ARM技術(shù)在智能電表上應(yīng)用的論證與設(shè)計(jì)

引言：

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力已然成為國(guó)家最重要的能源。就民用電力來(lái)說(shuō)，由于人民物質(zhì)生活的極大豐富，生活質(zhì)量迅速提高，對(duì)電力的需求也越來(lái)越大。但是，當(dāng)前居民用電的管理過(guò)于落后，用電管理收費(fèi)多年來(lái)一直采用先用電、后抄表、再付費(fèi)的傳統(tǒng)作業(yè)方式，電量值計(jì)算方面也無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高的精確度，偏差較大。為了適應(yīng)社會(huì)的需要，保證用戶安全、合理、方便地用電，對(duì)傳統(tǒng)的電表和用電的進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使之符合社會(huì)發(fā)展的需要就顯得很有必要。

1、智能電表的發(fā)展前景：

第一階段2000-2007

逐步以電子計(jì)量表取代傳統(tǒng)機(jī)電式電表;在美國(guó)和歐洲著手推廣單向通信網(wǎng)絡(luò);

第二階段2008-2012

全球范圍內(nèi)正在淘汰機(jī)電式電表;在歐美及中國(guó)大規(guī)模推廣基于自動(dòng)計(jì)量基礎(chǔ)架構(gòu)(AMI，即有IP地址的智能電表和電力公司之間的一種自動(dòng)雙向流通架構(gòu))的雙向通信網(wǎng)絡(luò);智能電表作為簡(jiǎn)易型家庭網(wǎng)關(guān)，可用于多種公用設(shè)施的自動(dòng)抄表(AMR)和負(fù)荷管理。

第三階段2013-以后

智能電表成為家庭網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)多種住宅控制功能，諸如安全，報(bào)警等;以家庭和單位實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)電(太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電)和配電。

從以上三個(gè)階段我們可以看到，智能電表不僅沒(méi)有向小型、單一功能的方向發(fā)展，恰恰相反，未來(lái)將賦予智能電表更多的功能，使之成為家庭不可或缺的組成部分。

峰谷分時(shí)電價(jià)和避高峰電價(jià)的政策出臺(tái)，多費(fèi)率表市場(chǎng)需求將進(jìn)一步加大，尤其是大工業(yè)用戶，對(duì)智能多費(fèi)率表的需求，將會(huì)產(chǎn)生快速的增長(zhǎng)。隨著信息時(shí)代的推進(jìn)及技術(shù)的發(fā)展，智能電表作為智能電網(wǎng)的神經(jīng)末梢，在不久的將來(lái)，智能電表將在信息社會(huì)中發(fā)揮更大的作用，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

2、ARM智能電表的提出：

正是由于以上背景，智能電度表應(yīng)運(yùn)而生。所謂智能電表，就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)與通訊技術(shù)等，形成以智能芯片為核心，具有高精確計(jì)算電量、與上位機(jī)通訊、用電相關(guān)數(shù)據(jù)顯示等功能的電度表。

電能表是電力企業(yè)收取電費(fèi)的唯一工具，其性能的穩(wěn)定性、測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性關(guān)系到電力部門(mén)和用戶之間的結(jié)算問(wèn)題，其中智能電表的電量值計(jì)量技術(shù)顯得尤為重要。大多數(shù)設(shè)計(jì)的智能電表系統(tǒng)其控制器一般是8位或16位的單片機(jī)控制，其控制功能比較簡(jiǎn)單，很難實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和無(wú)線傳輸，對(duì)于未來(lái)智能電表系統(tǒng)的擴(kuò)展性也比較有限?；谶@樣的局限性，我們提出一種基于ARM處理器的智能電表系統(tǒng)。

目前我們需要設(shè)計(jì)的智能電表主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1、實(shí)現(xiàn)智能電表的高精度計(jì)算和可擴(kuò)展;

2、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，包括無(wú)線抄表，電表將客戶用電情況發(fā)送給電力部門(mén)，電力部門(mén)將客戶賬戶余額發(fā)送回電表，并在電表上顯示;

3、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的LED顯示，上月、本月電量的顯示，以及余額顯示等;

基于以上智能電表的功能設(shè)計(jì)，對(duì)電表的軟、硬件提出了更高要求，顯然傳統(tǒng)電表很難做到這些。ARM技術(shù)具有性能高、成本低和能耗低的特點(diǎn)，適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體和移動(dòng)式應(yīng)用等。到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域，并且在智能儀器儀表上也有應(yīng)用的先例，所以我們選用ARM技術(shù)應(yīng)用在智能電表上。

智能電表是在數(shù)字電表的基礎(chǔ)上增加多個(gè)功能，使之能更加適應(yīng)居民的要求，讀取用戶電量更加智能、方便和快捷，讓未來(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)用戶的配電、變電也成為可能。

3、智能電表各功能設(shè)計(jì)：

3.1、遠(yuǎn)程抄表的實(shí)現(xiàn)：

就系統(tǒng)的完整性而言，電力系統(tǒng)從發(fā)電、配電、傳輸和區(qū)域變電所已基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，而唯獨(dú)用戶終端沒(méi)有和網(wǎng)絡(luò)連接上，造成了系統(tǒng)的不完整，直接或間接的影響了系統(tǒng)潛能的發(fā)揮，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了智能電表遠(yuǎn)程抄表的這一技術(shù)。

由采集器定時(shí)順序采集來(lái)自多路分線連接的電表信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)，各采集器之間采用總線連接，最后連接至計(jì)算機(jī)。其典型特點(diǎn)是各戶表通過(guò)分戶線連接至采集器位置，再由采集器通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送給服務(wù)器子系統(tǒng)，這樣可以避免為每個(gè)智能電表都安裝一個(gè)無(wú)線射頻模塊，以節(jié)約成本。如圖3-1所示。系統(tǒng)一般分為四層次結(jié)構(gòu)：前端采集子系統(tǒng)、服務(wù)器子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、管理中心子系統(tǒng)。

初步設(shè)想是在每棟樓里面安裝一個(gè)采集器，或者在一個(gè)小區(qū)里面安裝幾個(gè)采集器來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)抄表系統(tǒng)的前端采集子系統(tǒng)，采集器通過(guò)CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)與各個(gè)智能電表的連接;然后將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻的方式發(fā)送到街道或者一定范圍內(nèi)安裝的服務(wù)器里;最后服務(wù)器通過(guò)通訊子系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理中心。管理中心也會(huì)將客戶的信息按照各個(gè)電表的IP地址，發(fā)送回電表，路徑只是上面所說(shuō)的數(shù)據(jù)采集的逆向，這樣我們就搭建一個(gè)智能電表的基于自動(dòng)計(jì)量基礎(chǔ)架構(gòu)，即AMI架構(gòu)。所謂 AMI架構(gòu)就是有IP地址的智能電表和電力公司之間的一種自動(dòng)雙向流通架構(gòu)。

3.2、采樣濾波：

整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分就是信號(hào)采集，信號(hào)采集是將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的0到3V的交流信號(hào)。這是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)精度的問(wèn)題，如果采集失真，不僅導(dǎo)致精度下降，還有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤。

此技術(shù)選用的是利用專用變壓器件互感器直接進(jìn)行變壓，得到所需的交流信號(hào)后，經(jīng)過(guò)濾波電路，直接輸出給MCU的A/D接口進(jìn)行采樣，如圖3-2。

電流通過(guò)專用變壓器，將電壓轉(zhuǎn)換成0.5V的電壓Ui;在通過(guò)一階低通濾波R1、C1，低通濾波主要是為了濾掉高頻的信號(hào)，電容是可以通過(guò)高頻信號(hào)，而阻礙低頻信號(hào)通過(guò)，將電容C1接地，便可濾掉高頻信號(hào);由于濾波后得到的信號(hào)比較弱，所以還要再加入一個(gè)通過(guò)電阻R2的Ur，Ur是0-3V的直流信號(hào)，最后將得到一個(gè)0-3V的交流信號(hào)U0。

3.3、智能電表硬件設(shè)計(jì)方法：

智能電表主要是由電子元器件構(gòu)成，其工作原理是：首先通過(guò)對(duì)用戶供電電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣，利用集成電路，對(duì)采樣電壓和電流信號(hào)進(jìn)行變壓，通過(guò)濾波得到0-3V 的模擬信號(hào)，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采樣、保持、量化及編碼四個(gè)過(guò)程后轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，在數(shù)字信號(hào)處理單元中通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，得出每秒的電量，進(jìn)行累加，最后將所得到的電量值通過(guò)控制單元進(jìn)行處理、控制，把電量值進(jìn)行儲(chǔ)存或輸出。

采用一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI的CPU，并帶有嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。

為對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。A/D轉(zhuǎn)換器需要滿足對(duì)三相工頻交流電進(jìn)行不失真的采樣。多個(gè)串行接口可方便地進(jìn)行接口擴(kuò)展。

外設(shè)接口可以外接一個(gè)掌抄器，用于工作人員調(diào)試和維修等等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、輸出和顯示都需要數(shù)據(jù)的不同結(jié)構(gòu)，所以還需要對(duì)電量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、輸出結(jié)構(gòu)和顯示結(jié)構(gòu)，這些都是在MCU的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊中進(jìn)行。

3.4、智能電表的軟件設(shè)計(jì)方法：

智能電表的軟件主要是電量值的計(jì)算部分。我們采用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)公式計(jì)算的方式計(jì)算電量值，其主要是在數(shù)字信號(hào)處理單元模塊中執(zhí)行。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器中得到的U0、I0來(lái)計(jì)算但是積分在計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制計(jì)算中過(guò)于復(fù)雜。考慮到成本的問(wèn)題，采用累加的方式代替積分運(yùn)算，累加公式為如果N取值為100000，循環(huán)累加100000次就是一秒中智能電表計(jì)算出來(lái)的電量值。

總結(jié)：

本次設(shè)計(jì)主要是論述了ARM在智能電表中的應(yīng)用，ARM在智能電表應(yīng)用的最主要難題還是成本問(wèn)題，所以在設(shè)計(jì)中也多次想到了節(jié)約成本的問(wèn)題，包括在無(wú)線傳輸中盡量少使用無(wú)線模塊和可以考慮實(shí)現(xiàn)多用戶智能電表。ARM應(yīng)用在智能電表中主要是考慮到智能電表的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)智能電表更多的可擴(kuò)展性和兼容性，未來(lái)可以在基于ARM的智能電表里增加更多的實(shí)用功能。