基于PL3200的自動(dòng)抄表系統采集器的設計

　　摘要：  本文設計了一種基于單片機PL3200的電能表自動(dòng)抄收系統的采集器，其應用于實(shí)際的電能表自動(dòng)抄收系統中取得了很好的效果。

　　關(guān)鍵詞： 采集器；PL3200；電能計量

引言

    隨著(zhù)電力市場(chǎng)的不斷擴大，當前大量存在的人工抄表這種費時(shí)費力效率低下的方式已遠不能滿(mǎn)足現代化管理的需要。為了解決此問(wèn)題,提高用電管理的自動(dòng)化水平, 應采用自動(dòng)抄表系統，不但可以節約勞動(dòng)力、提高工作效率，而且可以避免人工抄表存在的誤抄及漏抄，避免了各種人為因素的電量、電費損失。筆者研究的電力線(xiàn)擴頻載波自動(dòng)抄表系統主要由電能表、數據采集器、集中器、主控站和通信信道組成，系統框圖如圖1。本文主要描述采集器設計。

　　圖1 自動(dòng)抄表系統框圖

    采集器是自動(dòng)抄表系統安裝在現場(chǎng)的低端設備，其作用是將多臺電能表連接起來(lái)，對用戶(hù)電能表的脈沖進(jìn)行數據采集處理，接收來(lái)自集中器發(fā)來(lái)的各種操作命令，向集中器回送電能表數據，對違章、欠費用戶(hù)實(shí)施警告和控制。采集器主要由中央處理單元、數據采集存儲單元、載波調制解調單元組成。

    本設計是基于51兼容芯片PL3200的單片機，對4路電能表的脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、計算，變成各路電表的用電量數據進(jìn)行保存。通過(guò)RS485串行通訊口可利用外設對系統初始化設置和數據抄錄。初始化設置包括系統編號、電表常數和表底數設置，系統依據這些參數進(jìn)行電量轉換。系統內配有電源監視器和看門(mén)狗，保證系統可靠運行。同時(shí)，還具備紅外或其他方式的通信功能，以便在采集器與外界聯(lián)系中斷時(shí)，采用半自動(dòng)的方式進(jìn)行抄表。

    PL3200芯片是北京福星曉程公司開(kāi)發(fā)的多功能智能型電能計量芯片。PL3200是內嵌了805 1指令的高速微處理器芯片，其軟件易于開(kāi)發(fā)，具有8/16位雙模式ALU，能夠8倍速于標準805 1處理器，運行速度快，數據處理能力強。該芯片還具有兩個(gè)全雙工UART，一個(gè)可配置為38kHz的紅外通信模式，另一個(gè)可配置為RS485通信模式，提供了多種方便的數據傳輸方式。

系統硬件結構

    系統的硬件結構如圖2所示。它實(shí)現的功能是對電能的計量和與外界進(jìn)行通信。

　　圖2 硬件結構電路

電能計量

    PL3200的電能計量部分有以下特點(diǎn)：

    提供高精度電能計量；

    提供有功功率和無(wú)功功率瞬時(shí)值輸出(應用于儀表校驗)；

    指示正/負功；

    雙通道電流采樣，具備防竊電功能；

    電流通道內置可調增益放大器(PGA)，方便電能計量的多種采樣方式；

    具有電壓/電流有效值測量以及相電壓頻率測量功能。

    其工作原理是：首先，通過(guò)電流互感器CT、電壓互感器PT對電流、電壓采樣，采樣電路如圖3；采樣后經(jīng)過(guò)放大電路放大，通過(guò)A/D 轉換器轉換成為數字信號；接下來(lái)經(jīng)過(guò)數字濾波、移相等處理；最終，得到有效的電能計量數據。從而，完成對有功/無(wú)功功率、瞬時(shí)電流和電壓的有效值以及當前的交流頻率值的計量，計算。

　　圖3 外接采樣電路

    計量電路可以由軟件來(lái)控制采樣兩路電流信號中的某一路。在計量模塊內部與電壓采樣結果進(jìn)行乘法處理，計算得到有功功率、無(wú)功功率。上電復位時(shí)默認為第一路ADC 采樣作為電流通道的輸入。計量輸出部分采用的是主時(shí)鐘分頻得到600KHz 頻率再經(jīng)過(guò)降12 倍頻采樣得到速率為50KHz 數字脈沖輸出。

    計量模塊與8051之間是并行通訊，通過(guò)寄存器以及中斷進(jìn)行控制。PL3200 內部的嵌入式微處理器8051可以通過(guò)特殊功能寄存器(SFR，包括控制寄存器、標識寄存器、校表寄存器和數據寄存器四類(lèi))地址直接訪(fǎng)問(wèn)計量模塊內部的寄存器。

RS-485通信

    采集器通過(guò)RS-485總線(xiàn)構成一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)設置和抄讀電表數據，使它適合應用在帶有RS-485接口的多功能電子表的場(chǎng)合。

    PL3200 內部有2個(gè)比較器，通過(guò)他們可以將RS-485通訊的差分信號轉換成UART1所識別的SCOMS 信號，同時(shí)也可以將UART1 的輸出信號轉換成差分信號，從而直接進(jìn)行RS-485通訊。外接電路圖如圖4。

　　圖4 RS-485通信接口電路

    RS-485是一種低成本、易操作的通信系統，RS-485總線(xiàn)收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅動(dòng)器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故數據傳輸可達千米以外。RS-485總線(xiàn)采用二線(xiàn)方式，為保持總線(xiàn)平衡傳輸需要在傳輸線(xiàn)兩端并接一個(gè)電阻。

    由于RS-485無(wú)標準通信協(xié)議，協(xié)議應自定義，RS-485總線(xiàn)的協(xié)議制定和軟件編程對系統傳輸的可靠性有很大影響。另外RS-485總線(xiàn)是異步半雙工的通信總線(xiàn)，在某一個(gè)時(shí)刻，總線(xiàn)只能呈現一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機對分機的查詢(xún)方式通信，總線(xiàn)上必然有一臺始終處于主機地位的設備在巡檢其它的分機。因此采用RS-485總線(xiàn)連接的多個(gè)站點(diǎn)，任一時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)在“說(shuō)”，其它站點(diǎn)只能處于“聽(tīng)”狀態(tài)。如果有多于1個(gè)的站點(diǎn)在“說(shuō)”，數據將在通信總線(xiàn)上碰撞，結果使處于接收狀態(tài)的站點(diǎn)收不到正確的數據。為保證數據傳輸質(zhì)量，對每個(gè)字節進(jìn)行校驗的同時(shí)，應盡量減少特征字和校驗字。所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來(lái)協(xié)調總線(xiàn)的分時(shí)共用。這里采用的是數據包通信方式，通信數據是一幀或一包地發(fā)送，每包數據都有引導碼、長(cháng)度碼、地址碼、命令碼、內容、校驗碼等部分組成。其中引導碼是用于同步每一包數據的引導頭；長(cháng)度碼是這一包數據的總長(cháng)度；命令碼是主機對分機(或分機應答主機)的控制命令；地址碼是分機的本機地址號；“內容”是這一包數據里的各種信息；校驗碼是這一包數據的校驗標志，采用和校驗方式。

    為了可靠的工作，在RS-485總線(xiàn)狀態(tài)切換時(shí)需要做適當延時(shí)，再進(jìn)行數據的收發(fā)。具體的做法是在數據發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時(shí)lms左右的時(shí)間，再發(fā)送有效的數據，一包數據發(fā)送結束后再延時(shí)lms后，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì )使總線(xiàn)在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩定的工作過(guò)程。

系統軟件設計

    系統軟件主要由主程序、脈沖采集中斷服務(wù)程序和掉電保護中斷服務(wù)程序等組成。主程序主要完成脈沖量到用電數據的計算轉換,以及系統與外設的通訊,主程序流程圖如圖5。首先進(jìn)行工作單元、標志單元的初始化,通過(guò)寫(xiě)寄存器使能電能計量、設置工作模式、調整電能計量精度，等待外部有關(guān)參數設置，然后系統才能根據每個(gè)表的常數、底數和采集到的脈沖量進(jìn)行用電量轉換,電量脈沖數夠表常數的1/10時(shí),電量值增加0.1度,脈沖數清零。通過(guò)RS-485口就可隨時(shí)抄錄出精確到0.1度的各電表當前用電量值,不夠1/10個(gè)表常數的電量脈沖數仍保存在RAM中由下次脈沖繼續累加。

　　圖5 電能計量流程圖

    脈沖采集中斷服務(wù)程序完成脈沖的采集和脈沖復位,當采集到某路脈沖后,將該路脈沖標志位置1,以便主程序對其進(jìn)行電量查詢(xún)和轉換。掉電中斷設置為最高級別中斷,當電源監視器監視到電源電壓降低到4.6V時(shí),便通過(guò)INTO向CPU中斷,警示電源開(kāi)始掉電,讓CPU進(jìn)入中斷程序,及時(shí)進(jìn)行現場(chǎng)和數據保護處理。

結語(yǔ)

    本文介紹的設計方案由于采用了PL3200單片機，其豐富的片上外圍功能模塊使得外圍電路得以大大簡(jiǎn)化，以及其超低功耗模式，從而降低了成本，提高了運行可靠性。目前該設計已經(jīng)在電能表自動(dòng)抄收系統實(shí)際運行中取得了很好的效果。

參考文獻：

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