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电子电能表与电能测量技术
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摘 要：综合介绍电力用户自动抄表系统的系统结构、采集终端、集中器和相关的通信信道。
关键词：自动抄表系统；集中器；采集终端
1引言
前面17讲介绍了许多新型电子电能表和有线、无线抄表系统。本讲将以前讲过的内容疏理一下，帮助读者对讲座内容有个全面的了解。与此同时，对抄表系统中的采集终端和集中器的典型设计方案也作较详细介绍。
图1是集中抄表系统的基本结构图。它由采集用户电能表电能量信息的采集终端(或采集模块)、集中器、信道和主站等设备组成。图中采集终端、采集模块是分别用来采集多个或单个用户电能表电能量信息，并经处理储存，然后通过信道将数据传送到上一级的设备或专用模块。集中器是收集各采集终端或采集模块(或多功能电能表)的数据，并进行处理储存，同时能和主站或手持单元进行数据交换的设备。主站是通过信道采集集中器中的信息，并进行处理和管理的设备。信道是传输信号(数据)的媒体。实际的集抄系统中常混用两种或两种以上信通。如，电能表与采集终端之间采用RS485总线通信，采集终端和集中器之间采用低压电力线载波通信，集中器与主站之间采用电话线、某种总线或无线方式通信。
2采集终端
一种可采集多个用户的终端原理电路见图2。它由单片机、小键盘、显示器、串行通信电路、存贮器等构成。经程序控制，此终端具有远方自动抄表和人工就地抄表双重功能；具有设置用电常数，采集、处理、存储各用户用电量及与一级设备通信的功能。
由电子电能表的工作原理知，一段时间之内用户消耗的有功电能EP为：
式中，Δt为采样时间间隔；Ui、Ii为电压、电流的第i个采样值；n为这段时间内的采样次数。表内A/D转换电路将Ui、Ii转换为对应的数字量；表内单片机或DSP对它们作数字乘法运算，产生此时刻的有功功率；边采集处理边累加，经过一段时间后即得到这段时间内用户消耗的有功电能。
电子电能表通过串行口(RS485或RS232)接采集终端，并按事先约定的通信规约接受采集终端的访问，输出积算周期的用电量等。
为保证掉电时不丢失信息，采集终端采用E2PROM存储器存储用户的用电数据(用户号、年月、用电量等)。为防止终端死机，图2中设有看门狗电路。单片机定时发脉冲给看门狗，使它内部的计数器清零；如果在预定时间内看门狗没有收到单片机发来的脉冲，则主动发一脉冲给单片机，使其复位。
图2方案中，采集终端通过载波通信模块/电力线(PL)与集中器通信。载波通信模块的RXD、TXD和同步时钟等接单片机，将从电力线接收到的抄表、查询等命令经R璛D送入单片机，供其进一步处理；单片机将 欲发送的用户用电量、故障信息等经T璛D送载波模块和经电力线输出。
3集中器
图3是一种以单片机89C52为核心构成的集中器硬件电路［1］。它主要由振铃检测电路、DTMF(双音多频)信号收发电路、载波通信模块、存储器和时钟电路等5部分组成。
集中器与主站之间采用电话信道通信。集中器以振铃检测电路及时响应主站发出的抄表指令。双音多频电话信号的接收和发送采用HT9170D和HT9200A及相关电路实现。HT9170D是一款具有解码和滤波功能的DTMF接收芯片，它利用数字计算方法来识别双音频信号，对16种DTMF输入进行解码。实际通信时，双音频信号从L1、L2端输入，经C3、C4隔直后送入9170的第1脚和第2脚。HT9170D接收到有效的DTMF信号则在DV端输出高电平；将OE端置高，单片机就可以从D0～D3端口读入解码的输出。图3中OE端接+5V，因此，只要用单片机的P3.3不断检测DV端电平的变化就能准确地接收DTMF信号。
DTMF信号、D0～D3及电话按键信号的对应关系见表1。
HT9200A是一款按5位串行输入代码输出不同的DTMF信号的编码芯片。图3给出了商家推荐的一种标准接法。DATA、CLK分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2，X1、X2接3.58MHz晶振(C1、C2为20pF电容)，DTMF端双音多频输出端接驱动电路。单片机用P1.0控制HT9200A的工作状态，置低电平时允许发送数据。此时，在P1.1端串行输出待编码的5位二进制码，D0在前，D4在后，并在P1.2端输出的同步时钟信号的下降沿锁存这些数据。HT9200A接收到这些代码后，经内部处理从DTMF端输出双音频信号，再经驱动放大后送到电话线上。单片机对HT9200A的驱动时序见图4。
图3中的载波通信模块的作用与采集终端的载波模块的作用大同小异。图中24C256是串行E2PROM存储器，用来存储用户的数据；因集中器保存的用户数多、时间长，因此选用的存储器容量一般都很大。图中PCF8583是一款带I2C总线、低功耗的多功能时钟/日历芯片；DS1232为看门狗芯片，所起的作用与采集终端中所起的作用相同。
4补充说明
图3所示的集中器通过电话网与主站管理中心通信。若集中器较多，则租用的电话线比较多；而且，线路续接还影响通信的实时性。为克服上述不足，文献［2］给出了一种基于CAN总线的解决方案。将位置相对集中的多个集中器用CAN总线连接成一个主多从的局域网，一个局域网只需一部电话与主站通信，大大减少了集中器租用电话线的数目，降低了通信成本；而且，利用CAN总线的广播通信方式，还有效提高了系统的实时通信能力。除有线通信外，集中器还常以无线信道(包括中继)与主站管理中心通信。
主站管理中心的计算机是整个抄表系统的核心。由它发布抄表指令，汇总、存储用户用电数据；同时，通过对数据库中数据的统计、分析，打印报表，发出相关的控制指令等。
为了实现抄表、缴表、查询一体化，主站用电管理中心可与定点收费银行联网。每到缴费时间，系统自动抄掉用户缴费卡上的本月电费。另一方面，管理中心还可通过无线网络与用户手机联系起来，如发现缴费卡上的金额低于某一值，可通过短信息的方式通知用户等。
参考文献
［1］朱兆优，林刚勇，等.智能住宅小区远程自动抄表系统设计［J］.计算机测量与控制，2003，11(8).
［2］王可守，杨宇洋，等.基于CAN总线的电力远程监测系统［J］.仪表技术，200 4，(4).
［3］本刊编辑部.低压电力用户集中抄表系统［J］.仪表技术，2004，(4).
［4］HOLTEK.HT9200A/B双音多频(DTMF)信号发生器使用说明［EB/OL］.http://ww w.holtek.com.cn.
［5］HOLTEK.HT9170双音多频(DTMF)信号接收器使用说明［EB/OL］.http://www.h oltek.com.cn.
来源：仪表技术
关键词：自动抄表系统；集中器；采集终端
1引言
前面17讲介绍了许多新型电子电能表和有线、无线抄表系统。本讲将以前讲过的内容疏理一下，帮助读者对讲座内容有个全面的了解。与此同时，对抄表系统中的采集终端和集中器的典型设计方案也作较详细介绍。
图1是集中抄表系统的基本结构图。它由采集用户电能表电能量信息的采集终端(或采集模块)、集中器、信道和主站等设备组成。图中采集终端、采集模块是分别用来采集多个或单个用户电能表电能量信息，并经处理储存，然后通过信道将数据传送到上一级的设备或专用模块。集中器是收集各采集终端或采集模块(或多功能电能表)的数据，并进行处理储存，同时能和主站或手持单元进行数据交换的设备。主站是通过信道采集集中器中的信息，并进行处理和管理的设备。信道是传输信号(数据)的媒体。实际的集抄系统中常混用两种或两种以上信通。如，电能表与采集终端之间采用RS485总线通信，采集终端和集中器之间采用低压电力线载波通信，集中器与主站之间采用电话线、某种总线或无线方式通信。
2采集终端
一种可采集多个用户的终端原理电路见图2。它由单片机、小键盘、显示器、串行通信电路、存贮器等构成。经程序控制，此终端具有远方自动抄表和人工就地抄表双重功能；具有设置用电常数，采集、处理、存储各用户用电量及与一级设备通信的功能。
由电子电能表的工作原理知，一段时间之内用户消耗的有功电能EP为：
式中，Δt为采样时间间隔；Ui、Ii为电压、电流的第i个采样值；n为这段时间内的采样次数。表内A/D转换电路将Ui、Ii转换为对应的数字量；表内单片机或DSP对它们作数字乘法运算，产生此时刻的有功功率；边采集处理边累加，经过一段时间后即得到这段时间内用户消耗的有功电能。
电子电能表通过串行口(RS485或RS232)接采集终端，并按事先约定的通信规约接受采集终端的访问，输出积算周期的用电量等。
为保证掉电时不丢失信息，采集终端采用E2PROM存储器存储用户的用电数据(用户号、年月、用电量等)。为防止终端死机，图2中设有看门狗电路。单片机定时发脉冲给看门狗，使它内部的计数器清零；如果在预定时间内看门狗没有收到单片机发来的脉冲，则主动发一脉冲给单片机，使其复位。
图2方案中，采集终端通过载波通信模块/电力线(PL)与集中器通信。载波通信模块的RXD、TXD和同步时钟等接单片机，将从电力线接收到的抄表、查询等命令经R璛D送入单片机，供其进一步处理；单片机将 欲发送的用户用电量、故障信息等经T璛D送载波模块和经电力线输出。
3集中器
图3是一种以单片机89C52为核心构成的集中器硬件电路［1］。它主要由振铃检测电路、DTMF(双音多频)信号收发电路、载波通信模块、存储器和时钟电路等5部分组成。
集中器与主站之间采用电话信道通信。集中器以振铃检测电路及时响应主站发出的抄表指令。双音多频电话信号的接收和发送采用HT9170D和HT9200A及相关电路实现。HT9170D是一款具有解码和滤波功能的DTMF接收芯片，它利用数字计算方法来识别双音频信号，对16种DTMF输入进行解码。实际通信时，双音频信号从L1、L2端输入，经C3、C4隔直后送入9170的第1脚和第2脚。HT9170D接收到有效的DTMF信号则在DV端输出高电平；将OE端置高，单片机就可以从D0～D3端口读入解码的输出。图3中OE端接+5V，因此，只要用单片机的P3.3不断检测DV端电平的变化就能准确地接收DTMF信号。
DTMF信号、D0～D3及电话按键信号的对应关系见表1。
HT9200A是一款按5位串行输入代码输出不同的DTMF信号的编码芯片。图3给出了商家推荐的一种标准接法。DATA、CLK分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2，X1、X2接3.58MHz晶振(C1、C2为20pF电容)，DTMF端双音多频输出端接驱动电路。单片机用P1.0控制HT9200A的工作状态，置低电平时允许发送数据。此时，在P1.1端串行输出待编码的5位二进制码，D0在前，D4在后，并在P1.2端输出的同步时钟信号的下降沿锁存这些数据。HT9200A接收到这些代码后，经内部处理从DTMF端输出双音频信号，再经驱动放大后送到电话线上。单片机对HT9200A的驱动时序见图4。
图3中的载波通信模块的作用与采集终端的载波模块的作用大同小异。图中24C256是串行E2PROM存储器，用来存储用户的数据；因集中器保存的用户数多、时间长，因此选用的存储器容量一般都很大。图中PCF8583是一款带I2C总线、低功耗的多功能时钟/日历芯片；DS1232为看门狗芯片，所起的作用与采集终端中所起的作用相同。
4补充说明
图3所示的集中器通过电话网与主站管理中心通信。若集中器较多，则租用的电话线比较多；而且，线路续接还影响通信的实时性。为克服上述不足，文献［2］给出了一种基于CAN总线的解决方案。将位置相对集中的多个集中器用CAN总线连接成一个主多从的局域网，一个局域网只需一部电话与主站通信，大大减少了集中器租用电话线的数目，降低了通信成本；而且，利用CAN总线的广播通信方式，还有效提高了系统的实时通信能力。除有线通信外，集中器还常以无线信道(包括中继)与主站管理中心通信。
主站管理中心的计算机是整个抄表系统的核心。由它发布抄表指令，汇总、存储用户用电数据；同时，通过对数据库中数据的统计、分析，打印报表，发出相关的控制指令等。
为了实现抄表、缴表、查询一体化，主站用电管理中心可与定点收费银行联网。每到缴费时间，系统自动抄掉用户缴费卡上的本月电费。另一方面，管理中心还可通过无线网络与用户手机联系起来，如发现缴费卡上的金额低于某一值，可通过短信息的方式通知用户等。
参考文献
［1］朱兆优，林刚勇，等.智能住宅小区远程自动抄表系统设计［J］.计算机测量与控制，2003，11(8).
［2］王可守，杨宇洋，等.基于CAN总线的电力远程监测系统［J］.仪表技术，200 4，(4).
［3］本刊编辑部.低压电力用户集中抄表系统［J］.仪表技术，2004，(4).
［4］HOLTEK.HT9200A/B双音多频(DTMF)信号发生器使用说明［EB/OL］.http://ww w.holtek.com.cn.
［5］HOLTEK.HT9170双音多频(DTMF)信号接收器使用说明［EB/OL］.http://www.h oltek.com.cn.
来源：仪表技术
