馬勇（陜西財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學院，陜西咸陽712000）

基于ATmega128和μC/OS-Ⅱ的電力載波集中器的設計

馬勇
（陜西財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學院，陜西咸陽712000）

中國智能電網(wǎng)發(fā)展的第一步是進行國家電網(wǎng)“電力用戶用電信息采集系統(tǒng)”的建設，自動抄表技術(shù)是該系統(tǒng)建設的關(guān)鍵，而在自動抄表系統(tǒng)中，集中器充當代理服務器的角色，對整個系統(tǒng)具有重要意義。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準》集中抄表終端技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求，設計了以ATmega128芯片為硬件核心，以μC/OS-Ⅱ為嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有GPRS和電力線載波功能的集中器系統(tǒng)。測試結(jié)果表明系統(tǒng)運行正常，可以滿足規(guī)范對于集中器系統(tǒng)的相關(guān)要求，性能穩(wěn)定。該系統(tǒng)對于其他數(shù)據(jù)采集設備的設計與實現(xiàn)也有一定參考價值。

自動抄表；集中器；電力線載波；GPRS；數(shù)據(jù)采集

隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對電力需求越來越大，我國的電網(wǎng)規(guī)模也在不斷擴大。依靠現(xiàn)代技術(shù)，積極發(fā)展建設智能電網(wǎng)，適應可持續(xù)發(fā)展的要求，已經(jīng)成為電力工業(yè)積極應對挑戰(zhàn)的共同選擇。中國智能電網(wǎng)發(fā)展的第一步是進行國家電網(wǎng)公司“電力用戶用電信息采集系統(tǒng)”的建設，自動抄表技術(shù)是該系統(tǒng)建設的關(guān)鍵，而在自動抄表系統(tǒng)中，集中器充當著代理服務器的角色，起著承上啟下的作用，對整個系統(tǒng)具有重要意義。

自動抄表，是利用自動控制技術(shù)、電子技術(shù)、計算機及通訊等技術(shù)，通過專用設備對表計進行讀取及數(shù)據(jù)處理的過程。國內(nèi)的自動抄表系統(tǒng)主要包括：主站、通信信道、采集終端、電能表4部分，如圖1所示。

圖1　自動抄表系統(tǒng)Fig.1Automatic meter reading system

其中數(shù)據(jù)采集終端中最主要的部分是集中器。集中器是指收集各采集終端或電能表的數(shù)據(jù)，并進行處理儲存，同時能和主站或手持設備進行數(shù)據(jù)交換的設備。集中器就是主站與電能計量設備之間的橋梁，在自動抄表系統(tǒng)中起著不可或缺的作用。目前市場上存在著各類集中器，但是缺乏符合2009年國家電網(wǎng)用電信息采集規(guī)范的產(chǎn)品，所以設計出一款符合2009年國網(wǎng)采集規(guī)范的集中器，具有較大的應用價值。

1　相關(guān)理論與技術(shù)

1.1電力線載波通信技術(shù)

電力線載波，簡稱PLC，是利用電力線進行載波通信的一種有線通信方式。電力線載波通信與其他通信方式相比，能充分利用現(xiàn)有的電力線資源，即利用電力線進行通信，實現(xiàn)信息的傳輸。近十年來，隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，電力載波技術(shù)得到迅速的發(fā)展，載波技術(shù)由模擬式發(fā)展為數(shù)字式，成為通信技術(shù)的又一個熱點。

1.2ATmega128微控制器

ATmega128是一款基于AVR內(nèi)核，采用RISC結(jié)構(gòu)的CMOS 8位微控制器，數(shù)據(jù)吞吐率可達1 MIPS/ MHz，在電源電壓2.7～5.5 V范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定工作，內(nèi)置具有數(shù)據(jù)記憶功能的128 kB Flash程序存儲器，4 kB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，4 kB的SRAM內(nèi)部存儲器，2個可編程串行USART等，可通過JTAG接口進行編程調(diào)試。

2　集中器設計

在設計任何一個嵌入式設備之前，明確它的功能是非常必要的。

根據(jù)Q/GDW_374.2-2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范：集中抄表終端技術(shù)規(guī)范》，本集中器系統(tǒng)的主要功能如下。

2.1采集功能

集中器將根據(jù)設置方式，采集各用戶電表的日歷史電量、月歷史電量、實時電量以及關(guān)口表的視在功率。本集中器下轄120個采集器，每個采集器下轄8個用戶電表，最多可采集960戶的電量數(shù)據(jù)。

2.2設置及控制功能

集中器可根據(jù)主站的命令設置主站IP及端口號等參數(shù)，可以對用戶進行用電控制。

2.3通信功能

集中器采用無線GPRS，電力載波等通訊方式，可接收主站命令及相應數(shù)據(jù)，根據(jù)命令對各戶電表進行采集及控制。

2.4數(shù)據(jù)存儲

集中器存儲有采集的各種電量數(shù)據(jù)及主站編號、集中器編號、主站IP地址、視在功率越限閾值等參數(shù)。

2.5心跳及上報功能

為了監(jiān)測所有集中器的工作狀況，及時發(fā)現(xiàn)故障，維持網(wǎng)絡穩(wěn)定，集中器每隔一段時間就主動向主站發(fā)送一個心跳報文。集中器還可以向主站報關(guān)口表現(xiàn)出視在功率越限情況。

2.6校時功能

集中器可通過主站進行系統(tǒng)校時，調(diào)整時間誤差，也可對采集器進行廣播校時。

2.7本地功能

集中器具有本地狀態(tài)指示燈，指示電源、運行、通信等狀態(tài)，具有本地維護接口JTAG，可對本地軟件進行維護、升級。

2.8終端維護

集中器接收到復位命令，可對集中器進行初始化。

2.8.1集中器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集中器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括3個模塊，集中器模塊，GPRS收發(fā)器，載波模塊。集中器既是主站的從機，又是采集器的主機，其軟硬件設計相對要求較高，必須能保證整個采集系統(tǒng)的安全性和可靠性。集中器的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　集中器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2Concentrator system structure diagram

集中器模塊是集中器系統(tǒng)中的核心部分，數(shù)據(jù)采集、處理、儲存與傳送以及對各戶電表用電控制都在集中器模塊控制下進行。集中器模塊的主控MCU是ATmega128。通過RS485、RS232分別與載波模塊和GPRS收發(fā)器通信。

GPRS收發(fā)器用于登入GPRS網(wǎng)絡，實現(xiàn)集中器和主站間的遠程數(shù)據(jù)傳輸。本GPRS模塊采用的GPRS Modem是華為公司的EM310，MCU采用的是ATmega64。

載波模塊用于完成集中器與采集器之間的數(shù)據(jù)傳輸，并且與臺區(qū)關(guān)口表通過RS485相連，用于采集關(guān)口表視在功率。載波模塊采用的載波芯片是福星曉程的PL3106，由于集中器需要與三相電路上的采集器進行通信，所以需要使用3個PL3106芯片。

2.8.2數(shù)據(jù)存儲管理

該系統(tǒng)使用3個FRAM的64KB FM24C512芯片作為存儲設備，存儲著各項電量及參數(shù)，儲空間比較大，系統(tǒng)需要保存的數(shù)據(jù)也是比較大的。系統(tǒng)需要存儲的數(shù)據(jù)大致分2類：電量數(shù)據(jù)和集中器配置參數(shù)。電量數(shù)據(jù)包括：各用戶電表31 d的日歷史用電量，最近12個月的月歷史電量，各用戶當前電能示值，關(guān)口表視在功率。集中器配置參數(shù)包括：主站編號，集中器編號，所轄采集器編號，主站IP，視在功率越限閾值。系統(tǒng)設計最多下轄120個采集器，分別分配給A、B、C三相。關(guān)口表采集數(shù)據(jù)，下轄3個用戶，A、B、C三相的日用電量，它們的單位是kW·h，每相電量用4個字節(jié)表示。其他采集器采集的電量單位都是脈沖數(shù)，每個采集器下轄8個用戶電表，每戶電量用4個字節(jié)表示。

根據(jù)Q/GDW_374.2-2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范：集中抄表終端技術(shù)規(guī)范》，集中器需要存儲存儲所有用戶31 d的日歷史用電量。存儲時，采用覆蓋的方法，順序存入，相對應的數(shù)據(jù)塊存儲完后，回到開始地址，覆蓋以前的日歷史電量，再順序存入。如果一個月不足31 d，則跳過沒有日期與之對應的數(shù)據(jù)塊。

2.8.3集中器通信協(xié)議

通信協(xié)議在集中器系統(tǒng)中有著的重要作用，該集中器系統(tǒng)的通信協(xié)議分為上行通信協(xié)議和下行通信協(xié)議2部分。上行通信協(xié)議規(guī)定了集中器與上位機主站之間通信的幀格式，數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。下行通信協(xié)議規(guī)定了集中器與采集器及關(guān)口表之間通信的幀格式，數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。上行通信協(xié)議基于Q/GDW_376.1-2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議：主站與采集終端通信協(xié)議》，下行協(xié)議基于DL/T-645-1997《多功能電表通信規(guī)約》。其中集中器與主站的通信協(xié)議比較復雜，且最為重要。Q/GDW_376.1-2009協(xié)議的幀格式如圖3所示。

圖3　上行協(xié)議幀結(jié)構(gòu)Fig.3Uplink protocol frame structure

Q/GDW 376.1-2009中的內(nèi)容雖然豐富，但由于本系統(tǒng)采用的硬件和軟件功能的限制，沒必要完全照搬此協(xié)議，所以根據(jù)此協(xié)議，設計出適合本系統(tǒng)的上行專用通信協(xié)議。本協(xié)議對報文的應用層功能碼和信息類標識定義如表1所示。協(xié)議中采集當前電能示值的報文格式如表2所示。

表1　應用層功能碼和信息類標識Tab.1Application layer function code andinformation identification

3　集中器實現(xiàn)

3.1集中器模塊的實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的實現(xiàn)功能，集中器模塊包括：MCUATmega128芯片，DS1302時鐘芯片，F(xiàn)M24C512，MAX232，MAX485等器件。集中器模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中DS1302，F(xiàn)M24C512模塊如圖5、圖6所示。

表2　采集當前電能示值下行報文Tab.2Downlink message of current power value

圖4　集中器模塊結(jié)構(gòu)Fig.4The concentrator module structure

圖5　DS1302模塊Fig.5DS1302 module

3.2GPRS收發(fā)器

GPRS收發(fā)器是集中器系統(tǒng)用來與主站之間通信的模塊。GPRS收發(fā)器又分為2部分：ATmega64控制器，華為EM310模塊。GPRS收發(fā)器原理框圖，如圖7所示。其中的EM310模塊電路如圖8所示。

3.3載波模塊

載波模塊是系統(tǒng)中負責與采集器通信的模塊，上行通過RS485與集中器模塊相連，下行通過電力載波與采集器相連。本系統(tǒng)采用PL3106作為專用的載波通信芯片，PL3106是北京福星曉程有限公司生產(chǎn)的一款片上系統(tǒng)，主要針對自動抄表及智能儀表而設計的。它需要配合外圍的功率放大、接收電路等載波通信電路才能工作。電力載波電路原理框圖如圖9所示。其中PL3106及載波信號的后處理電路如圖10所示。

圖6　FM24C512模塊Fig.6FM24C512 module

圖7　收發(fā)器框圖Fig.7Transceiver diagram

本系統(tǒng)要與三相電路上的采集器進行通信，所以載波模塊使用了3個PL3106芯片，具有3路載波通信電路，且互不干擾。

3.4集中器軟件實現(xiàn)

軟件是系統(tǒng)重要的組成部分，也是系統(tǒng)的價值所在。軟件實現(xiàn)包括μC/OS-Ⅱ在的移植和任務分配及系統(tǒng)運行、GPRS收發(fā)器功能實現(xiàn)、載波模塊功能實現(xiàn)。

μC/OS-Ⅱ是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、可剝奪的RTOS。它的絕大多數(shù)代碼使用C語言編寫，只有少數(shù)與CPU密切相關(guān)的代碼用匯編語言編寫，方便用戶把它移植到別的處理器上。與Linux相比較，它具有占用空間少，執(zhí)行效率高，實時性能優(yōu)良的特點，且針對新處理器的移植相對簡單。該系統(tǒng)的移植目的是讓μC/OS-Ⅱ內(nèi)核能夠正常運行在ATmega128芯片上。大部分μC/OS-Ⅱ代碼是C語言代碼，方便移植，但是仍有一部分是匯編代碼，這是因為μC/OS-Ⅱ在讀寫底層寄存器時需要匯編語言來完成。要進行移植，需要找到os_cpu.h，os_cpu_c.c、os_cpu_a.s、os_cfg.h這4個文件，其中os_cpu_a.s是匯編語言文件，并對它們里面數(shù)據(jù)類型、函數(shù)或宏進行修改，另外還需編寫移植所用的主頭文件includes.h。

圖8　EM310模塊Fig.8EM310 module

圖9　電力載波電路框圖Fig.9Power carrier circuit diagram

本集中器主要有以下幾個方面的任務：數(shù)據(jù)處理、存儲器管理任務，定時任務、上行協(xié)議解析任務，下行協(xié)議解析任務，上行協(xié)議封裝任務，下行協(xié)議封裝任務。上行通信任務，下行通信任務。在上行任務中，可通過串口，采用中斷服務程序接收來自GPRS收發(fā)器的主站數(shù)據(jù)，接收方式為接收狀態(tài)機方式。接收各任務的通信關(guān)系如圖11所示。

GPRS收發(fā)器采用裸機程序?qū)崿F(xiàn)各功能，以便更好地控制各項硬件資源，使之得到合理的應用，同時也降低了對硬件配置的要求，成本隨之降低。采用中斷的方式接收發(fā)送數(shù)據(jù)。實現(xiàn)如圖12所示功能。

載波模塊的功能是把接收來的集中器命令，通過電力線轉(zhuǎn)發(fā)給采集器，并把采集器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給集中器，起到一個橋式數(shù)據(jù)通路的作用。集中器通過載波模塊與采集器和關(guān)口表通信，所基于的通信協(xié)議是DL-T645-1997《多功能電能表通信規(guī)約》。由于采用福星曉程的載波芯片，所以也結(jié)合了福星曉程載波通訊協(xié)議的一些特點。載波通信接收和發(fā)送均被設計為外部中斷的方式進行處理；每一次進入中斷，完成對1 bit數(shù)據(jù)的接收或者發(fā)送處理。接收時，捕獲和同步的過程由載波單元的硬件自動完成，不需要軟件參與。由于電力線噪聲的存在，所以在有效數(shù)據(jù)前必須加上同步幀頭，依據(jù)福星曉程的載波通訊協(xié)議，同步幀頭選擇為09H、 AFH，后續(xù)為通信的有效數(shù)據(jù)。載波接收過程如圖13所示。載波處于發(fā)送態(tài)時，載波單元發(fā)送完1 bit的擴頻數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生一次中斷，然后進行下一個bit的數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)捕獲和同步過程需要，首先發(fā)送48 bit的全1，然后發(fā)送同步幀頭09H、AFH，之后根據(jù)有關(guān)協(xié)議發(fā)送其余有效數(shù)據(jù)。載波發(fā)送過程如圖14所示。

圖10　PL3106及載波信號的后處理電路Fig.10PL3106 and post processing circuit of carrier signal

圖11　任務關(guān)系圖Fig.11Task diagram

圖12　收發(fā)器實現(xiàn)功能圖Fig.12Transceiver implementation function

圖13　載波接收圖Fig.13Carrier reception

圖14　載波發(fā)送圖Fig.14Carrier transmission

本文在智能電網(wǎng)建設這一大背景下，根據(jù)《國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準》中電力用戶用電信息采集系統(tǒng)計與實現(xiàn)的。我國自動抄表技術(shù)在不斷發(fā)展，只有對系統(tǒng)進行不斷的調(diào)整改進，才能使集中器系統(tǒng)更好的適應這些變化，從而使它在我國自動抄表系統(tǒng)的建設當中發(fā)揮更好的作用。

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（編輯董小兵）

Design of Carrier Wave Concentrator Based on ATmega128 and μC/OS-Ⅱ

MA Yong
（Shaanxi Technical College of Finance&Economics，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

The first step in the development of Smart Grid in China is to construct“power user electric energy data acquisition system”in State Grid Corporation.Automatic meter reading technology is the key to the construction of the system. The concentrator，acting as a proxy server role and playing the connecting role，is also significant to the whole system. According to the related requirements of the centralized meter reading terminal specification as stipulated in“Enterprise Standards of the State Grid Corp”，a concentrator system with both GPRS and wave carrier functions is designed and implemented in this paper.The system uses ATmega128 chip as the hardware core，and the μC/OS-Ⅱas the embedded real-time operating system.The testing results show that the system runs normally，and it can meet the requirements of the specification for the concentrator system with very stable performance.The content in this paper has also certain reference value to the design and realization of other data acquisition equipment.

automatic meter reading；concentrator；power line carrier；GPRS；data collection

1674-3814（2015）06-0049-07

TP368

A

2014-12-16。

馬勇（1980—），男，工程碩士，講師，研究方向為計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集和WEB軟件開發(fā)。