基于载波通信的三相智能电表的设计 摘要 智能电表作为电能数据采集的基础设备，在智能电网的建设中起着非常关键的作用。智能电表要求具备原始电能数据采集、测量和数据传输的功能。随着智能电网的发展，对智能电表提出了新的要求。由于越来越多的非线性负荷接入电网，导致电网中产生谐波污染，不仅浪费电能还给电力部门带来一定的经济损失。因此，具有谐波检侧功能的智能电表应运而生：随着国家节能减排的号召，为了提高居民节约用电意识，分时复费电价被提出已在部分地区实施应用，这要求电表具有分时计费功能。同时为提高用户用电的便捷，电力公司和用户间的双向通信也受到更多的关注。

课题基于徽处理器 STM32 强大的数据处理能力，配合电能采集电路及主控制器 STM32 外围电路，实现智能电表的电能计量功能、分时电价功能、双向通信功能与谐波检测功能。课题研究了 FFT 对谐波分析中的作用，将插值加窗的 FFT算法用于谐波分析，减小了频谱泄漏和栅栏效应带来的误差影响。

课题主要完成了智能电表硬件与软件程序的设计，硬件电路主要设计了电压、电流采集电路、 ADC 采样电路、 RS-485 通信电路等。通过利用MATLAB 仿真软件，用加窗插值的 FFT 算法对谐波信号进行了仿真分析，并验证该算法对谐波分析的准确性。最后搭建实验平台对智能电表进行了调试。

关键词：智能电表；
载波通信；
STM32；
谐波分析；
FFThttps://fanyi.sogou.com/javascript：; abstract As the basic equipment of electric energy data collection, smart meter plays a very key role in the construction of smart grid. Smart meters are required to have the functions of collecting, measuring and transmitting raw power data. With the development of smart grid, new requirements are put forward for smart meters. As more and more nonlinear loads are connected to the power grid, harmonic pollution is generated in the power grid, which not only wastes electric energy but also brings certain economic losses to the power sector. Therefore, smart meters with harmonic detection function have emerged at the historic moment: with the call of national energy conservation and emission reduction, in order to improve residents＇ awareness of saving electricity, time-of-use electricity price has been proposed to be applied in some areas, which requires the meters to have time-of-use charging function. At the same time, in order to improve the convenience of users, two-way communication between power companies and users has also received more attention. The subject is based on the powerful data processing capability of the smart meter STM32, which is combined with the power acquisition circuit and the peripheral circuit of the main controller STM32 to realize the power metering function, time-of-use electricity price function, two-way communication function and harmonic detection function of the smart meter. In this paper, the effect of FFT on harmonic analysis is studied, and the interpolation and windowing FFT algorithm is applied to harmonic analysis to reduce the influence of spectrum leakage and error caused by fence effect. The subject mainly completed the design of hardware and software program of smart meter. The hardware circuit mainly designed voltage and current acquisition circuit, ADC sampling circuit, RS-485 communication circuit, etc. By using MATLAB simulation software, the harmonic signal is simulated and analyzed by FFT algorithm with windowed interpolation, and the accuracy of harmonic analysis by this algorithm is verified. Finally, an experimental platform was built to debug the smart meter. Key words：Smart meters; Carrier communication；
STM32；
harmonic analysis；
FFT 第一章、绪论 1.1引言 最近几年我国经济态势呈现出相对快速发展的趋势，工业信息化的兴起，正在为21世纪注入新的生机与活力。在此过程中引起了各个领域的相关人员足够的重视，电能的切实有效利用成为当今发展的重中之重，传统形式的能源已经不能满足各行各业进一步发展的需要，尤其是在环境污染方面需要相对节能环保的能源出现。电能在工业领域的有效应用，在一定程度上可以促使社会朝着和谐稳态层次进行长足性发展，不仅能将相应的污染有效降到最低，而且能够无限满足物质文明发展的需要。电动机本身就可以称之为一种相对较为绿色的能源形式，在之前的应用过程当中，一直很受青睐。在相应的科学技术稳步提升的背景下，企业呈现出逐步规模集成与网络现代化以及更加智能自动化，尤其对智能电网的开发，在一定程度上较相应的传统电力行业更加切实有效。不仅在操作便捷方面，而且在使用安全性方面都得到切实可靠的应用，随着相关智能电网技术不断完善，使人类的日常生活变的更为便捷，而且具有一定的节能环保性功效。

智能电表的出现，可以说占据着智能电网当中重中之重的地位。凭借着传统形式电表的基础技术不断更新与完善融入一系列智能化因素从而形成所谓的智能电表，其所具有的特性可以归结为在一定程度上更加稳定可靠操作方面更为精准，可以说他是明确用户以及电力部门实际利益的化身，传统形式的电表主要集中于电磁式在与之相比之下，可以有效降低人工抄表的工作量，除此之外也可以有效避免电表老化所产生的抄表误差，精度方面更加准确，前稳定可靠。新型智能性的电表，有效开发以后，不仅在用电计量功能上具有传统形式的保留，还集成了一系列电力信息存储功能，比如一系列多种形式的费用核算、客户端自定义 控制以及相互之间的双向通信等层面。新型的智能电表可以说是智能电网的终极形式的智能终端，在电能切实有效利用方面承载的重中之重的方向。

智能电网的研究趋势在不断朝着前沿性以及智能性发展，在此过程中就需要相应电表具有一定的相对较为精准稳定可靠的计量方式。电力电子的相关发展呈现出逐步日趋完善的趋势，在非线性负荷方面在电网当中也是比比皆是，在此过程中谐波电流以及电压的形式也是呈现出不断上升的趋势，在这一系列发展需要的过程当中，便会造成一定的谐波污染。不仅在一定程度上带来相应的电能无形浪费直接导致相关电力部门的经济效益蒙受折损。在这样的前提背景之下，必须有效研制出一种具有谐波检测功效的智能电表产出，国家日益加强在节能减排方面的声明，在此过程中还出台了一系列电费梯度征收的政策，其目的在于有效提升我国居民节约避免浪费的意识，为了切实响应国家的相关号召，襄阳智能电表的开发必须具备一定的分时、分层计费功效。除此之外，也要为相关用户提供出一定的操作便捷性，也就是在一定程度上实现相关用户以及电力部门进行双向通信。

1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究现状 针对于智能型电表开发的过程当中，国外一些发达国家起步相对较早，而且在当前的形势之下，已经呈现出高、精、尖等形式集成化的特点。不仅在硬件方面有所创新，而且更加关注各方面性能的稳步提升。发展到目前为止其相应的研究重点集中于智能化应用的相关方面，在新型智能电表的一系列基础性研究过程当中引入更多的先进较为科学的技术，利用智能电表来配合其他设备完成特定的功能。

针对于通信应用方面，国外西方发达国家所采用的形式要属无线传输相对较为常见，在此过程中有效引入无线传输功能与相关电力部门建立起一定的通信网络实现实时有效通讯。所涉及到的网络类型，具体可以归结于：网状网络以及固定无线形式，或者将二者混合搭配使用，除此之外，可以说还有一些潜在资源有待开发，譬如WiFi形式的应用以及与相关物联网能够搭建平台的相关网络。在一定程度上，不仅能够满足上端网络进行切实有效的通信，而且还能满足人类日常生活的各种行为所需。在此过程中可以有效凭借Zigbee以及相应的无线技术，将相应的新型智能电表进行家庭局域网集成化改革，在一定程度上，将一系列的家用电器，譬如电视、空调、洗衣机等与相应的新型智能电表进行切实有效的交互。在此过程中，不仅能够有效监测各个电器单独的运转状态，而且还能够监测相互之间的协作运行状态。除此之外新型的智能电表不仅仅局限于用户端的使用，还可以有效应用到电网相关设备当中。用于监测电气设备的工作状态。国外的电力公司，尤其是在变压器以及中压馈线当中引入相应的智能电表，在此过程中即可将实时数据采集以及监测功能发挥的淋漓尽致，并有效反馈到相应的控制系统当中。可以将相应的故障监测以及运行状态实时呈现到相关操作人员眼中。

虽然国外一些发达国家在这方面的研究相对较早，但是也呈现出一系列不够规范以及适应性不强等各方面的不足，相应的各项指标标准也还未成文统一。在自检失真方面以及数据丢失层面都比比皆是，很难切实有效避免，除此 之外，在谐波功率以及相应的电能有效求解方面仍处于相对探索以及完善的阶段，要想实现高度专门化的有效利用，还需要进行不断的摸索与开发。

1.2.2国内研究现状 国内针对于新型智能电表方面的研究与国外西方发达国家相比起步相对较晚，还处于开发探索的初级阶段，主要集中于学习以及有效消化西方所开发出的技术经验，在自主研发方面还呈现出相对薄弱的态势，但是在一系列工程应用领域，已经得到了一定的应用。与西方发达国家所注重的层次，还存在相对较为明显的差异，我国在这方面的研究当中主要集中于硬件以及相应的功能实现层面。

当前形势下，我国所研制出的新型智能电表在一定程度上，基于相应的结构可以归结为以下几类：其一就是机电一体化形式的，再有就是全电子形式的。所谓的前者就是在传统机械式电表的基础上，进行相应的完善以及改造工作得以实现的，不仅能够保留传统机械表计数同步相关层面的功能，除此之外还有相应的电脉冲产出，其相应的计量精度在一定程度上能够满足我国当前形势下的计量标准，较传统机械形式的电表相比，精度在一定程度上得到有效改善。不仅在一些传统机械式电表改造过程当中得到切实有效的应用，而且在成本制造方面也有效降低，并且便于相关工人的操作与安装。而后者全电子形式的，融入更多的是相关电力电子层面的技术，其内部的核心要数一系列的集成电路以及相应的电子元器件，在封装方面可以实现更为精小的体积，在精度层面可以说是进行了大幅度的改善，除此之外，更为突出的就是在功耗方面，自身功耗相对较少。与传统机械表相比，无论在制造工艺上，还是各方面性能稳定稳定可靠上，都呈现出相当大的优势，相信在未来的一段时间内即将成为电力应用市场的主流产品。

在此过程中，国内针对于智能新型电表方面的研究也在切实有效的完善，人类对物质文化发展的需求有效提升，在此过程中，对相关电力部门提出更高层次的要求，具体可以归结为精度逐步提升功能趋向于多元化、智能化、相应的操作状态更加稳定可靠，在一定程度上为智能化发展奠定一定的应用基础，要想得到一定的全面性市场化应用，还有一段很长的路要走。

1.3研究的意义与目的 智能电网的开发已经成为衡量国际综合实力的重要因素之一，迫切需要其进行逐步完善与成熟，在此过程中，相应的智能终端也就是所谓的新型智能电表承载着重中之重的地位，在未来的发展过程当中，新型的智能化电表定将替代传统形式的机械表。为了使各个方面的操作以及交互更为便捷，就要求新型智能电表进行有效衔接，进行用户以及相关建立部门之间进行各方面的实时有效通讯，只有这样才能使相应的智能电表设计更为人性化，不断满足各种形式的需求。这就需要引入一定的集成电路以及性能相对较高的微处理芯片到新型智能电表的开发过程中，最低层次的要求是进行相应的计量核算功能，为了响应国家相应的节能减排号召，还需要具备一定的分时、分层全面自动化计量功能。在一定程度上可以对相关用户带来相应的体验便捷舒适性，除此之外还需具备一定的数据处理以及分析能力，与此同时好对电网中所产出的一系列谐波电流一电压进行切实有效的监测，无论是在电网环境维护层面，还是相关电力部门切实效益方面都能在一定程度上带来相对较为促进的功效。

1.4课题的主要研究内容 本文针对于载波通信的形式进行相应的三相智能电表开发设计，结合相关电力层面的基本理论以及相关文献，设计电表可达到测量三相电压、电流、无功以及有功功率、功率因数，分时计量三相正反向有功电能，并具有计量、显示、通讯功能。同时能进行数据的测量、能量的计算、谐波电流以及电压相关实时检测以及各方面的实际应用进行切实有效的分析，在此过程当中针对于相应的硬件电路、软件编程以及相关算法，展开了一系列的研究。

1.5论文的章节安排 第一章 主要针对于新型智能电表当前形势下国内外所呈现出的研究状况进行了相应的总结归纳以及切实有效的分析，定确定出本文所展开研究的框架。

第二章 基于相应智能型式电表的实现功能，进行了相应的硬件方案设计与完善，具体涵盖了主控芯片的选取，电流、电压相关数据采集计量芯片的选择、MCU与存储模块的设计，以及主要电路的设计等。

第三章 基于相应智能型式电表所要实现的相关功能，进行了软件部分的设计开发，在此过程中进行模块化设计。

第四章 针对于电能计量、谐波电流以及电压检测方面进行总结归纳与分析，针对于谐波分析算法以及所能够造成的一系列危害进行了详细的介绍与分析，并通过仿真后选择了傅立叶变换分析法，除此之外，针对于插值加窗的算法对谐波进行了切实有效的分析，还进行了一系列的仿真进行加以验证。

第五章 总结与展望。再根据相应的设计指标完成有效设计之后，回顾了之前所面临的问题以及解决办法并对此做出有效的总结，针对于本文所设计出的新型智能电表当中的不足进行了相应的展望。

  第2章.智能三相电能表硬件方案设计 该硬件系统的的相关设计工作具体可以归结为：电源、数据采集计数、信息储存、、通讯、信息显示以及相应的时钟模块。

(1)在电量计量方面引入芯片进行有效计数，在其内部将与位进行切实有效结合从而实现电量计量过程当中的相关采集与计算工作，并将其所需要的一系列参数有效呈现出来。本身在数字信号处理方面就表现出相对优良的效果，还具备一定的算法集成能力，无形之中就为相应的降低了一定的工作量。

  (2)模块所采取的主控芯片为旗下内核的产品，该种类型的主控芯片性价比相对较高。不仅能够进行实时快速响应，而且中断周期相对较为固定，功能相对较为齐全，价格低廉美丽。

(3)凭借主控芯片基于协议将相应的校表数据传送到芯片内部，与计量有关的相应参数同样基于协议反馈到外部主控芯片当中，与此同时可以同步进行相应的信息记录与存储到内部，依据通信模块实现上位机之间的数据交换，随后将其显示在后台并对其加切实有效以分析。

2.1电能表硬件系统框图 引入进行电量的有效计量，以及主控芯片选取旗下内核为的产品，如图2-1所示呈现出整体硬件框图。

Ac-line LCD面板 电压采样 LCD控制，驱动 STM32F103RET6 电流采样 计量芯片 ATT7022C 载波 光电隔离 485 EEPROM AC-DC FLASH 负载 电源管理 电池 图2-1 整体硬件框图 在智能电表硬件系统搭建过程当中，占据重中之重地位的可以归结为信号采集计算、数据处理以及相应的通讯模块的设计。这些模块的优良程度直接影响相应市场份额的保有量，可以将偷电漏电、人工查表计费等现象在一定程度上有效杜绝，一方面可以给人们带来一定的便捷，还可以为相应的电力部门带来良好的效益。

下位机的芯片选用 公司的高性能的芯片，其拥有位控制器的内核，整体封装紧凑价格低廉，大小为，最高频率为，片内有个接口，个外部中断，4个16为定时器，两个口。引入进行电量的有效计量，本身在数字信号处理方面就表现出相对优良的效果，还具备一定的算法集成能力， 无形之中就为相应的降低了一定的工作量。还搭载了一定的载波通讯功能，在一定程度上可以使用户实时监测用电状况，节省人工抄表核算的工作量，除此之外还能有效避免偷电以及漏电的现象产出。

2.2 硬件电路部分相关设计 本节主要集中于相关硬件电路的相关设计工作，具体可以归结为：电源、数据采集计数、信息储存、、通讯、信息显示、相应的时钟以及载波通讯模块。在满足相应功能的前提之下，尽可能的将抗扰动性能有效提升以及功耗方面有效降低。

2.2.1数据采集计数模块 电量计量的主要工作可以归咎于芯片进行完成，可以说它是该模块的重中之重的地位，该产品具备个引脚以及形式，其本身还集成了了，内部的六路分别可以实现相应电压以及电路的采样工作，另外一路可进行相应防偷电的某种参数进行采样，具有一定的操作便捷性，还存在电压监测电路能够确保掉电下维持常态运行，除此之外还具备一个口进行切实有效的通讯，相应的外围电路归结为以下：电源、通讯、脉冲输出等。

（1） 电源电路设计 进行电源电路设计当中需要在一定程度上确保保有一定的电磁兼容性。三相电源供电的原理图如图2-2所示：
图2-2 三相电源对att7022c供电 （2）关于脉冲输出电路设计 该功效是为校表来服务的，代表有功脉冲输出，代表无功脉冲输出。基于进行相应的控制寄存器配置，即可有效选取基波表模式，其中代表基波有功脉冲输出，代表相应的无功输出，其生成地能脉冲输出信号的过程框图如图所示：
电能脉冲输出信号过程框图 （3） SPI通讯接口电路 与主控芯片之间存在条不同的连接线，内部的口占据了相应的条，其余两条分别是复位以及相应的握手信号线。

即使内部关于的读写方面具备相对较为完善的自检方式，但还需保有一定的抵抗扰动的能力，在满足设计需求的条件下要尽可能的使连线跨度小，引地底线包裹的方式进行传输降扰工作。确保将高频干扰有效压缩，引入一个的电阻去串接到信号线当中，除此之外还需在输入端引入一个去耦形式的电容，在一定程度上可以将其理解为低通滤波器，在此过程中可将去耦电容适当放大，确保其抵御干扰的功效较为优良。当中串入的电阻以及并入的电容要尽可能的与离得近一些,串入的电阻以及并入的电容要尽可能的与主控芯片离得近一些。当执行上电以及遭到干扰复位时，一定要通过主控芯片有效凭借口进行相应校表数据相关更新工作，从而在一定程度上保证计量结果的准确程度，信号的功效在于通知主控芯片进行有效的握手，在此过程中也要对进行实时监测。确保其执行上电以及复位操作后能与主控芯片在一定程度上实现同步形式的读写，在进行复位的时候一定要确保信号高于低电平，才能实现有效复位操作，在此过程当中呈现出高电平紧接着主控芯片将信号进行相应的拉高，大约持续以后，即可宣告初始 化工作完成，便呈现出低电平，随后即可进行相应的读写，分别引入一个的电容到端口以及的输入端即可切实有效使干扰程度下降，通讯电路如图2-3所示。

图2-3 SPI通讯电路 2.2.2 及相应的数据储存模块 选用 公司的高性能的芯片，其拥有位控制器的内核，整体封装紧凑价格低廉，多任务处理机制是新型智能电表设计的重中之重，众多的数据信息均可储存在内部，基本可以实现上几个单向以及双向结算形式的总电能甚至是各种关于电能的相关费率。

（1）MCU模块 主控芯片本身就是形式的，相应的各种数据路径也呈现出位形式，在此过程中包括相应的寄存器以及存储接口。其内部具备指令以及数据总线而且呈现出相对独立的状态，进行相关数据访问的过程当中便不会对指令的状态所局限，性能运转方面得到有效提升。这样一来系统总线便可无干扰地进行外设以及相应内存的访问，其中涉及到、片上以及片外的、系统部门存储单元以及相应的片外扩展。相应的指令总线实现代码储存区域的访问，即以及总线，第一项的功用在于取指。第二项的功用在于完成相关查表工作，可以基于最优的运行速率完成相应的优化工作。其运转的电压大约为，其内部具有一定的调压 能力，即可实现的调节。此外其内部的电压调节器的运作形式可以归结为以下几种方式：
(1)运转模式：为主控芯片以及相应的外设保持持续进行有效供电。

(2)停止模式：也就是所谓的低功耗运行，在此也提供的电源，但是仅供进行保存数据的需要。

(3)待机模式：该模式下供电终止，各项数据全面清空，除了一系列的备份区域。

主控芯片内部存在上电以及掉电复位电路，只有相应的电压实现以后才能维持其运作，当在一定程度上比相应的限位电压相对较低时，即为呈现出复位状态，而根本不用任何形式的外部复位电路。高速形式的外部时钟信号的产生可以归结为外部谐振器以及用户外部时钟。为了将相应的失真状态以及启动稳定时间压到最低，这就要求谐振器以及负载电容器与振荡器之间的距离不断减小。相应的外部时钟频率可以实现，必须确保其与建立起有效连接，除此之外还要确保呈现出悬空状态。还存在控制器两个，无论是内部双向存储之间还是与外设之间都可以实现相对较为高速的传输，在此过程当中几乎不用执行干预，仅仅凭借数据即可实现快速移动，无形之中就对的相关资源进行了有效节约，其中存在个通道，然而仅仅存在个通道，负责外部请求的专门化管控，除此之外还存在一个仲裁器进行相应优先权的协调工作。

内部的模数转换功能的分辨率大约是位，存在通道个，能够实现个外部以及个内部信源的相关测量，每个通道的转换功能均可实现单次、连续、扫描或间断进行，转化结果不仅能够实现左对齐的形式还可以实现右对齐形式进行位寄存器中存储，其模拟看门狗的功效在于允许程序检测当中电压相应的输入是否高于事先用户所规定的高／低阀值值。需要在条件下工作。相应的转换时间为：时钟呈现出基本是；
时钟呈现出基本是。存在位形式的数字输入，电压输出的数字／模拟转换器，可以进行位以及位形式的布置，除此之外还能够与控制器进行联合使用。在位模式下运转时，转化结果不仅能够实现左对齐的形式还可以实现右对齐形式。还存在个输出通道，相应的转换器独立存在，而且能够在双模式下运转，除此之外保持个通道同步更新输出，既可以同步完成，也能够分别单独完成。可以凭借管脚完成参考电压的录入从而确保相对较高质量的结果。如图2-4所示，呈现出硬件接口电路。

图2-4 STM32F103RET6硬件接口电路 （2）实时时钟RTC 其可以称之为相对较为独立的定时器，其内部具备一组相对较为连续的计数器，只要完成良好的软件配置便可有效显示相应的时钟，仅需简单变更其初值即可实现当前形势下的系统时间的设定。本系统采取的是芯片，其具有低电流功耗，其内部还配备了且相对较为稳定的数字形式的温度补偿晶体振荡器以及相应的分频器，并且能够执行的总线形式的高速模式；
除此之外还搭载了一定的定时报警功效，可进行天、日期、小时、分钟形式的设定；
还存在固定周期形式的定时中断，以及相应的时间更新中断，还搭载了闰年调节功效。其接口电压相对较为宽泛：。时间保持电压也相对较为宽泛：。处于交流下进行供电时，可以进行相应的软件配置确保其进行标准时速出，其具体形式的功效在于：基于光耦隔离实现相应的外部校时；
再有就是直接传送到当中的一路通道，凭借进行相应秒脉冲周期切实有效的检测，进而 完成内部的时钟振荡频率的相关校准工作。当依靠电池进行提供能量时，基于软件配置即可完成秒脉冲输出的关断从而降低能量消耗。如图2-5所示，呈现出电路。

图2-5 RTC电路图 （a）电池对RTC供电（b）RTC电池电压 （3）串行外设接口以及相应的数据储存 所谓的串行外设接口允许芯片与外设进行一定的通讯，具体方式可以归结为：同步、半／全双工等形式，在一定程度上其可进行相应主模式配备，还能在一定程度上提供通讯时钟。协议需要凭借个引脚才能与其他部件进行切实有效的通讯：(1)：主输入／从输出引脚。也就是所谓的主接收，从发送。(2)：主输出／从输入引脚。与第一项相反主发送，从接收。(3)：所谓的串口时钟。代表主输出，从输入。(4)：主从片选。在一定程度上可有效避免相关数据在线上呈现冲突的现象。

选取位串行，功耗相对较低的，位字节形式的单元大约有个，引脚的功效在于生成相应的内部时钟；
引脚的功效在于全局数据的收发；
代表相应器件的地址输入一旦悬空即为，在一定程度上能够实现项级联，倘若针对于进行了相应的写保护限制以后只允许进行读操作，若引脚与构成总线寻址的形式，在这种状态下即可实现悬空操作，也可以实现与相连的操作，倘若相应的写保护引脚与构成连接或者呈现悬空状态，即可开放相应器件完成读、写操作。

如图2-6所示，呈现出与的连接电路：
图2-6 AT24C02B与RX8025T接口电路 非易失性铁电存储器选取，其本身具备一定的高速串行，呈现出引脚高度集成封装，值得注意的是与存在一定的差异，在一定程度上能够实现相应的总线速率进行相应的写操作，在功耗方面也相对较低，相应的读写次数基本不受任何限制，工作状态下仅需相当低的电流即可切实有效的运行，电压范围相对较宽即。如图2-7所示，呈现出相应的接口电路。

图2-7 数据存储接口电路 （a）FRAM接口电路（b）FLASH接口电路 2.2.3显示模块 本文所开发的新型智能电表显示模块具体选用液晶屏实现相关数据的显示工作，其底色呈现出白色，字体黑色显示，相应的背光就是所谓的照明形式，用户对其进行相关操作的时候，即可呈现出背光的形式，便于观察其内部显示的各项信息。所谓的对比度可以说是液晶屏相关参数当中的重中之重，在一定程度上随着对比度的上升，相应呈现出的色彩层次更加分明。

在显示层次上可以将其进行模块化，具体应用插件的形式进行衔接。所选取的内部驱动芯片为，最大显示段可达，在本文当中利用两块相同的芯片，并对其进行相应的对比控制，仅需对引脚的电平形式加以控制即可完成相应的对比度调节变换。该芯片不论是用干电池进行供电还是交流形式进行相应的供电，均能有效保持在低能耗的状态下进行类似于休眠的状态，在以及之间能够呈现出大约的压差，在一定程度上能够保持对比度几乎不变。在电路设计方面也相对较为简便并且较为稳定，如图2-8所示，呈现出显示电路接口原理图。

2.2.4 通信以及外置型电力线载波通信模块 本文所开发的智能电表本身具备个接口，其中接口与相应的外置载波通信模块进行有效通讯，实现相关抄表工作。

（1） 通信 通信接口不仅具备一定的高效性，而且还能够满足一定的可靠性，除此之外还能进行多点形式的通讯，相应的电路设计涉及到个接口，在此过程当中一定要进行相应的电气隔离，除此之外还要具备一定的失效保护电路，从而将相应的干扰压到最低，其实确保高效稳定。其相应的通信速率可以达到：。如图2-9所示，呈现出相应的电路。

RS485通信接口电路 （2）外置型电力线载波通信模块 所谓的外置型电力线载波通信模块在一定程度上能够实现即插即用，这个模块在我国有专门的电力部门进行一系列标准化制造，因此呈现出良好的互换性，而且适用范围相对较广。其低压接口凭借双建立起相应的联系，本文所开发的智能电表对应的弱电接口则是双插座，故能够满足连接关系。引脚代表该模块的模拟电源，相应的电压为极限瞬时电流可达。引脚代表该模块的数字形式的电源，相应的电压为极限瞬时电流可达，其与呈现出共同接地的形式。的功效在于信息 发送，为的电平。代表着各种形式的事件状况输出，一旦有时钟故障产生，便会立即呈现出高电平，意味着提醒执行相应的异常查询，结束以后，恢复到低电平。表征着电能表基表输入信号，一旦其得到相应的高电平就标志着需要进行载波通信，在此过程中通讯波特率相对较为局限几乎保持不变。除此之外还具备一定的失效保护电路，确保其在任何状况下都有效避免自身性能以及相关计量失真。智能电表的侧载波耦合接口应用的是双插座进行相应的有效连接。

（3） 通信协议 目前智能电表均采用DL/T 645- -2007 通信规约的约定格式进行通信,DL/T 645对智能电表使用中需要的数据进行了非常详尽的规定，也对通信数据校验方式进行了规定，字节采用偶校验，数据帧采用累加和(CS)检验的方式，这2个校验方式共同实现错误检测。

其具体的通讯协议具体可以归结为主—从半双工的形式。相应的主站涵盖了手持单元以及一系列其他形式的数据，智能形式的电表承载着从站的地位。各个从站之间都具备相应的地址编码，依靠主站进行相应的帧发送实现各种联系的有效把控。其中的帧涵盖了：起始符、地址码、控制字、数据域以及相应的长度、帧内容、相应的校验码以及截止符等。

通常情况下采取“偶校验联合校验”的形式，抵御干扰能力相对不足。然而引入红外等短程通信即可将可靠性稳步提升，起始校验在一定程度上基本能够确保数据进行准确传输;倘若进行较远距离通讯,所产出的干扰相对较强，是否准确还需进一步校验。譬如，可以用循环冗余校验进行替代。在一定程度上可有效避免错误现象发生。

2.3本章小结 本章将所设计的智能电表各个功能进行模块化设计，进行一各个模块的硬件搭建以及功能层面的分析，具体涵盖了电源、数据采集计数、信息储存、、通讯、信息显示、相应的时钟以及载波通讯模块等相关硬件电路的搭建。

第三章.三相智能电表软件部分设计 前面已经针对于硬件电路进行了切实有效且全面的设计，其主控芯片是该部分执行控制的重中之重，在接下来的软件部分设计几乎都是服务于主控芯片运作的。具体运作流程是进行相应的电流以及电压信号进行采样，在凭借转化成能够进行有效运算的数字信号，紧接着在当中进行相应的处理，即可得到满足相关指标需求的各项参数，凭借这些完成相应的电量消耗情况的一系列求解，除此之外针对于相应的谐波信号需要完成同步切实有效的谐波分析，第一步就是对其进行线性插值处理，紧接着完成加窗处理，其次在进行变换，便能呈现出与电网的各项幅值与相位一致的参数并将其进行有效存储，在此过程当中凭借串口进行有效通讯，基于分段时间函数来确定分时分层计费，并在显示屏当中进行实时数据呈现。

3.1总体软件设计流程 在进行相关软件部分设计的过程当中，也融入了一系列模块化构想，在此过程中有利于清晰可读，在一定程度上具有相对较强的移植性，在效率方面也能有所提升，智能电表相关功能得以实现是凭借各个功能块的子程序进行联合。具体涵盖了计量、谐波分析、储存以及通讯子程序等。

  1.首先需要做的就是一系列初始化问题。整体形式的初始化在一定程度上可以归结为是相应的寄存器以及相应的子模块进行有效配置，除此之外还要涉及定时器以及相应时钟的初始化配置。

  2.系统程序对一系列的子程序进行有效调用，从而实现智能电表各个方面的功能。

  3.在运行过程当中务必要保证相对较为合理的先后顺序，进而使其在一定程度上进行稳态运转。

图3-1 主程序框图 一旦其进行有效上电，就需要完成一系列的初始化。换一句话说就是各项参数有效配置，具体可以归结为相应的晶振承载着主体时钟的地位，针对于任意的都附有不同类型的含义。完成相应的初始化以后，便要对所采集到的相关信号实行谐波分析，除此之外针对于相应的谐波信号需要完成同步切实有效的谐波分析，第一步就是对其进行线性插值处理，紧接着完成加窗处理，其次在进行变换，便能呈现出与电网的各项幅值与相位一致的参数并将其进行有效存储，在此过程当中凭借串口进行有效通讯，基于分段时间函数来确定分时分层计费，并在显示屏当中进行实时数据呈现。

针对于分时分层计费要根据相关文件要求具体确定，在此过程当中，各个地区呈现出一定的分时差异，绝大多数都是以个时段进行整天划分，其中每个部分占据着小时，具体划分为：高峰期、一般性时期、低谷时期等。在程序编写的过程当中进行简化，故在实际操作当中将其按两部分进行计算，也就是所谓的高峰期以及低谷时期，即分别为与。在进行针对化编程当中，有 效凭借状态标志位进行时段变更做出相应的判别，在低谷时期运行的时候即，一旦呈现出从到的跳变，相应的计量模式便会跳转到高峰期所规定的运算方式进行相应的计费，并完成之前各项数据的存储以及显示到液晶屏当中。

3.2模块程序设计 3.2.1 耗电量计量以及谐波分析程序框图 电能计量流程图如图3-2图示：
图3-2 各项参数信息的刷新频率周期大约为左右，与此同时还伴随着相应标志位的设定，随后主程序即可对相应的数据进行切实有效的处理，在完成一个更新周期以后需要进行标志位的重置工作，否则便会陷入所谓的空循环的形式。

一旦主程序能有成功接受到相应的标志位，其就能够转入的谐波分析运行，在此过程当中完成更新的各项参数便会转移到具有连续性质的数组当中，以便于事后进行谐波分析随时调用，除此之外系统还会对其数组内的各项信息进行一定的判别，也就是是否达到满存的状态，这关乎到能都有效进行相应的谐波分析。

一旦谐波分析条件的已达成的时候，相应的子程序便可得以运行。首先需要做的就是针对于连续周期的个数据在一定程度上完成线性插值，便可以产出的幂指数形式的相关信号。其次就需要进行相应的加汉宁窗处理，处理完成以后调用函数实现相应的谐波分析。分析完成以后，将其在相应的存储器当中进行保存，除此之外，各项参数数据还要转移到缓存器当中，这样就能对串口发送带来一定的便利。

当所得到的判别结果不足以进行谐波分析时，程序便会跳出来执行后续的安排。在此过程中将相应的瞬时电流以及电压完成相应的转化，除此之外还需依据瞬时值进行功率因数以及耗电累积情况的求解。

3.2.2 存储模块程序 如图3-3所示，存储模块与相应的之间凭借总线完成有效通信，相应的存储电路功效在于各项用电数据的有效存储，具体涵盖了分时以及谐波参数的存储等。在此过程当中，总线的有效配备可以说的存储设计的重中之重环节。主控芯片需要凭借完成数字信号的转化还需夹杂这一系列处理加工工序，还需要将其快速转移到当中进行有效存储，除此之外还要确保传输的过程能够准确无误地进行，这个前提就是芯片本身具备快速应答处理的能力。在地址分配方面在一定程度上要保证相对合理，对的判别能力来讲是强有力的考验，紧接着凭借总线进行对号入座到相应的地址单元，即可便于实现相应参数的读取工作。

图3-3 存储单元流程图 3.2.3通信模块程序 本文所开发的智能电表具备一定的信息收发功能。所具备的创新性之一就是能够在一定程度上实现双向通讯，在此过程当中，这种形式的电表始终是各界人士所青睐的研究热点之一。通信布局具体可以归结为电表接口电路以及相应的采样单元，下行采样单元可以有效凭借进行各项智能电表信息参数进行切实有效的采集，在此过程当中，具体涵盖了：电流、电压、谐波参数以及有无功功率等。与此同时其还能接收来自电力部门的所发布的各项通知，保障与用户之间进行切实有效的信息流沟通。

图3-4 串口通信发送流程图 如图3-4所示，呈现出串口通信发送形式，带系统完全跳入到中断以后，即可进行相应的数据发送，首先将待发数据转移到内部，其次执行相应标志位清空操作，将总体中断进行开启，然后退出发送中断程序。需要注意的是，针对于发送完毕状态要进行相应的判别，倘若已经完毕，便可以将相应的中断标志位清空操作，否则，完成地址指针加操作。

3.3本章小结 本章基于智能电表预期的功能指标完成了相应的软件部分的设计工作，采取模块化思想着手实施。首先进行主程序的设计，其次完成各个功能模块的相关子程序设计，最终完成了相应功能的程序编写工作，在一定程度上具备相对较强的移植性。

第四章.电能计与谐波分析理论基础 本文所设计的智能电表一方面要确保相关电能消耗准确无误的计算存储，除此之外还要服务于电网当中的各项参数的实时监控，具体涵盖了电流以及电压的有效值、有功以及无功功率、频率参数以及相应的谐波参数等。本章针对于这些一系列的参数进行切实有效的推导。

4.1 关于电能的计量 所谓的有功功率可以归结为某个周期下负载消耗或者电网呈现出的相应瞬态功率，对此进行积分操作在求解其结果的均值。瞬时功率表达式如下所示：
(4-5) (4-6) 在上式（4-1）当中，代表相应电压的有效值。

在上式（4-2）当中，代表相应电流的有效值。

即可得到相应的瞬态结果：
(4-7) 则所谓的有功功率即可归结为：
(4-8) 相应的无功功率用来表示，其推导过程如下：
(4-9) (4-10) (4-11) (4-12) 上式当中的代表相位位移，在一定程度上可以理解为无功形式的负债造成的。

则无功功率均值即可表示如下：
(4-13) 结合式（4-9）能够得知，仅需将电流进行相移，在于相移电压进行乘积即可产出相应的无功功率。

本文所设计的智能电表仅需凭借电流以及电压的采集，并加以分析即可现实相应电能参数的有效把控，依托于便可实现对各项电能信号进行数字化转换;其次将其衔接到主控芯片内部完成相应的运算，即可得到相应的功率形式的参数测定。随着主控芯片的处理能力不断提升，当前形势下即可进行相对较为复杂方式的计量与运算。

图4-1 A/D采样计算原理框图 具体实际交流电路内部相应的交流电压以及电流有效值求解如下：
(4-14) (4-15) 相应的有功以及无功功率求解如下：
(4-16) (4-17) 在此过程中针对于交流电压以及电流完成周期的等分，再依托于完成切实有效的采样工作。在一定程度上形成相应的离散数值，只要等分效果足够细，所采样的离散数值就越逼近真实值。如图4-2所示，呈现出相应的拟合波形，所以经过平方求和的方式即可对积分求解进行等效替代，即：
(4-18) (4-19) 相应的有功功率均值即可描述如下：
(4-20) 如图4-2所示，将电压完成顺向移相，即可得到相应的无功功率，具体表达式如下：
(4-21) 图4-2 电压和电流及功率的瞬时值采样 4.2关于谐波的基本概念 所谓电网中的谐波，在一定程度上指的是相应的电流以及电压呈现正弦变化的趋势其内部所具备的频率呈现出基波整数倍形式的电能，在对这一系列周期性变化的信号完成傅立叶变换过程当中，相应的频率超过基波的电量。电网在向各个领域进行供电的同时，都呈现出一个固有的频率，也就是人们日常生活中常说的50赫兹，不同于50赫兹且呈现出变化的频率信号也就是所谓的谐波，通常情况下，非线性负载电路当中一旦引入正弦电压，相应的电流就会造成一定的畸变，呈现出非正弦的态势，进而造成负载上的电压与电流之间的比值呈现出非正比的形式，在一定程度上造成类似于正弦变化的谐波。倘若发生畸变的信号，在一定程度上呈现出的周期与正弦一致，那么基于傅立叶进行相应的展开，那么便会得到相应的直流分量，以及一系列为50赫兹整数倍的正弦波，这也就是所谓的畸变信号，具体形式如下所示：
(4-22) 其中，为直流分量;为基波角频率。

通过对上式的分析，相应的谐波可以被进一步的分解，其具体形式包括直流分量以及各种各样，频率不尽相同的正弦波，无论是幅值还是相位角以及频率都存在一定的差异，基于这些频率的差异，可以归结为偶以奇次形式的谐波，也可以理解成谐波频率分别是基波频率的奇偶次倍。

一旦电网中产出一定的谐波，便会对良好的电网环境造成极为严重的威胁与污染，甚至会造成一系列的电气设备不能正常运转，除此之外也会对周围的一系列通信设备造成一定的影响。谐波电压的产出在一定程度上会造成供电质量逐步下降，从而导致传输方面以及使用方面的效率相对较低，除此之外，谐波还会对相应的电气设备造成过热、颤抖以及噪声的现象，情节严重的话可能造成机器的损坏甚至报废。

4.3傅里叶变换 4.3.1关于傅里叶变换推导 对于类似于电流以及电压的周期变化的信号，可以引入的周期函数进行表示：
(4-23) 式（4-19）当中，字符代表相应的变化周期，频率表示为，则角频率可以表示如下 (4-24) 即周期函数为：
(4-25) 其中代表该周期函数的周期， 进行傅里叶展开：
(4-26) 其中代表直流分量，和分别代表第次谐波的余弦以及正弦系数 (4-27) (4-28) (4-29) (4-30) 由于相应的谐波频率已知，则：
(4-31) (4-32) (4-33) 一般情况下，电网当中的畸变波形基本满足于傅立叶级数相应的展开条件。由此看来可以对其进行切实有效的傅立叶变换，从而呈现出各次谐波以及基波代数和。

4.3.2离散形式的傅立叶变换 通常情况下，电网当中的非周期信号呈现出没有规律可循的畸变波形，解析式的方式进行傅立叶变换是不能够得以运行的，在一定程度上进行有效截断可以切实有效处理这种问题的出现，然后针对于相应的截断信号完成相应的采样，再将其进一步转化成为可用的数字信号形式，便可以凭借主控芯片进行运算从而完成谐波分析。

针对于连续信号进行相应的采样以后，即可呈现出离散序列，,可以将其理解为相应周期序列内部的一个周期，有限长序列，即：
(4-34) (4-35) DFT的矩阵方程：
(4-36) (4-37) 式中 称为蝶形因子，根据式（4-30）可以清晰看出，求解全部需完成次求和以及次乘法。

4.3.3快速博里叶变换 是基于离散傅里叶变换在一定程度上独有的对称以及周期性,从而实现相对快速以及简便的操作。在本质的层面上不存在较大范围的创新，在此过程当中最为明显的特性在于更加快速以及精准程度相对较高的实现运算。有效依托于所具备的对称以及周期特性，完成相对较大的点数的,进行切实有效的分解操作，转变成相应一系列较小点数的组合形式，在一定程度上可以最大限度的降低的运算量。

在一定程度上可以将算法归结成两种:其一就是时域抽取法,也就是所谓的，其二则是频域抽取法,也就是所谓的。在本文针对于智能电表的研究过程当中仅仅局限于时域抽取法进行分析，此处不再对频域抽取法进行赘述。所谓的时域抽取法,在一定程度上将点的输入序列,进行相应的奇偶分类，即：
令n=2r,n= 2r+1,r= 0,1,2......N/2-1可以得到: (4-38) 式（4-34）中 令 (4-39) (4-40) 故 (4-41) 根据相应的对称性：可以推导出：
(4-42) 这时候便能够用以及进行代表了。式(4-35)和(4-36)式的运算可以用图4-3的来进一步说明。也就是所谓的蝶形运算.当,,以及之间的关系如图4-4所示。

图4-3 蝶形运算符号 图4-4 FFT 运算流程图 根据图4-4可知，在完成一次分解后，计算个点,在此过程中需要求解两个点以及个蝶形运算.而计算一个N/2点DFT需要(N/2)²次复数乘法和(N/2)(N/2-1)次复数加法。因此，依据图4-4求解点时，所需乘法次数为: (4-43) 所需复数加运算次数大约为：
(4-44) 可以看出，完成一次分解后，相应的计算量就下降了一半左右。

4.4谐波检测 4.4.1 请波信号分析 其在一定程度上拥有一定的选频特性，相应的信号形式可以归结为连续性质的模拟量，在相应运算处理之前，不需进行相应的模数转换，在一定程度上将模拟量进行相应的离散化处理进而完成数字量形式的转化;随后根据相应的功能实现形式将进行切实有效的截短操作，使之成为长度有效的序列;针对于最终形式进行相应的离散傅里叶变换，结果记为. 可以说是分析频谱的最终结果。

信号采样流程具体可以归结为：针对于连续形式的信息进行相应的采集，转化为离散形式要基于等间隔采集，也就是需要依据固定周期进行相应的采样工 作。代表相应的为采样周期，代表相应的采样频率，代表相应的角频率。

本文所涉及到的采样器可以归结为电子开关组合的形式，每逢一个采样周期便会形成相应间歇性质的关断，即可完成一次采样工作。在此过程中可以近似将其看作为冲激函数。则表示如下：
(4-45) 针对于冲激函数进行相应的傅里叶变换：
(4-46) 式（4-42）当中，代表其采样频率，与冲激函数的乘积结果就是所谓的采样信号。

(4-47) 众所周知时域相乘对应与频域卷积，即：
(4-48) 结合相应的冲激函数卷积特性：
(4-49) 相应的信号截断流程：将截短就是进行矩形窗口与做乘法运算：
(4-50) 傅里叶变换流程可以总结为：针对于截断信号展开离散形式的傅里叶变换，即：
(4-51) 在进行一些列截断处理以后，在一定程度上便会造成一系列的误差产出，具体的误差形势可以归结为：频谱混叠、泄露以及相应的栅栏效应。

(1)混叠现象。针对于连续模拟形式的信号执行采集时，倘若相应的采样频率不大于被采样最大频率的倍时，在一定程度上就会在频谱当中呈现出相互重叠的现象，这也就是所谓的频谱混叠。在此过程当中，将其采样频率切实有效把控在的两倍以上，在一定程度上即可有效避免该类误差的产出率。其中最低 采样频率( ,)也就是所谓的奈奎斯特采样频率。在具体操作的过程当中，需要根据实际情况来做出具体的判断，在满足不产出混叠的同时还要确保相应的采样频率相对较高，通常情况下，很难去有效确定原频率的大小，这就需要引入一定的滤波操作，即可将混叠现象有效压低。

(2)频谱泄漏。针对于相应的采样信号进行快速傅立叶变换的时候，为保证精确度需要作出一定的截断处理。在此过程当中，非周期阶段会伴随着拖尾现象的产出，从而在一定程度上造成谱线相对较为分散，这就是所谓的频谱泄漏。当截断信号相对较长时，相应的误差以及能量就会呈现出相对较小的趋势。与此同时，频谱泄漏也会伴随着混叠现象的产出，进而将频谱展宽呈现出来，一旦高频高于时，就会导致混叠现象的产出，尤其是在进行家装阶段的条件下其相应的表现较为明显。需要注意的是，加装并不能彻底避免频谱泄漏，加窗函数的选取在一定程度上直接影响谐波分析的准确度。

(3)栅栏效应。针对于相应的采样信号进行时，相应的频率可以归结为,在时域条件下，针对于离散信号进行点等间距采样的时候，可能会造成采样点被遮挡的现象产出，可以将其类比成透过个栅栏的缝隙进行相应的观察，最终只能得到一定的频谱值，这也就是所谓的栅栏效应。为了确保被漏掉的一部分频谱能够切实有效被检测到，一般情况下针对于有限长度是引入一定的插值处理，关于无限长度序列，可以采取提升信号截取长度的方式，或者提升变换区间范围。

以上几种情况的产生，对相应的运算结果在一定程度上都会造成相应的误差。尤其是在相位层面相对较为严重，可能会造成精度不能达到设计所需，因此必须对相应的变换进行不断的完善确保其精度能够满足设计需求。

4.4.2谐波检测FT算法用 算法通常情况下对相应的采样时间要求相对较高必须确保高度的同步性，针对于电网信号进行采样时，相应的频率在发生着不规则的变化，也不能确保其一定是所需采样频率的整数倍。在理想状态下，其默认电路当中的时间呈现出无限长的趋势，实际操作当中仅仅能局限在某一区间段，除此之外，一系列的混叠现象还要加以注意。本文在此过程中对此进行改进有效引入插值以及加窗函数，确保相应的谐波分析能够在一定范围内相对较为准确。

插值函数。当刷新频率处于赫兹条件下，内在要求需要在整周期内进行相应的采集，通常情况下基波频率一般保持在赫兹，一个采样周期可以完成个点的采集。在此过程中，我们选取个周期进行相应的谐波分析，最终能够得到个样值，还需注意的是本文采取基算法，也就是二的指数形式，在此过程中我们还要选取恰当的差值数量从而有效降低相应的计算量，最终确定为完成插值后的数据大约为个。在过程中是基于线性插值的方式进行的，具体可以归结于将相应的目标数据个以及采样个数个建立起相对较为明确的对应关系。最终的实验结果曲线相对较为吻合，在此过程中可以得出相应的结论，引入线性插值，不仅能够降低频谱泄漏以及栅栏效应，而且还能够达到预期精准度的要求。

窗函数。在完成相应的差值之后，还需对其进行加窗处理，为了将混叠现象切实有效压低，表1当中呈现出相应的加工参数，后续仿真实验进行有效对比。

结合本文智能电表的设计目标以及各项需求功能的实现，最终选取海宁窗形式进行加窗处理，在一定程度上可以有效避免频谱混叠以及泄漏的现象产出。其相应的表达式为：
式中 代表采样点的数目。

本文所采用的谐波分析算法呈现在在上图当中，将相应的连续模拟信号切实有效转化成可用的数字信号形式，接着对整个采用周期执行谐波分析。需要注意的是还需引入插值以及窗函数进行快速傅立叶变换，最终凭借串口进行相关参数的输出。

4.4.3 插值加窗FFT仿真 根据相关文献资料所知，加窗的目的在于使相应的信号能够呈现出相对较为良好的周期性，在一定程度上能够将频谱泄漏现象进行有效压低。不同形式的窗函数，所得到的频谱特征也不尽相同。在此过程中主要的差异呈现在主瓣宽度、旁瓣衰减速率以及幅值失真程度。在一定程度上为了确保截断以后的时域信号相应的波形突变有效缓解，通过让旁瓣变小来减少旁瓣泄漏，我们分别采用矩形窗和汉宁窗在N=512时对原始信号进行加窗FFT处理 在仿真实验中，我们使用的原始信号为 图4-5 FFT仿真结果图 如图4-5所示，加矩形窗的情况下，信号频谱的主谱线周围呈现出一定的旁瓣现象，在此过程当中造成了频率差异层次的分量干扰。在此过程当中，可能会伴随这误判现象的产出，在一定程度上对相应的准确度造成下降。而在加汉宁窗的情况下，主谱相对集中，旁瓣相对平滑，可以看出引入汉宁窗在一定程度上可以有效避免频谱泄漏。

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