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(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中集中器硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)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(guó)經(jīng)濟(jì)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(lái)越不能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的要求.因此，實(shí)現(xiàn)用戶儀表的自動(dòng)抄表已是必然趨勢(shì)，而集中器是遠(yuǎn)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(jì)方案，并詳細(xì)介紹了其硬件模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法.

自動(dòng)抄表系統(tǒng)；集中器；嵌入式系統(tǒng)

1 引言

在二十一世紀(jì)以前，供電部門進(jìn)行用電管理的方法主要有用電后的人工抄表繳費(fèi)和用電之前的智能IC卡預(yù)付費(fèi)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(zhǔn)確度也得不到保障，很容易出現(xiàn)差錯(cuò)；智能IC卡預(yù)付費(fèi)方式相對(duì)前者來(lái)說(shuō)，雖在一定程度上減輕了供電部門的勞動(dòng)強(qiáng)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(fèi)，與服務(wù)的宗旨相違背；另一方面用戶常常在毫無(wú)準(zhǔn)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(lái)，隨著電子、通信及計(jì)算機(jī)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(guó)家電力系統(tǒng)的信息化采集項(xiàng)目的全面展開，電力遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)也越來(lái)越受到重視，自動(dòng)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(dòng)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?jī)r(jià)值與意義.因此，文中提出了一種集多種方式優(yōu)點(diǎn)于一體的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中集中器硬件的設(shè)計(jì)方案.

2 集中器的硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

集中器是遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的核心設(shè)備.它通過(guò)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(jìn)行存儲(chǔ)，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(shí)也能通過(guò)上行通信信道與主站服務(wù)器進(jìn)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(chǔ)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(jì)框圖可知，CPU設(shè)備在整個(gè)系統(tǒng)中起到核心作用，CPU芯片性能的好壞決定整個(gè)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(gè)802.3Ethemet網(wǎng)口和一個(gè)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(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

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(jìn)行通信以交換信息.當(dāng)芯片本身具有256K字節(jié)的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器不能滿足要求時(shí)，我們可進(jìn)行片外擴(kuò)展.一般來(lái)說(shuō)，256KB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)程序，而電表各種數(shù)據(jù)資料存儲(chǔ)在擴(kuò)展的片外Flash存儲(chǔ)器和SD卡中.在內(nèi)存方面，由于該芯片本身有64KSRAM，對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)能達(dá)到基本要求，因此沒(méi)必要進(jìn)行另外的擴(kuò)展.

2.3 上行通訊模塊的設(shè)計(jì)

2.3.1 MODEM通信設(shè)計(jì)

在上行通訊模塊中，集中器通過(guò)內(nèi)置MODEM與上位機(jī)進(jìn)行通訊，視為有線集中器通訊方式，用戶在使用時(shí)只需將兩根電話線按接線說(shuō)明接入集中器的相應(yīng)端子即可.用戶需通過(guò)上位機(jī)的載波抄表前置機(jī)軟件與集中器進(jìn)行通訊.當(dāng)上位機(jī)開始撥號(hào)時(shí)，集中器的MODEM指示燈開始閃爍，當(dāng)上位機(jī)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(shí)表明集中器已進(jìn)入與上位機(jī)的通訊狀態(tài)，通訊過(guò)程正在進(jìn)行.當(dāng)上位機(jī)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(jī)的通訊，通訊過(guò)程結(jié)束.

為了讓通信模塊有更強(qiáng)的靈活性，一般在設(shè)計(jì)時(shí)與主板分離，方便替換.本系統(tǒng)則可仿效市場(chǎng)集中器的做法，采用盒裝插板式的工藝來(lái)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程通信模塊，在主板上設(shè)計(jì)16針的插口，通過(guò)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(jì)

紅外通訊技術(shù)利用紅外線來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，是無(wú)線通訊技術(shù)的一種.它以價(jià)格低廉、無(wú)需連線、功耗較低和保密性較強(qiáng)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(chǎng)測(cè)試等方面有較高的應(yīng)用價(jià)值.

在集中器處于抄表或等待狀態(tài)時(shí)，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(jìn)行紅外通訊等待，此時(shí)即可通過(guò)相配套的掌上電腦設(shè)備與集中器進(jìn)行紅外通訊.在紅外通訊過(guò)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(shí)集中器自動(dòng)增加1分鐘的紅外通訊延時(shí).當(dāng)集中器接收到紅外通訊退出命令或延時(shí)時(shí)間到，紅外通訊指示燈熄滅，集中器自動(dòng)退出紅外通訊狀態(tài).

紅外信號(hào)的接收可由紅外線接收芯片TSOP31838來(lái)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(guò)程，解調(diào)出來(lái)的信號(hào)經(jīng)主板上行通信的輸入端輸入主機(jī).

在電力抄表的應(yīng)用中，每個(gè)抄表現(xiàn)場(chǎng)，為了方便檢測(cè)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(jī)來(lái)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(jì)

下行通訊是指集中器與采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，抄收電表的各項(xiàng)數(shù)據(jù).根據(jù)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，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(jì)的安排，下行通訊應(yīng)有一個(gè)載波通信口、一個(gè)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(lái)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(jì)

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(lái)的開放式自動(dòng)抄表，智能信息家電以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的單芯片片上系統(tǒng)，它除了具有功能強(qiáng)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(shì)，它的擴(kuò)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(jí)內(nèi)核，具有更強(qiáng)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(guò)IDC18接口與主板相連通.載波信號(hào)從PL3105芯片載波信號(hào)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(hào)輸入端.其中A、B、C三路電表的選抄由CTR_A、CTR_B、CTR_C信號(hào)控制繼電器動(dòng)作來(lái)完成，而控制信號(hào)可由程序來(lái)產(chǎn)生.

2.4.2 RS-485設(shè)計(jì)

在電力通訊方案的設(shè)計(jì)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?yàn)檫@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(lái)越多，實(shí)現(xiàn)這種通訊的技術(shù)也相當(dāng)成熟.

在本設(shè)計(jì)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(guò)光耦隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離傳輸.

2.5 JTAG的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(jì)的JTAG仿真器.標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測(cè)試模式選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出.JTAG測(cè)試允許多個(gè)器件通過(guò)JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件分別測(cè)試.JTAG接口還常用于對(duì)FLASH器件進(jìn)行編程.通過(guò)JTAG接口，可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn)，因而是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn).本文采用了20針的JTAG接口.

3 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)MODEM通信方式接收來(lái)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)通過(guò)下行信道抄收各種用戶終端的用電量數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行存儲(chǔ)，從而實(shí)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(shì)，也將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景.

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1673-260X（2014）12-0024-02