基于Modem通信的多用戶智能電能表系統(tǒng)的研究

0引言

隨著電子技術(shù)與通信技術(shù)的日益發(fā)展，電子式電能表由于其計量準(zhǔn)確，功能完備，可實現(xiàn)遠(yuǎn)

程抄表等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸被電力企業(yè)和(居民)用戶認(rèn)可和接受，而且提升了供電部門對用電的現(xiàn)代化管理。本文提出了一種基于Modem通信，使用ARM微控制器LPC2210作為控制中心的多用戶智能電表系統(tǒng)的研究方案，這是一種可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及自動結(jié)算的電表系統(tǒng)，也為實現(xiàn)大規(guī)模自動抄表提供了基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)工作環(huán)境與總體結(jié)構(gòu)框圖

可實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的多用戶電表系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。主要由多用戶電表單元、通信模塊、系統(tǒng)管理中心、銀行收費(fèi)系統(tǒng)組成。多用戶電表單元采用一個微處理器和多個計量芯片組成，不僅結(jié)構(gòu)相對簡單，而且大大降低了成本。微處理器是整個系統(tǒng)的核心部分，它一方面對多個計量芯片采集的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，另一方面作為嵌入式網(wǎng)關(guān)，與Modem進(jìn)行連接以實現(xiàn)與上位機(jī)管理系統(tǒng)的通信。微處理器在收到管理系統(tǒng)的上傳命令時，就會通過Modem電話線上傳數(shù)據(jù)，管理系統(tǒng)對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析;如果某用戶用電出現(xiàn)異常，管理系統(tǒng)在發(fā)出報警信號的同時，向微處理器發(fā)送異常命令，由微處理器及其外圍電路共同對該用戶用電進(jìn)行控制。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

多用戶電表單元是整個系統(tǒng)的核心，由多個電壓通道輸入電路、多個雙電流通道輸入電路、多個電能計量芯片BL6501A、微控制器LPC2210、LCD、FLASH、SDRAM、EEPROM、報警器、73M2901Modem模塊、斷電控制模塊等部分組成。系統(tǒng)中采用32位LPC2210作為整個控制電路的中心，選擇合適的外圍電路，來實現(xiàn)電能的定時、實時采集和顯示，與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，對用戶的供斷電控制和防竊電功能等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 CPU模塊

選用LPC2210作為控制系統(tǒng)的核心，LPC2210是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)。LPC2210具有144管腳封裝，極低的功耗，16 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，2個32位定時器，8路10位ADC，PWM單元6路輸出，實時時鐘和看門狗，2個標(biāo)準(zhǔn)UART，高速I2C接口，2個SPI接口，通過配置總線可達(dá)76個通用I/O口(可承受5V電壓)，通過片內(nèi)鎖相環(huán)可實現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，有空閑和掉電兩種低功耗模式。

2.2計量模塊

為了提高工作可靠性和便于調(diào)試，本研究采用獨(dú)立的電能測量電路對各用戶的電能進(jìn)行分開測量。選用BL6501A電能計量芯片，各用戶的電能測量結(jié)果以脈沖形式從BL6501A的CF端輸出，然后經(jīng)I/O口送入LPC2210進(jìn)行集中處理。用LPC2210測量時，只需對每個電能計量芯片產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計數(shù)，再乘以脈沖常數(shù)，即可測出各個用戶所用的實際電量。

2.2.1電能計量芯片BL6501A

單相雙電流采樣電能計量芯片BL6501A具有24腳雙列直插塑封裝，利用它可以實現(xiàn)單相反竊電功能，并在同一方向計量正向或負(fù)向功率，累計用電量。BL6501A有兩個電流采樣端，分別采樣火線和零線電流，當(dāng)兩電流誤差超過2.5%時，表明有竊電行為或錯誤接線，F(xiàn)AULT引腳發(fā)出報警指示信號，并按照兩個電流中大的一個電流值計量。BL6051的CF輸出較高頻率的脈沖，用于計量和計算機(jī)數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)1和F2輸出較低頻率的脈沖，用于驅(qū)動脈沖電機(jī)，記錄用電量。BL6501A內(nèi)部電能計量信號流如圖3所示。

2.2.2多用戶電能脈沖的測量

研究中需要對多路電能脈沖進(jìn)行計量，由于LPC2210只有兩個內(nèi)部定時器/計數(shù)器，這對于要進(jìn)行多路脈沖采集和監(jiān)控的應(yīng)用場合顯然不夠。通常的計數(shù)器擴(kuò)展和軟件循環(huán)查詢的方法都有一定的局限性。本文提出一種可用于多用戶電能脈沖測量的方法，此方法是在一種邏輯算法的基礎(chǔ)上，可同時對多路電能脈沖的電平狀態(tài)進(jìn)行檢測和存儲，不需用到內(nèi)部定時器或擴(kuò)展計數(shù)器進(jìn)行脈沖計數(shù)，以軟件功能取代大量的硬件電路具有較高的實用價值。

算法中對連續(xù)兩個測量周期的脈沖電平狀態(tài)進(jìn)行OR_XOR的邏輯運(yùn)算，如式(1)

式中，P表示運(yùn)算結(jié)果，fn表示脈沖電平的現(xiàn)在狀態(tài)，fn-1表示前一測量周期的脈沖電平狀態(tài)，“+”表示邏輯代數(shù)中的或運(yùn)算，“+”表示異或運(yùn)算。

下面以一用戶計量脈沖為例，運(yùn)算時，脈沖電平現(xiàn)狀fn先與前一周期的電平狀態(tài)fn-1作或運(yùn)算，結(jié)果再與fn作異或運(yùn)算，得出的結(jié)果P決定是否要進(jìn)行電能脈沖計數(shù)和存儲，結(jié)果P與脈沖計數(shù)關(guān)系如表1。

此算法是以檢測脈沖的下降沿來作為電能脈沖測量的依據(jù)，在軟件中分別定義LPC2210存儲器中不同的地址，用來存放脈沖上一周期狀態(tài)、現(xiàn)在狀態(tài)及結(jié)果P。當(dāng)P=1時，檢測到脈沖的下降沿，對某路脈沖進(jìn)行計數(shù)，并將當(dāng)前P值保存到相應(yīng)的存儲單元中進(jìn)行累加，最終得出該用戶的用電量。對多用戶電能脈沖的測量，因LPC2210有多個I/O口，可通過計量芯片直接輸入多個用戶的電能脈沖，用OR_XOR的邏輯運(yùn)算按字節(jié)同時處理8路、16路、32路甚至更多路脈沖。