電力遠程抄表系統中集中器硬件的設計與實現

金春花

（九江職業大學 信息工程學院，江西 九江 332000）

電力遠程抄表系統中集中器硬件的設計與實現

金春花

（九江職業大學 信息工程學院，江西 九江 332000）

隨著我國經濟的發展和電力系統的不斷完善，原始的人工抄表方式越來越不能滿足電力系統發展的要求.因此，實現用戶儀表的自動抄表已是必然趨勢，而集中器是遠程抄表系統的核心組成部分.文中提出了一種集中器硬件的模塊化設計方案，并詳細介紹了其硬件模塊的設計與實現方法.

自動抄表系統；集中器；嵌入式系統

1 引言

在二十一世紀以前，供電部門進行用電管理的方法主要有用電后的人工抄表繳費和用電之前的智能IC卡預付費兩種方式.傳統的人工抄表方式工作量大且數據的準確度也得不到保障，很容易出現差錯；智能IC卡預付費方式相對前者來說，雖在一定程度上減輕了供電部門的勞動強度，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付電費，與服務的宗旨相違背；另一方面用戶常常在毫無準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，隨著電子、通信及計算機技術的迅速發展，32位嵌入式微處理器得到了廣泛應用，嵌入式技術也不斷成熟，外加國家電力系統的信息化采集項目的全面展開，電力遠程自動抄表技術也越來越受到重視，自動抄表設備及儀器的需求數量也較為龐大，集中器作為自動抄表系統中的核心設備自然而然頗受電力設備生產企業的關注，有著重大的研究價值與意義.因此，文中提出了一種集多種方式優點于一體的遠程抄表系統中集中器硬件的設計方案.

2 集中器的硬件的設計與實現

集中器是遠程自動抄表系統中的核心設備.它通過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據信息，并進行存儲，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；同時也能通過上行通信信道與主站服務器進行數據交換，它的上行通信信道可以采用公用通訊網，例如MODE、GPRS、CDMA等通信方式.

集中器的硬件結構主要由電源電路模塊、ARM處理器模塊、通信模塊、存儲器模塊等部分構成，其框圖如圖1所示.

圖1 集中器硬件框圖

2.1 中央處理器

根據集中器硬件結構設計框圖可知，CPU設備在整個系統中起到核心作用，CPU芯片性能的好壞決定整個系統性能，結合系統性能需求分析，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字節的高速Flash和64K字節的SRAM和全套外圍設備，其中包括了一個802.3Ethemet網口和一個CAN控制器，選用該芯片可使一整套系統功能單元使需要的外部組件數為最少.

2.2 存儲模塊的設計

AT91SAM7X256芯片含有串行外設接口SPI，SPI(Serial PeripheralInterface-串行外設接口)總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息.當芯片本身具有256K字節的片內Flash存儲器不能滿足要求時，我們可進行片外擴展.一般來說，256KB片內Flash存儲器用來存儲系統程序，而電表各種數據資料存儲在擴展的片外Flash存儲器和SD卡中.在內存方面，由于該芯片本身有64KSRAM，對系統來說能達到基本要求，因此沒必要進行另外的擴展.

2.3 上行通訊模塊的設計

2.3.1 MODEM通信設計

在上行通訊模塊中，集中器通過內置MODEM與上位機進行通訊，視為有線集中器通訊方式，用戶在使用時只需將兩根電話線按接線說明接入集中器的相應端子即可.用戶需通過上位機的載波抄表前置機軟件與集中器進行通訊.當上位機開始撥號時，集中器的MODEM指示燈開始閃爍，當上位機與集中器正常建立連接后，集中器的TEL聯接指示燈開始常亮，此時表明集中器已進入與上位機的通訊狀態，通訊過程正在進行.當上位機執行掛斷集中器命令后集中器的TEL聯接指示燈和MODEM指示燈一同熄滅，集中器斷開與上位機的通訊，通訊過程結束.

為了讓通信模塊有更強的靈活性，一般在設計時與主板分離，方便替換.本系統則可仿效市場集中器的做法，采用盒裝插板式的工藝來設計遠程通信模塊，在主板上設計16針的插口，通過該插口PC16G將MODEM通信模塊與主板建立聯系.

2.3.2 紅外通信設計

紅外通訊技術利用紅外線來傳遞數據，是無線通訊技術的一種.它以價格低廉、無需連線、功耗較低和保密性較強做為一種較好的通訊方案，但距離和速度方面有一定限制，在現場測試等方面有較高的應用價值.

在集中器處于抄表或等待狀態時，按一下集中器下部的紅外按鍵，集中器的MODEM指示燈閃亮1分鐘進行紅外通訊等待，此時即可通過相配套的掌上電腦設備與集中器進行紅外通訊.在紅外通訊過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1條應答命令紅外發送指示燈閃亮1次，同時集中器自動增加1分鐘的紅外通訊延時.當集中器接收到紅外通訊退出命令或延時時間到，紅外通訊指示燈熄滅，集中器自動退出紅外通訊狀態.

紅外信號的接收可由紅外線接收芯片TSOP31838來完成，它的輸出端經紅外接收端口輸入至起調制解調作用的CPLD芯片IS4064，從而共同完成調制、放大和解調過程，解調出來的信號經主板上行通信的輸入端輸入主機.

在電力抄表的應用中，每個抄表現場，為了方便檢測施工線路的通斷與否或者方便集中器參數的設置，需要配置紅外掌機來配合施工人員，因此集中器需要具有紅外功能.

2.4 下行通訊模塊的設計

下行通訊是指集中器與采集終端進行數據的傳輸，抄收電表的各項數據.根據本項目的設計，AT91SAM7X256的USART用于上下行通訊，其中TXD0和RXD0用于下行通訊收發數據端口.根據設計的安排，下行通訊應有一個載波通信口、一個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來完成下行通訊通道的選擇及數據的傳遞.

2.4.1 載波通信設計

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的開放式自動抄表，智能信息家電以及遠程監控系統而設計的單芯片片上系統，它除了具有功能強大的微處理器外，尤其在高精度模/數轉換以及電力線載波通訊方面具有更大的優勢，它的擴頻通信單元是PL2000系列專用電力線載波通信集成電路的升級內核，具有更強的抗干擾能力，更高的數據通信速率和更大的軟件可配置靈活性.

PL3105中的P30作為載波發送的數據輸入端，P31作為載波接收的數據輸出端，并通過IDC18接口與主板相連通.載波信號從PL3105芯片載波信號輸出端P17輸出經功放放大后由變壓器耦合至電表，而電表的電能數據經濾波、帶選頻的放大電路后輸出至PL3105苾片的模擬信號輸入端.其中A、B、C三路電表的選抄由CTR_A、CTR_B、CTR_C信號控制繼電器動作來完成，而控制信號可由程序來產生.

2.4.2 RS-485設計

在電力通訊方案的設計中，下行通訊除了采用低壓電力載波通訊方式以外，還經常利用RS-485總線通訊方式.因為這樣組網方式就較為靈活，既可使用RS-485總線和低壓電力載波混合的方式組網，也可以使用可靠性比較高的全485方案組網.而且可用于RS-485接口的芯片種類也越來越多，實現這種通訊的技術也相當成熟.

在本設計中，采用傳統方式隔離型RS-485通訊方案，選用TI的SN65LBC184作為RS-485接口芯片，用PS2501高速光耦器件構成隔離型RS-485電路，通過光耦隔離來實現信號的隔離傳輸.

2.5 JTAG的設計

本設計采用SAM-ICE仿真器調試程序.SAM-ICE是專為ATMEL的AT91系列ARM處理器設計的JTAG仿真器.標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數據輸入和測試數據輸出.JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯在一起，形成一個JTAG鏈，能實現對各個器件分別測試.JTAG接口還常用于對FLASH器件進行編程.通過JTAG接口，可對芯片內部的所有部件進行訪問，因而是開發調試嵌入式系統的一種簡浩高效的手段.目前JTAG接口的連接有14針接口和20針接口兩種標準.本文采用了20針的JTAG接口.

3 結束語

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MODEM通信方式接收來自上行信道的主站命令，處理器將接受到的命令轉換為一條或者多條內部可執行的命令，從而提取歷史數據或參數，并對數據進行協議封裝傳送給上行信道，上行信道將數據按照原路徑傳送給服務器.同時通過下行信道抄收各種用戶終端的用電量數據信息，并進行存儲，從而實現智能化抄表工作.這種基于ARM芯片的集中抄表系統是可行的、有效的，它代表著技術發展的新趨勢，也將會有廣泛的應用前景.

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1673-260X（2014）12-0024-02