置，且伴隨傳送帶輸送，出冰口處受扭曲力和重力作用而自動脫落”等多個概念方案，如圖11所示。
步驟6結合已有設計經驗及企業實際情況，對以上分析得到的多個概念方案進行初步評價篩選，并進行合理的市場定位，去除可實現性低、經濟性差、創新性不高的噪聲方案。然后，再對剩余的創新想法做進一步組合優化分析，以得到最終制冰機改進方案。即采用一種柵格式的傳輸帶式結構，將其直接放在冷凍室的頂部沿著圓周運動，并采用一個帶葉輪的旋轉裝置，以頂出柵格內的冰塊，供用戶食用；且儲水罐的“提供水”功能也與傳輸帶的運行建立起相應的控制關系，使滴水速度與柵格制冰、儲冰速度保持同步。改進后的制冰機系統工作過程如圖12所示。其去除了原有的冷藏室，縮減了工作空間，部分消除了收集、儲存冰塊所帶來的各種不便，并通過合理調節傳輸帶的運行速度，可實現按用戶需求持續提供冰塊等優勢。
第2篇
摘要：隨著人民生活水平的提高和科學技術的發展，住宅樓電氣的設計建設也應跟上時代的步伐。簡述現代住宅樓電設計中應注意的幾個問題。
關鍵詞：住宅；電氣設計；方向
隨著我國社會經濟的發展，人民生活水平的極大提高，各類家用電器逐漸增多，特別是空調、大熒屏彩電等大功率電器進入普通家庭，使住宅設計由原來純照明向多功能的方向發展。
1住宅用電負荷的預測
住宅面積分為三類：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電負荷500W，娛樂用電(包括電視機、音響、電腦等)負荷950W，廚房用電(包括電飯煲、電熱開水器等)負荷3500W，衛生間用電(洗衣機、排氣扇)負荷1170W，空調用電負荷2250W，綜合上述各類用電負荷共8370W，中型住宅乘1.3系數10881W，大型住宅乘2.6系數21762W。根據統計調查，一般住宅用電負荷的高峰期是夏天晚飯后的時間，這時用電負荷有：電視、電冰箱、電熱開水器、消毒碗柜、電腦、空調，共有住宅用電負荷的40%，查設計手冊得需要系數0.4~0.6，所以根據實際情況，我們設計時取0.4系數便可以，則小型住宅負荷計算取3.5kW，中型住宅負荷計算取4.5kW，大型住宅負荷計算取8.5kW即可。
2住宅的電源與配電系統
一般住宅供電由小區變配電所引入，應采用三相四線（TN-C系統），經重復接地后進入單元總電表開關箱，改成三相五線制（TN-S系統）后再放射到各用戶，配電箱中應有短路、過載、漏電保護，斷路器應選用能同時切斷相線——中性線的斷路器。住宅用電負荷計量應采用一戶一表制，建議將單元總開關及分戶電能表集中設置以便管理。戶內配電系統：隨著家用電器的增多，為避免電氣線路過載和降低諧波電壓的影響，戶內配電系統應采用多回路形式，至少應設照明回路、一般插座回路和空調回路，如實際需要也可將廚房和淋浴室設為單獨回路。此外考慮到家庭辦公和信息化的發展，還應增加一條專用回路。
3導線及電器設備的選擇
室內外導線及電器設備的選擇合理與否，直接關系到住宅用電的安全及經濟效益，因而必須在工程設計中合理選用導線和有關電器設備。
3.1導線的選擇
導線的選擇主要是確定導線的型號和規格，其原則是既能保證配電的質量與安全又能節省材料，做到既經濟又合理。其中導線型號應按使用工作電壓及敷設環境來選擇；導線的規格（導線截面）可按下列要求進行選擇：
（1）有足夠的機械強度。為防止出現斷線事故，導線必須有足夠的機械強度，一般照明回路計算電流較小時（＜10A），其導線都應按機械強度選擇。
（2）能確保導線安全運行。選擇導線時應保證其安全電流大于長期最大負載電流，同時應注意以下幾點：
a.在選擇進戶線及干線截面時應留有適當余量；
b.單相制中的中性線應與相線截面相同；
c.三相四線制中的中性線載流量不應小于線路中的最大不平衡負荷電流。用于接中性線保護的中性線，其電導不應小于該線路相線電導的50%，氣體放電燈的照明線路因受三次諧波電流的影響，其中性線截面應按最大一相電流選用。
（3）能確保電壓質量。對于住宅建筑來說，電源引入端至負荷末端的線路電壓損失不應大于2.5%，如線路電壓損失值大于規定電壓損失允許值，應加大導線截面以保證線路的電壓質量。
總之，在選擇導線時要考慮實際使用及未來發展需要，適當留有余量，減少電壓損失，保證導線使用的安全可靠和經濟有效。
3.2電器設備的選擇
電器設備主要指電源配電箱、電表、控制開關、漏電保護開關及電源插座等。電器設備的選擇合理與否直接影響工程的質量。選用時應根據住宅的負荷情況、安裝要求、使用環境、設備的工作電壓和工作電流等合理選擇電器設備的型號規格，注意設備的容量等級寧大勿小，但又要避免選得過大造成浪費，一般來說在計算工作電流的基礎上選大一級即可。為確保其質量，應選用符合國際電工委員會IEC標準和國內GB、JB有關行業標準，并具有產品質量認可證書的電器產品。總之，電器設備的選擇盡可能做到安全可靠和經濟合理。
4防雷與接地
4.1防雷內容與措施
防雷內容一般可分為：防直擊雷，防感應雷及防高電位入侵三個內容。就防直擊雷而言，一般是在屋面易受雷擊部位安裝接閃器，然后通過引下線與接地電阻很小的接地裝置可靠連接，安裝時要注意屋面突出的金屬部件與避雷針、帶、網應全部可靠連接。目前一般利用屋面板鋼筋作為避雷網，柱主鋼筋作為引下線，基礎鋼筋作為接地裝置，這是較為實用經濟的作法。為了防止感應雷和高電位入侵的危害，可在電纜進出戶處將絕緣子的鐵腳支架可靠接地，同時安裝避雷器或其它型式的過電壓保護器。此外要強調進行等電位聯結，也就是在設計施工中要把建筑物內、附近的所有金屬物用電氣的方法連接起來使整座建筑物空間成為一個良好的等電位體，這樣能有效地降低建筑物內部和附近不同金屬部件間的電位差，從而避免內部的設備被高電位反擊和人被雷擊的事故。
4.2安全接地的形式與要求
在住宅電氣設計建設中為確保電器設備和人身安全務必做好用電系統的安全接地。目前我國的住宅配電系統方式一般有三種：TT、TN-C-S和TN-S系統，在進行設計施工時可根據實際情況選擇接地系統。以下著重談談住宅配電系統中的保護接地。
在中性點不接地的低壓供電系統中，電氣設備必須保護接地，接地電阻R≤4Ω。在中性點直接接地的低壓供電系統中既可采用保護接地，也可采用保護接中性線。為確保接中性線保護系統的安全可靠，必須將中性線干線或支線的終端再次接地，這稱為重復接地。重復接地有以下作用：增大流過線路保護裝置的電流使其加速動作，從而減輕或避免事故的發生；設置重復接地后可降低漏電設備的對地電壓，減少觸電的危險程度。為確保接中性線保護的安全可靠，按規定必須做到以下幾點：（1）重復接地的接地電阻必須小于10Ω；（2）保護接中性線的其電導不得小于線路中相線電導的一半；（3）在任何情況下，同一供電系統中不可一部分電氣設備采用“保護接地”，另一部份采用“保護接中性線”；（4）用于接中性線保護的中性線不能安裝帶熔絲的開關或熔斷器。
此外，隨著家用電器的增多及智能化的發展，應作好防靜電接地和屏蔽接地工作。
5消防系統
大型現代住宅中由于電氣設備越多就越容易發生火災，因此應安裝完善的消防系統。大型現代住宅在電氣消防方面應做到以下幾點：
（1）供電電源應采用兩路方式，一路為市電電源，另一路為應急電源；
（2）有應急照明系統；
（3）應用手動響鳴火警警報系統，如可能，可加裝火災自動報警系統；
（4）開關和導線應選用符合防火規范的開關和阻燃型的電線電纜。
6智能化發展
第3篇
電子式多功能電能表主要針對國內市場三相用電的工業用戶。隨著電力行業改革深入,工業三相用電對多功能電能表的需求大量增加。目前國內多功能表種類少、價格較高、功能不完善,往往僅是針對某些地區的特定要求開發,缺乏通用性,某些產品未能完全達到國標的要求。本文介紹的電子式多功能電能表正是為了適應這種市場需求而設計的。
這是一款智能型高科技電能計量產品,該表可以同時計量正/反向有功電能、正/反向無功電能、四象限無功電能,還具有多費率控制,負荷曲線記錄,各相失壓、過壓、頻率超限記錄,數據LCD顯示等多種功能。主站可以通過RS-485總線或手持紅外抄表器對該電表進行查表、設表、抄表等操作。
軟件代碼全部采用C/C++語言編寫,編碼效率高,可維護性好,便于實現模塊化設計,可根據用戶的需求方便地對功能模塊進行裁剪。而且代碼經過優化,其生成的目標代碼大小和執行效率已與匯編代碼相差無幾。該產品的技術指標全面符合GB/T17215-1998《1級和2級靜止式交流有功電度表》、DL/T614-1997《多功能電能表》和DL/T645—1997《多功能電能表通信規約》的要求。
多功能電能表的總體結構和硬件設計
多功能表總體結構
電子式多功能電能表硬件的核心MCU主控制器,它負責按鍵輸入掃描、工作狀態檢測,計量數據的讀入、計算和存儲、電表參數的現場配置以及與外界的通信控制等。其主要功能單元包括MCU主控制器單元、電量計量模塊、紅外和RS—485通信模塊、校表模塊、EEPROM存儲陣列等;其他輔助模塊主要有:時鐘日歷電路、工作異常報警電路、按鍵輸入電路、復位和看門狗電路、開關電源模塊和后備電池電路、大屏幕液晶顯示模塊和LED顯示模塊。多功能表總體結構框圖如圖1所示。
高性能主控制器單元
主控制器采用NEC公司8位單片機中的高檔產品uPD78P0338。該款單片機為120腳QFP封裝,單片集成有60KBFlash、一個異步通信串行口、40x4段LCD驅動器、高達10MHz的總線時鐘和10路10位精度的ADC,并可通過簡單的接口進行在系統編程,極大地方便在線調試和軟件升級。并且支持高級語言,較好地滿足了多功能表任務繁多、數據量龐大、算法較復雜的功能要求。
串口復用通信單元
通信電路模塊主要包括TSOPl838紅外接收頭、紅外發射二極管、載波電路、MAX487專用485收發電路、驅動/開關二極管和其他元件。
本電能表為便于用戶抄表,設計有紅外本地抄表和RS-485集中抄表兩種串行抄表方式,因為uPD78F0338僅有一個串口,故通信電路設計時采用串口復用技術。由9012、9014和若干電阻等器件組成互補開關,由MCU的一個I/O口來控制紅外和RS-485通信方式的切換,如圖2所示。
高精度電量計量模塊
計量模塊由高精度專用電能計量芯片SA9904,電流互感器和其他電路元件組成。SA9904是Sames公司生產的一款三相雙向功率/電能計量芯片,可以計量有功/無功功率、電壓、頻率、相序異常等,可以單獨計量每一相的用電信息,符合IEC521/1036標準,可達到1級交流電能表的精度要求,各數據寄存器具有24位精度,可通過三線SPI接口與CPU交換數據。從而可以較好地適應多功能表需要計量多種電量數據的要求。SA9904引腳及其電路圖如圖3所示。
其中,CLK、DO、DI構成與MCU控制器的接口,用于傳輸控制命令和測得的電量數據,IIps、IIPt、IIPr用來對電流取樣,IVPl、IVP2、IVP3用來對電壓取樣。
時鐘日歷模塊
時鐘電路采用EPSON生產的RTC-4553實時時鐘芯片。內部集成了32.768kHz的石英晶體振蕩器,簡化電路,并可以根據需要進行自由設置以得到較高的頻率;同時集成有時鐘和日歷計數器,可選擇24或12小時顯示模式,時鐘可通過軟件方式進行間隔30秒的調整,并提供0.1Hz或1024Hz的定時脈沖輸出,以便于在電能表的外部對時鐘精度進行定期檢查。RTC-4553引腳及其電路圖如圖4所示。其中,SCK、Sin、Sout與主處理器接口,用于發送控制指令或者傳輸日期時間數據,本系統日歷時鐘模塊采用電池作后備電源,以確保在停電狀態下,日期時間的準確無誤。
多功能電能表的軟件設計
數據結構設計
多功能電能表涉及的數據類型種類繁多。按字節分包括單字節、雙字節、三字節、四字節和六字節等,按表征的意義分有時間、時刻、電壓、電流、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、次數、功率因數、門限、狀態字、系數、表號等。復雜的數據類型對數據結構的設計提出了較高的要求,本實現方案通過采用多種數據尋址方式和多種類型存儲器較好地解決了這一問題。
數據結構設計要點
系統的數據存放方式有:內部ROM、RAM和外掛EEPROM。
內部ROM用來存放大量的常數表格,RAM用于存放臨時變量和堆棧,本方案需要2.5KB左右的RAM,串行EEPROM則存儲各種用戶電量數據和設表參數,通過12C總線與CPU交換數據,電能表按設計需求的最大要求大約需要250KB的EEPROM,本方案采用8片256位EEPROM通過級聯來實現。
數據尋址方式
EEPROM數據訪問采用兩種方式;直接地址訪問,通過數據的EEPROM地址直接讀寫數據;數據ID尋址,通過數據的編碼讀寫數據。
通信口復用功能設計
紅外通信和RS-485共用一個串行口(RxD/TxD)通信,由于串行口通信開始都有一低電平位(0),因此將紅外接收端(與485接收端用一三極管隔開)引到一中斷引腳INTP1,通過其引發的中斷可判斷串行口數據是否來自紅外。發送時按時應方式發送,使其不互相干擾。由于紅外通信和遙控接收用同一接收管,因此在判斷紅外來源的中斷中啟動定時器INTTM4檢測紅外接收端,如果檢測到脈沖寬度為9ms或0.56ms,則判斷為紅外遙控,并根據定時檢測遙控編碼;否則判斷為紅外產生的串行口接收中斷,并將定時檢測關閉。
紅外38.4kHz調制信號由CPU內部分頻輸出(P05/PCL)。f=fx/27=4.9152/128=38.4kHz。
因紅外發送字節之間可選有15～20ms的延時,而485通信則不需要延時。數據發送在發送中斷中進行,紅外通信在發送操作后立即關閉發送中斷允許,待延時時間到后再允許發送中斷。
多功能表程序流程圖
