基于ATmega128和μC/OS-Ⅱ的电力载波集中器的设计

马勇（陕西财经职业技术学院，陕西咸阳712000）

基于ATmega128和μC/OS-Ⅱ的电力载波集中器的设计

马勇
（陕西财经职业技术学院，陕西咸阳712000）

中国智能电网发展的第一步是进行国家电网“电力用户用电信息采集系统”的建设，自动抄表技术是该系统建设的关键，而在自动抄表系统中，集中器充当代理服务器的角色，对整个系统具有重要意义。根据《国家电网公司企业标准》集中抄表终端技术规范的相关要求，设计了以ATmega128芯片为硬件核心，以μC/OS-Ⅱ为嵌入式实时操作系统，具有GPRS和电力线载波功能的集中器系统。测试结果表明系统运行正常，可以满足规范对于集中器系统的相关要求，性能稳定。该系统对于其他数据采集设备的设计与实现也有一定参考价值。

自动抄表；集中器；电力线载波；GPRS；数据采集

随着我国经济和社会的发展，人民生活水平不断提高，对电力需求越来越大，我国的电网规模也在不断扩大。依靠现代技术，积极发展建设智能电网，适应可持续发展的要求，已经成为电力工业积极应对挑战的共同选择。中国智能电网发展的第一步是进行国家电网公司“电力用户用电信息采集系统”的建设，自动抄表技术是该系统建设的关键，而在自动抄表系统中，集中器充当着代理服务器的角色，起着承上启下的作用，对整个系统具有重要意义。

自动抄表，是利用自动控制技术、电子技术、计算机及通讯等技术，通过专用设备对表计进行读取及数据处理的过程。国内的自动抄表系统主要包括：主站、通信信道、采集终端、电能表4部分，如图1所示。

图1　自动抄表系统Fig.1Automatic meter reading system

其中数据采集终端中最主要的部分是集中器。集中器是指收集各采集终端或电能表的数据，并进行处理储存，同时能和主站或手持设备进行数据交换的设备。集中器就是主站与电能计量设备之间的桥梁，在自动抄表系统中起着不可或缺的作用。目前市场上存在着各类集中器，但是缺乏符合2009年国家电网用电信息采集规范的产品，所以设计出一款符合2009年国网采集规范的集中器，具有较大的应用价值。

1　相关理论与技术

1.1电力线载波通信技术

电力线载波，简称PLC，是利用电力线进行载波通信的一种有线通信方式。电力线载波通信与其他通信方式相比，能充分利用现有的电力线资源，即利用电力线进行通信，实现信息的传输。近十年来，随着计算机技术和通信技术的不断发展，电力载波技术得到迅速的发展，载波技术由模拟式发展为数字式，成为通信技术的又一个热点。

1.2ATmega128微控制器

ATmega128是一款基于AVR内核，采用RISC结构的CMOS 8位微控制器，数据吞吐率可达1 MIPS/ MHz，在电源电压2.7～5.5 V范围内，可以稳定工作，内置具有数据记忆功能的128 kB Flash程序存储器，4 kB的EEPROM数据存储器，4 kB的SRAM内部存储器，2个可编程串行USART等，可通过JTAG接口进行编程调试。

2　集中器设计

在设计任何一个嵌入式设备之前，明确它的功能是非常必要的。

根据Q/GDW_374.2-2009《电力用户用电信息采集系统技术规范：集中抄表终端技术规范》，本集中器系统的主要功能如下。

2.1采集功能

集中器将根据设置方式，采集各用户电表的日历史电量、月历史电量、实时电量以及关口表的视在功率。本集中器下辖120个采集器，每个采集器下辖8个用户电表，最多可采集960户的电量数据。

2.2设置及控制功能

集中器可根据主站的命令设置主站IP及端口号等参数，可以对用户进行用电控制。

2.3通信功能

集中器采用无线GPRS，电力载波等通讯方式，可接收主站命令及相应数据，根据命令对各户电表进行采集及控制。

2.4数据存储

集中器存储有采集的各种电量数据及主站编号、集中器编号、主站IP地址、视在功率越限阈值等参数。

2.5心跳及上报功能

为了监测所有集中器的工作状况，及时发现故障，维持网络稳定，集中器每隔一段时间就主动向主站发送一个心跳报文。集中器还可以向主站报关口表现出视在功率越限情况。

2.6校时功能

集中器可通过主站进行系统校时，调整时间误差，也可对采集器进行广播校时。

2.7本地功能

集中器具有本地状态指示灯，指示电源、运行、通信等状态，具有本地维护接口JTAG，可对本地软件进行维护、升级。

2.8终端维护

集中器接收到复位命令，可对集中器进行初始化。

2.8.1集中器系统结构

集中器系统的总体结构包括3个模块，集中器模块，GPRS收发器，载波模块。集中器既是主站的从机，又是采集器的主机，其软硬件设计相对要求较高，必须能保证整个采集系统的安全性和可靠性。集中器的组成结构如图2所示。

图2　集中器系统结构框图Fig.2Concentrator system structure diagram

集中器模块是集中器系统中的核心部分，数据采集、处理、储存与传送以及对各户电表用电控制都在集中器模块控制下进行。集中器模块的主控MCU是ATmega128。通过RS485、RS232分别与载波模块和GPRS收发器通信。

GPRS收发器用于登入GPRS网络，实现集中器和主站间的远程数据传输。本GPRS模块采用的GPRS Modem是华为公司的EM310，MCU采用的是ATmega64。

载波模块用于完成集中器与采集器之间的数据传输，并且与台区关口表通过RS485相连，用于采集关口表视在功率。载波模块采用的载波芯片是福星晓程的PL3106，由于集中器需要与三相电路上的采集器进行通信，所以需要使用3个PL3106芯片。

2.8.2数据存储管理

该系统使用3个FRAM的64KB FM24C512芯片作为存储设备，存储着各项电量及参数，储空间比较大，系统需要保存的数据也是比较大的。系统需要存储的数据大致分2类：电量数据和集中器配置参数。电量数据包括：各用户电表31 d的日历史用电量，最近12个月的月历史电量，各用户当前电能示值，关口表视在功率。集中器配置参数包括：主站编号，集中器编号，所辖采集器编号，主站IP，视在功率越限阈值。系统设计最多下辖120个采集器，分别分配给A、B、C三相。关口表采集数据，下辖3个用户，A、B、C三相的日用电量，它们的单位是kW·h，每相电量用4个字节表示。其他采集器采集的电量单位都是脉冲数，每个采集器下辖8个用户电表，每户电量用4个字节表示。

根据Q/GDW_374.2-2009《电力用户用电信息采集系统技术规范：集中抄表终端技术规范》，集中器需要存储存储所有用户31 d的日历史用电量。存储时，采用覆盖的方法，顺序存入，相对应的数据块存储完后，回到开始地址，覆盖以前的日历史电量，再顺序存入。如果一个月不足31 d，则跳过没有日期与之对应的数据块。

2.8.3集中器通信协议

通信协议在集中器系统中有着的重要作用，该集中器系统的通信协议分为上行通信协议和下行通信协议2部分。上行通信协议规定了集中器与上位机主站之间通信的帧格式，数据编码及传输规则。下行通信协议规定了集中器与采集器及关口表之间通信的帧格式，数据编码及传输规则。上行通信协议基于Q/GDW_376.1-2009《电力用户用电信息采集系统通信协议：主站与采集终端通信协议》，下行协议基于DL/T-645-1997《多功能电表通信规约》。其中集中器与主站的通信协议比较复杂，且最为重要。Q/GDW_376.1-2009协议的帧格式如图3所示。

图3　上行协议帧结构Fig.3Uplink protocol frame structure

Q/GDW 376.1-2009中的内容虽然丰富，但由于本系统采用的硬件和软件功能的限制，没必要完全照搬此协议，所以根据此协议，设计出适合本系统的上行专用通信协议。本协议对报文的应用层功能码和信息类标识定义如表1所示。协议中采集当前电能示值的报文格式如表2所示。

表1　应用层功能码和信息类标识Tab.1Application layer function code andinformation identification

3　集中器实现

3.1集中器模块的实现

根据系统的实现功能，集中器模块包括：MCUATmega128芯片，DS1302时钟芯片，FM24C512，MAX232，MAX485等器件。集中器模块结构如图4所示。其中DS1302，FM24C512模块如图5、图6所示。

表2　采集当前电能示值下行报文Tab.2Downlink message of current power value

图4　集中器模块结构Fig.4The concentrator module structure

图5　DS1302模块Fig.5DS1302 module

3.2GPRS收发器

GPRS收发器是集中器系统用来与主站之间通信的模块。GPRS收发器又分为2部分：ATmega64控制器，华为EM310模块。GPRS收发器原理框图，如图7所示。其中的EM310模块电路如图8所示。

3.3载波模块

载波模块是系统中负责与采集器通信的模块，上行通过RS485与集中器模块相连，下行通过电力载波与采集器相连。本系统采用PL3106作为专用的载波通信芯片，PL3106是北京福星晓程有限公司生产的一款片上系统，主要针对自动抄表及智能仪表而设计的。它需要配合外围的功率放大、接收电路等载波通信电路才能工作。电力载波电路原理框图如图9所示。其中PL3106及载波信号的后处理电路如图10所示。

图6　FM24C512模块Fig.6FM24C512 module

图7　收发器框图Fig.7Transceiver diagram

本系统要与三相电路上的采集器进行通信，所以载波模块使用了3个PL3106芯片，具有3路载波通信电路，且互不干扰。

3.4集中器软件实现

软件是系统重要的组成部分，也是系统的价值所在。软件实现包括μC/OS-Ⅱ在的移植和任务分配及系统运行、GPRS收发器功能实现、载波模块功能实现。

μC/OS-Ⅱ是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、可剥夺的RTOS。它的绝大多数代码使用C语言编写，只有少数与CPU密切相关的代码用汇编语言编写，方便用户把它移植到别的处理器上。与Linux相比较，它具有占用空间少，执行效率高，实时性能优良的特点，且针对新处理器的移植相对简单。该系统的移植目的是让μC/OS-Ⅱ内核能够正常运行在ATmega128芯片上。大部分μC/OS-Ⅱ代码是C语言代码，方便移植，但是仍有一部分是汇编代码，这是因为μC/OS-Ⅱ在读写底层寄存器时需要汇编语言来完成。要进行移植，需要找到os_cpu.h，os_cpu_c.c、os_cpu_a.s、os_cfg.h这4个文件，其中os_cpu_a.s是汇编语言文件，并对它们里面数据类型、函数或宏进行修改，另外还需编写移植所用的主头文件includes.h。

图8　EM310模块Fig.8EM310 module

图9　电力载波电路框图Fig.9Power carrier circuit diagram

本集中器主要有以下几个方面的任务：数据处理、存储器管理任务，定时任务、上行协议解析任务，下行协议解析任务，上行协议封装任务，下行协议封装任务。上行通信任务，下行通信任务。在上行任务中，可通过串口，采用中断服务程序接收来自GPRS收发器的主站数据，接收方式为接收状态机方式。接收各任务的通信关系如图11所示。

GPRS收发器采用裸机程序实现各功能，以便更好地控制各项硬件资源，使之得到合理的应用，同时也降低了对硬件配置的要求，成本随之降低。采用中断的方式接收发送数据。实现如图12所示功能。

载波模块的功能是把接收来的集中器命令，通过电力线转发给采集器，并把采集器发送过来的数据，转发给集中器，起到一个桥式数据通路的作用。集中器通过载波模块与采集器和关口表通信，所基于的通信协议是DL-T645-1997《多功能电能表通信规约》。由于采用福星晓程的载波芯片，所以也结合了福星晓程载波通讯协议的一些特点。载波通信接收和发送均被设计为外部中断的方式进行处理；每一次进入中断，完成对1 bit数据的接收或者发送处理。接收时，捕获和同步的过程由载波单元的硬件自动完成，不需要软件参与。由于电力线噪声的存在，所以在有效数据前必须加上同步帧头，依据福星晓程的载波通讯协议，同步帧头选择为09H、 AFH，后续为通信的有效数据。载波接收过程如图13所示。载波处于发送态时，载波单元发送完1 bit的扩频数据后，产生一次中断，然后进行下一个bit的数据发送。根据捕获和同步过程需要，首先发送48 bit的全1，然后发送同步帧头09H、AFH，之后根据有关协议发送其余有效数据。载波发送过程如图14所示。

图10　PL3106及载波信号的后处理电路Fig.10PL3106 and post processing circuit of carrier signal

图11　任务关系图Fig.11Task diagram

图12　收发器实现功能图Fig.12Transceiver implementation function

图13　载波接收图Fig.13Carrier reception

图14　载波发送图Fig.14Carrier transmission

本文在智能电网建设这一大背景下，根据《国家电网公司企业标准》中电力用户用电信息采集系统计与实现的。我国自动抄表技术在不断发展，只有对系统进行不断的调整改进，才能使集中器系统更好的适应这些变化，从而使它在我国自动抄表系统的建设当中发挥更好的作用。

[1]钟清．智能电网关键技术研究[M]．北京：中国电力出版社，2011．

[2]张晶，徐新华，崔仁涛．智能电网用电信息采集系统技术与应用[M]．北京：中国电力出版社，2013：4-10．

[3]曾祥岭．基于ARM7的远程抄表载波集中器的研究与设计[D]．西安：西安科技大学，2009：1-3．

[4]张明，贺科学．GIS局部放电在线监测数据采集系统设计[J]．电力科学与工程，2014，30．ZHONG Ming，HE Kexue．The design of data acquision system for partial discharge on-line monitoring in GIS[J]．Electric Power Science and Engineering，2014，30（5）（in Chinese）．

[5]张先怡，吴广宁，曹晓斌，等.GIS牵引变电所馈线侧防雷分析[J].电瓷避雷器，2013（5）:7-12. ZHANG Xianyi，WU Guangning，CAO Xiaobin，et al. Analysis of lightning on the feeder side of GIS traction substation[J].Insulators and Surge Arresters，2013（5）:7-12（in Chinese）.

[6]国家电网公司．Q/GDW 374.2－2009电力用户用电信息采集系统技术规范第二部分：集中抄表终端技术规范[S]．北京：国家电网公司，2009．

[7]任哲．嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．

[8]沈建良，赵文宏，贾玉坤，等．ATmega128单片机入门与提高[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2009．

（编辑董小兵）

Design of Carrier Wave Concentrator Based on ATmega128 and μC/OS-Ⅱ

MA Yong
（Shaanxi Technical College of Finance&Economics，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

The first step in the development of Smart Grid in China is to construct“power user electric energy data acquisition system”in State Grid Corporation.Automatic meter reading technology is the key to the construction of the system. The concentrator，acting as a proxy server role and playing the connecting role，is also significant to the whole system. According to the related requirements of the centralized meter reading terminal specification as stipulated in“Enterprise Standards of the State Grid Corp”，a concentrator system with both GPRS and wave carrier functions is designed and implemented in this paper.The system uses ATmega128 chip as the hardware core，and the μC/OS-Ⅱas the embedded real-time operating system.The testing results show that the system runs normally，and it can meet the requirements of the specification for the concentrator system with very stable performance.The content in this paper has also certain reference value to the design and realization of other data acquisition equipment.

automatic meter reading；concentrator；power line carrier；GPRS；data collection

1674-3814（2015）06-0049-07

TP368

A

2014-12-16。

马勇（1980—），男，工程硕士，讲师，研究方向为计算机网络体系结构、数据采集和WEB软件开发。