電能表脈沖采集器設計中PIC單片機的應用

羅進

摘 要：目前很多電子式電能表不具備通信功能，因此該儀器在遠程抄表中會出現一些問題。本文在分析電子式電能表的過程中主要是站在PIC單片機基礎上，對電力線載波通信與DL/T645通信協議兩個模塊進行整合，并設計出能夠實現現場維護與遠程通信功能的電能表脈沖采集器。在對采集器的測試中發現，該采集器具有良好的可靠性與穩定性，并能有效實現電能計量和遠程通信功能。本文在PIC單片機基礎上對電能表脈沖采集器的設計進行研究，希望為相關工作人員提供一些參考意見。

關鍵詞：PIC單片機；電能表；脈沖采集器；載波通信

這些年在計算機技術與信息科學技術的快速發展下，電網優化改造的步伐在不斷加快，這就使得我國電能計量抄表系統逐漸向自動化遠程抄表系統的方式前進，并且已經取得很大成效。在智能電表與傳統電表共存的方式下，基于PIC單片機的電能表脈沖采集器設計具有重要意義，能夠將傳統的電表向數字化電表進行合理轉換，并且在實踐中能夠取得良好的效果。因此對PIC單片機基礎上的電能表脈沖采集器設計進行研究具有重要價值。

1.PIC單片機概述

PIC單片機是一種用來開發和控制外圍設備的集成電路，在應用中具有良好的分散作用，在多任務功能的CPU作用下，能夠實現信息共享。PIC共享其實可以類比為人的神經系統，CPU則可類比為人的大腦。PIC單片機包括集成電路、小計算、程序容量等多種功能，在電能表脈沖采集器設計中發揮著重要作用。

2.硬件設計

在PIC單片機基礎上設計電能表脈沖采集器，首先就要對硬件進行設計，總體設計圖紙如圖1所示。在現有電力線資源的充分利用下，低壓電力載波通信技術在應用中，不但能夠對遠程通信線路布置中存在的問題進行合理解決，還能降低成本支出，提升企業的經濟效益，該技術在電力集抄系統中的廣泛應用，已經逐步成為一種主流方式，并且具有廣泛的市場前景。在RISC指令集的指揮下，PIC單片機能夠實現高效的命令執行，并且具有靈活的編程方式。本文的PIC單片機為PIC16F73，FLASH存儲器具有4K×14位，RAM存儲器具有192節，具有較多的GPIO，在使用中具有加強的抗干擾能力，并且溫度較寬，十分適合目前工業現場使用的PIC16F73單片機。在電能計量設計中，一般將范圍控制在100imp/kWh以上與960imp/kWh以下，并且在應用中能支持DL/T645規約的脈沖采集器。這樣不但能夠滿足傳統的電能表遠程采集需求，還能實現其數字化需求。

圖1：電能表脈沖采集器設計圖

選擇PIC16F73-I/SP為脈沖采集器，在設計中，一共有TTL電平的UART、光耦隔離的電能脈沖采集輸入接口、模擬的紅外收發串口各為1個，同時也有PWM方波發生器脈沖采集器為38KHz。在設計中，電能計量外擴的E2PROM存儲器為24C02。輸入口的設計為PIC16F73的PB7，并將其作為電能表計量脈沖的輸入端；將PB0引腳與PB1引腳進行合理配合，并將其作為紅外收發的模擬串口；PWM方波的輸出端口配置為PC1；為合理布置外擴的I2c總線，就要預留PC2-PC4。圖2為脈沖采集器MCU電路圖：

圖2：脈沖采集器MCU電路圖

在設計過程中為實現DL/T645更好的實現預定的功能，就要將AT138M3V集成器件設計為紅外接收電路，并對紅外通信功能嚴格控制在38±1khz，這樣就能在實際應用中對紅外通信信號進行有效捕獲。

PIC16F73單片機中紅外接收的中斷觸發端口和數據串行輸入端口，要確定PB0中斷引腳作為端口。在PIC單片機定時器的溢出標志位有效結合下，為更好的接受到AT138M3V的解調數據，就要將非緩沖功能的UART在采集器軟件中進行合理模擬。紅外收發電路設計中，PIC的PWM模塊產生38kHz的能量，并且“或非”運算是建立在串行發送引腳信號上的，然后為驅動EL-1L7紅外發射二極管，就要再將9014組成的放大結構進行使用。

脈沖采集輸入電路設計過程中，校表脈沖輸出信號為電能表待采集的內容，并且需要驅動PS2501隔離光耦需要在J1/J2端口進行驅動，這樣能夠就能將光電隔離進行輸入。為更好的進行遠程抄表，在設計過程中將電力載波通信電路36G-III應用到脈沖采集器中，這樣就能確保載波通信在低壓電力線中。在UART與載波通信模塊的串口互聯，PIC16F73單片機的通信協議能夠遵守相關規約。電能脈沖信號的濾波、載波通信等都以為后臺軟件主要包括的內容[1]。

3.軟件設計

3.1 前后臺系統軟件結構

PIC16F73單片機在應用中具有快速高效的運行效率，并且指令單周期為200ns，同時單片機在設計過程中存儲器并不大，堆棧深度有限，所以在設計過程中需要在匯編語言的方式下實現脈沖采集器的前后臺結構。脈沖采集器前臺程序在設計中是一個無限的輪訓循環。具體運行方式為：

開始→初始化終端控制器→初始化GPIO口→初始化定時器、UART與PWM→讀取和恢復電能計量的存儲數據→查詢PB7輸入IO電平狀態→出現高電平（否，PB7低電平記錄）

出現高電平→上次PB7低電平（否，仍為高電平）→上升沿到來，進行脈沖信號濾波、計量計算和存儲處理→返回到查詢PB7輸入IO電平狀態

3.2 電能脈沖信號的采集流程

采集器計量脈沖讀取是的可靠性與穩定性十分重要，因此為提升其可靠性與穩定性，就要在輪詢方式的基礎上對PB7輸入的上升沿進行有效控制，并且對可能或者出現的噪聲利用濾波進行干擾[2]。較為典型的計量芯片為AD7755，在該芯片的CF脈沖信號中，將高電平寬度為18μs的高頻模式作為基礎，并且在脈沖掃描設計過程中需要遵循以下流程：

開始→設循環次數i=5，低電平標記jk=0→讀取IO口，當低電平時，累積jk++→等待3μs定時器延時周期到達μs→循環（i--）>0（是，則返回到讀取IO口，當低電平時，累積jk++）→提前對應jk值→jk>3（否）→對應輸入端口為低電平→結束

jk>3（是）→對應輸入端口為高電平→執行采集脈沖的計量和安全存儲流程→結束

3.3 脈沖采集器的DL/T645協議幀

DL/T645規約是一個應用層報文傳輸協議，在應用中能夠對功能碼規定的服務進行提供。DL/T645協議在實際的運行中，如果沒有出現差錯，在處理過程中如下所示：

采集設備啟動請求（功能碼與數據請求）→執行操作相應（操作碼與數據響應）→接受相應（功能碼與數據請求）

為實現電能計量裝置的參數配置命令與電能數據的抄收就要通過以下方式實現：第一，在主機的抄表終端對請求進行發起，并且應答是由電能計量裝置接受的。如果電能計量裝置做出及時的應答，這時就可以在正常應答功能的使用下，對無差錯響應進行指示。如果在應答時出現差錯，這時就要在答協議幀控制字Bit6位的指示下對異常響應進行操作，并且協議幀也要將錯誤信息的字節帶回[3]。同時也要保證協議幀在應用中具有超時管理能力，并且在規定的時間內退出不會出現的應答。

3.4電能數據幀的發送流程

在波在通信與本地紅外接口在運行中。脈沖采集器均會使用DL/T645規約的方式進行串聯通信。該方式下的開始位、數據位、停止位、偶校驗、設計載波、通信波特與紅外通信波特率分別為1bit、8 bit、1bit、1bit、2400B/s與1200B/s。采集器發送流程在運行中如下所示：

開始→幀地址指針FSR幀長度TEMP_i→讀出幀字節轉移如USRT發送寄存器→執行PB7電能脈沖采集器處理流程→USRT發送標志空閑（否）→回到上一層→數據幀指針FSR++幀長度TEMP_i--→幀長度TEMP_i為0？→（否）回到讀出幀字節轉移如USRT發送寄存器→（是）結束

4.測試與驗證

脈沖采集器的計量常數在設置過程中一般為1600IMP/kWh，在采集器的脈沖輸入端口接入脈沖發生裝置，并且將每次測試發出的脈沖控制在15×105個。在實驗中總共選取30組進行測試，在測試中發現數據每次能夠遞增1000，這樣就發現采集器均未丟失測試脈沖。為更好的檢驗采集效果，就要在下圖的連接方式下進行連接。通過測試發現脈沖采集器和干燥機在運行48h之后，脈沖采集器的有功度數偏差為0[4]。

5.結語

為更好的提升電子式電能表的實際使用功能，尤其是有效發揮其遠程抄表能力，就要確定PIC16F73為核心，進而設計出在DL/T645基礎上的通信協議，并且對脈沖采集器的相關模塊進行整合。并對基于PIC單片機的電能表脈沖采集器進行測試驗證，通過驗證發現采集器具有狼嚎的應用效果。在多從機遠程部署的情況下載波通信模塊能夠起到良好的作用，并且能夠確保通信在低壓供電線方式下進行。同時也希望通過本文的探究，能夠為我國電力行業的可持續發展提供一些幫助。

參考文獻：

[1]朱學莉， 董博. 一種抑制脈沖干擾的DMX512網絡中繼器應用研究[J]. 吉林建筑大學學報， 2018， v.35；No.135（2）：77-81.

[2]高英杰， 陳婕， 劉飛，等. 基于FPGA和單片機的實時脈沖信號參數測量儀[J]. 金陵科技學院學報， 2018， v.34；No.115（1）：12-15.

[3]劉康. 一種基于PIC18單片機的數字控制直流變換器的設計[J]. 計算機與數字工程， 2017， 45（12）：2524-2529.

[4]袁月峰， 郭斌， 胡淑女，等. 基于HAL880的電子油門踏板編程校準系統設計[J]. 現代電子技術， 2018， v.41；No.515（12）：123-127.