基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的設計

張立新（河南許繼儀表有限公司，河南　許昌　461000）

?

基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的設計

張立新
（河南許繼儀表有限公司，河南許昌461000）

從硬件設計和軟件設計兩個角度進行基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的設計分析，目的在于驗證PROFIBUS技術在電表通信中的可行性，滿足基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的功能需求和性能需求。

PROFIBUS；嵌入式智能電表；設計

從協議結構的角度來了解PROFIBUS，其是在基于ISO7498國際標準的基礎上借助開放式系統互聯網作為參考模型。此次研究的最終目的在于實現基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的功能需求和性能需求。其中，功能需求包含電能計量功能、時間功能、通訊功能、組態設置功能等，性能需求包含能夠確保監控軟件的實時性等［1-3］。

1　基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的硬件設計

1.1模塊設計

1.1.1電源。由于電源的穩定性直接關系到整個智能電表工作的穩定性，因此這個方面的設計十分重要。此次研究的智能電表三相電在變壓器降壓后最后輸出的電壓3.3V，其次考慮到電力中斷的情況，在設計的過程中建議采用6V電壓的環保鋰電池作為后備供電電池。

1.1.2計量。為了保證在各種負載條件和各種電源質量下，能夠精準地計量有功電能量，充分考慮到此次研究想要達到的結果，擬采用具有計量功能的芯片SOC芯片71M6513H，選擇該型號芯片的目的不僅是因為該芯片展現出良好的測量功能，還具備實時時鐘功能，能夠實現在超過2 000∶1動態范圍內，將有功計量精度誤差控制在0.1%Wh，CT相位補償±7°。超過20個通用I/O接口，支持六路傳感器輸入等強大功能。關于電壓電流采樣電流設計，此次設計的額定輸入電壓220V，額定輸入電流1.5A，由于此次選擇的電表屬于大電壓和大電流，想要與計量芯片連接，就需要進行電路轉換，或者可以采用大電阻分壓的方式。另外，也可以采用電阻分流的方式實現大電流轉換成小電流。

1.1.3計量芯片外圍電路設計。芯片外界振蕩頻率為32.768KHZ的石英晶振作為振蕩器，通過按鍵選擇不同通信方式。將CPU與芯片采用12C連接的方式，再結合系統軟件實現IIC通信。

1.1.4實時時鐘電路設計。只有一個可靠的時鐘基準智能電表，才能夠實現負載曲線記錄、分時計價、需求側響應等功能。因此，需要設計一款穩定性高的時鐘電路。此次研究擬采用某公司生產的實時時鐘芯片DS32KHZ。

1.1.5通信電路設計。在此次設計中，利用相關技術本次設計的智能電表能夠實現PROFIBUS-DP協議通信功能（采用DP9針接口方式），還支持MODBUS協議通信（采用異步RS485通信接口）。在這個過程中，為了避免芯片在發生故障時被總線影響，需要采取措施將其隔離，還需要考慮到線路浪涌的影響，可以在合適位置跨接抑制器二極管。

1.1.6按鍵電路設計。設計智能電表4個按鍵，完成上翻、下翻、確定、推出功能。

1.1.7存儲電路設計。考慮到智能電表需要存儲的數據量較大，為了滿足智能電表的存儲需求，此次設計采用某公司生產的串行接口的FLASH存儲器。關于顯示電路的設計，采用LCD完成顯示。

1.2通信模塊

①單片機的外圍電路設計，單片機使用80C51芯片。關于PROFIBUS通信電路的設計，擬采用某公司的SPC3協議芯片，該芯片能夠有效減輕處理器壓力。

②基于PROFIBUS與主控芯片的接口設計，通過串口并經光耦隔離與主控芯片連接。

2　基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的軟件設計

2.1基于PROFIBUS的通信模塊軟件設計

第一步，建立一個PROFIBUS地址與MODBUS地址的映射關系；第二步，將PROFIBUS數據輸入區域與輸出區域設置為5字節的全部輸入輸入；第三步，將電表中的MODBUS協議打包放在PROFIBUS協議幀數據區中。在完成第三步之前，需要對智能電表從站資源進行定義。另外，考慮到需要抄讀電表數據以及設置電表參數，可以采用模塊性從站設定的方式，將電能表數據類型分為瞬時量模塊、電能量模塊、儀表參數讀模塊、儀表參數寫模塊、儀表參數讀與儀表參數寫模塊。PROFIBUS主站鞥能夠從上述的5個模塊中通過設置起始地址等選擇自身需要的變量。最后，PROFIBUS通信模塊的軟件設計主要包含SPC3S的初始化、中斷處理以及通訊數據的接收和發送。

2.2時鐘模塊的軟件設計

時鐘模塊程序流程包含開始→是否到1s→時間處理→一些和時鐘有關的處理→串口無法接受數據23h→初始化串口→是否1h→保持電量→結束。

2.3計量模塊的軟件設計

關于計量模塊的設計，需要從兩方面進行，從主控芯片入手，得到有功功率、電壓/電流有效值等的計量值，又或者是芯片對電量的讀取與處理，具體流程包含開始→秒電量計算標志→按有功功率計算發脈沖的變量值→啟動潛動函數→均分電量，有功脈沖用→電量累加→結束。其中，主控芯片需要完成對主/備份存儲區電量的讀取，流程為開始→從主存儲區讀取電量數據→CSC是否正確→錯誤次數+1→錯誤次數大于3→從備份存儲區讀取電量數據→CSC是否正確→錯誤次數+1→錯誤次數大于3→初始化電量數據。

2.4存儲電量

針對在軟件設計過程中的掉電存數，考慮到各種故障發生的可能性。因此，設計了存儲電量的方式，不僅避免電量丟失，又能夠保證計算的準確性。

3　結語

我國在電力系統方面提出了堅強智能電網的發展規劃，在目前我國良好的電力行業發展現狀的基礎上，對智能電表提出了新的要求。該文在基于PROFIBUS總線技術的基礎上，綜合性考慮智能電表的性能需求與成本控制，在減少開發周期、提高系統可靠性的基礎上，設計了一款具有PROFIBUS通訊功能的智能電表。

［1］靜恩波.基于嵌入式系統的智能電表設計與研究［J］.低壓電器，2011（3）：26-30.

［2］孟珺遐，朱寧輝，白曉民，等.基于DL/T645—2007協議的智能電表嵌入式通信軟件研發［J］.電網技術，2010（9）：7-12.

［3］劉金碩，王謝兵，鄭穩，等.嵌入式智能電表中的反匯編關鍵問題分析［J］.計算機應用，2014（12）：3507-3510，3514.

Design of Embedded Intelligent Electric Meter Based on PROFIBUS

Zhang Lixin
（Henan XJ Instrument Co.Ltd.，Xuchang Henan 461000）

From two aspects of hardware design and software design，intelligent embedded meter design based on PROFIBUS was analyzed，for the purpose of verification of Profibus Technology in electric meter communication feasibility，to satisfy the function and performance requirements of embedded intelligent meter based on PROFIBUS.

PROFIBUS；embedded smart meter；design

TM933.4

A

1003-5168（2016）04-0076-02

2016-03-24

張立新（1985-），男，碩士，研究方向：電表設計。