Стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов работы интеллектуальных счетчиков электрической энергии
MICROCONTROLLER STAND FOR STUDYING AND RESEARCHING THE OPERATION ALGORITHMS OF SMART ELECTRICITY METERS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, электроники и радиотехники и может быть использовано для проведения учебных лабораторных работ и научных исследований в указанной области. Современные интеллектуальные счетчики электрической энергии (ИСЭЭ) наделены функциями встраиваемых вычислительных систем, в т.ч. и функциями обмена информацией по раиоканалам с удаленными микропроцессорными системами контроля и управления. Разработка и совершенствование ИСЭЭ невозможны без изучения и исследования алгоритмов их работы, в т.ч. и алгоритмов работы средств обмена данными по радиоканалам ISM диапазонов.
Уровень техники
Известен стенд для изучения микроконтроллерных систем управления, содержащий плату контроллера, на которой установлен микроконтроллер, постоянное и оперативное запоминающие устройства, преобразователь интерфейса передачи данных, а также группу интерфейсных устройств, состоящую из блока клавиатуры и блока индикации, связанных с определенными выводами микроконтроллера. По сети внешнего информационного обмена осуществляется связь микроконтроллера с компьютером, на котором подготавливается и с которого загружается отлаживаемая программа для микроконтроллера. (Лукичев А.Н. Расширение возможностей лабораторного комплекса SDK-1.1 // Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). Выпуск 10. Информация и управление в технических системах. - СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2003. С. 86-90).
Недостатки известного решения — ограничены функциональные возможности, стенд не позволяет изучать и исследовать алгоритмы работы ИСЭЭ и передачу информации по радиоканалам ISM-диапазона с использованием радиомодулей, управляемых микроконтроллерами.
Известен стенд для изучения микроконтроллерных систем управления, содержащий плату контроллера, на которой установлен микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство и преобразователь интерфейса передачи данных, служащий для связи с внешними устройствами, а также группу пользовательских интерфейсных устройств, состоящую из блока клавиатуры и блока индикации, группу периферийных тестовых и имитирующих устройств, состоящую из источника гармонических сигналов с регулируемой амплитудой и частотой, источника импульсных сигналов с регулируемой частотой и скважностью, потенциометра и интегрирующего RC-звена первого порядка с изменяемыми параметрами, а также коммутационное поле, первая группа выводов которого связана с выводами микроконтроллера, вторая группа выводов связана с выводами указанных пользовательских интерфейсных устройств, а третья группа выводов связана с выводами указанных тестовых и имитирующих устройств. (Патент  РФ № 2 402 882, опубл. 27.10.2010 Бюл. № 30, МПК G09B 23/18).
Недостатки известного решения — ограничены функциональные возможности, стенд не позволяет изучать и исследовать алгоритмы работы ИСЭЭ и передачу информации по радиоканалам ISM-диапазона с использованием управляемых микроконтроллерами радиомодулей.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое за прототип, является стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов цифровой модуляции, используемой в цифровом телерадиовещании и в системах мобильной связи, содержащий компьютер, первое, второе и третье микроконтроллерное устройство (МКУ), блок индикации, блок имитирующих устройств, первый и второй цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), первый, второй и третий усилители, первую, вторую и третью антенны, программатор, при этом, компьютер подключен через цифровые интерфейсы к второму и третьему МКУ, к цифровым выходам первого и второго МКУ подключены, соответственно, первый и второй ЦАПы, выходы которых подключены к входам, соответственно, первого и второго усилителей, выходы которых подключены, соответственно, к первой и второй антеннам, третья антенна подключена к входу третьего усилителя, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) встроенного в микроконтроллер третьего МКУ, цифровые выходы которого подключены к блоку индикации. Первый, второй и третий усилители выполнены на базе операционных усилителей. (Патент  РФ № 2 656 974, опубл. 07.06.2018 Бюл. № 16, МПК G09B 23/18).
Недостатки известного решения — ограничены функциональные возможности, стенд не позволяет изучать и исследовать алгоритмы работы ИСЭЭ и передачу информации по радиоканалам ISM диапазона с использованием радиомодулей управляемых микроконтроллерами.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей, которые позволяют изучать и исследовать алгоритмы работы современных ИСЭЭ и обмен данными, с использованием управляемых микроконтроллерами  радиомодулей ISM диапазонов.
Технический результат достигается тем, что стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов работы ИСЭЭ, содержащий компьютер, первое, второе и третье МКУ, первый и второй ЦАП, программатор, блок индикации, при этом компьютер подключен через цифровой интерфейс к первому, второму и третьему  МКУ, к цифровым выходам первого и второго МКУ подключены, соответственно, первый и второй ЦАПы, цифровые выходы третьего МКУ подключены к блоку индикации, выход программатора подключен к входам программирования первого, второго и третьего МКУ, отличающийся тем, что стенд дополнительно содержит, четвертое МКУ, двухканальный генератор сигналов, первый и второй радиомодули, при этом, компьютер подключен через цифровой интерфейс к четвертому МКУ, выход программатора подключен к входу программирования четвертого МКУ, выводы третьего МКУ подключены в выводам первого радиомодуля, выводы четвертого МКУ подключены в выводам второго радиомодуля, выходы первого и второго ЦАП подключены, соответственно к первому и второму входам АЦП, встроенного в микроконтроллер третьего МКУ, первый и второй выходные каналы двухканального генератора сигналов подключены, соответственно, к третьему и четвертому входам АЦП,  встроенного в микроконтроллер третьего МКУ, цифровой выход первого МКУ подключен к цифровому входу четвертого МКУ, выход программатора снабжен разъемом, позволяющим подключать его к входам программирования любого из четырех МКУ, которые выполнены на базе устройства Arduino Uno.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлена структурная схема стенда микроконтроллерного для изучения и исследования алгоритмов работы ИСЭЭ.
Осуществление изобретения
Стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов работы ИСЭЭ  содержит (чертеж): компьютер 1, первое МКУ 2, второе МКУ 3, третье МКУ 4, первый ЦАП 5, второй ЦАП 6, программатор 7, блок индикации 8, четвертое МКУ 9, генератор сигналов 10 (двухканальный), первый радиомодуль 11, второй радиомодуль 12.
Генератор сигналов 10 представляет собой генератор сигналов разнообразной формы и предназначен для специалистов, проводящих поверку контрольно-измерительной аппаратуры. Радиомодули  11 и 12,  ISM диапазонов, выпускаемые многими компаниями.
Компьютер 1 подключен, через цифровые интерфейсы, например USB интерфейс, к первому МКУ 2, второму МКУ 3, третьему МКУ 4 и четвертому МКУ 9. К цифровым выходам первого МКУ 2 и второго МКУ 3 подключены, соответственно, первый ЦАП 5 и второй ЦАП 6, выходы которых подключены, соответственно к первому и второму входам многоканального АЦП, встроенного в микроконтроллер третьего МКУ 4, цифровые выходы третьего МКУ 4 подключены к блоку индикации 8. Выход программатора снабжен разъемом, позволяющим подключать его к входам программирования любого из четырех МКУ, цифровой выход первого МКУ 2 подключен к цифровому входу четвертого МКУ 5 и предназначен для синхронизации работы этих МКУ.
Первый МКУ 2 и второй МКУ 3, а также двухканальный генератор сигналов 10 предназначены для формирования сигналов имитирующих сигналы датчиков напряжения и тока. Третий МКУ 4 предназначен для имитации микропроцессорного ядра ИСЭЭ. Первый 11 и второй 12 радиомодули, а также четвертый МКУ 5 предназначены для обмена информацией, или в простейшем случае только для передачи результатов обработки информации от третьего МКУ 4 по радиоканалу ISM диапазона в четвертый МКУ 5, которое предназначено для имитации устройства сбора данных от ИСЭЭ.
Стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов работы ИСЭЭ работает следующим образом.
Пользователь разрабатывает программу с использованием компьютера 1 на модифицированном языке Си в среде, например, IDE ARDUINO и загружает ее в программную память микроконтроллеров первого МКУ 2 и второго МКУ 3. Обе программы реализуют алгоритм формирования двоичных кодов во времени, при выводе которых на входы ЦАП 5 и ЦАП 6  на выходах, последних формируются синусоидальные сигналы, которые могут быть смещены на определенный угол или формироваться синхронно, благодаря введению связи через цифровые выводы первого МКУ 2 и второго МКУ 3 для их синхронизации. Данная функция введена для моделирования  отставания/опережения тока от напряжения в сетях имеющих реактивные нагрузки (емкостные/индуктивные).
Микроконтроллер третьего МКУ 4 преобразует с помощью встроенного АЦП аналоговые сигналы от ЦАП 5 и ЦАП 6 в цифровые, обрабатывает и выполняет алгоритмы вычисления “потребленной электрической энергии”. Первое МКУ 2 формирует сигнал моделирующий напряжение сети переменного тока, второе МКУ 3 формирует сигнал моделирующий ток текущий через нагрузку, подключенную к этой сети.
Аналогичный алгоритм выполняет этот же микроконтроллер третьего МКУ 4 при обработке сигналов поступающих на третий и четвертый входы его АЦП от первого и второго каналов генератора сигналов 10. Генератор сигналов 10 играет роль эталонного прибора, благодаря которому можно оценить алгоритмы, реализуемые МКУ 2 и МКУ 3 с целью выяснения и устранения возможных ошибок в их программах.
Результаты вычисления “потребленной электрической энергии” третье МКУ 4 выводит на цифровой индикатор 8 и дополнительно отправляет в первый радиомодуль 11, четвертое МКУ 5 принимает данные от радиомодуля 12, полученные им по радиоканалу ISM-диапазона от радиомодуля 11. Данные принятые четверным МКУ 5 от третьего МКУ 4 могут быть выведены на монитор компьютера 1, сохранены и обработаны, а также выведены в графической форме с использованием функции «Плоттер по последовательному соединению», которую содержит IDE Arduino, что позволит наблюдать визуально, как изменяется “потребление электрической энергии” во времени.
На монитор компьютера 1 может быть выведена информация от любого из четырех МКУ. Эта информация может быть представлена десятичными цифрами эквивалентными двоичным кодам, отражающим данные необходимые для анализа и синтеза алгоритмов работы, как стенда, так и третьего МКУ 4. В качестве программатора 7 может быть использован программатор фирмы Atmel, например, AVRISPmkII.
Предлагаемое техническое решение по сравнению с аналогами и прототипом имеет дополнительные функциональные возможности изучения и исследования алгоритмов реализуемых современными ИСЭЭ, в т.ч и обмен данными с использованием управляемых микроконтроллерами радиомодулей ISM диапазонов, применяемых для построения современных систем контроля и управления.