一种基于双模芯片的数据采集器的实现

卢彦

摘 要 随着智能电网的建设进入稳定期，智能化抄表设备已经得到了广泛的使用，由于国内居民用电网络的质量复杂多变，随之而来的现场的抄表问题也逐渐暴露出来，本来调试好的设备，可能会因为环境的变化而导致通信不成功，因此，带来了繁重的现场运维工作，浪费了人力，物力和财力。2016年，国家电网公司对用电信息采集系统的建设提出更高的要求，以提高智能化为前提，还要拥有更安全可靠的传输信道，进而获得更高的抄表成功率。本文介绍一种基于双模芯片的数据采集器，具有系统工作稳定，抄收成功率高，低功耗，易于扩展等优势。

关键词 双模；智能；采集

中图分类号 TM7 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）160-0066-02

在用电信息采集领域，目前的集中抄表方式是数据采集器通过RS485抄读电能表的数据，通过电力线载波或者无线模式（470MHz）上传至集中器，进而通过无线公网（GPRS，CDMA）或者以太网上传至主站，但是问题往往出现在采集器上传至集中器的环节，电力线载波比较容易收到电网噪声的干扰，而无线模式（470MHz）往往容易受到同频干扰或者建筑物的阻隔，因此造成抄收率较低，当出现上述问题时，往往需要工程技术人员去现场解决，这就增加了运维成本，双模采集器的出现较好的解决了这些问题。

1 系统简介

在整个抄表系统中，数据采集器起到承上启下的作用，它通过有线方式（一般为RS485），抄读单相或者三相电能表的电能量，事件等数据，通过电力线载波或者无线的方式上传至集中器，进而再上传至用电信息采集系统的服务器，双模通信将两种方式集成与一颗芯片之中，默认电力线载波为第一通信方式，当多次抄读无法成功时（根据实际的通信机制），可自动切换至无线通信模式，这种互为补充的通信方式大大提高了抄收成功率，减少了运维工作量。

2 硬件功能

数据采集器硬件主要由以下几个部分组成：核心处理器、系统电源、数据安全存储、通信设计。

2.1 核心处理器

采集器的处理器采用ST旗下的一款增强型系列微控制器STM32F103R8T6，它是一款基于Cortex-M3的32位工业级微控制器，包含64K程序存储空间和20K内存空间，主频高达72MHz此外它还集成了丰富的片上外设CAN总线，SPI总线，IIC总线，UART，USB等，为数据采集器的设计提供了更好的支撑和灵活性。

2.2 系统电源

电源是整个设备供电，是重要的环节，它的优劣直接决定了设备的质量，鉴于稳定性和经济性的综合考量，我们使用了线性变压器+开关电源的模式，线性变压器稳定性好，噪声小，价格低。经过变压器整流滤波后的电压，经过DC-DC变换为5V，供给主电路和双模通信使用，在DC-DC电路中使用了一颗TI公司生产的LM2842，它具有宽达4.5V～42V的输入电压范围，和高达600mA的负载电流能力，可以确保整个数据采集器的可靠运行。

2.3 数据安全存储

数据采集器的存储充分考虑了数据安全，使用了一颗大容量的EEPROM用于存储电能和设备关键参数如设备地址，资产编号等的存储，EEPROM的擦写次数不低于100万次，保存不低于10年。除此以外，为了确保设备的关键参数可靠性，还专门使用一颗富士通的铁电用于存储设备的关键参数，相比EEPROM，铁电存储器的介质更稳定，而且它的读写无次数限制。

2.4 通信设计

采用半双工的RS485通信电路，使用了一颗ADI公司的电平转换芯片，具有出色的工业级性能，在实际的实验验证中，ESD轻松通过+15kV测试，接口部分的热敏+压敏的组合保护电路对浪涌电压和电流具有非常好的吸收效果，确保抄表功能长时间工作的稳定可靠。双模通信采用深圳力合微电子的双模芯片LME2981，该芯片内嵌一个高性能的32位DSP和一个单指令周期的8位处理器，同时，支持窄带OFDM载波通信和微功率无线通信，充分发挥两种通信技术的优点，互相弥补其缺点，实现双模同时通信，完美解决了通信可靠问题，目前已经被广泛的应用于抄表，智能家居控制，路灯控制等场合。

3 软件功能

随着嵌入式软件开发编译环境的不断优化，程序的编译效率已经非常高，再加上单片机的存储空间不断增加，存储的瓶颈也被打破，使用兼具可读性和可移植性特点的C语言，成为众多嵌入式软件开发人员的首选，本数据采集器也采用C语言进行开发，缩短了开发周期。图2为程序流程图。

1）硬件初始化

单片机上电复位后，根据每个引脚的实际的功能对各功能端口和相应的功能寄存器初始化，即写寄存器。

2）系统自检

对设备自身功能进行自检，包括存储功能是否异常，时钟是否故障，电池是否欠压等，系统自检确认没有问题后才能启动其他任务，若有异常，进入重启环节，程序从开始执行。

3）抄表存储

根据主站下发的抄表任务，抄表参数，对电能表进行抄读，并同时将抄读的数据进行本地存储，一般采集器可以存储近62日的电能数据。

4）数据上传

通过电力线载波通道将抄读数据上传至集中器，如果此时载波通信正常，数据成功上传至集中器，则结束当前任务，进入下一个轮询；如果载波方式上传失败，则启用无线方式进行上传，成功后进入下一轮询。

4 结论

通过对使用双模通信方式的数据采集器进行测试和实际的挂网运行，抄收成功率很高，同时双模通信方式具有很好的拓展性，无线通信方式可以作为未来四表集抄中对水表抄收。

参考文献

[1]华成英.模拟电子技术[M].4版.北京：高等教育出版社，1980，9.

[2]周明德.微型计算机系统原理及应用[M].4版.北京：清华大学出版社，2002.

[3]Q/GDW 1374.2-2013，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及编写说明.