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(jì)量準(zhǔn)確，功能完備，可實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)結(jié)算的電表系統(tǒng)，也為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動(dòng)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(shí)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(gè)微處理器和多個(gè)計(jì)量芯片組成，不僅結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，而且大大降低了成本。微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它一方面對(duì)多個(gè)計(jì)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(shí)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(shí)，就會(huì)通過Modem電話線上傳數(shù)據(jù)，管理系統(tǒng)對(duì)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(bào)警信號(hào)的同時(shí)，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(duì)該用戶用電進(jìn)行控制。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多用戶電表單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由多個(gè)電壓通道輸入電路、多個(gè)雙電流通道輸入電路、多個(gè)電能計(jì)量芯片BL6501A、微控制器LPC2210、LCD、FLASH、SDRAM、EEPROM、報(bào)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(gè)控制電路的中心，選擇合適的外圍電路，來實(shí)現(xiàn)電能的定時(shí)、實(shí)時(shí)采集和顯示，與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，對(duì)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(gè)支持實(shí)時(shí)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(gè)32位定時(shí)器，8路10位ADC，PWM單元6路輸出，實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗，2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)UART，高速I2C接口，2個(gè)SPI接口，通過配置總線可達(dá)76個(gè)通用I/O口(可承受5V電壓)，通過片內(nèi)鎖相環(huán)可實(shí)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(jì)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(cè)量電路對(duì)各用戶的電能進(jìn)行分開測(cè)量。選用BL6501A電能計(jì)量芯片，各用戶的電能測(cè)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(cè)量時(shí)，只需對(duì)每個(gè)電能計(jì)量芯片產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再乘以脈沖常數(shù)，即可測(cè)出各個(gè)用戶所用的實(shí)際電量。

2.2.1電能計(jì)量芯片BL6501A

單相雙電流采樣電能計(jì)量芯片BL6501A具有24腳雙列直插塑封裝，利用它可以實(shí)現(xiàn)單相反竊電功能，并在同一方向計(jì)量正向或負(fù)向功率，累計(jì)用電量。BL6501A有兩個(gè)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(shí)，表明有竊電行為或錯(cuò)誤接線，F(xiàn)AULT引腳發(fā)出報(bào)警指示信號(hào)，并按照兩個(gè)電流中大的一個(gè)電流值計(jì)量。BL6051的CF輸出較高頻率的脈沖，用于計(jì)量和計(jì)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(dòng)脈沖電機(jī)，記錄用電量。BL6501A內(nèi)部電能計(jì)量信號(hào)流如圖3所示。

2.2.2多用戶電能脈沖的測(cè)量

研究中需要對(duì)多路電能脈沖進(jìn)行計(jì)量，由于LPC2210只有兩個(gè)內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，這對(duì)于要進(jìn)行多路脈沖采集和監(jiān)控的應(yīng)用場(chǎng)合顯然不夠。通常的計(jì)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(cè)量的方法，此方法是在一種邏輯算法的基礎(chǔ)上，可同時(shí)對(duì)多路電能脈沖的電平狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和存儲(chǔ)，不需用到內(nèi)部定時(shí)器或擴(kuò)展計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，以軟件功能取代大量的硬件電路具有較高的實(shí)用價(jià)值。

算法中對(duì)連續(xù)兩個(gè)測(cè)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(cè)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(jì)量脈沖為例，運(yùn)算時(shí)，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(jì)數(shù)和存儲(chǔ)，結(jié)果P與脈沖計(jì)數(shù)關(guān)系如表1。

此算法是以檢測(cè)脈沖的下降沿來作為電能脈沖測(cè)量的依據(jù)，在軟件中分別定義LPC2210存儲(chǔ)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(shí)，檢測(cè)到脈沖的下降沿，對(duì)某路脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將當(dāng)前P值保存到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中進(jìn)行累加，最終得出該用戶的用電量。對(duì)多用戶電能脈沖的測(cè)量，因LPC2210有多個(gè)I/O口，可通過計(jì)量芯片直接輸入多個(gè)用戶的電能脈沖，用OR_XOR的邏輯運(yùn)算按字節(jié)同時(shí)處理8路、16路、32路甚至更多路脈沖。