基于無線公網(wǎng)通訊的三相電能表設(shè)計

廣州正力通用電氣有限公司 趙洪軍

基于無線公網(wǎng)通訊的三相電能表設(shè)計

廣州正力通用電氣有限公司 趙洪軍

本文論述了一款基于GPRS/CDMA無線公網(wǎng)通訊的電能表的設(shè)計方案，著重介紹了無線通訊模塊的功能及電路、專用電能計量芯片ADE7758的特性及應(yīng)用電路、NUC120RE3AN微控制器的功能及接口、軟件架構(gòu)。

無線公網(wǎng)通訊；GPRS/CDMA；電能表；NUC120；ADE7758；MC52；MC323

一、引言

隨著科技的進步，電力系統(tǒng)中電能表的抄表方式也從現(xiàn)場人工抄表發(fā)展到遠程自動抄表。目前用于抄表的技術(shù)有多種，如RS485總線、紅外和電力線載波等，這些抄表技術(shù)相對比較成熟，但應(yīng)用卻各有其局限性，如RS485總線抄表需要布線，且傳輸距離不能超過1200米，紅外抄表需要人工在現(xiàn)場抄表，電力載波抄表由于電磁干擾等的影響傳輸距離受限。隨著GPRS/CDMA無線公網(wǎng)通信技術(shù)的成熟，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，可實時在線，按流量計費，資費不斷下調(diào)，且不受距離和空間的限制等優(yōu)點，使得無線通訊技術(shù)在電力抄表行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

二、GPRS/CDMA電能表簡介

GPRS/CDMA電能表就是無線公網(wǎng)通信技術(shù)和電表技術(shù)的結(jié)合體，它將三相多功能電能表和GPRS/CDMA通信模塊相結(jié)合，形成具有無線網(wǎng)絡(luò)通信能力的電能計量裝置。GPRS/CDMA電能表主要由無線通信模塊和電能計量兩部分組成。

1.電能計量

可實現(xiàn)三相數(shù)字多功能電能表的全部功能，在未接入無線通信模塊的情況下，不影響其作為普通多功能電能表的使用。它對交流模擬量進行實時采樣、處理和存儲，實現(xiàn)電能計量、需量測量、復(fù)費率、負荷曲線計算和存儲、數(shù)據(jù)凍結(jié)、事件記錄、復(fù)費率、電壓、電流、頻率測量等，可實現(xiàn)用戶預(yù)購電控制、負荷控制、遠程控制等功能。具有RS485、RS232接口、紅外接口、USB接口，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的抄讀和設(shè)置；具有本地液晶顯示，支持本地巡顯和鍵顯功能。

圖1 無線公網(wǎng)通訊的三相電能表系統(tǒng)框圖

2.GPRS/CDMA通信模塊

GPRS/CDMA通信模塊是電能表遠程通訊的關(guān)鍵部件，作為網(wǎng)絡(luò)電能表的一個獨立模塊，在不影響電能表基本計量功能的情況下，滿足遠程抄表、負荷控制的需要。電能表與主站的通信規(guī)約遵循《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》（Q/GDW376.1-2009）標準。

三、電能表硬件結(jié)構(gòu)

1.系統(tǒng)框圖

無線公網(wǎng)通訊的三相電能表的系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括：ARM微控制器（NUC120VE3AN）、GPRS（MC52）/CDMA(MC323)模塊、ADE7758電能測量模塊、三相電流檢測模塊、三相電壓檢測模塊、顯示模塊、RS485、RS232、USB、紅外通信接口、存儲器及電源模塊等。

2.主要模塊功能

（1）GPRS/CDMA無線公網(wǎng)通訊模塊

無線公網(wǎng)通信是指使用由電信部門建設(shè)、維護和管理，面向社會開放的通信系統(tǒng)和通信服務(wù)。公共通信網(wǎng)具有地域覆蓋面廣，技術(shù)成熟可靠，通信質(zhì)量高，建設(shè)和維護質(zhì)量高等優(yōu)點。目前工業(yè)控制領(lǐng)域的無線公網(wǎng)通信主要包括GPRS和CDMA，其在配網(wǎng)自動化終端方面也得到了廣泛應(yīng)用。

本方案無線通訊可選擇為GPRS通訊或CDMA通訊方式。GPRS通訊模塊采用CINTERION公司的MC52iR3模塊或西門子公司的MC55模塊；CDMA通訊模塊采用華為公司的MC323模塊。由于以上三種模塊的硬件接口一致，都是使用50pin B2B連接器，并且各引腳功能基本相同，因此可以在同一款硬件電路上直接互換使用。只是GPRS模塊與CDMA模塊的AT命令不同，軟件上可通過查詢模塊版本信息的方式加以區(qū)分，即可做到兩種模塊同時兼容。

以上無線通訊模塊內(nèi)部都集成了TCP/IP協(xié)議棧，為軟件開發(fā)帶來了方便，直接采用AT指令的方式即可實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通訊。并且能夠保證網(wǎng)絡(luò)通訊及SMS（短信息）通訊同時有效，為通訊的可靠性提供了保障。其應(yīng)用電路簡單、接口方便、性能穩(wěn)定，是GPRS/CDMA通訊的首選模塊。

以MC55模塊為例給出實際應(yīng)用電路圖2，以便參考，另外兩款模塊的硬件電路與該圖一致。具體見“圖2--無線通訊模塊外圍電路”，通過IGT引腳控制模塊的開機，使用SYNC引腳控制指示燈顯示模塊工作狀態(tài)，使用TTL電平的TXD0、RXD0串行通訊接口與ARM微處理器的USART0接口通訊。

（2）電參數(shù)測量模塊

電參數(shù)測量模塊包含ADE7758電能測量模塊、三相電流檢測模塊、三相電壓檢測模塊。

ADE7758是一款高準確度的三相電能計量芯片，支持IEC60687，IEC61036，IEC61268，IEC62053-21，IEC62053-22，和IEC62053-23標準；適用于三相/三線，三相/四線和其它三相系統(tǒng)；溫度在25度時，在1000:1的動態(tài)范圍內(nèi)，有功電能誤差小于0.1%；能提供有功電量、無功電量、視在電量，電壓有效值，電流有效值和采樣波形數(shù)據(jù)；兩路脈沖輸出，一路為有功功率，另一路為無功率或視在功率；支持功率，相位和有效值偏移校正；提供線電壓驟降和電壓檢測的片內(nèi)用戶可編程閾值電壓；片內(nèi)數(shù)字積分器可以直接連接di/dt電流傳感器；電流通道上的可編程增益放大器允許直接連接電流分流器和電流互感器；帶中斷請求輸出功能的SPI兼容串行接口；ADE7758集成了二階∑-D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字積分器，基準電路，溫度傳感器，以及所有進行有功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件保證在各種環(huán)境和時間條件下的高準確度。

ADE7758中具有波形采樣寄存器，它可以對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出進行訪問。三相中的任一相的線電壓過零檢測與電壓過零點是同步的，過零檢測的結(jié)果可用于測量三個電壓輸入中任意一個的周期。也可用于內(nèi)部芯片的線循環(huán)電能累加模式。該模式使電能累加與半周期的整數(shù)倍同步，以此實現(xiàn)更快更準確的校準。

三相電流檢測部分采用電流互感器的方式，以便實現(xiàn)更好的電氣隔離及增強抗干擾能力。電流互感器采用標準的5A/2.5mA的互感器，電流經(jīng)過電阻后轉(zhuǎn)成0-350mV的電壓直接輸入到ADE7758，省去了運放等元器件，保證了精度。

三相電壓檢測部分采用變壓器轉(zhuǎn)換的方式進行電壓采樣，使強弱電部分進行有效的隔離，提高了絕緣強度及可靠性。

電參數(shù)測量模塊部分電路如圖3所示。可見采用ADE7758芯片的電參數(shù)測量電路非常簡單，是制作三相電能表不錯的方案。

（3）微處理器

采用基于ARM Cortex-M0內(nèi)核的32位微控制器NUC120VE3AN，其內(nèi)嵌了128KB的高速FLASH存儲器和16KB的RAM，具有豐富的外設(shè)資源，如：4個32位定時器（帶捕獲、比較通道）；8路12位ADC；8路PWM通道；76個GPIO；具有獨立電源和時鐘的RTC，支持軟件頻率補償；3個UART串行接口，支持IrDA(SIR)協(xié)議；4個SPI接口；2個I2C接口；1個全速USB2.0接口，支持控制傳輸（Control），批量傳輸（Bulk In/Out），中斷傳輸(Interrupt)及同步傳輸；1個I2S接口；內(nèi)含向量中斷控制器，可配置中斷優(yōu)先級和向量地址；片內(nèi)Boot裝載程序，可以實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP），通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)50MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并且可通過外部中斷喚醒。

其大容量的FLASH存儲器和RAM足夠滿足應(yīng)用需求，避免了外擴芯片的煩惱；3個UART串行接口可分別用于與通訊模塊通信、紅外通信及RS458/232通訊，并且支持IrDA(SIR)協(xié)議，非常實用方便；具有USB接口，方便與筆記本電腦或PDA通訊，負荷今后發(fā)展趨勢；支持軟件頻率補償?shù)腞TC，保證系統(tǒng)時間的精度；在系統(tǒng)編程（ISP）功能方便程序升級。

該芯片由臺灣新塘公司生產(chǎn)，價格低廉，并且提供了豐富的接口應(yīng)用程序及例程，給使用及學(xué)習(xí)帶來了方便。總之其大容量的內(nèi)部資源、豐富的接口及合理的價格，使其性價比在同類MCU中表現(xiàn)突出，非常適合作為無線公網(wǎng)通訊的三相電能表的微控制器使用，圖4是微控制器功能框圖。

（4）存儲器

由于與主站的上行通信應(yīng)滿足電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議，需要存儲規(guī)約要求的一類數(shù)據(jù)（實時數(shù)據(jù)）、二類數(shù)據(jù)（曲線數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)）和三類數(shù)據(jù)（事件），特別是曲線數(shù)據(jù)要求存儲的數(shù)據(jù)量大，因此應(yīng)采用大容量的存儲器來存儲二類和三類數(shù)據(jù)。

由于鐵電存儲器可無限制的擦寫，所以非常適合用來存儲需要經(jīng)常更新的實時數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)。存儲器與MCU的接口為SPI接口，簡單方便。

（5）本地通訊接口

利用RS485/RS232串行口、USB口及紅外通信口可實現(xiàn)終端參數(shù)的本地設(shè)置和維護。其中，RS232串口可實現(xiàn)對GPRS/CDMA模塊狀態(tài)的監(jiān)測，通過RS485串行口及USB接口可抄讀符合電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)。

（6）顯示模塊

LCD顯示屏及LED指示燈用來指示終端的運行狀態(tài)、各項電參數(shù)、通訊狀態(tài)及報警狀態(tài)等信息。

四、軟件架構(gòu)

軟件設(shè)計基于uC/OS-ii嵌入式操作系統(tǒng)的多任務(wù)設(shè)計，整體架構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)軟件包括：主任務(wù)、上行任務(wù)、下行任務(wù)、模擬串口任務(wù)、事件處理任務(wù)和控制處理任務(wù)。

1.主任務(wù)

實現(xiàn)全局變量初始化，硬件環(huán)境初始化，信號量和消息隊列的建立、其他任務(wù)的創(chuàng)建和啟動、鍵盤掃描、系統(tǒng)時間和定時處理、復(fù)位處理。

2.遠程任務(wù)

上行任務(wù)實現(xiàn)GPRS/CDMA通信鏈路的建立、維護及與主站的數(shù)據(jù)交換，包括鏈路維護、數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)議解析等功能。

3.計量任務(wù)

實現(xiàn)對三相電壓、電流、有功、功率因數(shù)、頻率、電量的測量、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、計費管理等功能。

4.本地通訊任務(wù)

實現(xiàn)RS485端口通信、RS232端口通信、紅外端口通信和USB通信。

5.事件處理任務(wù)

事件處理任務(wù)處理系統(tǒng)發(fā)生的各類事件，包括事件記錄、事件上報等。

6.控制任務(wù)

控制任務(wù)執(zhí)行一些控制操作，包括預(yù)購電控制、負荷控制、告警控制等。

7.任務(wù)間的通信

任務(wù)與任務(wù)之間數(shù)據(jù)傳遞通過消息發(fā)送和接收來實現(xiàn)。

五、結(jié)束語

本文介紹了一款集GPRS/CDMA無線公網(wǎng)通信，三相電壓、電流、有功、功率因數(shù)、頻率、電量測量，RS232、RS485串行通信，紅外通信，USB通信，負荷控制，異常主動報警功能與一體的電能表。該電能表具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、功能全、抄表和通信方式多樣化等特點。

[1]HUAWEI MC323-a CDMA2000 1X M2M模塊硬件指南[S].華為技術(shù)有限公司,2011年3月

[2]NuMicro? Family NUC120系列規(guī)格書[S].新唐科技股份有限公司,2011年7月

[3]MC52iR3 Hardware Interface Description[S].CINTERION公司,2010年12月

[4]ADE7758數(shù)據(jù)手冊[S].Analog Devices,Inc.,2005年11月

趙洪軍（1977—），男，黑龍江人，現(xiàn)供職于廣州正力通用電氣有限公司，研究方向：城市照明自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)、城市照明單燈監(jiān)控系統(tǒng)、城市照明智能節(jié)能裝置、城市照明線路及設(shè)備防盜監(jiān)測系統(tǒng)。