基于ARM 的DLMS/COSEM通信協(xié)議智能電能表設計與實現(xiàn)

文/任曉鋒 付希林 劉鳳鳴 劉志遠（中電裝備山東電子有限公司）

智能電能表目前在國外呈現(xiàn)飛速發(fā)展的趨勢，各國在智能電能表領域掀起一輪大規(guī)模的投資，為我國智能電能表產(chǎn)業(yè)的出口創(chuàng)造了良好的機遇。但是國內(nèi)智能電能表目前采用DL/T645 協(xié)議，和國際通用的通信協(xié)議不兼容，不利于國內(nèi)智能電能表生產(chǎn)企業(yè)的出口。

DLMS/COSEM 通信協(xié)議即IEC62056 系列國際標準，是國際電工委員會為解決自動抄表系統(tǒng)和計量系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集，儀表安裝、維護，系統(tǒng)集成等問題提出的新的電能表通信標準。它以良好的系統(tǒng)互連性和互操作性成為迄今為止較為完善的電表通信協(xié)議標準[1]。本文基于ARM的DLMS/COSEM通信協(xié)議智能電能表設計能夠滿足國際電工委員會的要求。

在現(xiàn)有的智能電能表方案中，低端產(chǎn)品一般采用單片機系統(tǒng)層次的主芯片實現(xiàn)簡單的功能。由于單片機處理器的運算速度較低，往往只能實現(xiàn)單一的設置，不能滿足現(xiàn)場通用性，同時DLMS/COSEM通信協(xié)議要求傳輸數(shù)據(jù)量大，高性能的ARMCortex-M0 系列配備嵌入式系統(tǒng)能夠完成比較復雜強大的功能，滿足不同場合的應用需求。方案采用FM33A048 芯片作為主控處理器，具有強大的控制能力和較大的存儲容量，同時工業(yè)級系列主處理器Cortex-M0 在低功耗和成本控制方面具有不可比擬的優(yōu)勢。本文對處理模塊、通訊模塊、計量模塊等硬件設計和應用軟件設計進行了相應介紹，完整地實現(xiàn)了設計方案，并在實際工程中驗證了其可行性。

一、整體設計

1.整體模塊

圖1 整體模塊框圖

智能電能表的工作主要由測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等組成，主要分兩部分：一是電能測量模塊，由大規(guī)模專用集成電路和外圍電路組成，可將電流電壓量轉換成與有功功率成比例的脈沖，實現(xiàn)電能計量，并能實時測量電網(wǎng)的電壓、電流、功率及功率因數(shù)等數(shù)據(jù)；二是數(shù)據(jù)處理模塊，采用專用的Cortex-M0 低功耗微處理器，完成電能計度、數(shù)據(jù)存儲、通信、顯示及負荷開關控制等功能。圖1為產(chǎn)品的整體模塊框圖。

2.軟件架構

軟件結構引入分層設計思路，將軟件系統(tǒng)大體劃分為三個層次：調(diào)度層、應用層和驅(qū)動層。調(diào)度層即后臺程序，掌管整個系統(tǒng)軟、硬件資源的分配、管理以及任務的調(diào)度；應用層用來實現(xiàn)系統(tǒng)功能；驅(qū)動層直接面對硬件設備，為應用層提供硬件驅(qū)動。其中，調(diào)度層屬于后臺程序，應用層與驅(qū)動層屬于前臺程序。軟件架構圖見圖2。

在分層設計思路的基礎上，進一步對各個功能模塊的設計規(guī)范化。將調(diào)度層劃分為正常工作模式和低功耗模式兩個模塊，兩種工作模式根據(jù)需要相互轉換；將應用層按需求劃分為中斷、計量、費率處理、計費電價處理、按鍵處理、顯示、DLMS/COSEM 通信協(xié)議、信號輸出、安全保護、事件記錄、參數(shù)與數(shù)據(jù)校驗和存儲等功能模塊；將驅(qū)動層按應用層需求，劃分為初始化、7816、I2C 總線、液晶（LCD）、計量芯片和實時時鐘（RTC）等功能模塊。

圖2 軟件架構圖

圖3 計量模塊原理框圖

二、主要硬件設計

計量模塊是智能電能表交流采樣測量的硬件基礎，該模塊選用鉅泉公司的單項多功能防竊電專用計量芯片HT7017。該芯片包括三路ADC，一路用于相線電流采樣，一路用于零線電流采樣，一路用于電壓采樣。ADC 采用全差分方式輸入，電流、電壓通道最大信號輸入幅度為峰值700mV。

HT7017 能夠測量有功功率、無功功率、有功能量、無功能量，并能同時提供兩路獨立的有功功率和有效值、電壓有效值、線頻率、過零中斷等，可以實現(xiàn)靈活的防竊電方案。HT7017支持全數(shù)字的增益、相位和offset 校正。有功、無功電能脈沖分別從PF、QF 管腳輸出。HT7017 內(nèi)部的電源監(jiān)控電路可以保證上電和斷電時芯片的可靠工作。

MCU 通過計數(shù)器計量芯片提供的脈沖實現(xiàn)電量計量，同時通過串口SPI 讀取計量芯片的寄存器，讀取相應的數(shù)據(jù)。計量芯片與MCU 電源與地均是獨立的，信號及通訊也采用了光電隔離。計量模塊原理見圖3。

三、主要軟件設計

電能表采用模塊化方法實現(xiàn)軟件功能，包括計量模塊、顯示模塊、事件記錄、通信模塊等。

1.程序主循環(huán)

電能表的程序主循環(huán)包括硬件驅(qū)動軟件、應用支撐軟件、電能表應用軟件、應用輔助軟件。硬件驅(qū)動軟件包括與FM33A048 有關的硬件配置的初始化及驅(qū)動應用的相關軟件，如初始化程序、中斷配置程序、IIC 接口驅(qū)動程序、7816 接口驅(qū)動程序、LCD 驅(qū)動程序、RTC 的驅(qū)動程序、定時器配置程序等；應用支撐軟件主要是與硬件無關的一些算法子程序，包括CRC 校驗程序、數(shù)據(jù)比較程序、數(shù)據(jù)拷貝程序、數(shù)據(jù)交換程序、數(shù)制轉換程序、數(shù)據(jù)計算程序、存貯器的讀寫程序等，這部分程序量較大，也構成應用程序的重要組成部分；電能表應用軟件是實現(xiàn)電能表功能的主要程序，主要包括電量存儲程序、費率電價程序、繼電器處理程序、液晶顯示程序、485 通訊程序、CPU卡處理程序、事件記錄程序等；應用輔助軟件是保證電表應用程序安全、可靠運行的程序，主要包括參數(shù)檢查校驗程序、看門狗處理程序、數(shù)據(jù)備份程序等。

2 .通信協(xié)議模塊

DLMS/COSEM 通信協(xié)議通信架構包含信息交換模型、應用連接數(shù)據(jù)交換、請求/響應類型數(shù)據(jù)交換、通知/確認類型數(shù)據(jù)交換等，其中DLMS/COSEM協(xié)議包含5 種客戶端應用層數(shù)據(jù)請求幀，分別是COSEM-OPEN.request、COSEM-RELEASE.request、GET.request、SET.request 和ACTION.request。服務器有5 種應答幀來應答這些請求幀，分別是COSEM-OPEN.response、COSEM-RELEASE.response、GET.response、SET.response 和ACTION.response[2]。

DLMS/COSEM 通信協(xié)議模塊包含數(shù)據(jù)鏈路層和應用層：數(shù)據(jù)鏈路層包含幀結構、字節(jié)結構、傳輸規(guī)則；應用層包含應用層服務規(guī)范、應用層協(xié)議規(guī)范、應用層數(shù)據(jù)單元規(guī)范等。

DLMS/COSEM 通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了幀結構，它的數(shù)據(jù)幀由起始字符、長度域、控制域、地址域、幀頭校驗、鏈路用戶數(shù)據(jù)、幀校驗和結束字符共8 個域組成，其中控制域包含傳輸方向位、擾碼標識位等，保證了傳輸方向的準確性，幀頭校驗和幀校驗保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_。

DLMS/COSEM通信協(xié)議的應用層規(guī)范，描述了客戶端與服務端之間的預鏈接、應用連接、數(shù)據(jù)交互，以及相應的出錯處理機制。應用層是基于面向?qū)ο蠓椒橹悄茈娔鼙砗徒K端設備建立的用于通信的通用接口模型，智能電能表和終端設備每次通訊前需先建立預鏈接和應用連接，然后依據(jù)設定的格式進行數(shù)據(jù)交互。

四、結語

在大規(guī)模的全球性智能電網(wǎng)建設的大趨勢下，隨著嵌入式技術和通信技術的發(fā)展，未來國際電能表市場尤其是智能電能表市場將有更廣闊的需求。本文提出了一種基于ARM的DLMS/COSEM通信協(xié)議智能電能表設計方案，經(jīng)調(diào)試，軟硬件工作均正常，電能表計量、DLMS/COSEM通信協(xié)議等功能均已實現(xiàn)，并經(jīng)過了長期運行，驗證了設備的實用性和可靠性，相對于目前同類產(chǎn)品在性能、成本和功耗控制方面具有優(yōu)勢，有著廣闊的市場前景。