基于Modem通信的多用戶智能電能表系統(tǒng)的研究

0引言

隨著電子技術與通信技術的日益發(fā)展，電子式電能表由于其計量準確，功能完備，可實現遠

程抄表等優(yōu)點，已逐漸被電力企業(yè)和(居民)用戶認可和接受，而且提升了供電部門對用電的現代化管理。本文提出了一種基于Modem通信，使用ARM微控制器LPC2210作為控制中心的多用戶智能電表系統(tǒng)的研究方案，這是一種可實現遠程控制及自動結算的電表系統(tǒng)，也為實現大規(guī)模自動抄表提供了基礎。

1系統(tǒng)工作環(huán)境與總體結構框圖

可實現遠程通信的多用戶電表系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。主要由多用戶電表單元、通信模塊、系統(tǒng)管理中心、銀行收費系統(tǒng)組成。多用戶電表單元采用一個微處理器和多個計量芯片組成，不僅結構相對簡單，而且大大降低了成本。微處理器是整個系統(tǒng)的核心部分，它一方面對多個計量芯片采集的電能數據進行處理，另一方面作為嵌入式網關，與Modem進行連接以實現與上位機管理系統(tǒng)的通信。微處理器在收到管理系統(tǒng)的上傳命令時，就會通過Modem電話線上傳數據，管理系統(tǒng)對收到的數據進行處理和分析;如果某用戶用電出現異常，管理系統(tǒng)在發(fā)出報警信號的同時，向微處理器發(fā)送異常命令，由微處理器及其外圍電路共同對該用戶用電進行控制。

2系統(tǒng)硬件設計

多用戶電表單元是整個系統(tǒng)的核心，由多個電壓通道輸入電路、多個雙電流通道輸入電路、多個電能計量芯片BL6501A、微控制器LPC2210、LCD、FLASH、SDRAM、EEPROM、報警器、73M2901Modem模塊、斷電控制模塊等部分組成。系統(tǒng)中采用32位LPC2210作為整個控制電路的中心，選擇合適的外圍電路，來實現電能的定時、實時采集和顯示，與上位機的遠程通信，對用戶的供斷電控制和防竊電功能等。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

2.1 CPU模塊

選用LPC2210作為控制系統(tǒng)的核心，LPC2210是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點。LPC2210具有144管腳封裝，極低的功耗，16 KB片內靜態(tài)RAM，2個32位定時器，8路10位ADC，PWM單元6路輸出，實時時鐘和看門狗，2個標準UART，高速I2C接口，2個SPI接口，通過配置總線可達76個通用I/O口(可承受5V電壓)，通過片內鎖相環(huán)可實現最大為60MHz的CPU操作頻率，有空閑和掉電兩種低功耗模式。

2.2計量模塊

為了提高工作可靠性和便于調試，本研究采用獨立的電能測量電路對各用戶的電能進行分開測量。選用BL6501A電能計量芯片，各用戶的電能測量結果以脈沖形式從BL6501A的CF端輸出，然后經I/O口送入LPC2210進行集中處理。用LPC2210測量時，只需對每個電能計量芯片產生的脈沖進行計數，再乘以脈沖常數，即可測出各個用戶所用的實際電量。

2.2.1電能計量芯片BL6501A

單相雙電流采樣電能計量芯片BL6501A具有24腳雙列直插塑封裝，利用它可以實現單相反竊電功能，并在同一方向計量正向或負向功率，累計用電量。BL6501A有兩個電流采樣端，分別采樣火線和零線電流，當兩電流誤差超過2.5%時，表明有竊電行為或錯誤接線，FAULT引腳發(fā)出報警指示信號，并按照兩個電流中大的一個電流值計量。BL6051的CF輸出較高頻率的脈沖，用于計量和計算機數據處理，F1和F2輸出較低頻率的脈沖，用于驅動脈沖電機，記錄用電量。BL6501A內部電能計量信號流如圖3所示。

2.2.2多用戶電能脈沖的測量

研究中需要對多路電能脈沖進行計量，由于LPC2210只有兩個內部定時器/計數器，這對于要進行多路脈沖采集和監(jiān)控的應用場合顯然不夠。通常的計數器擴展和軟件循環(huán)查詢的方法都有一定的局限性。本文提出一種可用于多用戶電能脈沖測量的方法，此方法是在一種邏輯算法的基礎上，可同時對多路電能脈沖的電平狀態(tài)進行檢測和存儲，不需用到內部定時器或擴展計數器進行脈沖計數，以軟件功能取代大量的硬件電路具有較高的實用價值。

算法中對連續(xù)兩個測量周期的脈沖電平狀態(tài)進行OR_XOR的邏輯運算，如式(1)

式中，P表示運算結果，fn表示脈沖電平的現在狀態(tài)，fn-1表示前一測量周期的脈沖電平狀態(tài)，“+”表示邏輯代數中的或運算，“+”表示異或運算。

下面以一用戶計量脈沖為例，運算時，脈沖電平現狀fn先與前一周期的電平狀態(tài)fn-1作或運算，結果再與fn作異或運算，得出的結果P決定是否要進行電能脈沖計數和存儲，結果P與脈沖計數關系如表1。

此算法是以檢測脈沖的下降沿來作為電能脈沖測量的依據，在軟件中分別定義LPC2210存儲器中不同的地址，用來存放脈沖上一周期狀態(tài)、現在狀態(tài)及結果P。當P=1時，檢測到脈沖的下降沿，對某路脈沖進行計數，并將當前P值保存到相應的存儲單元中進行累加，最終得出該用戶的用電量。對多用戶電能脈沖的測量，因LPC2210有多個I/O口，可通過計量芯片直接輸入多個用戶的電能脈沖，用OR_XOR的邏輯運算按字節(jié)同時處理8路、16路、32路甚至更多路脈沖。

對某一段定時時間電能的測量，可變?yōu)閷@段時間內轉換的電脈沖數，在軟件中設置脈沖常數C=3200 imp/kWh，然后可由LCD循環(huán)顯示各個用戶某段時間的用電量。假設某用戶用電功率為5 kW，則一小時用電5 kWh，一秒鐘用電5kWh/3600，再與脈沖常數C相乘得出脈沖頻率為4.44 Hz，脈沖周期為225 ms，遠遠超過LPC2210的指令周期，則此檢測脈沖下降沿的計數方法準確可靠，不會出現漏計或多計的現象。

2.3嵌入式Modem模塊

系統(tǒng)中與LPC2210連接的Modem采用嵌入式MODEM芯片73M2901，使用賀氏標準AT命令呼叫和應答，實現與遠程系統(tǒng)的通信。由于LPC2210微控制器的UART1口帶有完整的調制解調接口，所以可將73M2901直接連接到LPC2210的UART1串口上，進行數據傳輸工作，接口結構如圖4所示。

LPC2210直接采集數字信號，通過UART1串口送給本端的嵌入式Modem芯片73M2901，73M2901將數字信號調制成音頻模擬信號在電話線上傳輸，再經過中心站標準Modem調制成數字信號送往上位機管理系統(tǒng)。

2.4其它電路模塊

系統(tǒng)為多用戶電表系統(tǒng)，在寫用戶電量時，需要經常改寫電量(如增加0.1度改寫一次電量)，因此采用擦寫次數較高、存儲容量較大的EEPROM。研究中數據存儲模塊選用帶接口的串行非易失存儲器FM24C16A。用來存儲各用戶的電量數據信息和各用戶的計量模塊的地址，保證采集信息的正確無誤。

電壓輸入通道采用電阻分壓網絡提供電壓信號，電流通道有兩個電流輸入端，然而，每一時刻只有一個通道用來電能計量。研究中選擇電流互感器作為電流傳感器。

斷電控制電路主要由跳閘繼電器組成，當用戶拖欠電費或用電需量持續(xù)超出需量限定一定時間后，上位機管理系統(tǒng)將通過Modem發(fā)送斷電指令給LPC2210，然后LPC2210將輸出信號，使繼電器動作，切斷供電電源。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1上位機軟件設計

上位機軟件用VC++編程，系統(tǒng)中上位機先完成標準Modem的初始化，需要數據傳輸時，上位機通過Modem撥號建立數據傳輸鏈路，然后發(fā)AT控制指令判斷是進行異常處理還是接收電能數據，完成任務后掛斷電話。此上位機管理軟件系統(tǒng)的功能框圖如圖5所示。

3.2下位機軟件設計

本文通過移植源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ來管理整個系統(tǒng)的運行，它具有多任務性、實時性等優(yōu)點。要構建整個下位機軟件框架，首先對μC/OS-Ⅱ和各硬件部分進行初始化和參數設置，然后是多任務的創(chuàng)建，對整個下位機實現的功能進行任務分割，并根據實際需要為各個任務分配優(yōu)先級，各個任務是通過搶占CPU的使用權來運行的，它們之間的通信通過信號量、郵箱、消息隊列等機制來完成。多任務模塊的劃分如圖6所示。

在用μC/OS-Ⅱ作為內核來編寫整個下位機系統(tǒng)的應用軟件之前，先完成μC/OS-Ⅱ在LPC2210的移植工作，要根據LPC2210的特點合理地修改μC/OS-Ⅱ的3個與LPC2210有關的文件：OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C，其中包括OSCtxSW()，OSIntCtxSW()，OSTaskStkInit()，OSStartHighRdy()，OSTickISR()等重要文件。

主要是將文件中寄存器的初值進行修改，另外還須編寫配置文件、參數等。為了很好地將系統(tǒng)中的實時采集和定時采集區(qū)分，并且能體現出實時采集優(yōu)先級高的特點，研究中采用消息隊列來實現。

4結語

多用戶智能電能表系統(tǒng)采用32位ARM芯片作為控制系統(tǒng)的核心，大大提高了系統(tǒng)的數據處理能力，并且微控制器通過Modem與上位機管理系統(tǒng)通信，可實現供電系統(tǒng)同時對多個用戶用電的智能化管理，特別對于公寓用電及單元用電的集中管理其優(yōu)點尤為突出，目前在許多地方已得到廣泛的應用。利用提供的各種系統(tǒng)調用以及任務間的通訊機制，使多任務設計得以簡化并保證了系統(tǒng)行為的實時性，具有很好的應用前景。