電能計量裝置的無(wú)線(xiàn)抄表系統

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)抄表系統 AT90S2313 單片機 電能計量

引言

電能表自動(dòng)抄表簡(jiǎn)稱(chēng)ARM（Automatic Reading Meter），是供電部門(mén)將安裝在用戶(hù)處的電能表所記錄的用電量等數據通過(guò)遙測、傳輸和計算機系統匯總到營(yíng)業(yè)部門(mén)，代替人工抄表及一連串后續工作。

隨著(zhù)經(jīng)濟體制改革的深入，電能計量、電費核算及收繳的及時(shí)性和準確性已成為用電企業(yè)的重要課題；而目前我國電能數據的采集基本上為手工抄表，需要抄表人員走家串戶(hù)，每月或每?jì)稍鲁淮?，再通過(guò)微機或手工制作的電費單催繳用戶(hù)電纜，存在著(zhù)錯抄、漏抄、估抄等問(wèn)題。自動(dòng)抄表系統的研制與應用是解決上述問(wèn)題的有效途徑之一，而無(wú)線(xiàn)抄表系統則是自動(dòng)抄表系統中 種較優(yōu)的方式。該系統的實(shí)現是邁向配電自動(dòng)化的第一步，并有助于提高電力系統用電管理的水平。

一、系統硬件構成

這套電能計量裝置無(wú)線(xiàn)抄表系統包括2塊SA68D11無(wú)線(xiàn)數傳模塊和1片ATMEL公司生產(chǎn)的AVR系列AT90S2313單片機。模塊有來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據傳遞；單片機用來(lái)進(jìn)行數據采集作一些相應的處理。系統硬件框圖如圖1所示。

圖1中，8路脈沖輸入信號來(lái)自8個(gè)單相脈沖電能表。工作時(shí)，單片機只需定時(shí)測量輸入的脈沖，再根據脈沖數與用電量之間的比例關(guān)系即可得到用戶(hù)的用電量。

圖1中虛線(xiàn)框內的單片機數據采集部分是整個(gè)系統的核心部分，通過(guò)軟件的編輯可實(shí)現數據采集、數據保存、數據發(fā)送和控制命令的接收以及其他數據掉電保護等重要功能。本系統采用的AT90S2313單片機構成圖1中虛線(xiàn)框內所有功能模塊。它內含2KB的FLASH存儲器；128字節片內EEPROM、128字節片內RAM和片內模擬比較器；8位和16位可預分頻定時(shí)器各一個(gè)；中斷源11個(gè)（中斷優(yōu)先級已定）；全雙工的UART以及可編程的WatchDog定時(shí)器等。在本系統中，單片機的資源分配為：T1作為時(shí)器，實(shí)現單片機對脈沖量的定時(shí)采集。模擬比較器檢測系統交換電源工作是否正常。一旦發(fā)生掉電情況，模擬比較器中斷標志位就被置1，在主程序中不斷檢測這一位；一旦檢測到該位為1，則立即將數據寫(xiě)入EEPROM中保存。從掉電到保存時(shí)間很短，在這段時(shí)間內靠濾波大電容儲能供電。在儲能放完之前，將保存數據工作完成即可。EEPROM存儲器用來(lái)保存單片機所測的脈沖數和單片機的地址等一些重要裝飾。Watch Dog定時(shí)器防止單片機“死機”或“跑飛”。串行口UART實(shí)現單片機發(fā)射/接收模塊之間的數據交換。

在本系統中，數據的無(wú)線(xiàn)傳遞是通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊實(shí)現的。為了使模塊與單片機、計算機之間的數據傳送正確，必須嚴格按照計算機（單片機）與模塊間的傳輸格式進(jìn)行數據傳送。模塊的輸出電平為T(mén)TL電平，它可與AT90S2313單片機直接連接。與計算機連接時(shí)間需接一個(gè)RS-232C電閏轉換芯片。模塊與單片機、計算機之間的通信速率為9600b/s，采用1個(gè)起始位、8個(gè)數據位、1個(gè)停止位的格式，與AT90S2313單片機的通信接口方式完全相同。計算機和模塊之間的數據傳輸格式為：

第一個(gè)字節為標志字節，其值為十六進(jìn)制數D7，作用是標志數據傳送的開(kāi)始。第二字節為控制字節，當第二字節小于等于48（30H）時(shí)，其值代表傳送數據長(cháng)度。后面字節為數據，當第二字節大于48（30H）時(shí)為控制字，后面不再跟數據和參數。模塊傳給計算機時(shí)帶CRC校驗字節防誤措施。

二、系統軟件設計

本系統的軟件主要包括二大部分：一是數據采集部分，是以AT90S2313單片機與核心的匯編語(yǔ)言的設計；二是PC機通信軟件的設計部分。這里要介紹AT90S2313單片機的匯編語(yǔ)言設計問(wèn)好。其軟件設計思想是采用模塊化編程，即系統的總體功能由各子程序完成。主要的子程序有定時(shí)器中斷、數據算是和接收發(fā)送中斷服務(wù)程序等。

1.單片機初始化部分

主程序部分首先對單片機進(jìn)行初始化，其包括堆棧指針設置；端口的工作方式設置；定時(shí)器的預分頻系數和初值設置；串行通信的控制寄存器和波特率寄存器的設置；看門(mén)狗定時(shí)器的周期及初值設置；單片機的地址設置；開(kāi)全局中斷等，其流程圖如圖2所法。初始化子程序如下：

start:

ldi tmp,$d9 ;設置堆棧指針

out spl,tmp

clr tmp ;設置B口、D口為輸入且不帶上拉

out ddrb,tmp

out ddrd,tmp

out portb,tmp

ldi tmp,2 ;設置定時(shí)器分頻系數及定時(shí)器賦初值

out timsk,tmp ;定時(shí)周期為6.4ms，開(kāi)定時(shí)器中斷

ldi tmp,timer T

out tccr0,tmp

ldi tmp,$d8 ;允許接收中斷和發(fā)送中斷

out ucr,tmp

ldi tmp,baud ;設置波特率為9600baud

out ubrr,tmp

ldi tmp,watchT ;設置看門(mén)狗定時(shí)器的周期及初值

out wdtcr,tmp

ldi tmp,$0a ;設置模塊比較器工作方式

out acsr,tmp

ldi r26,address ;給單片機賦初始地址

ldi tmp,$2d

st x+,tmp

ldi tmp,$d0

st x+,tmp

ldi tmp,$77

st x+,tmp

ldi tmp,$07

st x+,tmp

ldi tmp,$02

st x,tmp

ldi r26,figa0 ;清所有標志位

clr tmp

st x+,tmp

st x,tmp

sei ；開(kāi)全局中斷

2.定時(shí)器中斷服務(wù)程序

定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要是測量各電表的脈沖數。由于電表輸出脈沖寬度為80ms，其誤差為20%，即最窄脈沖寬度約為64ms，最寬脈沖寬度約為96ms。因而本系統設計的定時(shí)時(shí)間為6.4ms，為了抗以免發(fā)生脈沖誤計，采用了數字濾波的方法，要求脈沖輸入的引腳電平連續保持10次為高電平時(shí)才計1次脈沖，避免了窄脈沖的干擾引起的誤計。

3.串行通信接收和發(fā)送中斷服務(wù)程序

串行通信的接收中斷和發(fā)送中斷服務(wù)程序主要完成單片機和上位機之間的數據交換。其中接收中斷服務(wù)程序主要是接收從上位機傳來(lái)的各種命令，發(fā)送中斷服務(wù)程序是單片機對上位機的各種命令的響應，如上位機叫單片機發(fā)送地址等。接收和發(fā)送中斷服務(wù)程序流程圖如圖3和圖4所示。

4.數據處理子程序

數據處理子程序是軟件設計中的重要部分。它通過(guò)對串行通信接收到的數據進(jìn)行分析、比較、判斷并轉入相應的子程序。由于要實(shí)現上位機對單片機的控制，自行規定了一些控制命令。為了不與模塊和計算機（單片機）之間的控制命令傳輸格式相沖突，自行規定的一些控制命令都采用數據傳送的方式傳送，有別于命令傳送方式，因此開(kāi)始字符小于30H。

5.片內EEPROM操作子程序

片內EEPROM操作子程序包括對EEPROM的讀操作和寫(xiě)操作。其中讀操作是在主程序初始化后進(jìn)行的，寫(xiě)操作是在掉電時(shí)由模擬比較器產(chǎn)生的標志被主程序查詢(xún)到而進(jìn)入的。這一部分內容雖然不多，但對于數據的保存和恢復非常重要，因為系統一旦開(kāi)始工作后，它所記錄的數據是絕對不能丟失的。

EEWrite_seq: ;對EEPROM的寫(xiě)操作

.def EEwtmp =r24

.def EEdwr_s=r18

.def counter=r22

sbic EECR,EEWE

rimp EEWrite_seq

out EEAR,Eewtmp

out EEDR,Eedwr_s

sbi EECR,EEMWE

sbi EECR,EEWE

in Eewtmp,EEAR

inc Eewtmp

ret

EERead_seq; ；對EEPROM的讀操作

.def EErtmp=r24

.def EEdrd_s=r0

sbic EECR,EEWE

rjmp EERead_seq

out EEAR,Eertmp

sbi EECR,EERE

in EEdrd_s,EEDR

in EErtmp,EEAR

inc EErtmp

ret

值得注意的是，AT90S2313單片機的片內EEPROM被分隔為一些連續的單元。對EEPROM的讀寫(xiě)都必須從每個(gè)單元的初始地址開(kāi)始，否則不能正確完成對EEPROM的讀寫(xiě)。因此，在主程序中要進(jìn)行EEPROM的讀寫(xiě)操作時(shí)，都是從EEPROM的00地址單元開(kāi)始。

三、系統可靠性設計

無(wú)線(xiàn)抄表系統必須在電力系統中準確、可靠地長(cháng)期運行?？煽啃允窍到y成功的關(guān)鍵，因此本系統設計時(shí)著(zhù)重考慮了以下方面的可靠性設計：

（1）數據傳輸采用CRC校驗，可驗出傳輸中的絕大部分錯誤；

（2）數傳模塊采用金屬封裝，抗干擾能力強；

（3）AT90S2313單片機片內帶EEPROM，掉電時(shí)可以保護數據；

（4）AT90S2313單片機片內帶看門(mén)狗電路，防止系統鎖死。

（5）單片機所有功能模塊均在芯片內，其總線(xiàn)不出芯片，不需外擴任何器件，提高了系統可靠性。

結論

本系統最大特點(diǎn)是充分應用了單片機的硬件資源，成本低、體積小、攜帶方便，能方便、快捷、準確、可靠地進(jìn)行自動(dòng)抄表。目前，本系統的設計和樣機調試已經(jīng)完成，可以預計它的運算將為合理用電提供高效、科學(xué)的管理手段，為電力部分的電能表管理網(wǎng)絡(luò )化、抄表自動(dòng)化提供一種可選擇的有效方法。