基于PROFIBUS的嵌入式智能电表的设计

张立新（河南许继仪表有限公司，河南　许昌　461000）



基于PROFIBUS的嵌入式智能电表的设计

张立新
（河南许继仪表有限公司，河南许昌461000）

从硬件设计和软件设计两个角度进行基于PROFIBUS的嵌入式智能电表的设计分析，目的在于验证PROFIBUS技术在电表通信中的可行性，满足基于PROFIBUS的嵌入式智能电表的功能需求和性能需求。

PROFIBUS；嵌入式智能电表；设计

从协议结构的角度来了解PROFIBUS，其是在基于ISO7498国际标准的基础上借助开放式系统互联网作为参考模型。此次研究的最终目的在于实现基于PROFIBUS的嵌入式智能电表的功能需求和性能需求。其中，功能需求包含电能计量功能、时间功能、通讯功能、组态设置功能等，性能需求包含能够确保监控软件的实时性等［1-3］。

1　基于PROFIBUS的嵌入式智能电表的硬件设计

1.1模块设计

1.1.1电源。由于电源的稳定性直接关系到整个智能电表工作的稳定性，因此这个方面的设计十分重要。此次研究的智能电表三相电在变压器降压后最后输出的电压3.3V，其次考虑到电力中断的情况，在设计的过程中建议采用6V电压的环保锂电池作为后备供电电池。

1.1.2计量。为了保证在各种负载条件和各种电源质量下，能够精准地计量有功电能量，充分考虑到此次研究想要达到的结果，拟采用具有计量功能的芯片SOC芯片71M6513H，选择该型号芯片的目的不仅是因为该芯片展现出良好的测量功能，还具备实时时钟功能，能够实现在超过2 000∶1动态范围内，将有功计量精度误差控制在0.1%Wh，CT相位补偿±7°。超过20个通用I/O接口，支持六路传感器输入等强大功能。关于电压电流采样电流设计，此次设计的额定输入电压220V，额定输入电流1.5A，由于此次选择的电表属于大电压和大电流，想要与计量芯片连接，就需要进行电路转换，或者可以采用大电阻分压的方式。另外，也可以采用电阻分流的方式实现大电流转换成小电流。

1.1.3计量芯片外围电路设计。芯片外界振荡频率为32.768KHZ的石英晶振作为振荡器，通过按键选择不同通信方式。将CPU与芯片采用12C连接的方式，再结合系统软件实现IIC通信。

1.1.4实时时钟电路设计。只有一个可靠的时钟基准智能电表，才能够实现负载曲线记录、分时计价、需求侧响应等功能。因此，需要设计一款稳定性高的时钟电路。此次研究拟采用某公司生产的实时时钟芯片DS32KHZ。

1.1.5通信电路设计。在此次设计中，利用相关技术本次设计的智能电表能够实现PROFIBUS-DP协议通信功能（采用DP9针接口方式），还支持MODBUS协议通信（采用异步RS485通信接口）。在这个过程中，为了避免芯片在发生故障时被总线影响，需要采取措施将其隔离，还需要考虑到线路浪涌的影响，可以在合适位置跨接抑制器二极管。

1.1.6按键电路设计。设计智能电表4个按键，完成上翻、下翻、确定、推出功能。

1.1.7存储电路设计。考虑到智能电表需要存储的数据量较大，为了满足智能电表的存储需求，此次设计采用某公司生产的串行接口的FLASH存储器。关于显示电路的设计，采用LCD完成显示。

1.2通信模块

①单片机的外围电路设计，单片机使用80C51芯片。关于PROFIBUS通信电路的设计，拟采用某公司的SPC3协议芯片，该芯片能够有效减轻处理器压力。

②基于PROFIBUS与主控芯片的接口设计，通过串口并经光耦隔离与主控芯片连接。

2　基于PROFIBUS的嵌入式智能电表的软件设计

2.1基于PROFIBUS的通信模块软件设计

第一步，建立一个PROFIBUS地址与MODBUS地址的映射关系；第二步，将PROFIBUS数据输入区域与输出区域设置为5字节的全部输入输入；第三步，将电表中的MODBUS协议打包放在PROFIBUS协议帧数据区中。在完成第三步之前，需要对智能电表从站资源进行定义。另外，考虑到需要抄读电表数据以及设置电表参数，可以采用模块性从站设定的方式，将电能表数据类型分为瞬时量模块、电能量模块、仪表参数读模块、仪表参数写模块、仪表参数读与仪表参数写模块。PROFIBUS主站鞥能够从上述的5个模块中通过设置起始地址等选择自身需要的变量。最后，PROFIBUS通信模块的软件设计主要包含SPC3S的初始化、中断处理以及通讯数据的接收和发送。

2.2时钟模块的软件设计

时钟模块程序流程包含开始→是否到1s→时间处理→一些和时钟有关的处理→串口无法接受数据23h→初始化串口→是否1h→保持电量→结束。

2.3计量模块的软件设计

关于计量模块的设计，需要从两方面进行，从主控芯片入手，得到有功功率、电压/电流有效值等的计量值，又或者是芯片对电量的读取与处理，具体流程包含开始→秒电量计算标志→按有功功率计算发脉冲的变量值→启动潜动函数→均分电量，有功脉冲用→电量累加→结束。其中，主控芯片需要完成对主/备份存储区电量的读取，流程为开始→从主存储区读取电量数据→CSC是否正确→错误次数+1→错误次数大于3→从备份存储区读取电量数据→CSC是否正确→错误次数+1→错误次数大于3→初始化电量数据。

2.4存储电量

针对在软件设计过程中的掉电存数，考虑到各种故障发生的可能性。因此，设计了存储电量的方式，不仅避免电量丢失，又能够保证计算的准确性。

3　结语

我国在电力系统方面提出了坚强智能电网的发展规划，在目前我国良好的电力行业发展现状的基础上，对智能电表提出了新的要求。该文在基于PROFIBUS总线技术的基础上，综合性考虑智能电表的性能需求与成本控制，在减少开发周期、提高系统可靠性的基础上，设计了一款具有PROFIBUS通讯功能的智能电表。

［1］静恩波.基于嵌入式系统的智能电表设计与研究［J］.低压电器，2011（3）：26-30.

［2］孟珺遐，朱宁辉，白晓民，等.基于DL/T645—2007协议的智能电表嵌入式通信软件研发［J］.电网技术，2010（9）：7-12.

［3］刘金硕，王谢兵，郑稳，等.嵌入式智能电表中的反汇编关键问题分析［J］.计算机应用，2014（12）：3507-3510，3514.

Design of Embedded Intelligent Electric Meter Based on PROFIBUS

Zhang Lixin
（Henan XJ Instrument Co.Ltd.，Xuchang Henan 461000）

From two aspects of hardware design and software design，intelligent embedded meter design based on PROFIBUS was analyzed，for the purpose of verification of Profibus Technology in electric meter communication feasibility，to satisfy the function and performance requirements of embedded intelligent meter based on PROFIBUS.

PROFIBUS；embedded smart meter；design

TM933.4

A

1003-5168（2016）04-0076-02

2016-03-24

张立新（1985-），男，硕士，研究方向：电表设计。