ARM处理器的远程抄表系统集中器设计

罗浩，康一梅

（北京航空航天大学 软件学院，北京100091）

引 言

随着技术的发展，电力系统在不断地进步。供电部门对于电网的管理任务愈发繁重，目前我国供电部门主要采用的是传统的人工抄表，效率低、误抄、漏抄率高是人工抄表目前存在的主要问题，造成了供电部门大量的人力资源浪费，同时，抄表的准确性和及时性也无法得到有效的保证。远程抄表技术的应用将有效改变长期以来无法及时、完整、准确掌控电力用户信息的局面，对于供电部门进一步提升服务能力具有重要作用。

集中器是一个数据集中处理器，是低压电力线载波集中抄表系统中的关键设备，负责对所在台区中各电能表的数据进行自动化采集、存储、监控、管理等工作，同时，集中抄表系统要求集中器必须工作在实时在线模式，永久性地与主站保持联系，随时响应主站的各种命令。并且，对各种异常情况要及时向主站报告，配合完成电力自动化工作，建设坚强电网。为了完成系统需要的各种复杂功能，集中器需要采用32位ARM9微处理器。为了提高软件的可移植性、稳定性，便于软件的开发、升级、维护等工作，提高系统多任务处理能力，系统设计应该优先使用开放、可靠的软件平台，如Linux平台＋sqlite嵌入式数据库。

1 系统总体设计

集中自动抄表是指采用多种通信、计算机等技术，通过集中器自动采集和处理电能表数据，然后通过GPRS专网或电力专网将信息传至电力公司服务器，由服务器对数据进行显示、存储、打印、生成报表等各种综合业务处理。集中抄表系统主要组成有：主站、集中器、电能表。其中，电能表和集中器之间的通信可以通过载波与RS－485两种方式进行数据通信，集中器与服务器主要通过GPRS网络进行数据传输。集中抄表系统的结构框图如图1所示。

由图1可以看出，集中器位于系统中心位置，工作状态下微处理器（AT91SAM9260）作为集中器的控制中心，在软件逻辑的驱动下，对其负责的台区按内置业务逻辑读取各个电能表的各种数据（如电量、时间、报警信息等），并进行数据存储、分析、生成各种冻结报表；当集中器发现有电能表数据存在异常时将及时报告主站，当主站进行数据召测时及时将集中器内存储的各种数据交给主站进行处理。而当主站想要主动召测指定电能表的数据时，集中器作为信道转换器使用，将通过GPRS网络下发的主站数据请求帧经过协议转换后转发到指定电能表，收到电能表回复后，再提取出电能表返回数据帧中的有效数据并封装成主站能够识别的数据帧回复给主站，完成数据交换过程。

图1 多对象自动抄表系统的结构框图

2 集中器硬件设计

2.1 集中器硬件平台设计

本系统选用ARM9芯片AT91SAM9260，它是基于ARM926EJ－S架构的32位微处理器，具备8KB指令以及8KB数据缓存。集中器系统硬件平台设计如图2所示。硬件平台包括嵌入式处理器的选型、时钟电路、电源电路、复位电路、外围存储器扩展、LCD、通信接口电路等。微处理器是集中器的核心，数据的采集、处理与传送都是在微处理器的控制下进行。

图2 集中器硬件平台设计

系统时钟为集中器定时抄表提供时间标准；电源电路为集中器系统提供稳定电源；看门狗模块的设计保证系统的可靠运行，防止系统死机；数据存储器主要用于存储参数、变量、集中器参数、智能表的参数，以及智能表用量。上行信道即集中器与主站之间的通信线路，采用GPRS模块或以太网模块进行通信；下行信道即集中器与电能表之间的通信，采用RS－485总线或载波进行通信。

集中器通过载波模块抄收下行信道上的电能表数据，然后交由CPU进行处理、解析。解析后将数据存储到存储器上，系统中存储的数据能够在液晶面板上进行显示，显示菜单的切换通过按键动作控制。同时，集中器可以通过GPRS模块与主站进行数据交换。系统时钟精度要求每天时差不超过1s，所以系统中需要专用的时钟芯片进行计时。为了对集中器进行本地控制，系统提供了红外通信口、RS－232接口、RS－485接口。系统的电源供应由电源管理模块提供，电能量信息的采集通过电压、电流互感器变换后接入专用的计量芯片，计量芯片处理后结果交微处理器进行二次处理。

2.2 高可靠RS－485通信电路设计

普通RS－485通信电路存在以下问题：

①RS－485电路存在阻抗匹配问题，降低了RS－485线路的兼容性，RS－485接口芯片在使用、焊接或设备的运输途中都有可能受到静电的冲击而损坏。

② 在传输线架设于户外的使用场合，接口芯片乃至整个系统还有可能遭到雷电的袭击。

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RS－485阻抗匹配电路如图3所示。该方案能够有效地解决RS－485线路的兼容性以及抗雷击和抗静电冲击问题。电路中主要器件的作用为：光耦U1／U2起安全隔离作用，防止RS－485总线上的高电压信号（如雷击等）传导到CPU端造成系统损坏；SN65LHVD3082EDR是RS－485收发器，具有低功耗关断模式；PT2／PT3为热敏电阻，TVS6为压敏电阻（击穿电压680V），这三个器件相互配合能起到防雷作用，当RS－485总线上遭遇雷电冲击时，由于雷电电压远远高于TVS6的击穿电压，导致TVS6瞬间击穿，击穿后TVS6的电流急剧增加，电流增加后导致热敏PT2／PT3阻值迅速增大，进而限制电流的增加，从而防止因为电流增大而烧毁TVS6。这样当雷击过后，RS－485总线上电压恢复正常，热敏PT2／PT3阻值减低到常态阻值，TVS6重新断路，系统恢复正常工作。

3 集中器的软件设计

图3 RS－485接口电路

集中器的主要功能分两部分：一是通过以太网或GPRS模块连接到主站上，与主站进行数据交换；二是通过RS－485端口或载波端口进行抄表。其中主要难点是GPRS通信控制与载波抄表控制。

3.1 集中器各模块的软件设计

3.1.1 集中器主程序的设计

在多对象远程抄表系统中，集中器的主要作用是通信，它是电能表和主站之间进行信息交换的桥梁和纽带，而集中器与主站之间的主要通信信道为GPRS网络。因此网络通信模块设计的重点在于GPRS模块的通信控制。

GPRS网络控制流程的主要工作如下。首先，启动后查询数据库获取联网方式、主站IP地址、端口、APN等信息。如果是GPRS联网方式，则初始化GPRS模块，初始化工作有一系列AT指令控制，具体过程不同厂家有所差别，大致过程是：检测模块、设定控制参数、设定网络参数、发起联网、发送数据、接收数据。

整个网络控制流程根据业务要求分为正常网络过程与FTP升级过程两部分。正常网络过程中，集中器需要每隔一段时间向主站发送一个心跳帧以维持在线状态，同时，当有主站数据到来时，负责接收GPRS模块数据，并对数据进行解析，提取出376.1协议帧交376.1解析模块处理，处理后再将结果返回主站。FTP升级流程为：集中器收到FTP升级命令后，根据命令登录到指定FTP服务器，然后下载升级文件，升级文件下载完成后执行升级，升级完成后报告主站升级情况。由于GPRS网络的不稳定性，所以，FTP升级过程必须做好容错处理，保证能够进行断点续传。同时，如果升级失败不可以改变原集中器状态。GPRS流程框图如图4所示。

图4 GPRS流程框图

3.1.2 集中器载波抄表程序的设计

由于载波抄表流程是异步执行的，为了简化程序逻辑，整个抄表过程分三个线程控制：

①载波控制线程。进行载波初始化工作，接收其他线程的各种逻辑命令，并将逻辑命令翻译为载波模块对应的特定格式命令，可以看作载波驱动程序。

② 抄表控制线程。该线程为抄表业务逻辑控制层，根据客户要求制定抄表逻辑，并根据抄表逻辑自动控制抄表过程。

③ 数据异步接收、解析线程。该线程负责载波模块异步数据的接收工作，并根据解析情况控制抄表控制线程的进度，同时，解析后的数据要进行存储。

载波抄表流程图如图5所示。

图5 集中器载波抄表流程图

为了支持载波模块的热插拔和集中器地址改变，程序中每隔一段时间就将当前载波模块主节点地址、集中器地址与数据库中的记录进行比较，如果发现载波模块主节点地址或集中器地址有任意一个发生改变，就将载波模块初始化，保证载波模块的正常工作。

结 语

通过广泛的调查、研究、比较、反复的规划之后，完成了多对象远程抄表系统集中器的设计。多对象集中器的设计借鉴了市场上其他产品的研究成果，采用高性能的ARM9微处理器自行设计，解决了人工抄表效率低、错误率高的问题，满足了电力系统对抄表快捷性、准确性的要求，具有很高的实用价值和推广价值。

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