ARM處理器的遠程抄表系統集中器設計

羅浩，康一梅

（北京航空航天大學 軟件學院，北京100091）

引 言

隨著技術的發展，電力系統在不斷地進步。供電部門對于電網的管理任務愈發繁重，目前我國供電部門主要采用的是傳統的人工抄表，效率低、誤抄、漏抄率高是人工抄表目前存在的主要問題，造成了供電部門大量的人力資源浪費，同時，抄表的準確性和及時性也無法得到有效的保證。遠程抄表技術的應用將有效改變長期以來無法及時、完整、準確掌控電力用戶信息的局面，對于供電部門進一步提升服務能力具有重要作用。

集中器是一個數據集中處理器，是低壓電力線載波集中抄表系統中的關鍵設備，負責對所在臺區中各電能表的數據進行自動化采集、存儲、監控、管理等工作，同時，集中抄表系統要求集中器必須工作在實時在線模式，永久性地與主站保持聯系，隨時響應主站的各種命令。并且，對各種異常情況要及時向主站報告，配合完成電力自動化工作，建設堅強電網。為了完成系統需要的各種復雜功能，集中器需要采用32位ARM9微處理器。為了提高軟件的可移植性、穩定性，便于軟件的開發、升級、維護等工作，提高系統多任務處理能力，系統設計應該優先使用開放、可靠的軟件平臺，如Linux平臺＋sqlite嵌入式數據庫。

1 系統總體設計

集中自動抄表是指采用多種通信、計算機等技術，通過集中器自動采集和處理電能表數據，然后通過GPRS專網或電力專網將信息傳至電力公司服務器，由服務器對數據進行顯示、存儲、打印、生成報表等各種綜合業務處理。集中抄表系統主要組成有：主站、集中器、電能表。其中，電能表和集中器之間的通信可以通過載波與RS－485兩種方式進行數據通信，集中器與服務器主要通過GPRS網絡進行數據傳輸。集中抄表系統的結構框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，集中器位于系統中心位置，工作狀態下微處理器（AT91SAM9260）作為集中器的控制中心，在軟件邏輯的驅動下，對其負責的臺區按內置業務邏輯讀取各個電能表的各種數據（如電量、時間、報警信息等），并進行數據存儲、分析、生成各種凍結報表；當集中器發現有電能表數據存在異常時將及時報告主站，當主站進行數據召測時及時將集中器內存儲的各種數據交給主站進行處理。而當主站想要主動召測指定電能表的數據時，集中器作為信道轉換器使用，將通過GPRS網絡下發的主站數據請求幀經過協議轉換后轉發到指定電能表，收到電能表回復后，再提取出電能表返回數據幀中的有效數據并封裝成主站能夠識別的數據幀回復給主站，完成數據交換過程。

圖1 多對象自動抄表系統的結構框圖

2 集中器硬件設計

2.1 集中器硬件平臺設計

本系統選用ARM9芯片AT91SAM9260，它是基于ARM926EJ－S架構的32位微處理器，具備8KB指令以及8KB數據緩存。集中器系統硬件平臺設計如圖2所示。硬件平臺包括嵌入式處理器的選型、時鐘電路、電源電路、復位電路、外圍存儲器擴展、LCD、通信接口電路等。微處理器是集中器的核心，數據的采集、處理與傳送都是在微處理器的控制下進行。

圖2 集中器硬件平臺設計

系統時鐘為集中器定時抄表提供時間標準；電源電路為集中器系統提供穩定電源；看門狗模塊的設計保證系統的可靠運行，防止系統死機；數據存儲器主要用于存儲參數、變量、集中器參數、智能表的參數，以及智能表用量。上行信道即集中器與主站之間的通信線路，采用GPRS模塊或以太網模塊進行通信；下行信道即集中器與電能表之間的通信，采用RS－485總線或載波進行通信。

集中器通過載波模塊抄收下行信道上的電能表數據，然后交由CPU進行處理、解析。解析后將數據存儲到存儲器上，系統中存儲的數據能夠在液晶面板上進行顯示，顯示菜單的切換通過按鍵動作控制。同時，集中器可以通過GPRS模塊與主站進行數據交換。系統時鐘精度要求每天時差不超過1s，所以系統中需要專用的時鐘芯片進行計時。為了對集中器進行本地控制，系統提供了紅外通信口、RS－232接口、RS－485接口。系統的電源供應由電源管理模塊提供，電能量信息的采集通過電壓、電流互感器變換后接入專用的計量芯片，計量芯片處理后結果交微處理器進行二次處理。

2.2 高可靠RS－485通信電路設計

普通RS－485通信電路存在以下問題：

①RS－485電路存在阻抗匹配問題，降低了RS－485線路的兼容性，RS－485接口芯片在使用、焊接或設備的運輸途中都有可能受到靜電的沖擊而損壞。

② 在傳輸線架設于戶外的使用場合，接口芯片乃至整個系統還有可能遭到雷電的襲擊。

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RS－485阻抗匹配電路如圖3所示。該方案能夠有效地解決RS－485線路的兼容性以及抗雷擊和抗靜電沖擊問題。電路中主要器件的作用為：光耦U1／U2起安全隔離作用，防止RS－485總線上的高電壓信號（如雷擊等）傳導到CPU端造成系統損壞；SN65LHVD3082EDR是RS－485收發器，具有低功耗關斷模式；PT2／PT3為熱敏電阻，TVS6為壓敏電阻（擊穿電壓680V），這三個器件相互配合能起到防雷作用，當RS－485總線上遭遇雷電沖擊時，由于雷電電壓遠遠高于TVS6的擊穿電壓，導致TVS6瞬間擊穿，擊穿后TVS6的電流急劇增加，電流增加后導致熱敏PT2／PT3阻值迅速增大，進而限制電流的增加，從而防止因為電流增大而燒毀TVS6。這樣當雷擊過后，RS－485總線上電壓恢復正常，熱敏PT2／PT3阻值減低到常態阻值，TVS6重新斷路，系統恢復正常工作。

3 集中器的軟件設計

圖3 RS－485接口電路

集中器的主要功能分兩部分：一是通過以太網或GPRS模塊連接到主站上，與主站進行數據交換；二是通過RS－485端口或載波端口進行抄表。其中主要難點是GPRS通信控制與載波抄表控制。

3.1 集中器各模塊的軟件設計

3.1.1 集中器主程序的設計

在多對象遠程抄表系統中，集中器的主要作用是通信，它是電能表和主站之間進行信息交換的橋梁和紐帶，而集中器與主站之間的主要通信信道為GPRS網絡。因此網絡通信模塊設計的重點在于GPRS模塊的通信控制。

GPRS網絡控制流程的主要工作如下。首先，啟動后查詢數據庫獲取聯網方式、主站IP地址、端口、APN等信息。如果是GPRS聯網方式，則初始化GPRS模塊，初始化工作有一系列AT指令控制，具體過程不同廠家有所差別，大致過程是：檢測模塊、設定控制參數、設定網絡參數、發起聯網、發送數據、接收數據。

整個網絡控制流程根據業務要求分為正常網絡過程與FTP升級過程兩部分。正常網絡過程中，集中器需要每隔一段時間向主站發送一個心跳幀以維持在線狀態，同時，當有主站數據到來時，負責接收GPRS模塊數據，并對數據進行解析，提取出376.1協議幀交376.1解析模塊處理，處理后再將結果返回主站。FTP升級流程為：集中器收到FTP升級命令后，根據命令登錄到指定FTP服務器，然后下載升級文件，升級文件下載完成后執行升級，升級完成后報告主站升級情況。由于GPRS網絡的不穩定性，所以，FTP升級過程必須做好容錯處理，保證能夠進行斷點續傳。同時，如果升級失敗不可以改變原集中器狀態。GPRS流程框圖如圖4所示。

圖4 GPRS流程框圖

3.1.2 集中器載波抄表程序的設計

由于載波抄表流程是異步執行的，為了簡化程序邏輯，整個抄表過程分三個線程控制：

①載波控制線程。進行載波初始化工作，接收其他線程的各種邏輯命令，并將邏輯命令翻譯為載波模塊對應的特定格式命令，可以看作載波驅動程序。

② 抄表控制線程。該線程為抄表業務邏輯控制層，根據客戶要求制定抄表邏輯，并根據抄表邏輯自動控制抄表過程。

③ 數據異步接收、解析線程。該線程負責載波模塊異步數據的接收工作，并根據解析情況控制抄表控制線程的進度，同時，解析后的數據要進行存儲。

載波抄表流程圖如圖5所示。

圖5 集中器載波抄表流程圖

為了支持載波模塊的熱插拔和集中器地址改變，程序中每隔一段時間就將當前載波模塊主節點地址、集中器地址與數據庫中的記錄進行比較，如果發現載波模塊主節點地址或集中器地址有任意一個發生改變，就將載波模塊初始化，保證載波模塊的正常工作。

結 語

通過廣泛的調查、研究、比較、反復的規劃之后，完成了多對象遠程抄表系統集中器的設計。多對象集中器的設計借鑒了市場上其他產品的研究成果，采用高性能的ARM9微處理器自行設計，解決了人工抄表效率低、錯誤率高的問題，滿足了電力系統對抄表快捷性、準確性的要求，具有很高的實用價值和推廣價值。

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