一種基于雙模芯片的數據采集器的實現

盧彥

摘 要 隨著智能電網的建設進入穩定期，智能化抄表設備已經得到了廣泛的使用，由于國內居民用電網絡的質量復雜多變，隨之而來的現場的抄表問題也逐漸暴露出來，本來調試好的設備，可能會因為環境的變化而導致通信不成功，因此，帶來了繁重的現場運維工作，浪費了人力，物力和財力。2016年，國家電網公司對用電信息采集系統的建設提出更高的要求，以提高智能化為前提，還要擁有更安全可靠的傳輸信道，進而獲得更高的抄表成功率。本文介紹一種基于雙模芯片的數據采集器，具有系統工作穩定，抄收成功率高，低功耗，易于擴展等優勢。

關鍵詞 雙模；智能；采集

中圖分類號 TM7 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）160-0066-02

在用電信息采集領域，目前的集中抄表方式是數據采集器通過RS485抄讀電能表的數據，通過電力線載波或者無線模式（470MHz）上傳至集中器，進而通過無線公網（GPRS，CDMA）或者以太網上傳至主站，但是問題往往出現在采集器上傳至集中器的環節，電力線載波比較容易收到電網噪聲的干擾，而無線模式（470MHz）往往容易受到同頻干擾或者建筑物的阻隔，因此造成抄收率較低，當出現上述問題時，往往需要工程技術人員去現場解決，這就增加了運維成本，雙模采集器的出現較好的解決了這些問題。

1 系統簡介

在整個抄表系統中，數據采集器起到承上啟下的作用，它通過有線方式（一般為RS485），抄讀單相或者三相電能表的電能量，事件等數據，通過電力線載波或者無線的方式上傳至集中器，進而再上傳至用電信息采集系統的服務器，雙模通信將兩種方式集成與一顆芯片之中，默認電力線載波為第一通信方式，當多次抄讀無法成功時（根據實際的通信機制），可自動切換至無線通信模式，這種互為補充的通信方式大大提高了抄收成功率，減少了運維工作量。

2 硬件功能

數據采集器硬件主要由以下幾個部分組成：核心處理器、系統電源、數據安全存儲、通信設計。

2.1 核心處理器

采集器的處理器采用ST旗下的一款增強型系列微控制器STM32F103R8T6，它是一款基于Cortex-M3的32位工業級微控制器，包含64K程序存儲空間和20K內存空間，主頻高達72MHz此外它還集成了豐富的片上外設CAN總線，SPI總線，IIC總線，UART，USB等，為數據采集器的設計提供了更好的支撐和靈活性。

2.2 系統電源

電源是整個設備供電，是重要的環節，它的優劣直接決定了設備的質量，鑒于穩定性和經濟性的綜合考量，我們使用了線性變壓器+開關電源的模式，線性變壓器穩定性好，噪聲小，價格低。經過變壓器整流濾波后的電壓，經過DC-DC變換為5V，供給主電路和雙模通信使用，在DC-DC電路中使用了一顆TI公司生產的LM2842，它具有寬達4.5V～42V的輸入電壓范圍，和高達600mA的負載電流能力，可以確保整個數據采集器的可靠運行。

2.3 數據安全存儲

數據采集器的存儲充分考慮了數據安全，使用了一顆大容量的EEPROM用于存儲電能和設備關鍵參數如設備地址，資產編號等的存儲，EEPROM的擦寫次數不低于100萬次，保存不低于10年。除此以外，為了確保設備的關鍵參數可靠性，還專門使用一顆富士通的鐵電用于存儲設備的關鍵參數，相比EEPROM，鐵電存儲器的介質更穩定，而且它的讀寫無次數限制。

2.4 通信設計

采用半雙工的RS485通信電路，使用了一顆ADI公司的電平轉換芯片，具有出色的工業級性能，在實際的實驗驗證中，ESD輕松通過+15kV測試，接口部分的熱敏+壓敏的組合保護電路對浪涌電壓和電流具有非常好的吸收效果，確保抄表功能長時間工作的穩定可靠。雙模通信采用深圳力合微電子的雙模芯片LME2981，該芯片內嵌一個高性能的32位DSP和一個單指令周期的8位處理器，同時，支持窄帶OFDM載波通信和微功率無線通信，充分發揮兩種通信技術的優點，互相彌補其缺點，實現雙模同時通信，完美解決了通信可靠問題，目前已經被廣泛的應用于抄表，智能家居控制，路燈控制等場合。

3 軟件功能

隨著嵌入式軟件開發編譯環境的不斷優化，程序的編譯效率已經非常高，再加上單片機的存儲空間不斷增加，存儲的瓶頸也被打破，使用兼具可讀性和可移植性特點的C語言，成為眾多嵌入式軟件開發人員的首選，本數據采集器也采用C語言進行開發，縮短了開發周期。圖2為程序流程圖。

1）硬件初始化

單片機上電復位后，根據每個引腳的實際的功能對各功能端口和相應的功能寄存器初始化，即寫寄存器。

2）系統自檢

對設備自身功能進行自檢，包括存儲功能是否異常，時鐘是否故障，電池是否欠壓等，系統自檢確認沒有問題后才能啟動其他任務，若有異常，進入重啟環節，程序從開始執行。

3）抄表存儲

根據主站下發的抄表任務，抄表參數，對電能表進行抄讀，并同時將抄讀的數據進行本地存儲，一般采集器可以存儲近62日的電能數據。

4）數據上傳

通過電力線載波通道將抄讀數據上傳至集中器，如果此時載波通信正常，數據成功上傳至集中器，則結束當前任務，進入下一個輪詢；如果載波方式上傳失敗，則啟用無線方式進行上傳，成功后進入下一輪詢。

4 結論

通過對使用雙模通信方式的數據采集器進行測試和實際的掛網運行，抄收成功率很高，同時雙模通信方式具有很好的拓展性，無線通信方式可以作為未來四表集抄中對水表抄收。

參考文獻

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