楊俊紅,馬國峰，張平川

(1．鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院,河南 鄭州 450002； 2.河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

?

基于C8051F350及CC2420的無線智能電表設(shè)計

楊俊紅1,馬國峰1，張平川2

(1．鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院,河南 鄭州 450002； 2.河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

采用嵌入式系統(tǒng)C8051F350作為控制核心，用實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II進(jìn)行多任務(wù)管理，用高性能ADE7758作為電能計量芯片，以CC2420作為射頻無線傳輸模塊設(shè)計實(shí)現(xiàn)了無線智能電表方案.系統(tǒng)的主要功能有：遠(yuǎn)程編程設(shè)定和軟件升級；提供電能質(zhì)量的監(jiān)視；多參數(shù)電量實(shí)時采集和控制、存儲；提供雙向計量；能根據(jù)需求響應(yīng)要求而限制負(fù)荷；支持遠(yuǎn)程時間同步、雙向通信(有線和無線方式).經(jīng)測試，系統(tǒng)滿足DL/T645-1997、DL/T614-1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.2S要求，具有運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)通信快、精度高、防竊電、實(shí)時性好、功能完備等特點(diǎn)，對節(jié)約用電、加快智能電表的發(fā)展普及具有重要價值.

嵌入式系統(tǒng)C8051F350；智能電表；ZIGBEE；無線抄表；實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II

綜合利用無線通信技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等設(shè)計實(shí)現(xiàn)無線智能電表，是智能電網(wǎng)高級量測體系A(chǔ)MI(Advanced Metering Infrastructure)重要內(nèi)容之一[1]6-10.AMI對智能電表功能的總體要求是：電量信息的實(shí)時采集和智能控制；可以進(jìn)行電量的雙向計量，對分布式發(fā)電的用戶提供支持；能根據(jù)需求響應(yīng)要求而限制負(fù)荷；具有斷電報警和電能質(zhì)量監(jiān)測以及供電恢復(fù)處理機(jī)制；具有遠(yuǎn)程抄表、同步、編程控制和程序更新維護(hù)升級等功能.當(dāng)前，采用GSM/GPRS技術(shù)的無線抄表系統(tǒng)需要支付通信費(fèi)用且工作頻段容易擁塞造成實(shí)時性差，使得利用各類嵌入式系統(tǒng)(如ARM、SOC、FPGA、DSP、CPLD等)與紅外或ISM頻段(工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz)的免費(fèi)頻段相結(jié)合開發(fā)的智能電表受到廣泛重視[2]20-36，[3]53-56.本文采用C8051F350作為智能電表的控制核心，用μC/OS-II作為實(shí)時操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)管理、選用高性能ADE7758芯片完成電能計量， 采用CC2420 ZIGBEE模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，按照DL/T645-1997、GB/T17215-1998、DL/T614-1997標(biāo)準(zhǔn)的智能電表方案，設(shè)計實(shí)現(xiàn)符合AMI功能要求的無線智能電表，以提高智能用電的水平.

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

1.1 I/O模塊功能

智能電表設(shè)計4個按鍵，分別為：ON啟動鍵(MODE模式選擇)、+(增大)、-(減小)、確認(rèn)鍵(長按2 s停止操作)；

顯示模塊的功能主要有：上電自檢顯示(全亮2 s)；正常工作狀態(tài)下循環(huán)顯示(顯示內(nèi)容包括：時鐘、日期)；各類電量數(shù)據(jù)(總、尖、峰、平、谷)的循環(huán)顯示；

智能電度表數(shù)據(jù)通信功能接口：采用ZIGBEE及藍(lán)牙射頻接口實(shí)現(xiàn)主動/被動抄表，工作頻段為免費(fèi)頻段ISM 2.4GHz；通過紅外通信接口與目前主流的手持抄表終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.采用RS232紅外模塊，規(guī)程符合DL/T645-97要求，紅外波長范圍為900～1 000 nm，通信波特率采用1 200 bps；通信線與電表內(nèi)部電路之間采用光耦器件進(jìn)行電氣隔離.

1.2 抄表功能

可通過無線RS485接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動抄表.可通過手持終端抄讀一年中任意月份的電量表保存的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)抄表功能；通過手持終端可以抄讀電表?xiàng)l碼號及當(dāng)前(總、尖、峰、平、谷)電量數(shù)據(jù)的日常抄表功能.

1.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

智能電表存儲采用兩級存儲模式：第一級存儲主要由CPU內(nèi)的8kB的程序存儲器Flash ROM和256B的隨機(jī)存儲器RAM實(shí)現(xiàn)；第二級存儲系統(tǒng)采用外擴(kuò)展Flash ROM實(shí)現(xiàn)，以第二級為主.

1.4 計費(fèi)模塊

可設(shè)置尖、峰、平、谷4種費(fèi)率，不大于12個時段，缺省設(shè)置為1個時段.時段最小間隔為1 min.時段可跨零點(diǎn).電表內(nèi)部設(shè)計了雙硬件實(shí)時時鐘電路，具有日歷計時功能，可以記錄設(shè)置需要時段的起止時間.

1.5 編程模塊

遠(yuǎn)程編程使得智能電表具有較強(qiáng)的靈活性，通過紅外或射頻實(shí)現(xiàn)的RS232/RS485通信接口實(shí)現(xiàn)電表的遠(yuǎn)程編程控制.比如設(shè)置(時間、時段、費(fèi)率、顯示項(xiàng)目及內(nèi)容)、電量的凍結(jié)轉(zhuǎn)存設(shè)置、單相或三相選擇等參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，或通過綜合設(shè)置操作一次性完成設(shè)定.

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的電表功能，確定的系統(tǒng)整體方案主要包括：電能數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸3大單元.智能電表系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 多功能電能表系統(tǒng)框圖

圖1 中，MCU接收電能數(shù)據(jù)采集模塊傳輸來的電量數(shù)據(jù)(電流I、電壓U、功率P等)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的時段，完成主要參數(shù)計算，主要包括無功、有功、費(fèi)率、電流、電壓等參數(shù)，并輸送到顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示.系統(tǒng)通過接口電路實(shí)現(xiàn)與外部的數(shù)據(jù)傳輸功能.系統(tǒng)采用C8051F350作為運(yùn)算控制核心，C8051F350是完全集成的混合信號SOC型MCU，其主要性能為：具有流水線結(jié)構(gòu)的50 MIPS高速8051內(nèi)核(可并行處理兩個完全獨(dú)立的任務(wù)，能獨(dú)立完成輸入輸出、控制、運(yùn)算等任務(wù))；8KB FLASH存儲器、768B片內(nèi)RAM；ICE片內(nèi)在系統(tǒng)調(diào)試接口； 24.5MHz的內(nèi)置高精度可編程振蕩器；片內(nèi)電壓比較器；24/16分辨率ADC，兩個8位電流型DAC；豐富的I/O端口、VDD電壓監(jiān)視器及溫度傳感器[4]15-30.

主控MCU按照DL/T645-1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計量要求實(shí)現(xiàn)正反向有功電能參數(shù)計量，主要有總、平、峰、谷電量4個參數(shù)；同時表尾具有輸出無功(正、反)、有功(正、反)和四象限無功等的全部脈沖接口端子.通信接口采用標(biāo)準(zhǔn)的紅外RS232/RS485串行通信接口.按照DL/T645-97規(guī)程要求實(shí)現(xiàn)RS485遠(yuǎn)程抄表、手持終端抄表、ZIGBEE或Bluetooth/紅外無線抄表等功能.

系統(tǒng)采用先進(jìn)的智能計量CMOS工藝芯片ADE7758構(gòu)建了一個低成本電能測量解決方案[5]42-44, 芯片集成了數(shù)字積分、參考基準(zhǔn)電壓源、溫度敏感元件等，有可用于無功功率、有功功率、視在功率的瞬時值與平均值測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差(相位、增益、失調(diào)等)所必需的信號處理電路.ADE7758支持IEC61036IEC60687、與IEC61268等標(biāo)準(zhǔn)的要求，是一種高準(zhǔn)確度的三相專用電能計量芯片，在1～1 000的動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1%.該芯片適用于各種三相電路(三線制/四線制均可).

2.1 工作原理

系統(tǒng)工作時，數(shù)據(jù)采集傳感器采集到6路信號(3路電壓信號和3路電流信號)并饋入電量計量芯片ADE7758，先經(jīng)過內(nèi)置可編程增益放大器PGA1/PGA2放大，然后通過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換單元ADC變換為數(shù)字信號.同時，對電壓量進(jìn)行相位Φ校正，對電流數(shù)據(jù)通過HPF高通濾波器去掉直流DC 分量并進(jìn)行數(shù)字積分處理，然后電壓與電流量相乘就得到了瞬時功率；瞬時功率經(jīng)過低通濾波器LPF2濾波后得到瞬時有功功率數(shù)據(jù)；對各相的功率求和后就是三相總的瞬時有功功率，經(jīng)ADE7785的數(shù)據(jù)輸出端子DOUT輸出.無功功率和視在功率的求出過程與有功功率的近似.將有功功率數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口(脈沖或串行)送入單片機(jī)C8051F350，C8051F350按照預(yù)先設(shè)置的計量時段的分時無功功率、有功功率、最大需量電量進(jìn)行計算和數(shù)據(jù)處理，并實(shí)時顯示和輸出計量結(jié)果，同時將結(jié)果保存到Flash ROM中；系統(tǒng)可以通過無線模塊(紅外RS485/ZIGBEE)與便攜終端等數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)相互通信.

2.2 ZIGBEE 無線傳輸單元

無線傳輸射頻模塊采用具有ZIGBEE 協(xié)議的CC2420芯片.ZIGBEE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持介質(zhì)訪問控制層和物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持多種類型的網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)現(xiàn)采用IEEE802.15.4協(xié)議的低速率無線個人LAN，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層的三層標(biāo)準(zhǔn).突出的優(yōu)點(diǎn)是：組網(wǎng)能力強(qiáng)，適應(yīng)面廣，可靠性高，節(jié)能性好.ZIGBEE芯片CC2420內(nèi)部具有數(shù)據(jù)的無線收發(fā)單元.發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過模塊上的RS485串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)C8051F350，單片機(jī)C8051F350再控制CC2420進(jìn)行DSS直接序列擴(kuò)頻，然后經(jīng)過天線輻射傳播到空中，接收數(shù)據(jù)時，天線接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過CC2420芯片解擴(kuò)后，再通過單片機(jī)傳輸?shù)狡渌麛?shù)據(jù)平臺.

IEEE 802.15.4 介質(zhì)訪問控制MAC數(shù)據(jù)包都由頭字節(jié)和16位CRC值組成，每個數(shù)據(jù)包的最大長度為127B,采用16位CRC碼驗(yàn)證幀的數(shù)據(jù)完整性.介質(zhì)訪問控制MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU格式如表1所示.

表1 MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU格式

表1中，CRC在發(fā)送時為00；接收時，D15=1表示數(shù)據(jù)正確.

2.3 系統(tǒng)電量計量電力參數(shù)計算數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)計量有功功率P、無功功率Q及功率因數(shù)的離散化計算公式分別為下式：

(1)

(2)

(3)

式中，K為采樣頻率, 數(shù)據(jù)序列分別為電壓和電流采樣信號經(jīng)離散化處理后得到.

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序由初始化程序、循環(huán)程序、中斷處理程序3大模塊組成，程序流程圖見圖2所示.

3.2 ZIGBEE 無線傳輸協(xié)議

本文無線傳輸協(xié)議采用ZIGBEE 2007規(guī)范的Z-Stack協(xié)議棧，協(xié)議框架包括AF應(yīng)用框架層、ZDO層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層、硬件抽象層(HAL)5層.ZIGBEE各層可作為1個任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行.Z-Stack協(xié)議棧結(jié)構(gòu)見圖3所示.

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

圖3 ZIGBEE 協(xié)議層

ZIGBEE Z-Stack協(xié)議實(shí)現(xiàn)采用μC/OS-II嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，μC/OS-II是開源的占先式實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核，具有可固化、小巧、可移植、完整、可裁剪、成本低的優(yōu)點(diǎn)，可以管理64 個任務(wù).

μC/OS-II實(shí)現(xiàn)的管理事件從下到上層序?yàn)椋何锢韺?HalProcessEvent)、MAC(MacEventloop)、網(wǎng)絡(luò)層(nwkeventloop)、ZDO(ZDAppeventloop、AF(MeterAPPProcessEvent).程序開發(fā)流程：設(shè)置系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境參數(shù)；生成交叉編譯環(huán)境；Bootloader引導(dǎo)程序加載；內(nèi)核編譯；生成ROOT根文件系統(tǒng).

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

設(shè)計的智能電表系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖如圖4所示.待檢驗(yàn)的智能電表標(biāo)準(zhǔn)比對三相電表三相程控精密電源HT3050計算機(jī)設(shè)備.

圖4 實(shí)驗(yàn)框圖

圖4中，采用三相程控精密測試電源HT3050，是幅度及相位均可調(diào)的高精度電壓電流源，設(shè)置HT3050輸出頻率為50 Hz. 電流為10 A，電流數(shù)值依次分別為0.1、0.5、1、10 A，電壓選擇220 V,疊加10次諧波分量.基本實(shí)驗(yàn)參數(shù)結(jié)果見表2.

表2 智能電表參數(shù)測試誤差(%)

從表2中可以看出智能電表各個參數(shù)的最大誤差值.誤差表明了所實(shí)現(xiàn)的電表精度等級達(dá)到0.2級電表的性能要求，達(dá)到了實(shí)用化水準(zhǔn).

5 結(jié)語

采用低成本高性能嵌入式系統(tǒng)芯片C8051F350和μC/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)管理、ZIGBEE芯片C2420和電能計量芯片ADE7758相結(jié)合設(shè)計了符合AMI規(guī)范的智能電度表要求，能滿足DL/T645-1997規(guī)程要求的電量多參數(shù)計量、顯示、存儲，可提供臨時凍結(jié)電量；具有2.4GHz無線通信接口，符合DL/T645-97要求的標(biāo)準(zhǔn)紅外RS232/RS485通信接口；可進(jìn)行手持終端抄表、遠(yuǎn)程抄表、無線抄表等.經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)具有精度高、數(shù)據(jù)傳輸快、防竊電、實(shí)時性好、運(yùn)行穩(wěn)定、功能完善等特點(diǎn)，達(dá)到了0.2 s的精度等級，可適用于電動汽車充放電的需要，對于促進(jìn)智能電度表的推廣應(yīng)用具有重要價值.

[1] 欒文鵬.高級量測體系[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(2).

[2] 李 堯.基于ZIGBEE的家庭無線終端的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[3] 牟龍華,朱國鋒,朱吉然.基于智能電網(wǎng)的智能用戶端設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(21).

[4] 阿 里.8051微控制器和嵌入式系統(tǒng)[M].嚴(yán)雋永,譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5] 杜欣慧,王 茜.基于計量芯片ADE7758的三相多功能電表設(shè)計[J].電氣技術(shù)，2012(2).

[責(zé)任編輯 冰 竹]

2016-06-13

河南省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目“智能電表關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”(項(xiàng)目編號：2011C510009)

楊俊紅(1970- )，女，河南西平人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)和計算機(jī)應(yīng)用研究。

1671-8127(2016)05-0028-04

TP315；TM933.45

A