電能信息自動(dòng)采集終端的設(shè)計(jì)

摘 要：給出一種性能優(yōu)良、有效、簡(jiǎn)便的電能信息自動(dòng)采集終端，該終端以電力載波的方式與采集站通信。采用雙CPU共用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和雙RS 232通信接口技術(shù)解決了脈沖計(jì)數(shù)和電力線載波通信的實(shí)時(shí)性問題；采用脈沖處理硬件電路、先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)器和CRC循環(huán)冗余編碼解碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了成本低，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)的脈沖采集和遠(yuǎn)程通信功能。文中介紹了系統(tǒng)的功能、硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，探討了為提高該系統(tǒng)可靠性而采取的一些抗干擾措施。通過長(zhǎng)期測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，該電能信息自動(dòng)采集終端的設(shè)計(jì)是可行的，具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值。
關(guān)鍵詞：終端；電度表；電力線載波；雙CPU；ST7538

0 引 言
    隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，人們對(duì)電力的需求愈來愈大，對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性的要求也越來越高。另外，在工業(yè)系統(tǒng)中，對(duì)電子設(shè)備運(yùn)行過程中的電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制的要求也十分迫切。在這種趨勢(shì)下，供電單位要向用戶提供安全、優(yōu)質(zhì)的電力，但依靠傳統(tǒng)的技術(shù)和管理手段已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這些問題，根據(jù)社會(huì)發(fā)展的需要，依據(jù)電力工業(yè)部南京自動(dòng)化研究所提出的要求，從實(shí)用化的角度出發(fā)，研制了一種電能信息自動(dòng)采集終端。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，易維護(hù)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，并可通過低壓載波和采集站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了電能信息的自動(dòng)采集。因此電能信息自動(dòng)采集終端對(duì)用電管理、配電管理實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化和科學(xué)化具有非常重要的意義，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將起到不可估量的推動(dòng)作用。

1 自動(dòng)采集終端的設(shè)計(jì)
1．1 自動(dòng)采集終端的功能和組成
    終端站系統(tǒng)采用以89C51單片機(jī)為核心的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)1～16塊電度表信息的采集、存儲(chǔ)、傳輸及工作狀態(tài)的顯示等功能。其具體功能如下：對(duì)脈沖式電度表或經(jīng)過改造的機(jī)械式電度表送來的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并把它轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功電能的計(jì)量；設(shè)置初值(地址號(hào)、表常數(shù)、電表底度等參數(shù))，保存1年內(nèi)各用戶各月的電能信息，分時(shí)計(jì)費(fèi)；以電力載波方式和采集站通信；對(duì)各電度表的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示。
    整個(gè)自動(dòng)采集終端由脈沖計(jì)數(shù)模塊、通信模塊、時(shí)鐘電路模塊、工作狀態(tài)顯示模塊和鍵盤操作模塊五部分組成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

1．2 采用雙CPU共用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C32和雙RS 232通信接口
    按照脈沖式電度表標(biāo)準(zhǔn)，電度表的輸出脈沖寬度為80 ms，脈沖周期的最小值為100 ms。如果CPU在這個(gè)時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖不進(jìn)行處理，將會(huì)出現(xiàn)脈沖的丟失，從而造成脈沖計(jì)數(shù)的不準(zhǔn)確。采用雙CPU共用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器技術(shù)可以避免這一現(xiàn)象的發(fā)生。脈沖計(jì)數(shù)模塊和通信模塊分別采用各自的CPU進(jìn)行控制，兩者之間通過公共數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C32、通信協(xié)議和握手線進(jìn)行信息交換。為了防止兩者對(duì)存儲(chǔ)器操作的阻塞而出現(xiàn)故障，在設(shè)計(jì)中采用兩根握手線進(jìn)行硬件握手，當(dāng)一個(gè)模塊不對(duì)存儲(chǔ)器操作時(shí)，其握手線輸出端輸出“O”；當(dāng)需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作時(shí)，其握手線輸入端輸入“0”，其握手線輸出端輸出“1”，然后進(jìn)行操作，否則處于等待狀態(tài)。
    該電能信息自動(dòng)采集終端設(shè)計(jì)了兩個(gè)RS 232通信接口，其中一個(gè)為AT89C51-1的RS 232通信口，用于與電度表或設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)；另一個(gè)是AT89C51-2的RS 232通信口，用于與上位機(jī)之間的通信。這樣就減輕了主CPU AT89C51-2的負(fù)擔(dān)，且可對(duì)于不同數(shù)據(jù)格式的RS 232電度表靈活修改程序代碼。
1．3 脈沖計(jì)數(shù)模塊
    脈沖計(jì)數(shù)模塊由電度表、兩片控制芯片AT89C51、脈沖處理電路、存儲(chǔ)器AT24C32等電路組成，利用單片機(jī)編程對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、有效存儲(chǔ)及傳輸功能。
    各功能的具體實(shí)現(xiàn)過程為：首先將電度表輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)由光電耦合器、施密特觸發(fā)器等組成的脈沖處理電路進(jìn)行濾波、整形等處理后，再送入緩沖器進(jìn)行緩存；然后根據(jù)控制電路的命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。當(dāng)進(jìn)行信息存儲(chǔ)操作時(shí)，AT89C51-1工作，AT89C51-2處于等待狀態(tài)，AT89C51-1向存儲(chǔ)器發(fā)送起始信號(hào)，AT89C51-1收到存儲(chǔ)器的低電平應(yīng)答信號(hào)后，向存儲(chǔ)器發(fā)送字節(jié)地址，AT89C51-1收到存儲(chǔ)器的另一個(gè)低電平應(yīng)答信號(hào)后，再發(fā)送數(shù)據(jù)到被尋址的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)器再次應(yīng)答，并在AT89C51-1發(fā)送停止信號(hào)后開始內(nèi)部數(shù)據(jù)的擦寫，在擦寫的過程中，存儲(chǔ)器不再相應(yīng)任何請(qǐng)求。當(dāng)進(jìn)行讀信息操作時(shí)，AT89C51-l處于等待狀態(tài)，AT89C51-2工作，AT89C51-2向存儲(chǔ)器發(fā)送起始信號(hào)和被尋址的字節(jié)地址，存儲(chǔ)器產(chǎn)生低電平應(yīng)答信號(hào)并發(fā)送相應(yīng)字節(jié)地址的內(nèi)容，接收完數(shù)據(jù)后，AT89C51-2發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)。
    時(shí)鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線從高到低的跳變被看作為起始信號(hào)，對(duì)AT24C32的任何操作命令，都必須從啟動(dòng)信號(hào)開始，時(shí)鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線從低到高的跳變被看作為停止信號(hào)。外部存儲(chǔ)器采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的二線制E2PROM和具有掉電保護(hù)的AT24C32存儲(chǔ)信息，掉電后數(shù)據(jù)可保存十年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際要求。為了延長(zhǎng)存儲(chǔ)器的使用時(shí)間，采用循環(huán)存儲(chǔ)方式，保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。
1．4 通信模塊
    通信模塊由控制芯片AT89C51-2、電力線載波芯片ST7538及其外圍電路組成。ST7538是采用FSK調(diào)制技術(shù)的高集成度、功能強(qiáng)大的電力載波芯片，內(nèi)部采取了多種抗干擾措施，它可以在噪聲頻帶很寬的信道環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠的通信。內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接。內(nèi)部具有電壓自動(dòng)控制和電流自動(dòng)控制，只要通過耦合變壓器等少量外圍器件即可連接到電力網(wǎng)中。ST7538除了實(shí)現(xiàn)電力線載波通信功能外，還具有看門狗、過零檢測(cè)、運(yùn)算放大器、時(shí)鐘輸出、超時(shí)溢出輸出、+5 V電源和+5 V電源輸出等功能，大大減少了ST7538應(yīng)用電路的外圍器件數(shù)量。該芯片符合歐洲CENELEC(EN50065-1)和美國(guó)ECC標(biāo)準(zhǔn)。
1．5 時(shí)鐘電路模塊
    時(shí)鐘電路模塊由AT89C51-1和時(shí)鐘芯片DS12887組成。CPU通過讀DS12887的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器即可通過選擇二進(jìn)制碼或BCD碼初始化芯片的10個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器得到當(dāng)前的時(shí)間和日歷，其內(nèi)部14 b非易失性靜態(tài)RAM可供用戶使用。對(duì)于沒有RAM的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，可在主機(jī)掉電時(shí)保存一些重要數(shù)據(jù)。DS12887的4個(gè)狀態(tài)寄存器用來控制和指出DS12887模塊的當(dāng)前工作狀態(tài)，除數(shù)據(jù)更新外，程序可隨時(shí)讀寫這4個(gè)寄存器。利用單片機(jī)對(duì)DS12887進(jìn)行編程，可方便地實(shí)現(xiàn)讀數(shù)，完成定期抄表等功能。
1．6 工作狀態(tài)顯示模塊
    工作狀態(tài)顯示模塊主要由發(fā)光二極管、放大器、AT89C51-2等元件組成。用不同顏色的發(fā)光二極管來分別顯示電源的通斷、鏈路的連接以及數(shù)據(jù)的發(fā)送等狀態(tài)。該電路模塊具有響應(yīng)速度快，使用溫度范圍較大，功耗小，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
1．7 操作鍵盤模塊
    操作鍵盤模塊由鍵盤和AT89C51-2組成。通過操作鍵盤，可設(shè)置一些參數(shù)，如終端的地址、各用戶的電度表常數(shù)等，也可以對(duì)單片機(jī)發(fā)出簡(jiǎn)單的指令，如顯示各項(xiàng)參數(shù)、手動(dòng)需量等。

2 軟件設(shè)計(jì)
    結(jié)合自動(dòng)采集終端硬件來設(shè)計(jì)軟件，通過分析要實(shí)現(xiàn)的功能，整個(gè)程序可分為主程序和中斷服務(wù)程序模塊。系統(tǒng)主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，完成上電后對(duì)上次停電后的信息處理，采集電能量并進(jìn)行相應(yīng)的處理，處于待機(jī)狀態(tài)接收收集站下達(dá)的指令，并做分析處理，控制數(shù)據(jù)傳輸、鏈路檢查和校對(duì)時(shí)鐘等任務(wù)的執(zhí)行，流程如圖2所示。其中，電能量的采集使用定時(shí)中斷；采樣間隔可根據(jù)用戶電度表容量設(shè)置，樣機(jī)中采樣間隔設(shè)置為100μm，程序流程見圖3。中斷服務(wù)程序模塊有定時(shí)中斷、通信中斷等實(shí)時(shí)性處理的功能模塊。通過各功能模塊之間的調(diào)用，一層一層地實(shí)現(xiàn)程序功能。

3 自動(dòng)采集終端的抗干擾措施
    為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)必須具有較強(qiáng)的抗干擾性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，采取以下措施來增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力：
    (1)采用施密特觸發(fā)器和積分處理等對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行多次濾波和整形操作，以去除窄干擾脈沖的干擾。
    (2)采用光電措施實(shí)現(xiàn)主板電路和電度表的隔離以及軟件的防干擾處理。
    (3)用D觸發(fā)器對(duì)脈沖進(jìn)行鎖存，累加計(jì)數(shù)后清除。
    (4)存儲(chǔ)芯片采用具有掉電保護(hù)功能的AT24C32，防止因掉電造成數(shù)據(jù)丟失，電力線調(diào)制解調(diào)芯片采用具有掉電保護(hù)、看門狗等多種功能的ST7538，以防止程序跑飛。
    (5)在所有環(huán)節(jié)中，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的可靠接收。
    (6)在軟件中對(duì)脈沖的邊沿抖動(dòng)進(jìn)行處理，以防止因“毛刺”現(xiàn)象引起誤差。
    (7)在CPU處于空閑時(shí)，用軟件使之進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，這時(shí)CPU不執(zhí)行任何操作，只有系統(tǒng)中斷可以喚醒它，所以相應(yīng)地對(duì)干擾也不敏感。

4 結(jié)語
    利用硬件和軟件防干擾相結(jié)合的方法，采用雙CPU共用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器技術(shù)、脈沖硬處理電路、先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)和CRC循環(huán)冗余編碼解碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高可靠的脈沖采集，防止了脈沖的漏記和多記，解決了脈沖計(jì)數(shù)和電力線載波通信的實(shí)時(shí)性和引腳不足等問題，實(shí)現(xiàn)了低成本、高可靠性、高穩(wěn)定性的電能信息自動(dòng)采集終端的脈沖計(jì)數(shù)、分時(shí)計(jì)費(fèi)和電力線載波通信功能，形成了功能強(qiáng)大，易維護(hù)性強(qiáng)，可擴(kuò)展性好，安全性高的電能信息自動(dòng)采集終端系統(tǒng)。這種技術(shù)可應(yīng)用于電子信息、電力、環(huán)保、自來水、煤氣等行業(yè)的檢測(cè)儀器設(shè)備中。隨著供電、用電管理系統(tǒng)的不斷完善與發(fā)展，該系統(tǒng)無疑具有廣闊的發(fā)展空間和使用價(jià)值。