羅進(jìn)

摘 要：目前很多電子式電能表不具備通信功能，因此該儀器在遠(yuǎn)程抄表中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。本文在分析電子式電能表的過(guò)程中主要是站在PIC單片機(jī)基礎(chǔ)上，對(duì)電力線載波通信與DL/T645通信協(xié)議兩個(gè)模塊進(jìn)行整合，并設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)與遠(yuǎn)程通信功能的電能表脈沖采集器。在對(duì)采集器的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，該采集器具有良好的可靠性與穩(wěn)定性，并能有效實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和遠(yuǎn)程通信功能。本文在PIC單片機(jī)基礎(chǔ)上對(duì)電能表脈沖采集器的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，希望為相關(guān)工作人員提供一些參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：PIC單片機(jī)；電能表；脈沖采集器；載波通信

這些年在計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展下，電網(wǎng)優(yōu)化改造的步伐在不斷加快，這就使得我國(guó)電能計(jì)量抄表系統(tǒng)逐漸向自動(dòng)化遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的方式前進(jìn)，并且已經(jīng)取得很大成效。在智能電表與傳統(tǒng)電表共存的方式下，基于PIC單片機(jī)的電能表脈沖采集器設(shè)計(jì)具有重要意義，能夠?qū)鹘y(tǒng)的電表向數(shù)字化電表進(jìn)行合理轉(zhuǎn)換，并且在實(shí)踐中能夠取得良好的效果。因此對(duì)PIC單片機(jī)基礎(chǔ)上的電能表脈沖采集器設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有重要價(jià)值。

1.PIC單片機(jī)概述

PIC單片機(jī)是一種用來(lái)開(kāi)發(fā)和控制外圍設(shè)備的集成電路，在應(yīng)用中具有良好的分散作用，在多任務(wù)功能的CPU作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享。PIC共享其實(shí)可以類(lèi)比為人的神經(jīng)系統(tǒng)，CPU則可類(lèi)比為人的大腦。PIC單片機(jī)包括集成電路、小計(jì)算、程序容量等多種功能，在電能表脈沖采集器設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。

2.硬件設(shè)計(jì)

在PIC單片機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電能表脈沖采集器，首先就要對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)圖紙如圖1所示。在現(xiàn)有電力線資源的充分利用下，低壓電力載波通信技術(shù)在應(yīng)用中，不但能夠?qū)h(yuǎn)程通信線路布置中存在的問(wèn)題進(jìn)行合理解決，還能降低成本支出，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，該技術(shù)在電力集抄系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)逐步成為一種主流方式，并且具有廣泛的市場(chǎng)前景。在RISC指令集的指揮下，PIC單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的命令執(zhí)行，并且具有靈活的編程方式。本文的PIC單片機(jī)為PIC16F73，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器具有4K×14位，RAM存儲(chǔ)器具有192節(jié)，具有較多的GPIO，在使用中具有加強(qiáng)的抗干擾能力，并且溫度較寬，十分適合目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的PIC16F73單片機(jī)。在電能計(jì)量設(shè)計(jì)中，一般將范圍控制在100imp/kWh以上與960imp/kWh以下，并且在應(yīng)用中能支持DL/T645規(guī)約的脈沖采集器。這樣不但能夠滿(mǎn)足傳統(tǒng)的電能表遠(yuǎn)程采集需求，還能實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化需求。

圖1：電能表脈沖采集器設(shè)計(jì)圖

選擇PIC16F73-I/SP為脈沖采集器，在設(shè)計(jì)中，一共有TTL電平的UART、光耦隔離的電能脈沖采集輸入接口、模擬的紅外收發(fā)串口各為1個(gè)，同時(shí)也有PWM方波發(fā)生器脈沖采集器為38KHz。在設(shè)計(jì)中，電能計(jì)量外擴(kuò)的E2PROM存儲(chǔ)器為24C02。輸入口的設(shè)計(jì)為PIC16F73的PB7，并將其作為電能表計(jì)量脈沖的輸入端；將PB0引腳與PB1引腳進(jìn)行合理配合，并將其作為紅外收發(fā)的模擬串口；PWM方波的輸出端口配置為PC1；為合理布置外擴(kuò)的I2c總線，就要預(yù)留PC2-PC4。圖2為脈沖采集器MCU電路圖：

圖2：脈沖采集器MCU電路圖

在設(shè)計(jì)過(guò)程中為實(shí)現(xiàn)DL/T645更好的實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，就要將AT138M3V集成器件設(shè)計(jì)為紅外接收電路，并對(duì)紅外通信功能?chē)?yán)格控制在38±1khz，這樣就能在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)紅外通信信號(hào)進(jìn)行有效捕獲。

PIC16F73單片機(jī)中紅外接收的中斷觸發(fā)端口和數(shù)據(jù)串行輸入端口，要確定PB0中斷引腳作為端口。在PIC單片機(jī)定時(shí)器的溢出標(biāo)志位有效結(jié)合下，為更好的接受到AT138M3V的解調(diào)數(shù)據(jù)，就要將非緩沖功能的UART在采集器軟件中進(jìn)行合理模擬。紅外收發(fā)電路設(shè)計(jì)中，PIC的PWM模塊產(chǎn)生38kHz的能量，并且“或非”運(yùn)算是建立在串行發(fā)送引腳信號(hào)上的，然后為驅(qū)動(dòng)EL-1L7紅外發(fā)射二極管，就要再將9014組成的放大結(jié)構(gòu)進(jìn)行使用。

脈沖采集輸入電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，校表脈沖輸出信號(hào)為電能表待采集的內(nèi)容，并且需要驅(qū)動(dòng)PS2501隔離光耦需要在J1/J2端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣能夠就能將光電隔離進(jìn)行輸入。為更好的進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將電力載波通信電路36G-III應(yīng)用到脈沖采集器中，這樣就能確保載波通信在低壓電力線中。在UART與載波通信模塊的串口互聯(lián)，PIC16F73單片機(jī)的通信協(xié)議能夠遵守相關(guān)規(guī)約。電能脈沖信號(hào)的濾波、載波通信等都以為后臺(tái)軟件主要包括的內(nèi)容[1]。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 前后臺(tái)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

PIC16F73單片機(jī)在應(yīng)用中具有快速高效的運(yùn)行效率，并且指令單周期為200ns，同時(shí)單片機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中存儲(chǔ)器并不大，堆棧深度有限，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要在匯編語(yǔ)言的方式下實(shí)現(xiàn)脈沖采集器的前后臺(tái)結(jié)構(gòu)。脈沖采集器前臺(tái)程序在設(shè)計(jì)中是一個(gè)無(wú)限的輪訓(xùn)循環(huán)。具體運(yùn)行方式為：

開(kāi)始→初始化終端控制器→初始化GPIO口→初始化定時(shí)器、UART與PWM→讀取和恢復(fù)電能計(jì)量的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)→查詢(xún)PB7輸入IO電平狀態(tài)→出現(xiàn)高電平（否，PB7低電平記錄）

出現(xiàn)高電平→上次PB7低電平（否，仍為高電平）→上升沿到來(lái)，進(jìn)行脈沖信號(hào)濾波、計(jì)量計(jì)算和存儲(chǔ)處理→返回到查詢(xún)PB7輸入IO電平狀態(tài)

3.2 電能脈沖信號(hào)的采集流程

采集器計(jì)量脈沖讀取是的可靠性與穩(wěn)定性十分重要，因此為提升其可靠性與穩(wěn)定性，就要在輪詢(xún)方式的基礎(chǔ)上對(duì)PB7輸入的上升沿進(jìn)行有效控制，并且對(duì)可能或者出現(xiàn)的噪聲利用濾波進(jìn)行干擾[2]。較為典型的計(jì)量芯片為AD7755，在該芯片的CF脈沖信號(hào)中，將高電平寬度為18μs的高頻模式作為基礎(chǔ)，并且在脈沖掃描設(shè)計(jì)過(guò)程中需要遵循以下流程：

開(kāi)始→設(shè)循環(huán)次數(shù)i=5，低電平標(biāo)記jk=0→讀取IO口，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)，累積jk++→等待3μs定時(shí)器延時(shí)周期到達(dá)μs→循環(huán)（i--）>0（是，則返回到讀取IO口，當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)，累積jk++）→提前對(duì)應(yīng)jk值→jk>3（否）→對(duì)應(yīng)輸入端口為低電平→結(jié)束

jk>3（是）→對(duì)應(yīng)輸入端口為高電平→執(zhí)行采集脈沖的計(jì)量和安全存儲(chǔ)流程→結(jié)束

3.3 脈沖采集器的DL/T645協(xié)議幀

DL/T645規(guī)約是一個(gè)應(yīng)用層報(bào)文傳輸協(xié)議，在應(yīng)用中能夠?qū)δ艽a規(guī)定的服務(wù)進(jìn)行提供。DL/T645協(xié)議在實(shí)際的運(yùn)行中，如果沒(méi)有出現(xiàn)差錯(cuò)，在處理過(guò)程中如下所示：

采集設(shè)備啟動(dòng)請(qǐng)求（功能碼與數(shù)據(jù)請(qǐng)求）→執(zhí)行操作相應(yīng)（操作碼與數(shù)據(jù)響應(yīng)）→接受相應(yīng)（功能碼與數(shù)據(jù)請(qǐng)求）

為實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量裝置的參數(shù)配置命令與電能數(shù)據(jù)的抄收就要通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：第一，在主機(jī)的抄表終端對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行發(fā)起，并且應(yīng)答是由電能計(jì)量裝置接受的。如果電能計(jì)量裝置做出及時(shí)的應(yīng)答，這時(shí)就可以在正常應(yīng)答功能的使用下，對(duì)無(wú)差錯(cuò)響應(yīng)進(jìn)行指示。如果在應(yīng)答時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)，這時(shí)就要在答協(xié)議幀控制字Bit6位的指示下對(duì)異常響應(yīng)進(jìn)行操作，并且協(xié)議幀也要將錯(cuò)誤信息的字節(jié)帶回[3]。同時(shí)也要保證協(xié)議幀在應(yīng)用中具有超時(shí)管理能力，并且在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)退出不會(huì)出現(xiàn)的應(yīng)答。

3.4電能數(shù)據(jù)幀的發(fā)送流程

在波在通信與本地紅外接口在運(yùn)行中。脈沖采集器均會(huì)使用DL/T645規(guī)約的方式進(jìn)行串聯(lián)通信。該方式下的開(kāi)始位、數(shù)據(jù)位、停止位、偶校驗(yàn)、設(shè)計(jì)載波、通信波特與紅外通信波特率分別為1bit、8 bit、1bit、1bit、2400B/s與1200B/s。采集器發(fā)送流程在運(yùn)行中如下所示：

開(kāi)始→幀地址指針FSR幀長(zhǎng)度TEMP_i→讀出幀字節(jié)轉(zhuǎn)移如USRT發(fā)送寄存器→執(zhí)行PB7電能脈沖采集器處理流程→USRT發(fā)送標(biāo)志空閑（否）→回到上一層→數(shù)據(jù)幀指針FSR++幀長(zhǎng)度TEMP_i--→幀長(zhǎng)度TEMP_i為0？→（否）回到讀出幀字節(jié)轉(zhuǎn)移如USRT發(fā)送寄存器→（是）結(jié)束

4.測(cè)試與驗(yàn)證

脈沖采集器的計(jì)量常數(shù)在設(shè)置過(guò)程中一般為1600IMP/kWh，在采集器的脈沖輸入端口接入脈沖發(fā)生裝置，并且將每次測(cè)試發(fā)出的脈沖控制在15×105個(gè)。在實(shí)驗(yàn)中總共選取30組進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)每次能夠遞增1000，這樣就發(fā)現(xiàn)采集器均未丟失測(cè)試脈沖。為更好的檢驗(yàn)采集效果，就要在下圖的連接方式下進(jìn)行連接。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)脈沖采集器和干燥機(jī)在運(yùn)行48h之后，脈沖采集器的有功度數(shù)偏差為0[4]。

5.結(jié)語(yǔ)

為更好的提升電子式電能表的實(shí)際使用功能，尤其是有效發(fā)揮其遠(yuǎn)程抄表能力，就要確定PIC16F73為核心，進(jìn)而設(shè)計(jì)出在DL/T645基礎(chǔ)上的通信協(xié)議，并且對(duì)脈沖采集器的相關(guān)模塊進(jìn)行整合。并對(duì)基于PIC單片機(jī)的電能表脈沖采集器進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)采集器具有狼嚎的應(yīng)用效果。在多從機(jī)遠(yuǎn)程部署的情況下載波通信模塊能夠起到良好的作用，并且能夠確保通信在低壓供電線方式下進(jìn)行。同時(shí)也希望通過(guò)本文的探究，能夠?yàn)槲覈?guó)電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一些幫助。

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