电力远程抄表系统中集中器硬件的设计与实现

金春花

（九江职业大学 信息工程学院，江西 九江 332000）

电力远程抄表系统中集中器硬件的设计与实现

金春花

（九江职业大学 信息工程学院，江西 九江 332000）

随着我国经济的发展和电力系统的不断完善，原始的人工抄表方式越来越不能满足电力系统发展的要求.因此，实现用户仪表的自动抄表已是必然趋势，而集中器是远程抄表系统的核心组成部分.文中提出了一种集中器硬件的模块化设计方案，并详细介绍了其硬件模块的设计与实现方法.

自动抄表系统；集中器；嵌入式系统

1 引言

在二十一世纪以前，供电部门进行用电管理的方法主要有用电后的人工抄表缴费和用电之前的智能IC卡预付费两种方式.传统的人工抄表方式工作量大且数据的准确度也得不到保障，很容易出现差错；智能IC卡预付费方式相对前者来说，虽在一定程度上减轻了供电部门的劳动强度，但却给用户带去了极大的不方便，一方面它需要用户的配合去供电部门提前预付电费，与服务的宗旨相违背；另一方面用户常常在毫无准备的情况下被停止供电，从而给用户造成极大的困扰.近十年来，随着电子、通信及计算机技术的迅速发展，32位嵌入式微处理器得到了广泛应用，嵌入式技术也不断成熟，外加国家电力系统的信息化采集项目的全面展开，电力远程自动抄表技术也越来越受到重视，自动抄表设备及仪器的需求数量也较为庞大，集中器作为自动抄表系统中的核心设备自然而然颇受电力设备生产企业的关注，有着重大的研究价值与意义.因此，文中提出了一种集多种方式优点于一体的远程抄表系统中集中器硬件的设计方案.

2 集中器的硬件的设计与实现

集中器是远程自动抄表系统中的核心设备.它通过下行信道抄收各种具有载波通信功能的智能仪表、采集模块以及各种载波通信终端的用电量数据信息，并进行存储，它的下行通信信道可以采用低压电力线载波或RS-485串行通信信道；同时也能通过上行通信信道与主站服务器进行数据交换，它的上行通信信道可以采用公用通讯网，例如MODE、GPRS、CDMA等通信方式.

集中器的硬件结构主要由电源电路模块、ARM处理器模块、通信模块、存储器模块等部分构成，其框图如图1所示.

图1 集中器硬件框图

2.1 中央处理器

根据集中器硬件结构设计框图可知，CPU设备在整个系统中起到核心作用，CPU芯片性能的好坏决定整个系统性能，结合系统性能需求分析，选用AT91SAM7X256芯片作为CPU主控芯片.它是基于32位ARMRISC处理器的系列微控制器的一员，集成有256K字节的高速Flash和64K字节的SRAM和全套外围设备，其中包括了一个802.3Ethemet网口和一个CAN控制器，选用该芯片可使一整套系统功能单元使需要的外部组件数为最少.

2.2 存储模块的设计

AT91SAM7X256芯片含有串行外设接口SPI，SPI(Serial PeripheralInterface-串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息.当芯片本身具有256K字节的片内Flash存储器不能满足要求时，我们可进行片外扩展.一般来说，256KB片内Flash存储器用来存储系统程序，而电表各种数据资料存储在扩展的片外Flash存储器和SD卡中.在内存方面，由于该芯片本身有64KSRAM，对系统来说能达到基本要求，因此没必要进行另外的扩展.

2.3 上行通讯模块的设计

2.3.1 MODEM通信设计

在上行通讯模块中，集中器通过内置MODEM与上位机进行通讯，视为有线集中器通讯方式，用户在使用时只需将两根电话线按接线说明接入集中器的相应端子即可.用户需通过上位机的载波抄表前置机软件与集中器进行通讯.当上位机开始拨号时，集中器的MODEM指示灯开始闪烁，当上位机与集中器正常建立连接后，集中器的TEL联接指示灯开始常亮，此时表明集中器已进入与上位机的通讯状态，通讯过程正在进行.当上位机执行挂断集中器命令后集中器的TEL联接指示灯和MODEM指示灯一同熄灭，集中器断开与上位机的通讯，通讯过程结束.

为了让通信模块有更强的灵活性，一般在设计时与主板分离，方便替换.本系统则可仿效市场集中器的做法，采用盒装插板式的工艺来设计远程通信模块，在主板上设计16针的插口，通过该插口PC16G将MODEM通信模块与主板建立联系.

2.3.2 红外通信设计

红外通讯技术利用红外线来传递数据，是无线通讯技术的一种.它以价格低廉、无需连线、功耗较低和保密性较强做为一种较好的通讯方案，但距离和速度方面有一定限制，在现场测试等方面有较高的应用价值.

在集中器处于抄表或等待状态时，按一下集中器下部的红外按键，集中器的MODEM指示灯闪亮1分钟进行红外通讯等待，此时即可通过相配套的掌上电脑设备与集中器进行红外通讯.在红外通讯过程中集中器收到红外通讯命令，集中器的红外接收指示灯闪亮1次、集中器每发1条应答命令红外发送指示灯闪亮1次，同时集中器自动增加1分钟的红外通讯延时.当集中器接收到红外通讯退出命令或延时时间到，红外通讯指示灯熄灭，集中器自动退出红外通讯状态.

红外信号的接收可由红外线接收芯片TSOP31838来完成，它的输出端经红外接收端口输入至起调制解调作用的CPLD芯片IS4064，从而共同完成调制、放大和解调过程，解调出来的信号经主板上行通信的输入端输入主机.

在电力抄表的应用中，每个抄表现场，为了方便检测施工线路的通断与否或者方便集中器参数的设置，需要配置红外掌机来配合施工人员，因此集中器需要具有红外功能.

2.4 下行通讯模块的设计

下行通讯是指集中器与采集终端进行数据的传输，抄收电表的各项数据.根据本项目的设计，AT91SAM7X256的USART用于上下行通讯，其中TXD0和RXD0用于下行通讯收发数据端口.根据设计的安排，下行通讯应有一个载波通信口、一个RS-485串口和下行通讯选择控制口，由于主控芯片本身串口有限，故可采用CPLD芯片IS4064来完成下行通讯通道的选择及数据的传递.

2.4.1 载波通信设计

下行载波通讯模块的主控芯片选用北京福星晓程公司的PL3105，该芯片是专为面向未来的开放式自动抄表，智能信息家电以及远程监控系统而设计的单芯片片上系统，它除了具有功能强大的微处理器外，尤其在高精度模/数转换以及电力线载波通讯方面具有更大的优势，它的扩频通信单元是PL2000系列专用电力线载波通信集成电路的升级内核，具有更强的抗干扰能力，更高的数据通信速率和更大的软件可配置灵活性.

PL3105中的P30作为载波发送的数据输入端，P31作为载波接收的数据输出端，并通过IDC18接口与主板相连通.载波信号从PL3105芯片载波信号输出端P17输出经功放放大后由变压器耦合至电表，而电表的电能数据经滤波、带选频的放大电路后输出至PL3105苾片的模拟信号输入端.其中A、B、C三路电表的选抄由CTR_A、CTR_B、CTR_C信号控制继电器动作来完成，而控制信号可由程序来产生.

2.4.2 RS-485设计

在电力通讯方案的设计中，下行通讯除了采用低压电力载波通讯方式以外，还经常利用RS-485总线通讯方式.因为这样组网方式就较为灵活，既可使用RS-485总线和低压电力载波混合的方式组网，也可以使用可靠性比较高的全485方案组网.而且可用于RS-485接口的芯片种类也越来越多，实现这种通讯的技术也相当成熟.

在本设计中，采用传统方式隔离型RS-485通讯方案，选用TI的SN65LBC184作为RS-485接口芯片，用PS2501高速光耦器件构成隔离型RS-485电路，通过光耦隔离来实现信号的隔离传输.

2.5 JTAG的设计

本设计采用SAM-ICE仿真器调试程序.SAM-ICE是专为ATMEL的AT91系列ARM处理器设计的JTAG仿真器.标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出.JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试.JTAG接口还常用于对FLASH器件进行编程.通过JTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简浩高效的手段.目前JTAG接口的连接有14针接口和20针接口两种标准.本文采用了20针的JTAG接口.

3 结束语

以ARMAT91SAM7X256为主控芯片的集中器,有充足的外部接口，方便集中器与外部模块相连.集中器通过MODEM通信方式接收来自上行信道的主站命令，处理器将接受到的命令转换为一条或者多条内部可执行的命令，从而提取历史数据或参数，并对数据进行协议封装传送给上行信道，上行信道将数据按照原路径传送给服务器.同时通过下行信道抄收各种用户终端的用电量数据信息，并进行存储，从而实现智能化抄表工作.这种基于ARM芯片的集中抄表系统是可行的、有效的，它代表着技术发展的新趋势，也将会有广泛的应用前景.

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1673-260X（2014）12-0024-02