電子式電能表無線通信接口設計

郝毫毫，熊俊俏 (武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430073)

張 鯤 (武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

電子式電能表無線通信接口設計

郝毫毫，熊俊俏 (武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430073)

張 鯤 (武漢大學電氣工程學院，湖北 武漢 430072)

為實現電能表無線抄表功能，以TI公司的MSP430F149的16位低功耗微控制器為中央處理單元、Semtech公司的SX1233為無線收發單元，設計了一種電子式電能表的無線通信接口，分析了系統的功耗和編程特點，給出了系統軟件的設計方案。測試結果表明，設計的無線通信接口性能穩定、靈活可調，達到了設計要求。

電子式電能表；無線通信接口；SX1233; MSP430F149

隨著我國經濟的快速發展，企事業單位及居民用電量的不斷增加，電能表的使用數量急劇增加。傳統的手工抄表方式存在諸多弊端，如入戶困難、管理費用過高、效率低等問題，為了提高抄表效率，目前國內電能表主要采取如下2種管理模式:IC卡預付費管理模式和自動抄表收費管理模式[1]。IC卡預付費管理模式只解決了收費問題，但容易導致線損統計不準確。采用自動抄表收費管理模式不僅可以解決上述問題，而且可以通過掌握用戶當月用電量的方式加強需方用電管理，有利于市場細分。采用自動抄表收費管理模式時需要依靠自動抄表系統，該系統采集數據的方式主要有RS-485總線、電力線載波通信、紅外通信以及短距離無線通信等，其中RS-485接口布線工作量大、維護費用高，電力線載波存在電力網污染嚴重的問題，紅外通信距離較短、抗干擾性能差[2]，而短距離無線通信無需布線、組網簡單，是一種較為合理的通信方式。下面，筆者以Semtech公司的SX1233為無線收發單元，以TI公司的MSP430F149的16位低功耗微控制器為中央處理單元設計了一種電子式電能表的短距離無線通信接口。

1 硬件設計

圖1 電子式電能表無線通信接口的電路原理圖

電子式電能表無線通信接口的電路原理圖如圖1所示。主要由MCU控制單元和無線收發單元構成。電能表通過TTL電平串口與無線通信接口連接，采集裝置則通過無線方式與無線通信接口連接，硬件結構簡單。單片機預留一個串口用于對無線收發單元的參數進行設置和程序升級。

與電能表無線通信接口進行連接的采集裝置為無線手持抄表終端，其硬件設計可采用類似結構，將MCU改為MSP430F449，加上LCD和鍵盤設計即可。

1.1MCU控制單元

MCU控制單元采用TI公司推出的MSP430F149。MCU控制單元是無線接口模塊的核心，在無事件發生的情況下工作于LPM3低功耗狀態，當有串口數據接收或有無線數據接收時，MCU控制單元可響應并退出LPM3狀態進入活動工作狀態[3]。由于MSP430F149功能豐富，編程方式靈活，因而完全滿足無線通訊接口模塊的設計要求。

1.2無線收發單元

無線收發單元采用Semtech公司推出的SX1233，SX1233是一款超低功耗的可編程ISM頻段收發器，擁有全球最高的碼率(600kbps)以及世界級的鏈路預算(137kB)、超低功耗、出色的ACR(鄰道抑制)以及抗阻塞能力。SX1233提供高接收(RX)靈敏度，增強了對弱信號的接收能力，而且能夠以1dB步長編程的發射機(TX)輸出功率[4]。高RX靈敏度與TX輸出功率相當于獲得了更長距離上的可靠傳輸，這與需要RF中繼器的傳統無線系統相比，節省了成本。

為了防止射頻干擾，無線收發單元采用射頻板材單獨制版，并用金屬罩對其進行屏蔽，通過10×2連接器與主板相連(見圖2)，因為單片機的P1口和P2口能夠接受外部上升沿或下降沿的中斷輸入，所以DIO0-DIO5分別與單片機的P2.0-P2.5連接，便于數據收發過程中的狀態檢測。SPI口連接單片機的P3.0～P3.3，將單片機的USART0設置為SPI工作模式，單片機通過該SPI口對SX1233進行參數配置、控制和數據收發。RESET和RXTX腳分別接P3.4和P3.5。

圖2 無線收發單元電路圖

2 軟件設計

2.1通信協議

我國多功能電能表普遍采用DL/T645-1997《多功能電能表通信規約》，而最新發布的國家電網公司企業標準Q/GDW 354-2009《智能電能表功能規范》中也明確規定了智能電能表必須遵循DL/T645-2007《多功能電能表通信規約》及其備案文件。上述標準的統一保證了智能電能表的設計在一個框架下進行，這為不同廠家、不同型號的智能電能表采用統一編程軟件編程奠定了基礎。

圖3 字節傳輸序列

軟件協議設計以DL/T 645-2007規約為基礎，該規約定義了3層結構：應用層、鏈路層和物理層。鏈路層規定了通信的幀格式，包括幀結構、字節結構、傳送順序、傳送間隔。數據的傳送以字節為基本單位，每字節含8位二進制碼，傳輸時加上1個起始位(0)、1個偶校驗位和1個停止位(1)，共11位，其傳輸序列如圖3所示。D0是字節的最低有效位，D7是字節的最高有效位。先傳低位，后傳高位。

若干個字節數據組成一個幀，幀格式如表1所示。第1個68H是幀起始符，標志一幀信息的開始，地址域A0～A5用來區分不同的從站，只有地址碼等于A0～A5的從站才會對該幀信息做出應答，第2個68H是幀的結構特征字節。

在主站發送幀信息之前，先發送4個字節FEH，以喚醒接收方。所有數據項均先傳送低位字節，后傳送高位字節。每次通信先由主站向從站發出請求命令幀，被請求的從站接收到命令后作出響應。字節校驗為偶校驗，幀校驗為縱向信息校驗和，接收方無論檢測到偶校驗出錯或縱向信息校驗和出錯，均放棄該信息幀，不予響應。

表1 幀格式

2.2程序設計

軟件的開發環境為IAR Embedded Workbench，使用C430語言。上位機為無線手持抄表終端，從機為電能表無線接口，每1個電能表都擁有1個唯一的地址，工作方式為主站輪詢、從站監聽的方式。系統軟件的主要流程如圖4所示。

圖4 系統程序框圖

無事件發生時，MCU進入LPM3低功耗模式，SX1233進入Sleep模式。當串口1收到數據時，MCU被激活，MCU根據接收的數據指令執行相應的程序后重新進入LPM3低功耗模式。對于串口1接收的數據，MCU執行的是MODBUS協議。

當SX1233被喚醒時，會從Sleep狀態中進入接收工作狀態并觸發MCU退出LPM3模式，當發現通信地址非本機地址時立即中斷接收，SX1233重新進入Sleep狀態，MCU進入LPM3模式。否則，完成數據幀的接收工作，并根據協議執行相應的程序，返回響應代碼后，SX1233回到Sleep狀態，MCU進入LPM3低功耗模式。

2.3MSP430F149編程要點

1)IO口配置 MSP430F149的多數IO口都有2種或2種以上的功能，每個IO位都可以獨立編程，因此初始化時要對IO口進行配置。

2)LPM3低功耗模式 MSP430F149有5種低功耗模式，即LPM0-LPM4。該系統設計在沒有按鍵和數據收發的工作狀態下工作在LPM3模式，耗電僅為0.9uA。此時CPU處于禁止狀態，DCO被禁止，直流發生器被禁止，MCLK和SCLK被禁止，只有低速時鐘ACLK(32768Hz)活動。因此當按鍵或無線偵聽激活MCU時，程序應立刻從LPM3模式中退出。

3)MCU的FLASH存儲區分配 MSP430F149不同于傳統的51單片機，其存儲器為馮·諾依曼結構，其FLASH區有60KB+256B。該系統地址分配如下：

3 結 語

為了實現電能表無線抄表功能，設計了電子式電能表無線通信接口，其硬件結構簡單、成本低、技術開發成熟、功耗低、性價比高。測試結果表明，當發射功率設置為10dB時，在樓宇內的有效收發距離為80m左右，誤包率低于1%，完全能滿足無線抄表的使用要求。由于系統程序具有升級功能，因而經過適當改動后可適用于其他應用場合，如工業監控等。因此，該方案有較大的推廣價值和廣闊的市場前景。

[1]陳紅軍．公用事業一戶一表改造方案比較[J].中國住宅設施，2004(11)：22-25.

[2] 戰凱.略談電能計量自動抄表系統的現狀與發展趨勢[J]. 黑龍江科技信息，2011(14)：8-10.

[3] 沈建華，楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4] Semtech Corporation. SX1233 High Bit Rate Transceiver [EB/OL].http://www.semtech. com/ images/ datasheet/sx1233_ag.pdf/2011-10-04.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.04.041

TN923

A

1673-1409(2012)04-N117-04

2012-01-11

湖北省教育廳科學研究計劃資助項目(D20091503)。

郝毫毫(1968-)，男，1989年大學畢業， 碩士，講師，現主要從事智能儀器、無線傳感器網絡技術等方面的教學與研究工作。