基于單片機的采集模塊研究

脈沖電表是目前電力系統用戶(hù)側較為常見(jiàn)的一種電子電量表計。對于遠程電子抄表系統，要實(shí)現對脈沖表輸出脈沖的可靠、精確計量。本文研究探討了對于脈沖表可靠脈沖捕捉、脈沖計量，特別研究了脈沖電表信號輸出線(xiàn)路的斷線(xiàn)報警、掉電數據存儲等關(guān)鍵問(wèn)題，并對區域脈沖表群抄表需要的現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行了研究，提出用CAN總線(xiàn)為數據通信的脈沖電表群的模塊化解決方案。

2. 脈沖采集模塊設計

CH1脈沖采集的主要任務(wù)是對CH2 CH3脈沖電表輸出脈沖的實(shí)時(shí)、準確計數，CH4是所有電量統計的基礎。脈沖采集模塊CH5的好壞直接影響整個(gè)系統的可靠性和CH6準確性，因此在整個(gè)抄表系統中占據著(zhù)CH7重要的地位。

2.1 脈沖采集板的結構

采集板的具體結構如圖1所示。主要以單片機P87C591為核心，設計對8路電表進(jìn)行數據采集，并可以將數據存入SEEROM中，另外帶有掉電保護及通信接口等模塊。

采集模塊配有電源斷電監視、數據保護功能，當監測到掉電情況時(shí)，及時(shí)在掉電前進(jìn)行數據備份，防止突發(fā)斷電導致數據丟失。

2.2 脈沖采集模塊的硬件設計

根據系統的設計要求，每個(gè)采集模塊完成8個(gè)電表的采集任務(wù)，需要占用單片機的8個(gè)I/O接口。單個(gè)經(jīng)過(guò)光電隔離的脈沖數據采集電路如圖2所示。

圖中D0為VCC保護二極管，R0為限流電阻，來(lái)保護光耦中的發(fā)光二極管。C10和R10組成RC低通濾波器，D10為鉗位二極管，處理尖峰類(lèi)的干擾信號。R4和R5為分壓電阻。R3為上拉電阻，起限流作用。

電表輸出的脈沖信號采用的是5V直流電。經(jīng)濾波后，進(jìn)入光耦，然后電阻分壓到4V的電平信號進(jìn)入單片機。通過(guò)單片機P87C591的P2口來(lái)對脈沖信號進(jìn)行采集，在圖2中還可以看到由于是上接上拉電阻，所以使得光耦輸出脈沖波形與電表輸出脈沖波形剛好反向。

2.3 脈沖采集模塊的軟件設計

脈沖采集的軟件設計主要處理脈沖的準確采樣，對當前時(shí)段的數據做累計處理。并且軟件設計中包括了重復檢測及防抖動(dòng)的抗干擾設計。軟件流程圖如圖3。

2.4 脈沖采集抗干擾措施

脈沖采集電路的抗干擾能力決定著(zhù)系統的精度和所采集數據的可靠性，需要從多方面提高系統的抗干擾能力。

2.4.1 硬件抗干擾措施

從圖2中可以看到，硬件設計中主要采取了光電隔離技術(shù)、低通濾波技術(shù)。光電耦合器的輸入阻抗小，只有電流信號才能驅動(dòng)發(fā)光管，因此，可以隔離來(lái)自市電系統的感應電壓及其過(guò)電壓。圖2中RC低通濾波器，濾掉高頻信號的干擾。因為電容的電壓非突變性，結合穩壓二極管，可以將電壓鉗于一個(gè)比較穩定的值，可以抑制尖峰類(lèi)的干擾，可以吸收對來(lái)自空間電磁輻射對系統輸入的干擾，也確保進(jìn)入單片機的信號脈沖有完好的波形。

2.4.2 軟件抗干擾措施

對輸入的脈沖進(jìn)行捕捉、采集是抄表系統重要計量環(huán)節，模塊除了在硬件上采取了相應的隔離和濾波措施，在軟件設計上也采取了重復檢測和防抖動(dòng)的措施，提高脈沖捕捉的準確、可靠。

數據采集在中斷程序中進(jìn)行，設定定時(shí)中斷周期為2ms，在中斷服務(wù)程序中判別8路電表電平的狀態(tài)。對于每一路輸入信號，在收到高電平后，如連續采樣10次均為低電平，則認為是一個(gè)有效的低電平，這時(shí)記錄該路信號的累加器加1。如在中間出現一個(gè)干擾信號，不予計數，用這種方法可以有效干擾的抑制抖動(dòng)類(lèi)的干擾。如圖4所示。

3. CAN總線(xiàn)通訊模塊

電表作為千家萬(wàn)戶(hù)的分布群系統，實(shí)現多個(gè)模塊的級聯(lián)，對于遠程脈沖電表抄表系統十分必要。采集模塊選擇合適的總線(xiàn)，能夠在一棟樓的范圍內將所有脈沖電表的數據均可在最近處與采集模塊接口，對于應用和提高系統的實(shí)用性，可靠性和便于維護都十分重要。

CAN(controller area network) 即控制器局域網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。CAN協(xié)議廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對數據通信塊編碼，因此可以以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任意節點(diǎn)均可主動(dòng)向其它節點(diǎn)發(fā)送信息；網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可按系統實(shí)時(shí)性的要求分成不同的優(yōu)先級，一旦發(fā)生總線(xiàn)沖突，可減少總線(xiàn)仲裁時(shí)間，實(shí)現非破壞性?xún)?yōu)先權仲裁；CAN采用短幀結構，每一幀為8個(gè)字節，并采用了位填充、數據塊編碼、CRC檢驗等功能，數據出錯率較低。在自動(dòng)抄表系統中，采用CAN總線(xiàn)可以確保高可靠性，遠通信距(5Km)和高的性?xún)r(jià)比的特點(diǎn)。CAN總線(xiàn)采用短幀結構，每一幀為8個(gè)字節，第一個(gè)字節表示主模板號，第二字節表示該總板下的具體脈沖采集模塊號，第三個(gè)字節表示該模塊號下的通道號，后面四個(gè)字表示該通道電表的脈沖數值。

4. 掉電保護

掉電保護分為電源監視模塊和數據存儲模塊。為了實(shí)現對掉電的過(guò)程控制，系統必須有監視電源變化的能力。在本系統中采用芯片MAX690A，做電源低電壓檢測。具體如圖5所示。

MAX690A內部有一個(gè)獨立的掉電比較器。當PFI低于1.25V時(shí)，R1/PFO輸出低電平，通過(guò)外部中斷INT0產(chǎn)生電源掉電中斷。

合理選擇R1和R2的值，使得+5V電壓跌落到某個(gè)電壓值(一般大于4.5V)，PFI輸入電壓低于1.25V，則/PFO輸出低電平，產(chǎn)生中斷。在系統中，當電源電壓Vcc＜4.65V時(shí)，/PFO輸出低電平，引起掉電中斷，處理完保護數據后，等待掉電。

5. 數據存儲模塊

在本系統中，數據存儲是通過(guò)I2C總線(xiàn)來(lái)實(shí)現的。用SE2PROM來(lái)保存數據。首先電源監視電路來(lái)監視電源電壓的變化，一旦發(fā)生掉電，CPU P87C591通過(guò) I2C總線(xiàn)將數據保存到SE2PROM中，以免掉電時(shí)丟失。數據存儲的流程是中斷入口——關(guān)閉總中斷——對外部SE2ROM操作—置停電表志——記錄停電時(shí)刻——數據保存——掉電。通過(guò)掉電保護電路的低電壓觸發(fā)保護中斷程序，完成掉電時(shí)的數據保護和準備，待恢復供電后繼續進(jìn)行脈沖計量。

6. 結論

本課題通過(guò)研究分析脈沖電表的應用環(huán)境、輸出特性和大量現場(chǎng)試驗數據，將硬件、軟件抗干擾技術(shù)應用在電磁環(huán)境惡劣的電力脈沖電表的數據捕捉和計量中。經(jīng)過(guò)在湖北武昌供電局長(cháng)達兩年的現場(chǎng)應用證明，該系統在信息傳輸的安全性、準確性和實(shí)時(shí)性、可靠性方面都達到了較高要求，沒(méi)有出現脈沖丟失、干擾誤差現象。