电能信息自动采集终端的设计

摘 要：给出一种性能优良、有效、简便的电能信息自动采集终端，该终端以电力载波的方式与采集站通信。采用双CPU共用数据存储器和双RS 232通信接口技术解决了脉冲计数和电力线载波通信的实时性问题；采用脉冲处理硬件电路、先进的调制解调器和CRC循环冗余编码解码技术，实现了成本低，可靠性高，抗干扰性强的脉冲采集和远程通信功能。文中介绍了系统的功能、硬件组成和软件设计，探讨了为提高该系统可靠性而采取的一些抗干扰措施。通过长期测试与现场应用证明，该电能信息自动采集终端的设计是可行的，具有进一步推广应用的价值。
关键词：终端；电度表；电力线载波；双CPU；ST7538

0 引 言
    随着国民经济的飞速发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需求愈来愈大，对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。另外，在工业系统中，对电子设备运行过程中的电参数进行实时检测与控制的要求也十分迫切。在这种趋势下，供电单位要向用户提供安全、优质的电力，但依靠传统的技术和管理手段已经无法实现。针对这些问题，根据社会发展的需要，依据电力工业部南京自动化研究所提出的要求，从实用化的角度出发，研制了一种电能信息自动采集终端。该系统具有结构简单，安装方便，易维护性强，经济性好等特点，并可通过低压载波和采集站进行数据传输，从而实现了电能信息的自动采集。因此电能信息自动采集终端对用电管理、配电管理实现智能化、自动化和科学化具有非常重要的意义，对国民经济的发展将起到不可估量的推动作用。

1 自动采集终端的设计
1．1 自动采集终端的功能和组成
    终端站系统采用以89C51单片机为核心的系统，可实现对1～16块电度表信息的采集、存储、传输及工作状态的显示等功能。其具体功能如下：对脉冲式电度表或经过改造的机械式电度表送来的脉冲进行计数，并把它转换为对应的电能量，实现对有功电能的计量；设置初值(地址号、表常数、电表底度等参数)，保存1年内各用户各月的电能信息，分时计费；以电力载波方式和采集站通信；对各电度表的工作状态进行显示。
    整个自动采集终端由脉冲计数模块、通信模块、时钟电路模块、工作状态显示模块和键盘操作模块五部分组成，其系统组成如图1所示。

1．2 采用双CPU共用数据存储器AT24C32和双RS 232通信接口
    按照脉冲式电度表标准，电度表的输出脉冲宽度为80 ms，脉冲周期的最小值为100 ms。如果CPU在这个时间内对脉冲不进行处理，将会出现脉冲的丢失，从而造成脉冲计数的不准确。采用双CPU共用数据存储器技术可以避免这一现象的发生。脉冲计数模块和通信模块分别采用各自的CPU进行控制，两者之间通过公共数据存储器AT24C32、通信协议和握手线进行信息交换。为了防止两者对存储器操作的阻塞而出现故障，在设计中采用两根握手线进行硬件握手，当一个模块不对存储器操作时，其握手线输出端输出“O”；当需要对存储器进行操作时，其握手线输入端输入“0”，其握手线输出端输出“1”，然后进行操作，否则处于等待状态。
    该电能信息自动采集终端设计了两个RS 232通信接口，其中一个为AT89C51-1的RS 232通信口，用于与电度表或设备之间传输数据；另一个是AT89C51-2的RS 232通信口，用于与上位机之间的通信。这样就减轻了主CPU AT89C51-2的负担，且可对于不同数据格式的RS 232电度表灵活修改程序代码。
1．3 脉冲计数模块
    脉冲计数模块由电度表、两片控制芯片AT89C51、脉冲处理电路、存储器AT24C32等电路组成，利用单片机编程对采集的数据进行一系列处理，完成对数据的采集、有效存储及传输功能。
    各功能的具体实现过程为：首先将电度表输出的脉冲信号经由光电耦合器、施密特触发器等组成的脉冲处理电路进行滤波、整形等处理后，再送入缓冲器进行缓存；然后根据控制电路的命令进行相应的操作。当进行信息存储操作时，AT89C51-1工作，AT89C51-2处于等待状态，AT89C51-1向存储器发送起始信号，AT89C51-1收到存储器的低电平应答信号后，向存储器发送字节地址，AT89C51-1收到存储器的另一个低电平应答信号后，再发送数据到被寻址的存储单元，存储器再次应答，并在AT89C51-1发送停止信号后开始内部数据的擦写，在擦写的过程中，存储器不再相应任何请求。当进行读信息操作时，AT89C51-l处于等待状态，AT89C51-2工作，AT89C51-2向存储器发送起始信号和被寻址的字节地址，存储器产生低电平应答信号并发送相应字节地址的内容，接收完数据后，AT89C51-2发送一个停止信号。
    时钟线保持高电平期间，数据线从高到低的跳变被看作为起始信号，对AT24C32的任何操作命令，都必须从启动信号开始，时钟线保持高电平期间，数据线从低到高的跳变被看作为停止信号。外部存储器采用结构简单的二线制E2PROM和具有掉电保护的AT24C32存储信息，掉电后数据可保存十年，远远高于实际要求。为了延长存储器的使用时间，采用循环存储方式，保证了采集数据的准确性和可靠性。
1．4 通信模块
    通信模块由控制芯片AT89C51-2、电力线载波芯片ST7538及其外围电路组成。ST7538是采用FSK调制技术的高集成度、功能强大的电力载波芯片，内部采取了多种抗干扰措施，它可以在噪声频带很宽的信道环境下实现可靠的通信。内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接。内部具有电压自动控制和电流自动控制，只要通过耦合变压器等少量外围器件即可连接到电力网中。ST7538除了实现电力线载波通信功能外，还具有看门狗、过零检测、运算放大器、时钟输出、超时溢出输出、+5 V电源和+5 V电源输出等功能，大大减少了ST7538应用电路的外围器件数量。该芯片符合欧洲CENELEC(EN50065-1)和美国ECC标准。
1．5 时钟电路模块
    时钟电路模块由AT89C51-1和时钟芯片DS12887组成。CPU通过读DS12887的内部时标寄存器即可通过选择二进制码或BCD码初始化芯片的10个时标寄存器得到当前的时间和日历，其内部14 b非易失性静态RAM可供用户使用。对于没有RAM的单片机应用系统，可在主机掉电时保存一些重要数据。DS12887的4个状态寄存器用来控制和指出DS12887模块的当前工作状态，除数据更新外，程序可随时读写这4个寄存器。利用单片机对DS12887进行编程，可方便地实现读数，完成定期抄表等功能。
1．6 工作状态显示模块
    工作状态显示模块主要由发光二极管、放大器、AT89C51-2等元件组成。用不同颜色的发光二极管来分别显示电源的通断、链路的连接以及数据的发送等状态。该电路模块具有响应速度快，使用温度范围较大，功耗小，使用寿命长等优点。
1．7 操作键盘模块
    操作键盘模块由键盘和AT89C51-2组成。通过操作键盘，可设置一些参数，如终端的地址、各用户的电度表常数等，也可以对单片机发出简单的指令，如显示各项参数、手动需量等。

2 软件设计
    结合自动采集终端硬件来设计软件，通过分析要实现的功能，整个程序可分为主程序和中断服务程序模块。系统主程序对系统进行初始化设置，完成上电后对上次停电后的信息处理，采集电能量并进行相应的处理，处于待机状态接收收集站下达的指令，并做分析处理，控制数据传输、链路检查和校对时钟等任务的执行，流程如图2所示。其中，电能量的采集使用定时中断；采样间隔可根据用户电度表容量设置，样机中采样间隔设置为100μm，程序流程见图3。中断服务程序模块有定时中断、通信中断等实时性处理的功能模块。通过各功能模块之间的调用，一层一层地实现程序功能。

3 自动采集终端的抗干扰措施
    为了保证采集数据的准确性和数据传输的可靠性，系统必须具有较强的抗干扰性。在系统设计的过程中，采取以下措施来增强系统的抗干扰能力：
    (1)采用施密特触发器和积分处理等对脉冲信号进行多次滤波和整形操作，以去除窄干扰脉冲的干扰。
    (2)采用光电措施实现主板电路和电度表的隔离以及软件的防干扰处理。
    (3)用D触发器对脉冲进行锁存，累加计数后清除。
    (4)存储芯片采用具有掉电保护功能的AT24C32，防止因掉电造成数据丢失，电力线调制解调芯片采用具有掉电保护、看门狗等多种功能的ST7538，以防止程序跑飞。
    (5)在所有环节中，对传输的数据进行CRC校验，以保证数据的可靠接收。
    (6)在软件中对脉冲的边沿抖动进行处理，以防止因“毛刺”现象引起误差。
    (7)在CPU处于空闲时，用软件使之进入待机状态，这时CPU不执行任何操作，只有系统中断可以唤醒它，所以相应地对干扰也不敏感。

4 结语
    利用硬件和软件防干扰相结合的方法，采用双CPU共用数据存储器技术、脉冲硬处理电路、先进的调制解调和CRC循环冗余编码解码技术，实现了高可靠的脉冲采集，防止了脉冲的漏记和多记，解决了脉冲计数和电力线载波通信的实时性和引脚不足等问题，实现了低成本、高可靠性、高稳定性的电能信息自动采集终端的脉冲计数、分时计费和电力线载波通信功能，形成了功能强大，易维护性强，可扩展性好，安全性高的电能信息自动采集终端系统。这种技术可应用于电子信息、电力、环保、自来水、煤气等行业的检测仪器设备中。随着供电、用电管理系统的不断完善与发展，该系统无疑具有广阔的发展空间和使用价值。