基于CAN總線和3G集抄的智能電表設計

方向紅，李善田，許廣彬 （淮南聯合大學機電系，安徽 淮南232038）

智能電表是智能電網的終端，智能電表除了具有傳統電能表的計量功能外，還具有復費率計算、遠程控制、防竊電及信息交互功能，其強大的數據處理功能可以幫助相關部門準確開展市場分析預測，同時讓用戶更好地了解自己的用電情況，有針對性地節約電能。隨著國家智能電網建設的發展，作為用戶端的智能電表的需求也將大幅增長［1］。目前智能電表網絡設計多采用485總線形式，且集抄方式多采用電力載波傳送形式，存在通信的實時性和可靠性不高、數據采集不穩定、在用電高峰期實時性和準確度都難以保證等缺點。下面，筆者設計了一種具有電表網絡集成、3G無線抄表、IC卡智能管理與消費、竊電報警等功能的智能電表，能解決局部及大范圍電表用戶的電表數據通信與傳輸問題。

1 智能電表總體結構

該智能電表系統由一個單相智能電表主單元和若干智能電表從單元組成，各單元之間通過控制器局域網絡 （Controller Area Network，CAN）和485總線進行數據傳輸 （見圖1）。

2 智能電表主單元

主單元與從單元相比，增加了IC卡預付費和3G無線傳輸2個模塊。局域網內的用戶可通過IC讀卡器集中刷卡，并通過3G無線傳輸模塊將網內所有用戶的用電信息統一發送給用電管理部門。智能電表主單元組成如圖2所示。

主控模塊采用16位飛思卡爾單片機MC9S12X-Sl28，ATT7053智能電能計量芯片組成電能采集模塊，通信模塊由CAN通信模塊和485通信模塊組成；工業級的WCDMA 3G路由器組成基于3G的數據遠程傳輸模塊；復旦微電子FM1702SL構成非接觸式預付費IC卡電路。ESAM（Embedded Secure Access Module）嵌入式安全控制模塊實現安全存儲、數據加／解密、雙向身份認證、存取權限控制、線路加密傳輸等安全控制功能［2］。DS1302芯片和AT24C02芯片分別組成時鐘同步模塊和信息存儲模塊。

2．1 電能采集模塊

電能采集模塊由信號調理模塊和單相電能計量芯片ATT7053構成 （見圖3）。信號調理電路將待測信號通過電壓、電流互感器轉換、濾波等操作，轉變成ATT7053采集芯片能夠識別的標準信號。ATT7053是一種帶SPI的單相多功能防竊電計量芯片，能同時得到2通道的有功功率、無功功率、視在功率和電能脈沖輸出以及3通道的有效值、電壓頻率、電壓電流相位等參數。

圖1 智能電表通信結構圖

1）信號調理模塊 信號調理模塊包括電壓信號采集電路和電流信號采集電路，如圖4所示。圖4（a）中，220V單相電壓通過限流電阻R102加到電壓互感器HPT205NBJ-1的輸入端，互感器輸出端經跨接電阻R10將電流信號轉變為電壓信號，由R1a、R1b、C1a、C1b組成抗混疊濾波器用來濾除電網中噪聲信號。其輸出分別接到ATT7053的電壓信號輸入端V3P和V3N。圖4（b）采用變比為2000∶1的電流互感器HCT204NBJ-1，精密電阻R30將電流信號轉變為電壓信號，經濾波變換后的信號以差模電壓的形式接到ATT7053的電流信號輸入端V2P和V2N。

圖2 智能電表主單元組成框圖

圖3 電能采集模塊的組成

圖4 信號調理電路

2）ATT7053 芯片ATT7053的接線如圖5所示，其輸出引腳SPICLK、SPIDO、SPIDI、SPICS、IRQ分別接單片機的PB3，PB2，PB1，PB0，PB4組成SPI采集數據傳輸通道，輸出引腳CF3、CF2、CF1分別通過電阻RQ、RP、RS與發光二極管LED＿Q、LED＿P、LED＿S相連接用來顯示電能脈沖信號。

圖5 電能計量芯片ATT7053的接線圖

圖6 CAN通信模塊

2．2 通信模塊

通信模塊由CAN通信電路和485通信電路組成。以CAN通信為主，為了保證局域網通信的可靠性，一旦CAN網絡出現故障，可以自動啟用485通信網絡。一般智能電表多采用485通信，筆者的設計主要采用CAN通信協議，與485相比，基于CAN總線的系統具有通信速率高、實時性和可靠性高、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等突出優點［3］。

1）CAN通信電路 主要由飛思卡爾單片機MC9S12X-Sl28的通訊口PM0、PM1并通過CAN驅動模塊82C250完成 （見圖6）。

2）485通信電路 由單片機的串口0、光電耦合器ISO11、ISO12、ISO13、485電平轉換芯片65LN184、瞬態抑制二極管 TVSD1、TVSD2、TVSD3、TVSD4、負溫度系數熱敏電阻RBUSA、RBUSB組成 （見圖7）。

圖7 485通信模塊

3 軟件控制流程

3．1 軟件總體設計

智能電表的軟件是按照結構化、模塊化、通用化的設計原則進行的，整個程序從結構上分為數據處理模塊、事件捕獲模塊、事件處理模塊、通訊處理模塊4大模塊。在各個模塊之內再按功能劃分為更細小的模塊，組成實現單一功能的子程序和函數，具體結構如圖8所示。數據處理模塊主要負責將外部數據經輸入、采集后進行計算處理、存儲、運算等任務，其中數據記錄保存模塊可以存儲一些重要用戶用電數據，如時間、當前用電量、剩余電量、用戶信息等；事件捕獲模塊主要監視、識別并報告各內外部事件的發生，如用戶插卡、硬件故障等，然后以消息模式通知主控程序，激活事件處理模塊中的相應函數進行響應，該模塊一般以中斷處理模式工作，具有可靠性高、實時性強的特點；事件處理模塊和通訊處理模塊是該智能表軟件功能實現的主體，由多種功能模塊組成，在外部事件的觸發下執行特定的流程，實現特定的功能。該軟件是個比較復雜的系統，需要協調完成復雜的通訊、數據采集、數據分析處理、輸出顯示、遠程傳輸、邏輯控制、安全校驗等工作。

3．2 主程序簡化流程

主程序簡化流程如圖9所示。儀表上電后開始運行自檢程序，分別檢測各通訊模塊工作是否正常工作及硬件電路是否有故障。如有通訊不正常或電路故障則運行故障中斷程序，顯示故障代碼或者聲光報警等；自檢通過之后則一方面等待各種中斷事件發生，一方面運行各種例行功能模塊程序。事件中斷程序是軟件的主體部分，尤其是通訊中斷更是重中之重。該設計的特點之一是局域網各個電表模塊之間的485和CAN通訊的冗余設計，除了模塊本身與內外部的通訊之外，還要擔負著與其他模塊之間的數據通訊，以保證局域網內部的可靠通訊。

圖8 軟件總體結構圖

通信部分軟件流程如下：①如有用戶插卡預付費時，系統通過EASM系統核對用戶信息進行安全驗證并進行安全信息交換，然后判斷是局域網內哪個用戶模塊預付費，并發起對該模塊的CAN通訊以傳輸預付費數據，模塊接收信息后進行數據比較、存儲等用戶模塊的操作。用戶模塊正確接收到信息后返回給主模塊正確應答，如主模塊沒有在規定時間內收到驗證信息則判斷CAN通訊失敗，則啟動485通訊協議對該模塊進行二次通訊以確保通訊成功［4］。②用戶電表模塊將每隔1min接收到電能計量模塊ATT7053通過SPI協議發送來的電能計量信息，并將數據與用戶剩余購電量進行比較，判斷是否欠費。如果欠費，發出警告或斷電信號，如不欠費則正常供電，累計用電量分時分段計算電費并進行存儲和遠傳。③局域網主模塊除了具有完善的與局域網內各從模塊的主動通訊功能外，還要擔負著通過3G傳輸模塊將各用戶模塊的數據收集發送到用電管理部門進行登記，上網以供用戶查詢等任務，其自身也可以用作普通用戶電表模塊。

4 結 語

筆者設計的智能電表，符合國標GB／T 15284-94標準要求，可以將一個單元或樓層甚至整棟樓的所有用戶連成一個電表局域網，該網內能實現用戶集中刷卡、集中抄表，節約了成本。而且采用CAN通信為主與485通信備用的方案，極大地增強了網內用戶的通信可靠性與安全性。3G無線傳輸模塊可以全天候地向用電管理部門傳送數據，因而該智能電表具有很高的靈活性、很強的應用性。

圖9 主程序簡化流程圖

［1］李保瑋 ．智能電表簡介 ［J］．裝備機械，2010（3）：70-73．

［2］陶維清，黃俊祥，曹軍，等．ESAM安全模塊在預付費電表中的應用研究 ［J］．電測與儀表，2010（11）：58-62．

［3］蔡莉，盧珞先．RS-485通信與CAN總線的接口設計 ［J］．武漢理工大學學報 （信息與管理工程版），2002（1）：30-33．

［4］馬忠梅，籍順心，張凱，等 ．單片機的C語言應用程序設計 ［M］．第4版 ．北京：北京航空航天大學出版社，2007：256-301．