基于ARM的新型用電采集終端 測試裝置的設計

陳水明 郭銀山 朱云飛 楊建東 吳云佳

（浙江涵普電力科技有限公司，浙江 海鹽 314300）

根據《國家電網公司“十一五”電力營銷發展規劃》總體目標，營銷現代化和計量標準化建設水平得到了快速提高，為提升市場響應快速化的水平，提高客戶服務的質量，落實“精益化管理”的要求，逐步建立適應市場變化、快速反映客戶需求的營銷機制，必須實現電力用戶用電信息的實時采集與監控，切實服務于營銷管理和各項業務需求。用電信息采集系統，實現計量裝置在線監測和用戶負荷、電量、電壓等重要信息的實時采集，及時、完整、準確地為“SG186”信息系統提供基礎數據。

大型專變用戶和城鄉居民用戶都基本實現了用電信息數據的遠程采集。大型專變客戶負荷管理功能的專變采集終端通過與電表間的實時抄表通信、實時采集電表輸出脈沖，獲取并存貯電表的計量數據和信息；對現場計量裝置進行狀態監測；通過對用戶用電開關的直接監控，實現電量控制和負荷控制功能；通過遠程通信與系統主站建立直接數據通信，接收執行系統主站的集中管理，向系統主站傳送現場采集的用戶用電信息；為用戶提供本地信息服務等。城鄉居民用戶具有用戶數量巨大，單個用戶采集的電能信息較少，故采用集中抄表模式來實現遠程抄表和監控，先由集中器將該臺區的全部居民電表通過本地抄表通信，集中采集各電表的計量數據。

作為用電信息采集的終端設備能否可靠運行直接決定了用電信息能否，及時、完整、準確地為“SG186”信息系統提供基礎數據，本裝置就是針對專變采集終端和集中器的專用檢測設備。

1 硬件設計原理

1.1 原理框圖

用電信息采集終端檢測裝置主要有功率源，標準表，信號源、檢測單元，載波通信系統組成。其中功率源，標準表，信號源 ，采用了與常規電能表校驗裝置相同的部件。檢測單元每表位一個，其主要功能有測試終端的跳閘信號，測試終端的脈沖采集功能，測試終端的遙信信號和通信擴展功能。載波通信系統主要用來測試集中器和采集器的載波通信功能。其原理框如圖1所示。

圖1

信號源，標準表，A 相功放，B 相功放，C 相功放組成了程控功率電源，能夠實現復雜的用電現場的環境模擬，檢測單元用于測試專變終端的電能誤差，日計時誤差以及輸入輸出信號，載波通信系統用于集中器采集器的載波通信測試。這套檢測裝置可兼容國網標準所規定的專變采集終端Ⅲ型、集中抄表終端，其對三種產品的檢測方法均依據Q/GDW 1373—2013《電力用戶用電信息采集系統功能規范》

1.2 程控功率源

采集終端主要的功能之一就是對現場的用電環境進行正確的監控。所以測試裝置要依照千變萬化的現場用電環境為測試終端提供正確的現場用電環境。要正確的模擬這樣的用電環境，需要測試裝置提供獨立可調節的電壓電流及相位。測試裝置通過采用DSP 信號控制技術實現的六路可獨立調節的三相信號源，實現了輸出電壓、電流及相位量值的獨立調節，采用了數字調制功放實現了高效率低功耗功率輸出，滿足了測試終端所需要的環境,程控功率電源的工作原理如圖2。

為了防止放大器工作過程中出現的振蕩，放大器另加有高頻反饋電路。同時對可能出現的高頻振蕩，放大器內部加有高頻保護電路。當輸出出現過流現象時，裝置會自動將輸出限流，當輸出級幅值異常時（短路、開路）裝置有開（短）路保護。裝置采用D 類放大器對正弦波的調制采用三角波調制技術對正弦波進行調制。即用一個與放大信號幅度近似的三角波，共同作為變換器輸入，當三角波波幅大于正弦波幅，變換器輸出“0“，當三角波波幅小于正弦波幅，變換器輸出“1“，這樣輸入的正弦信號變換為寬度隨正弦信號幅度變化的PWM 波。調制后的脈沖波必須經過LPF 低通濾波器濾去高頻諧波而得到正弦基波。

圖2

1.3 檢測單元

由于采集終端測試裝置需要大量的通信串口，現在常見的采集終端測試裝置一般都采用串口服務器模式或者串口擴展卡模式進行串口擴展來實現多串口通信，這種方案的缺點是成本高，接線復雜，可靠性比較差經常會出現通信部件的損壞或者接線松動，造成測試失敗。本裝置采用了全新的通信擴展模式，整機原理圖如圖3所示。

圖3

每個測試表位配置了一個檢測單元，檢測單元采用具有互聯型通信接口的ARM 芯片，它與測試計算機之間組成了100 兆的網絡通信。整體上具有良好的擴展性能。通信速度也完全能夠滿足采集終端的通信測試。每個檢測單元具有兩路485 通信接口，對應檢測采集終端的兩路485 通信。一路RS232通信口，可以完成對采集終端本地維護串口的通信。

檢測單元的功能主要有下行485 通信、下行232通信、上行以太網通信，開關量檢測及輸出、脈沖計數，脈沖輸出，以及直流電壓檢測，直流量測量等功能，檢測單元通信原理圖如圖4所示。

圖4

因此在檢測單元設計上我們采用了嵌入式實時操作系統。uCOS II 是一個占先式的內核，即已經準備就緒的高優先級任務可以剝奪正在運行的低優先級任務的CPU 使用權。這個特點使得它的實時性比非占先式的內核要好，在單片機系統中嵌入uCOS II將增強系統的可靠性，并使得調試程序變得簡單。以往傳統的單片機開發工作中經常遇到程序跑飛或是陷入死循環。可以用看門狗解決程序跑飛問題，而對于后一種情況，尤其是其中牽扯到復雜數學計算的話，只有設置斷點，耗費大量時間來慢慢分析。如果在系統中嵌入uCOS II 的話，事情就簡單多了。可以把整個程序分成許多任務，每個任務相對獨立，然后在每個任務中設置超時函數，時間用完以后，任務必須交出 CPU 的使用權。即使一個任務發生問題，也不會影響其他任務的運行。這樣既提高了系統的可靠性，同時也使得調試程序變得容易。在網絡通信協議方面我們將LWIP 協議移植在COS II 的平臺。LwIP 是Light Weight（輕型）IP 協議，有無操作系統的支持都可以運行。LwIP 實現的重點是在保持TCP 協議主要功能的基礎上減少對RAM 的占用，它只需十幾kB 的RAM 和40K 左右的ROM就可以運行，這使LwIP 協議棧適合在低端的嵌入式系統中使用。

本次設計中將兩個下行485 的通信、下行RS 232 的通信、開關量檢測及輸出、直流電壓檢測和直流量測量分別作為獨立任務來進行處理，并且對其進行了任務優先級別的設置，幾個通信任務的優先級別設置較高，開關量檢測及輸出、直流電壓檢測和直流量測量任務級別則較低。

2 結論

本裝置充分利用了互聯型ARM 處理器，并實現了uC/OS-II 和LWIP 協議的移植開發，從而使測試裝置的生產工藝得到了簡化，運行可靠性和穩定性得到了大幅度提高，檢測單元取得了使用新型專利，專利號為：ZL 2012 2 0533576.0，測試裝置取得了使用新型專利，專利號為：ZL 2010 2 0528416.8。測試裝置軟件取得了軟件著作權登記證書，證書編號為：2012SR017014。目前該類產品已在多個廠家和省計量中心的終端測試生產中進行實際應用。

[1] 邵貝貝.嵌入式實時操作系統UC/OS-II[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[2] 陳瑤,李佳,宋寶華.Cortex-M3+uC/OS-II 嵌入式系統開發入門與應用[M].北京: 人民郵電出版社.2010.

[3] 英 Josehp Yin 著,宋巖譯.ARM Cortex-M3 權威指南[M].北京: 北京航空航天大學出版社,2011.

[4] 彭剛,秦志強.基于ARM Cortex-M3 的STM32 系列嵌入式微控制器應用實踐[M].北京: 電子工業出版社,2011.

[5] 劉軍.例說STM32[M].北京: 北京航空航天大學出版社,2011.

[6] 張永輝.ARM Cortex-M3 微控制器原理與應用[M].北京: 出版社: 電子工業出版社,2013.

[7] 拉伯羅斯(Jean J.Labrosse)(作者),何小慶 (Allan He)(譯者),張愛華(譯者).嵌入式實時操作系統C/OS-3 應用開發: 基于STM32 微控制器[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012.

[8] 李寧.ARM MCU 開發工具MDK 使用入門[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

[9] 勒加雷(作者),鄺堅(譯者)《嵌入式協議棧CTCP-IP——基于STM32 微控制器[M].北京: 北京航空航天大學出版社,2013.

[10] 朱升林.嵌入式網絡那些事: LwIP 協議深度剖析與實戰演練[M].北京: 中國水利水電出版社,2012.

[11] 廖義奎.STM32F207 高性能網絡型MCU 嵌入式系統設計[M].北京: 北京航空航天大學出版社,2012.