基于ARM 技術的電能采集終端設計

曲 霏，伏冬紅，劉 丹，陳德宏

（1.國網(wǎng)葫蘆島供電公司，葫蘆島 125000；2.國網(wǎng)營口供電公司，營口 115000；3.國網(wǎng)朝陽供電公司，朝陽 122000）

0 引言

傳統(tǒng)人工抄表工作存在勞動強度大，工作效率低，并且不能及時對歷史數(shù)據(jù)進行快速查詢等缺點，嚴重的阻礙了電力事業(yè)的發(fā)展。利用電子通信技術實現(xiàn)自動抄錄用戶電表數(shù)據(jù)是電管理未來發(fā)展趨勢，設計電能采集終端能夠增強用電管理部門的工作效率，增加配電管理的科學性。同時還能實現(xiàn)自動傳輸和記錄電表數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)關于電費糾紛問題，采集終端可以提供歷史用電數(shù)據(jù)，從而有效的解決電費糾紛問題。通過以ARM硬件為核心的硬件設計，依托設計的485數(shù)據(jù)通道抄表流程完成了能采集終端的軟件設計，然后通過對設計的終端進行校正，實現(xiàn)了基于ARM技術的電能采集終端設計。基于ARM 技術的電能采集終端設計，必將會給電力公司帶來一定的經濟效益。

1 基于ARM技術的電能采集終端硬件設計

通過以ARM硬件為核心，搭載485數(shù)據(jù)通道以及Linux操作系統(tǒng)，完成了基于ARM技術的電能采集終端的硬件主體結構設計，然后依托電能采集終端檢測裝置的設計，實現(xiàn)了基于ARM技術的電能采集終端硬件設計。

1.1 基于ARM 技術的電能采集終端硬件主體結構設計

以ARM硬件為核心的電能采集終端選用A191SAM9260作為電能采集終端的電源電路，應用Linux操作系統(tǒng)來對其進行操控。ARM技術的電能采集終端共使用兩組電源，其中電能采集的終端I/O端口供電電源為3.3V，內設供電電源為1.8V[1]。電能采集終端搭載485數(shù)據(jù)通道模塊以及Linux操作系統(tǒng)，485數(shù)據(jù)通道模塊需要5V的電源來供電，所以整個電能采集終端需要3.3V、1.8V以及5V，共三種直流穩(wěn)壓電源。

在電能采集終端的電源進行嵌入式設計，嵌入式設計除了可以保證電能采集終端的電壓穩(wěn)定，還能防止其被外部電網(wǎng)干擾，從而避免被破壞。為了提高電能采集終端電源電路的供電質量和安全性，在電源電路中進行電源濾波，同時接入保護電路。首先將電能采集終端接入居民用電系統(tǒng)，經過變壓器、整流橋將220V交流電轉變?yōu)?5V直流電。利用開關穩(wěn)壓電源芯片將15V直流電轉變?yōu)?2V直流電，再利用LM 2576S開關電源將12V直流電轉變?yōu)?V直流電，最后5V直流電經過AMS1I17—3.3和AMS1I17—1.8轉換后，分別轉換成3.3V和1.8V直流電。利用電容器對電流進行濾波，其中C35（0.1uf）電容用來濾除高頻紋波，電解電容C33（10000uf）用來濾除低頻紋波，進行濾波后的電源，其電源波紋更小，穩(wěn)定性更高[2]。

通過以ARM硬件為核心，搭載485數(shù)據(jù)通道以及Linux操作系統(tǒng)，完成基于ARM技術的電能采集終端的主體結構設計后，還要對電能采集終端檢測裝置進行設計，檢測裝置可以確保設計的電能采集終端的規(guī)范性以及安全性。

1.2 基于ARM技術的電能采集終端檢測裝置設計

基于ARM技術的電能采集終端檢測裝置包括：標準表、功率源、信號源、載波通信系統(tǒng)以及檢測單元。其中標準表、功率源、信號源為常規(guī)的具有校驗功能的表，基于ARM技術的電能采集終端的每一個檢測單元配備1個標準表、1個功率源、1個信號源，標準表、功率源、信號源的主要功能是對跳閘信號進行終端測試，然后將終端測試產生的脈沖進行集中記錄，同時對測試終端產生的遙信信號進行通信擴展，使得電能采集終端不但可以完成數(shù)據(jù)采集，還能對歷史采集的數(shù)據(jù)進行儲存。

電能采集終端可以在不同用電現(xiàn)場的用電環(huán)境進行監(jiān)控，所以基于ARM技術的電能采集終端檢測裝置需要適應各種用電環(huán)境，因此在對檢測裝置進行設計時，需要模擬不同的用電環(huán)境，在不同的用電環(huán)境下，檢測裝置都可以獨立調節(jié)的電壓電流及相位[3]。利用DSP信號控制技術來實現(xiàn)三相信號源的獨立調節(jié)，使得輸出電流及相位量值之間相互獨立。為了滿足不同用電情況下的檢測裝置使用性，利用了數(shù)字調制裝置來進行檢測裝置的功率轉變，其工作原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字調制裝置工作原理圖

為了防止電能采集終端在工作過程中出現(xiàn)不可控的振蕩情況，需要在電能采集終端檢測裝置增加高頻反饋電路和高頻保護電路。當電能采集終端輸入的電流出現(xiàn)過流現(xiàn)象時，檢測裝置會自動進行調整，將輸出限流。當電能采集終端輸出的電流出現(xiàn)級幅值異常時，檢測裝置中的開（短）路保護裝置會對能采集終端進行保護。由于電能采集終端在采集電能時需要大量的通信串口，常規(guī)串口服務器模式是通過串口擴展來實現(xiàn)通信，該方法造成電能采集終端接線復雜、成本高，常常出現(xiàn)接線松動以及通信部件損壞等情況[4]。因此本文設計的基于ARM技術的電能采集終端檢測裝置，采用新型的信擴展模式，通信接口采用互聯(lián)型ARM芯片，可以實現(xiàn)檢測裝置良好的擴展性能。檢測裝置搭載兩路485通信接口，一路用于完成本地維護串口的通信，另一路用于直流量測量。

依托電能采集終端檢測裝置的設計，結合基于ARM技術的電能采集終端硬件主體結構設計，實現(xiàn)了基于ARM技術的電能采集終端硬件設計。在硬件設計的基礎上，對基于ARM技術的電能采集終端進行軟件設計，從而完成電能采集終端的整體設計。

2 基于ARM技術的電能采集終端軟件設計

基于ARM技術的電能采集終端以ARM硬件為核心，搭載485數(shù)據(jù)通道以及Linux操作系統(tǒng)，通過對485數(shù)據(jù)通道進行工作流程設計，以及對采集的數(shù)據(jù)進行校對完成基于ARM技術的電能采集終端軟件設計。

2.1 基于ARM技術的電能采集終端工作流程設計

由于原有的485數(shù)據(jù)通道的工作流程是通過異步執(zhí)行來完成的，因此對485數(shù)據(jù)通道的工作流程進行重新設計，設計簡化程序邏輯。將485數(shù)據(jù)通道的工作流程分成兩個模塊，分別是：485數(shù)據(jù)通道的通信發(fā)送過程，根據(jù)用戶要求設計通信發(fā)送過程，根據(jù)制定的邏輯設計自動化控制程序，從而實現(xiàn)業(yè)務邏輯控制層；485數(shù)據(jù)通道的通信接收過程，根據(jù)抄表控制線程的工作進度，對采集到的電能數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)解析，同時對解析后的數(shù)據(jù)進行儲存，從而實現(xiàn)485數(shù)據(jù)通道的電能采集工作。

485數(shù)據(jù)通道的通信發(fā)送過程：基于ARM技術的電能采集終端按照與用戶之間的通信規(guī)約，將消息組幀通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)酱赱5]。接下來將接收到消息組幀以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送出去，發(fā)送過程以總線仲裁機制為基礎。485數(shù)據(jù)通道先寫出地址請求，在電能采集終端接收到請求后，與485數(shù)據(jù)通道地址相符的端口自動打開，其他端口全部自動關閉，從而實現(xiàn)了電能采集終端的點對點通信。485數(shù)據(jù)通道的通信發(fā)送過程不但保證了電能采集終端正常通信，還提高了電能采集終端的工作效率。

485數(shù)據(jù)通道的通信接收過程：基于ARM技術的電能采集終端要保證接收到的數(shù)據(jù)的實時性，因此在通信接收過程采用中斷方式[6]。利用搭載的Linux操作系統(tǒng)中的select 函數(shù)，有串口中的消息組幀進入到電能采集裝置后，裝置會立刻自動響應，這樣可以確保接收數(shù)據(jù)的實時性。

通過設計485數(shù)據(jù)通道的通信發(fā)送過程和485數(shù)據(jù)通道的通信接收過程，完成了基于ARM技術的電能采集終端軟件設計。依托電能采集終端檢測裝置的設計，結合基于ARM技術的電能采集終端硬件主體結構設計，實現(xiàn)了基于ARM技術的電能采集終端設計。完成電能采集終端設計后，需要對其電能采集數(shù)據(jù)的準確性進行校對，從而確保所設計的電能采集終端具有準確性、有效性。

2.2 基于ARM技術的電能采集終端的數(shù)據(jù)校對

完成基于ARM技術的電能采集終端設計之后，還有對其進行校對。完成控制任務的子設備還需進行控制任務量校對，對基于ARM技術的電能采集終端所分配的調度任務進行合理性檢查。只有通過合理性檢查，才能確保母設備的調度任務能夠調度子設備進入正常控制狀態(tài)[7]。為了確保校核的合理性，引入“適應度”，適應度是指大型機械設備中自動化控制設備完成控制工作的能力，適應度的公式如下：

式中，T代表電力公司中電能采集終端完成任務所用的總調度時間，dai表示子設備的調度時間，適應度f（t）數(shù)值與電能采集終端完成工作的能力成反比例關系，適應度 f（t）數(shù)值越小，電能采集終端的能力就越強。

通常，如果電力公司的電能采集終端任務較多，那么每個子設備的適應度相差并不多。因此，在基于數(shù)學計算的自動化控制模型進行校對過程中，如果出現(xiàn)某個電能采集終端子設備與其他電能采集終端子設備有較大差異的適應度，那么，則證明該電能采集終端無法完成其自身的任務[8]。此時，電能采集終端母設備應重新為出現(xiàn)問題的電能采集終端子設備分配控制任務，然后再次計算其適應度，反復循環(huán)，直至該電能采集終端子設備的適應度在合理范圍內。

經由式(1)對電能采集終端子設備的適應度進行計算后，然后通過計算式(2)，能夠獲取調度時間Tn，如下所示：

式中，Tai表示子設備從接受到母設備命令到動作時所用的時間，Wai表示母設備開始動作時間，通過計算，完成基于ARM技術的電能采集終端的校對，確定所設計的電能采集終端具有可行性。

3 仿真試驗

為了保證本文提出的基于ARM技術的電能采集終端設計的有效性，進行仿真試驗分析。以電力公司的人工抄表模式作為對照試驗對象，對基于ARM技術的電能采集終端的有效性進行仿真模擬實驗，來確定本文設計的于ARM技術的電能采集終端是否具有有效的可行性。

3.1 試驗準備

由于設置的原始數(shù)據(jù)不同，得到基于ARM技術的電能采集終端的通信性能、有效性也是不同的，并且對試驗結果造成影響。因此，試驗過程中需要保證原始數(shù)據(jù)是一致的。使用2臺型號、規(guī)格相同的虛擬實驗設備，在虛擬實驗設備中分別寫入人工抄表模式以及ARM技術的電能采集終端抄表模式，然后對同一電力用戶進行電能采集。仿真試驗前，將虛擬實驗設備的兩個通信接口分別設置帶寬范圍，帶寬范圍分別設為[0 Mb/s，2.5Mb/s]和[2.5Mb/s，5Mb/s]。最后進行8h的仿真試驗，從而獲取基于ARM技術的電能采集終端有效性試驗結果。

3.2 試驗結果分析

在對同一電力用戶進行電能采集時，基于ARM技術的電能采集終端其有效性不容易受到外界干擾，相反人工抄表模式很容易受到外界干擾，因此在固定情況下獲取仿真實驗結果。將仿真實驗的結果匯總，實驗結果匯總如表1所示。

表1 實驗結果匯總表

為了將實驗記過更加形象生動的展現(xiàn)出來，將表1的結果繪制成準確性和工作效率對比圖，如圖2、圖3所示。工作效率為采集數(shù)據(jù)與總電能數(shù)據(jù)之比（%），準確率為準確數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)之比（%），圖形中橫坐標為均為對比項目，縱坐標為工作效率和準確率的百分比。

圖2 人工抄表模式與基于ARM 技術的電能采集終端工作效率對比表

圖3 人工抄表模式與基于ARM技術的電能采集終端準確性對比表

由仿真實驗結果可知，基于ARM技術的電能采集終端工作效率、準確性均高于人工抄表模式。設計基于ARM技術的電能采集終端可以減輕員工勞動強度，提高工作效率，同時還確保了電能采集數(shù)據(jù)的準確性，使得用電管理部門能夠準確的掌握電網(wǎng)供電狀況，為以后電網(wǎng)改造提供有效性數(shù)據(jù)，提高配電網(wǎng)管理水平。

4 結束語

傳統(tǒng)人工抄表工作的勞動強度大，工作效率低，利用電子通信技術來完成抄表工作是用電管理未來發(fā)展趨勢，通過對基于ARM技術的電能采集終端進行以ARM硬件為核心，搭載485數(shù)據(jù)通道以及Linux操作系統(tǒng)的硬件設計，然后進行了整個抄表流程軟件設計，最后對設計的電能采集終端進行校對，完成了基于ARM技術的電能采集終端設計。通過仿真實驗證明，本文設計的電能采集終端具有較高的有效性，能夠減輕員工勞動強度，提高工作效率，同時還能確保了電能采集數(shù)據(jù)的準確性，希望本文能為電能采集終端設計提供參考依據(jù)。