基于CAN總線的脈沖電表遠(yuǎn)程抄表采集模塊研究
1、引言
脈沖電表是目前電力系統(tǒng)用戶側(cè)較為常見的一種電子電量表計(jì)。對(duì)于遠(yuǎn)程電子抄表系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖表輸出脈沖的可靠、精確計(jì)量。本文研究探討了對(duì)于脈沖表可靠脈沖捕捉、脈沖計(jì)量，特別研究了脈沖電表信號(hào)輸出線路的斷線報(bào)警、掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等關(guān)鍵問題，并對(duì)區(qū)域脈沖表群抄表需要的現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行了研究，提出用CAN 總線為數(shù)據(jù)通信的脈沖電表群的模塊化解決方案。
2、脈沖采集模塊設(shè)計(jì)
CH1 脈沖采集的主要任務(wù)是對(duì)CH2 CH3 脈沖電表輸出脈沖的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，CH4 是所有電量統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)。脈沖采集模塊CH5 的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和CH6 準(zhǔn)確性，因此在整個(gè)抄表系統(tǒng)中占據(jù)著CH7重要的地位。
2.1脈沖采集板的結(jié)構(gòu)
采集板的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要以單片機(jī) P87C591為核心，設(shè)計(jì)對(duì)8路電表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并可以將數(shù)據(jù)存入SEEROM中，另外帶有掉電保護(hù)及通信接口等模塊。
采集模塊配有電源斷電監(jiān)視、數(shù)據(jù)保護(hù)功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)到掉電情況時(shí)，及時(shí)在掉電前進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，防止突發(fā)斷電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。
2.2脈沖采集模塊的硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，每個(gè)采集模塊完成8個(gè)電表的采集任務(wù)，需要占用單片機(jī)的 8個(gè)I/O接口。單個(gè)經(jīng)過光電隔離的脈沖數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。
圖中D0為VCC 保護(hù)二極管，R0為限流電阻，來保護(hù)光耦中的發(fā)光二極管。C10和R10組成RC低通濾波器，D10為鉗位二極管，處理尖峰類的干擾信號(hào)。R4和R5為分壓電阻。R3為上拉電阻，起限流作用。
電表輸出的脈沖信號(hào)采用的是5V直流電。經(jīng)濾波后，進(jìn)入光耦，然后電阻分壓到4V的電平信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)。通過單片機(jī)P87C591的P2口來對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，在圖2中還可以看到由于是上接上拉電阻，所以使得光耦輸出脈沖波形與電表輸出脈沖波形剛好反向。
2.3脈沖采集模塊的軟件設(shè)計(jì)
脈沖采集的軟件設(shè)計(jì)主要處理脈沖的準(zhǔn)確采樣，對(duì)當(dāng)前時(shí)段的數(shù)據(jù)做累計(jì)處理。并且軟件設(shè)計(jì)中包括了重復(fù)檢測(cè)及防抖動(dòng)的抗干擾設(shè)計(jì)。軟件流程圖如圖3。
2.4脈沖采集抗干擾措施
脈沖采集電路的抗干擾能力決定著系統(tǒng)的精度和所采集數(shù)據(jù)的可靠性，需要從多方面 提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
2.4.1硬件抗干擾措施
從圖2中可以看到，硬件設(shè)計(jì)中主要采取了光電隔離技術(shù)、低通濾波技術(shù)。光電耦合器的輸入阻抗小，只有電流信號(hào)才能驅(qū)動(dòng)發(fā)光管，因此，可以隔離來自市電系統(tǒng)的感應(yīng)電壓及其過電壓。圖2中 RC低通濾波器，濾掉高頻信號(hào)的干擾。因?yàn)殡娙莸碾妷悍峭蛔冃裕Y(jié)合穩(wěn)壓二極管，可以將電壓鉗于一個(gè)比較穩(wěn)定的值，可以抑制尖峰類的干擾，可以吸收對(duì)來自空間電磁輻射對(duì)系統(tǒng)輸入的干擾，也確保進(jìn)入單片機(jī)的信號(hào)脈沖有完好的波形。
2.4.2軟件抗干擾措施
對(duì)輸入的脈沖進(jìn)行捕捉、采集是抄表系統(tǒng)重要計(jì)量環(huán)節(jié)，模塊除了在硬件上采取了相應(yīng)的隔離和濾波措施，在軟件設(shè)計(jì)上也采取了重復(fù)檢測(cè)和防抖動(dòng)的措施，提高脈沖捕捉的準(zhǔn)確、可靠。
數(shù)據(jù)采集在中斷程序中進(jìn)行，設(shè)定定時(shí)中斷周期為 2ms，在中斷服務(wù)程序中判別 8路電表電平的狀態(tài)。對(duì)于每一路輸入信號(hào)，在收到高電平后，如連續(xù)采樣 10次均為低電平，則認(rèn)為是一個(gè)有效的低電平，這時(shí)記錄該路信號(hào)的累加器加1。如在中間出現(xiàn)一個(gè)干擾信號(hào)，不予計(jì)數(shù)，用這種方法可以有效干擾的抑制抖動(dòng)類的干擾。如圖 4所示。
3、CAN總線通訊模塊
電表作為千家萬戶的分布群系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊的級(jí)聯(lián)，對(duì)于遠(yuǎn)程脈沖電表抄表系統(tǒng)十分必要。采集模塊選擇合適的總線，能夠在一棟樓的范圍內(nèi)將所有脈沖電表的數(shù)據(jù)均可在最近處與采集模塊接口，對(duì)于應(yīng)用和提高系統(tǒng)的實(shí)用性，可靠性和便于維護(hù)都十分重要。
CAN(controller area network) 即控制器局域網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。 CAN 協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)數(shù)據(jù)通信塊編碼,因此可以以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可按系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求分成不同的優(yōu)先級(jí)，一旦發(fā)生總線沖突，可減少總線仲裁時(shí)間，實(shí)現(xiàn)非破壞性優(yōu)先權(quán)仲裁；CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為 8個(gè)字節(jié)，并采用了位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、 CRC 檢驗(yàn)等功能，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率較低。在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，采用 CAN 總線可以確保高可靠性，遠(yuǎn)通信距（ 5Km）和高的性價(jià)比的特點(diǎn)。 CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)表示主模板號(hào)，第二字節(jié)表示該總板下的具體脈沖采集模塊號(hào)，第三個(gè)字節(jié)表示該模塊號(hào)下的通道號(hào)，后面四個(gè)字表示該通道電表的脈沖數(shù)值。
4、掉電保護(hù)
掉電保護(hù)分為電源監(jiān)視模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)掉電的過程控制，系統(tǒng)必須有監(jiān)視電源變化的能力。在本系統(tǒng)中采用芯片MAX690A，做電源低電壓檢測(cè)。具體如圖 5所示。
MAX690A內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立的掉電比較器。當(dāng) PFI低于 1.25V時(shí)， R1 /PFO輸出低電平，通過外部中斷 INT0產(chǎn)生電源掉電中斷。
合理選擇 R1和 R2的值，使得＋5V電壓跌落到某個(gè)電壓值（一般大于4.5V），PFI輸入電壓低于1.25V，則/PFO輸出低電平，產(chǎn)生中斷。在系統(tǒng)中，當(dāng)電源電壓Vcc＜4.65V時(shí)，/PFO輸出低電平，引起掉電中斷，處理完保護(hù)數(shù)據(jù)后，等待掉電。
5、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是通過 I2C總線來實(shí)現(xiàn)的。用 SE2PROM來保存數(shù)據(jù)。首先電源監(jiān)視電路來監(jiān)視電源電壓的變化，一旦發(fā)生掉電， CPU P87C591通過 I2C總線將數(shù)據(jù)保存到 SE2PROM中，以免掉電時(shí)丟失。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的流程是中斷入口 ---關(guān)閉總中斷 ---對(duì)外部 SE2ROM操作—置停電表志----記錄停電時(shí)刻----數(shù)據(jù)保存----掉電。通過掉電保護(hù)電路的低電壓觸發(fā)保護(hù)中斷程序，完成掉電時(shí)的數(shù)據(jù)保護(hù)和準(zhǔn)備，待恢復(fù)供電后繼續(xù)進(jìn)行脈沖計(jì)量。
6、結(jié)論
本課題通過研究分析脈沖電表的應(yīng)用環(huán)境、輸出特性和大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將硬件、軟件抗干擾技術(shù)應(yīng)用在電磁環(huán)境惡劣的電力脈沖電表的數(shù)據(jù)捕捉和計(jì)量中。經(jīng)過在湖北武昌供電局長(zhǎng)達(dá)兩年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，該系統(tǒng)在信息傳輸?shù)陌踩浴?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性、可靠性方面都達(dá)到了較高要求，沒有出現(xiàn)脈沖丟失、干擾誤差現(xiàn)象。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)可以總結(jié)為如下幾方面： 1、高可靠脈沖抄表電路；2、脈沖信號(hào)線路斷線報(bào)警技術(shù)；3、應(yīng)對(duì)通訊中斷期間信息存儲(chǔ)和通訊恢復(fù)后數(shù)據(jù)的恢復(fù)和發(fā)送技術(shù)；4、模塊化結(jié)構(gòu)和技術(shù)。
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