基于Modem通信的多用戶(hù)智能電能表系統的研究

0引言

隨著(zhù)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量準確，功能完備，可實(shí)現遠

程抄表等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸被電力企業(yè)和(居民)用戶(hù)認可和接受，而且提升了供電部門(mén)對用電的現代化管理。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(hù)智能電表系統的研究方案，這是一種可實(shí)現遠程控制及自動(dòng)結算的電表系統，也為實(shí)現大規模自動(dòng)抄表提供了基礎。

1系統工作環(huán)境與總體結構框圖

可實(shí)現遠程通信的多用戶(hù)電表系統總體框圖如圖1所示。主要由多用戶(hù)電表單元、通信模塊、系統管理中心、銀行收費系統組成。多用戶(hù)電表單元采用一個(gè)微處理器和多個(gè)計量芯片組成，不僅結構相對簡(jiǎn)單，而且大大降低了成本。微處理器是整個(gè)系統的核心部分，它一方面對多個(gè)計量芯片采集的電能數據進(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)現與上位機管理系統的通信。微處理器在收到管理系統的上傳命令時(shí)，就會(huì )通過(guò)Modem電話(huà)線(xiàn)上傳數據，管理系統對收到的數據進(jìn)行處理和分析;如果某用戶(hù)用電出現異常，管理系統在發(fā)出報警信號的同時(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該用戶(hù)用電進(jìn)行控制。

2系統硬件設計

多用戶(hù)電表單元是整個(gè)系統的核心，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)電能計量芯片BL6501A、微控制器LPC2210、LCD、FLASH、SDRAM、EEPROM、報警器、73M2901Modem模塊、斷電控制模塊等部分組成。系統中采用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(lái)實(shí)現電能的定時(shí)、實(shí)時(shí)采集和顯示，與上位機的遠程通信，對用戶(hù)的供斷電控制和防竊電功能等。系統硬件結構如圖2所示。

2.1 CPU模塊

選用LPC2210作為控制系統的核心，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(mén)狗，2個(gè)標準UART，高速I(mǎi)2C接口，2個(gè)SPI接口，通過(guò)配置總線(xiàn)可達76個(gè)通用I/O口(可承受5V電壓)，通過(guò)片內鎖相環(huán)可實(shí)現最大為60MHz的CPU操作頻率，有空閑和掉電兩種低功耗模式。

2.2計量模塊

為了提高工作可靠性和便于調試，本研究采用獨立的電能測量電路對各用戶(hù)的電能進(jìn)行分開(kāi)測量。選用BL6501A電能計量芯片，各用戶(hù)的電能測量結果以脈沖形式從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測量時(shí)，只需對每個(gè)電能計量芯片產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計數，再乘以脈沖常數，即可測出各個(gè)用戶(hù)所用的實(shí)際電量。

2.2.1電能計量芯片BL6501A

單相雙電流采樣電能計量芯片BL6501A具有24腳雙列直插塑封裝，利用它可以實(shí)現單相反竊電功能，并在同一方向計量正向或負向功率，累計用電量。BL6501A有兩個(gè)電流采樣端，分別采樣火線(xiàn)和零線(xiàn)電流，當兩電流誤差超過(guò)2.5%時(shí)，表明有竊電行為或錯誤接線(xiàn)，FAULT引腳發(fā)出報警指示信號，并按照兩個(gè)電流中大的一個(gè)電流值計量。BL6051的CF輸出較高頻率的脈沖，用于計量和計算機數據處理，F1和F2輸出較低頻率的脈沖，用于驅動(dòng)脈沖電機，記錄用電量。BL6501A內部電能計量信號流如圖3所示。

2.2.2多用戶(hù)電能脈沖的測量

研究中需要對多路電能脈沖進(jìn)行計量，由于LPC2210只有兩個(gè)內部定時(shí)器/計數器，這對于要進(jìn)行多路脈沖采集和監控的應用場(chǎng)合顯然不夠。通常的計數器擴展和軟件循環(huán)查詢(xún)的方法都有一定的局限性。本文提出一種可用于多用戶(hù)電能脈沖測量的方法，此方法是在一種邏輯算法的基礎上，可同時(shí)對多路電能脈沖的電平狀態(tài)進(jìn)行檢測和存儲，不需用到內部定時(shí)器或擴展計數器進(jìn)行脈沖計數，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。

算法中對連續兩個(gè)測量周期的脈沖電平狀態(tài)進(jìn)行OR_XOR的邏輯運算，如式(1)

式中，P表示運算結果，fn表示脈沖電平的現在狀態(tài)，fn-1表示前一測量周期的脈沖電平狀態(tài)，“+”表示邏輯代數中的或運算，“+”表示異或運算。

下面以一用戶(hù)計量脈沖為例，運算時(shí)，脈沖電平現狀fn先與前一周期的電平狀態(tài)fn-1作或運算，結果再與fn作異或運算，得出的結果P決定是否要進(jìn)行電能脈沖計數和存儲，結果P與脈沖計數關(guān)系如表1。

此算法是以檢測脈沖的下降沿來(lái)作為電能脈沖測量的依據，在軟件中分別定義LPC2210存儲器中不同的地址，用來(lái)存放脈沖上一周期狀態(tài)、現在狀態(tài)及結果P。當P=1時(shí)，檢測到脈沖的下降沿，對某路脈沖進(jìn)行計數，并將當前P值保存到相應的存儲單元中進(jìn)行累加，最終得出該用戶(hù)的用電量。對多用戶(hù)電能脈沖的測量，因LPC2210有多個(gè)I/O口，可通過(guò)計量芯片直接輸入多個(gè)用戶(hù)的電能脈沖，用OR_XOR的邏輯運算按字節同時(shí)處理8路、16路、32路甚至更多路脈沖。