金春花

（九江職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 九江 332000）

電力遠程抄表系統(tǒng)中集中器硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

金春花

（九江職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 九江 332000）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和電力系統(tǒng)的不斷完善，原始的人工抄表方式越來越不能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的要求.因此，實現(xiàn)用戶儀表的自動抄表已是必然趨勢，而集中器是遠程抄表系統(tǒng)的核心組成部分.文中提出了一種集中器硬件的模塊化設(shè)計方案，并詳細介紹了其硬件模塊的設(shè)計與實現(xiàn)方法.

自動抄表系統(tǒng)；集中器；嵌入式系統(tǒng)

1 引言

在二十一世紀以前，供電部門進行用電管理的方法主要有用電后的人工抄表繳費和用電之前的智能IC卡預(yù)付費兩種方式.傳統(tǒng)的人工抄表方式工作量大且數(shù)據(jù)的準確度也得不到保障，很容易出現(xiàn)差錯；智能IC卡預(yù)付費方式相對前者來說，雖在一定程度上減輕了供電部門的勞動強度，但卻給用戶帶去了極大的不方便，一方面它需要用戶的配合去供電部門提前預(yù)付電費，與服務(wù)的宗旨相違背；另一方面用戶常常在毫無準備的情況下被停止供電，從而給用戶造成極大的困擾.近十年來，隨著電子、通信及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，32位嵌入式微處理器得到了廣泛應(yīng)用，嵌入式技術(shù)也不斷成熟，外加國家電力系統(tǒng)的信息化采集項目的全面展開，電力遠程自動抄表技術(shù)也越來越受到重視，自動抄表設(shè)備及儀器的需求數(shù)量也較為龐大，集中器作為自動抄表系統(tǒng)中的核心設(shè)備自然而然頗受電力設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注，有著重大的研究價值與意義.因此，文中提出了一種集多種方式優(yōu)點于一體的遠程抄表系統(tǒng)中集中器硬件的設(shè)計方案.

2 集中器的硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

集中器是遠程自動抄表系統(tǒng)中的核心設(shè)備.它通過下行信道抄收各種具有載波通信功能的智能儀表、采集模塊以及各種載波通信終端的用電量數(shù)據(jù)信息，并進行存儲，它的下行通信信道可以采用低壓電力線載波或RS-485串行通信信道；同時也能通過上行通信信道與主站服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換，它的上行通信信道可以采用公用通訊網(wǎng)，例如MODE、GPRS、CDMA等通信方式.

集中器的硬件結(jié)構(gòu)主要由電源電路模塊、ARM處理器模塊、通信模塊、存儲器模塊等部分構(gòu)成，其框圖如圖1所示.

圖1 集中器硬件框圖

2.1 中央處理器

根據(jù)集中器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖可知，CPU設(shè)備在整個系統(tǒng)中起到核心作用，CPU芯片性能的好壞決定整個系統(tǒng)性能，結(jié)合系統(tǒng)性能需求分析，選用AT91SAM7X256芯片作為CPU主控芯片.它是基于32位ARMRISC處理器的系列微控制器的一員，集成有256K字節(jié)的高速Flash和64K字節(jié)的SRAM和全套外圍設(shè)備，其中包括了一個802.3Ethemet網(wǎng)口和一個CAN控制器，選用該芯片可使一整套系統(tǒng)功能單元使需要的外部組件數(shù)為最少.

2.2 存儲模塊的設(shè)計

AT91SAM7X256芯片含有串行外設(shè)接口SPI，SPI(Serial PeripheralInterface-串行外設(shè)接口)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信以交換信息.當芯片本身具有256K字節(jié)的片內(nèi)Flash存儲器不能滿足要求時，我們可進行片外擴展.一般來說，256KB片內(nèi)Flash存儲器用來存儲系統(tǒng)程序，而電表各種數(shù)據(jù)資料存儲在擴展的片外Flash存儲器和SD卡中.在內(nèi)存方面，由于該芯片本身有64KSRAM，對系統(tǒng)來說能達到基本要求，因此沒必要進行另外的擴展.

2.3 上行通訊模塊的設(shè)計

2.3.1 MODEM通信設(shè)計

在上行通訊模塊中，集中器通過內(nèi)置MODEM與上位機進行通訊，視為有線集中器通訊方式，用戶在使用時只需將兩根電話線按接線說明接入集中器的相應(yīng)端子即可.用戶需通過上位機的載波抄表前置機軟件與集中器進行通訊.當上位機開始撥號時，集中器的MODEM指示燈開始閃爍，當上位機與集中器正常建立連接后，集中器的TEL聯(lián)接指示燈開始常亮，此時表明集中器已進入與上位機的通訊狀態(tài)，通訊過程正在進行.當上位機執(zhí)行掛斷集中器命令后集中器的TEL聯(lián)接指示燈和MODEM指示燈一同熄滅，集中器斷開與上位機的通訊，通訊過程結(jié)束.

為了讓通信模塊有更強的靈活性，一般在設(shè)計時與主板分離，方便替換.本系統(tǒng)則可仿效市場集中器的做法，采用盒裝插板式的工藝來設(shè)計遠程通信模塊，在主板上設(shè)計16針的插口，通過該插口PC16G將MODEM通信模塊與主板建立聯(lián)系.

2.3.2 紅外通信設(shè)計

紅外通訊技術(shù)利用紅外線來傳遞數(shù)據(jù)，是無線通訊技術(shù)的一種.它以價格低廉、無需連線、功耗較低和保密性較強做為一種較好的通訊方案，但距離和速度方面有一定限制，在現(xiàn)場測試等方面有較高的應(yīng)用價值.

在集中器處于抄表或等待狀態(tài)時，按一下集中器下部的紅外按鍵，集中器的MODEM指示燈閃亮1分鐘進行紅外通訊等待，此時即可通過相配套的掌上電腦設(shè)備與集中器進行紅外通訊.在紅外通訊過程中集中器收到紅外通訊命令，集中器的紅外接收指示燈閃亮1次、集中器每發(fā)1條應(yīng)答命令紅外發(fā)送指示燈閃亮1次，同時集中器自動增加1分鐘的紅外通訊延時.當集中器接收到紅外通訊退出命令或延時時間到，紅外通訊指示燈熄滅，集中器自動退出紅外通訊狀態(tài).

紅外信號的接收可由紅外線接收芯片TSOP31838來完成，它的輸出端經(jīng)紅外接收端口輸入至起調(diào)制解調(diào)作用的CPLD芯片IS4064，從而共同完成調(diào)制、放大和解調(diào)過程，解調(diào)出來的信號經(jīng)主板上行通信的輸入端輸入主機.

在電力抄表的應(yīng)用中，每個抄表現(xiàn)場，為了方便檢測施工線路的通斷與否或者方便集中器參數(shù)的設(shè)置，需要配置紅外掌機來配合施工人員，因此集中器需要具有紅外功能.

2.4 下行通訊模塊的設(shè)計

下行通訊是指集中器與采集終端進行數(shù)據(jù)的傳輸，抄收電表的各項數(shù)據(jù).根據(jù)本項目的設(shè)計，AT91SAM7X256的USART用于上下行通訊，其中TXD0和RXD0用于下行通訊收發(fā)數(shù)據(jù)端口.根據(jù)設(shè)計的安排，下行通訊應(yīng)有一個載波通信口、一個RS-485串口和下行通訊選擇控制口，由于主控芯片本身串口有限，故可采用CPLD芯片IS4064來完成下行通訊通道的選擇及數(shù)據(jù)的傳遞.

2.4.1 載波通信設(shè)計

下行載波通訊模塊的主控芯片選用北京福星曉程公司的PL3105，該芯片是專為面向未來的開放式自動抄表，智能信息家電以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計的單芯片片上系統(tǒng)，它除了具有功能強大的微處理器外，尤其在高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及電力線載波通訊方面具有更大的優(yōu)勢，它的擴頻通信單元是PL2000系列專用電力線載波通信集成電路的升級內(nèi)核，具有更強的抗干擾能力，更高的數(shù)據(jù)通信速率和更大的軟件可配置靈活性.

PL3105中的P30作為載波發(fā)送的數(shù)據(jù)輸入端，P31作為載波接收的數(shù)據(jù)輸出端，并通過IDC18接口與主板相連通.載波信號從PL3105芯片載波信號輸出端P17輸出經(jīng)功放放大后由變壓器耦合至電表，而電表的電能數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、帶選頻的放大電路后輸出至PL3105苾片的模擬信號輸入端.其中A、B、C三路電表的選抄由CTR_A、CTR_B、CTR_C信號控制繼電器動作來完成，而控制信號可由程序來產(chǎn)生.

2.4.2 RS-485設(shè)計

在電力通訊方案的設(shè)計中，下行通訊除了采用低壓電力載波通訊方式以外，還經(jīng)常利用RS-485總線通訊方式.因為這樣組網(wǎng)方式就較為靈活，既可使用RS-485總線和低壓電力載波混合的方式組網(wǎng)，也可以使用可靠性比較高的全485方案組網(wǎng).而且可用于RS-485接口的芯片種類也越來越多，實現(xiàn)這種通訊的技術(shù)也相當成熟.

在本設(shè)計中，采用傳統(tǒng)方式隔離型RS-485通訊方案，選用TI的SN65LBC184作為RS-485接口芯片，用PS2501高速光耦器件構(gòu)成隔離型RS-485電路，通過光耦隔離來實現(xiàn)信號的隔離傳輸.

2.5 JTAG的設(shè)計

本設(shè)計采用SAM-ICE仿真器調(diào)試程序.SAM-ICE是專為ATMEL的AT91系列ARM處理器設(shè)計的JTAG仿真器.標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出.JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，能實現(xiàn)對各個器件分別測試.JTAG接口還常用于對FLASH器件進行編程.通過JTAG接口，可對芯片內(nèi)部的所有部件進行訪問，因而是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡浩高效的手段.目前JTAG接口的連接有14針接口和20針接口兩種標準.本文采用了20針的JTAG接口.

3 結(jié)束語

以ARMAT91SAM7X256為主控芯片的集中器,有充足的外部接口，方便集中器與外部模塊相連.集中器通過MODEM通信方式接收來自上行信道的主站命令，處理器將接受到的命令轉(zhuǎn)換為一條或者多條內(nèi)部可執(zhí)行的命令，從而提取歷史數(shù)據(jù)或參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進行協(xié)議封裝傳送給上行信道，上行信道將數(shù)據(jù)按照原路徑傳送給服務(wù)器.同時通過下行信道抄收各種用戶終端的用電量數(shù)據(jù)信息，并進行存儲，從而實現(xiàn)智能化抄表工作.這種基于ARM芯片的集中抄表系統(tǒng)是可行的、有效的，它代表著技術(shù)發(fā)展的新趨勢，也將會有廣泛的應(yīng)用前景.

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1673-260X（2014）12-0024-02