ARM技術(shù)在智能電表上應用的論證與設計

引言：

隨著(zhù)國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力已然成為國家最重要的能源。就民用電力來(lái)說(shuō)，由于人民物質(zhì)生活的極大豐富，生活質(zhì)量迅速提高，對電力的需求也越來(lái)越大。但是，當前居民用電的管理過(guò)于落后，用電管理收費多年來(lái)一直采用先用電、后抄表、再付費的傳統作業(yè)方式，電量值計算方面也無(wú)法實(shí)現更高的精確度，偏差較大。為了適應社會(huì )的需要，保證用戶(hù)安全、合理、方便地用電，對傳統的電表和用電的進(jìn)行重新設計，使之符合社會(huì )發(fā)展的需要就顯得很有必要。

1、智能電表的發(fā)展前景：

第一階段2000-2007

逐步以電子計量表取代傳統機電式電表;在美國和歐洲著(zhù)手推廣單向通信網(wǎng)絡(luò );

第二階段2008-2012

全球范圍內正在淘汰機電式電表;在歐美及中國大規模推廣基于自動(dòng)計量基礎架構(AMI，即有IP地址的智能電表和電力公司之間的一種自動(dòng)雙向流通架構)的雙向通信網(wǎng)絡(luò );智能電表作為簡(jiǎn)易型家庭網(wǎng)關(guān)，可用于多種公用設施的自動(dòng)抄表(AMR)和負荷管理。

第三階段2013-以后

智能電表成為家庭網(wǎng)關(guān)，實(shí)現多種住宅控制功能，諸如安全，報警等;以家庭和單位實(shí)現智能化發(fā)電(太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電)和配電。

從以上三個(gè)階段我們可以看到，智能電表不僅沒(méi)有向小型、單一功能的方向發(fā)展，恰恰相反，未來(lái)將賦予智能電表更多的功能，使之成為家庭不可或缺的組成部分。

峰谷分時(shí)電價(jià)和避高峰電價(jià)的政策出臺，多費率表市場(chǎng)需求將進(jìn)一步加大，尤其是大工業(yè)用戶(hù)，對智能多費率表的需求，將會(huì )產(chǎn)生快速的增長(cháng)。隨著(zhù)信息時(shí)代的推進(jìn)及技術(shù)的發(fā)展，智能電表作為智能電網(wǎng)的神經(jīng)末梢，在不久的將來(lái)，智能電表將在信息社會(huì )中發(fā)揮更大的作用，具有更加廣闊的應用前景。

2、ARM智能電表的提出：

正是由于以上背景，智能電度表應運而生。所謂智能電表，就是應用計算機技術(shù)與通訊技術(shù)等，形成以智能芯片為核心，具有高精確計算電量、與上位機通訊、用電相關(guān)數據顯示等功能的電度表。

電能表是電力企業(yè)收取電費的唯一工具，其性能的穩定性、測量的準確性和可靠性關(guān)系到電力部門(mén)和用戶(hù)之間的結算問(wèn)題，其中智能電表的電量值計量技術(shù)顯得尤為重要。大多數設計的智能電表系統其控制器一般是8位或16位的單片機控制，其控制功能比較簡(jiǎn)單，很難實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化和無(wú)線(xiàn)傳輸，對于未來(lái)智能電表系統的擴展性也比較有限?；谶@樣的局限性，我們提出一種基于A(yíng)RM處理器的智能電表系統。

目前我們需要設計的智能電表主要實(shí)現以下功能：

1、實(shí)現智能電表的高精度計算和可擴展;

2、實(shí)現數據的雙向傳輸，包括無(wú)線(xiàn)抄表，電表將客戶(hù)用電情況發(fā)送給電力部門(mén)，電力部門(mén)將客戶(hù)賬戶(hù)余額發(fā)送回電表，并在電表上顯示;

3、實(shí)現數據的LED顯示，上月、本月電量的顯示，以及余額顯示等;

基于以上智能電表的功能設計，對電表的軟、硬件提出了更高要求，顯然傳統電表很難做到這些。ARM技術(shù)具有性能高、成本低和能耗低的特點(diǎn)，適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類(lèi)多媒體和移動(dòng)式應用等。到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域，并且在智能儀器儀表上也有應用的先例，所以我們選用ARM技術(shù)應用在智能電表上。

智能電表是在數字電表的基礎上增加多個(gè)功能，使之能更加適應居民的要求，讀取用戶(hù)電量更加智能、方便和快捷，讓未來(lái)實(shí)現單個(gè)用戶(hù)的配電、變電也成為可能。

3、智能電表各功能設計：

3.1、遠程抄表的實(shí)現：

就系統的完整性而言，電力系統從發(fā)電、配電、傳輸和區域變電所已基本實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化管理，而唯獨用戶(hù)終端沒(méi)有和網(wǎng)絡(luò )連接上，造成了系統的不完整，直接或間接的影響了系統潛能的發(fā)揮，所以我們設計了智能電表遠程抄表的這一技術(shù)。

由采集器定時(shí)順序采集來(lái)自多路分線(xiàn)連接的電表信號并進(jìn)行數據處理、存儲，各采集器之間采用總線(xiàn)連接，最后連接至計算機。其典型特點(diǎn)是各戶(hù)表通過(guò)分戶(hù)線(xiàn)連接至采集器位置，再由采集器通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸發(fā)送給服務(wù)器子系統，這樣可以避免為每個(gè)智能電表都安裝一個(gè)無(wú)線(xiàn)射頻模塊，以節約成本。如圖3-1所示。系統一般分為四層次結構：前端采集子系統、服務(wù)器子系統、通信子系統、管理中心子系統。

初步設想是在每棟樓里面安裝一個(gè)采集器，或者在一個(gè)小區里面安裝幾個(gè)采集器來(lái)實(shí)現整個(gè)抄表系統的前端采集子系統，采集器通過(guò)CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現與各個(gè)智能電表的連接;然后將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻的方式發(fā)送到街道或者一定范圍內安裝的服務(wù)器里;最后服務(wù)器通過(guò)通訊子系統，將數據發(fā)送到管理中心。管理中心也會(huì )將客戶(hù)的信息按照各個(gè)電表的IP地址，發(fā)送回電表，路徑只是上面所說(shuō)的數據采集的逆向，這樣我們就搭建一個(gè)智能電表的基于自動(dòng)計量基礎架構，即AMI架構。所謂 AMI架構就是有IP地址的智能電表和電力公司之間的一種自動(dòng)雙向流通架構。

3.2、采樣濾波：

整個(gè)硬件設計的關(guān)鍵部分就是信號采集，信號采集是將220V工頻交流電轉換成相對應的0到3V的交流信號。這是關(guān)系到整個(gè)系統精度的問(wèn)題，如果采集失真，不僅導致精度下降，還有可能產(chǎn)生嚴重的錯誤。

此技術(shù)選用的是利用專(zhuān)用變壓器件互感器直接進(jìn)行變壓，得到所需的交流信號后，經(jīng)過(guò)濾波電路，直接輸出給MCU的A/D接口進(jìn)行采樣，如圖3-2。

電流通過(guò)專(zhuān)用變壓器，將電壓轉換成0.5V的電壓Ui;在通過(guò)一階低通濾波R1、C1，低通濾波主要是為了濾掉高頻的信號，電容是可以通過(guò)高頻信號，而阻礙低頻信號通過(guò)，將電容C1接地，便可濾掉高頻信號;由于濾波后得到的信號比較弱，所以還要再加入一個(gè)通過(guò)電阻R2的Ur，Ur是0-3V的直流信號，最后將得到一個(gè)0-3V的交流信號U0。

3.3、智能電表硬件設計方法：

智能電表主要是由電子元器件構成，其工作原理是：首先通過(guò)對用戶(hù)供電電壓和電流的實(shí)時(shí)采樣，利用集成電路，對采樣電壓和電流信號進(jìn)行變壓，通過(guò)濾波得到0-3V 的模擬信號，再通過(guò)A/D轉換器采樣、保持、量化及編碼四個(gè)過(guò)程后轉換得到數字信號，在數字信號處理單元中通過(guò)公式進(jìn)行計算，得出每秒的電量，進(jìn)行累加，最后將所得到的電量值通過(guò)控制單元進(jìn)行處理、控制，把電量值進(jìn)行儲存或輸出。

采用一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI的CPU，并帶有嵌入的高速Flash存儲器，存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘頻率下運行。

為對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。A/D轉換器需要滿(mǎn)足對三相工頻交流電進(jìn)行不失真的采樣。多個(gè)串行接口可方便地進(jìn)行接口擴展。

外設接口可以外接一個(gè)掌抄器，用于工作人員調試和維修等等。數據存儲、輸出和顯示都需要數據的不同結構，所以還需要對電量數據的結構轉換，轉換為相應的存儲結構、輸出結構和顯示結構，這些都是在MCU的數據轉換模塊中進(jìn)行。

3.4、智能電表的軟件設計方法：

智能電表的軟件主要是電量值的計算部分。我們采用軟件編程來(lái)實(shí)現公式計算的方式計算電量值，其主要是在數字信號處理單元模塊中執行。通過(guò)A/D轉換器中得到的U0、I0來(lái)計算但是積分在計算機的二進(jìn)制計算中過(guò)于復雜?？紤]到成本的問(wèn)題，采用累加的方式代替積分運算，累加公式為如果N取值為100000，循環(huán)累加100000次就是一秒中智能電表計算出來(lái)的電量值。

總結：

本次設計主要是論述了ARM在智能電表中的應用，ARM在智能電表應用的最主要難題還是成本問(wèn)題，所以在設計中也多次想到了節約成本的問(wèn)題，包括在無(wú)線(xiàn)傳輸中盡量少使用無(wú)線(xiàn)模塊和可以考慮實(shí)現多用戶(hù)智能電表。ARM應用在智能電表中主要是考慮到智能電表的未來(lái)發(fā)展趨勢，實(shí)現智能電表更多的可擴展性和兼容性，未來(lái)可以在基于A(yíng)RM的智能電表里增加更多的實(shí)用功能。