基于LPC1768的低壓抄表集中器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

林 勇

（陜西理工學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西漢中 723001）

基于LPC1768的低壓抄表集中器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

林 勇

（陜西理工學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西漢中 723001）

針對農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)場條件復(fù)雜，電力線載波抄表效率低下的情況，從硬件和軟件兩方面提出了一種基于LPC1768的自動(dòng)抄表集中器的設(shè)計(jì)思路，硬件部分重點(diǎn)闡述了提高系統(tǒng)可靠性的電路設(shè)計(jì)，外擴(kuò)存儲(chǔ)器的規(guī)劃設(shè)計(jì)，以及GPRS模塊、載波模塊接口和RS-485接口設(shè)計(jì)，軟件上給出了雙MCU通信的程序設(shè)計(jì)思路和自動(dòng)中繼抄表算法的實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)際安裝測試表明，該集中器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，自動(dòng)中繼算法應(yīng)用效果明顯。

Cortex-M3;遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表;集中器;電力線載波通信;中繼

0 引言

近些年來，國家電網(wǎng)努力推進(jìn)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)，并伴隨著電子、計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)的高速發(fā)展，國內(nèi)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)發(fā)展十分迅速。集中器作為自動(dòng)抄表系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，目前，國內(nèi)對其進(jìn)行通信技術(shù)方面、嵌入式解決方案及功能實(shí)現(xiàn)方面的研究［1］。在集中器設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)已有的大多數(shù)方案都很好地解決了功能實(shí)現(xiàn)的問題，但由于在電表抄收的通信方面(尤其在載波通信方面)沒有進(jìn)行有針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用效果往往不甚理想。

本文以國家電網(wǎng)公司相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為參考，以高性能嵌入式微控制器LPC1768為核心，針對農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用現(xiàn)場，設(shè)計(jì)了一款低壓電力用戶抄表集中器。此集中器以較低的硬件成本，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用所需的全部功能，且較好地完成了電表抄收率要求。

LPC1768是NXP公司基于Cortex-M3 R2修訂版內(nèi)核的MCU，主頻高達(dá)100 MHz，是一款工業(yè)級(jí)芯片，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，性能穩(wěn)定可靠。它支持低功耗模式、中斷喚醒控制器;內(nèi)部具備512 KB FLASH存儲(chǔ)器，64 KB SRAM存儲(chǔ)器;集成Ethernet MAC控制器、12M全速USB Host接口、3路I2C接口、3路SSP/SPI接口、4個(gè)UART接口等。這些特性使其非常適合本文所設(shè)計(jì)的集中器。

1 低壓集中抄表系統(tǒng)

低壓集中抄表系統(tǒng)一般指面向居民用戶的自動(dòng)抄表系統(tǒng)，其典型的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示［2］。從圖中可以看出，整個(gè)低壓集中抄表系統(tǒng)主要由主站管理系統(tǒng)、集中器、采集器和電能表組成。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)設(shè)備的安裝環(huán)境或其他因素，在集中器的上、下行信道均可選擇適合的一種通信方式或多種通信方式混合使用。本文設(shè)計(jì)的集中器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場條件，上行信道選擇GPRS通信方式，下行信道選擇低壓電力線載波通信方式，同時(shí)也通過RS-485總線抄收臺(tái)區(qū)總表的數(shù)據(jù)。

圖1 低壓集抄系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 集中器設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

集中器可具備交流模擬量采集功能［3］(相當(dāng)于一個(gè)三相多功能電能表)，用以實(shí)現(xiàn)公變電能計(jì)量，在本設(shè)計(jì)中不作要求，只留出擴(kuò)展位置和接口。實(shí)際硬件設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免高壓與低壓、模擬與數(shù)字部分相互干擾，整個(gè)集中器分為上下兩個(gè)電路板，上層電路板為主控電路板，下層電路板為電源、交流采樣和繼電器控制電路板。下層電路板為上層電路板提供電源，并將交流采樣接口信號(hào)及繼電器控制接口信號(hào)通過排針與上層電路板相連。

上層主控電路板的主要硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，整個(gè)主控板以LPC1768為核心，包括載波模塊接口(用于插接載波模塊實(shí)現(xiàn)和載波電能表的通信)、RS-485接口(用于連接具有485接口的電能表或作為集中器的級(jí)聯(lián)接口)、GPRS模塊接口(通過插接GPRS模塊實(shí)現(xiàn)和主站通信)、紅外接口(用于和手持設(shè)備通信的本地調(diào)試接口)、本地調(diào)試用RS232串口、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用的外部存儲(chǔ)器件、按鍵和液晶顯示屏(用于電能數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置等功能)、ESAM安全模塊(用于保障關(guān)鍵數(shù)據(jù)通信安全)、看門狗和實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等，另外還有本設(shè)計(jì)不實(shí)現(xiàn)而只留出擴(kuò)展位置的以太網(wǎng)接口和 USB 接口［4-6］。

整個(gè)集中器在MCU的控制下，通過RS-485總線或載波模塊實(shí)現(xiàn)下掛電能表電能數(shù)據(jù)的定時(shí)或?qū)崟r(shí)采集，并實(shí)時(shí)接收來自GPRS的主站命令，同時(shí)根據(jù)需要將參數(shù)或電表數(shù)據(jù)存入外部存儲(chǔ)器中。由于集中器所需實(shí)現(xiàn)的功能較多，在主控板的MCU部分我們加了一個(gè)輔助MCU，它是NXP公司的基于Cortex-M0的處理器——LPC1114。主MCU和輔MCU之間通過SPI總線通信，主MCU控制輔MCU實(shí)現(xiàn)一些簡單的I/O功能，如蜂鳴器報(bào)警、通信模塊類型識(shí)別等。除此之外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了開蓋檢測，電池欠壓檢測和系統(tǒng)掉電檢測，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視外部的異常情況，對檢測到的異常情況進(jìn)行相關(guān)記錄，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖2 主控板硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 電源電路的基本結(jié)構(gòu)

集中器使用交流三相四線供電，在斷一相或兩相電壓的條件下，交流電源也能維持集中器正常工作和通信。為了減小電源的體積從而減輕集中器的重量，我們采用開關(guān)電源對交流市電進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換之后的電源分三路經(jīng)LDO芯片輸出供給上層主控板:一路供給載波模塊，第二路供給RS-485通信電路，第三路供給MCU及其外圍的所有其他電路，三路電源相互隔離。為了保證電源的穩(wěn)定性和抗干擾性，以滿足EMC測試要求，我們在電源的輸出部分串聯(lián)了磁珠，用于抑制電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，另外還并聯(lián)了瞬態(tài)電壓抑制二極管，用于將輸出電壓限定在安全的幅度內(nèi)。

2.1.3 存儲(chǔ)模塊規(guī)劃設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在MCU外部擴(kuò)展了I2C總線接口的E2PROM及SPI接口的FLASH，E2PROM及FLASH的型號(hào)可根據(jù)實(shí)際所需存儲(chǔ)容量的大小進(jìn)行選擇［7］，每種分別可擴(kuò)充8片，故整個(gè)存儲(chǔ)模塊的容量具有較大的彈性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［3］要求，集中器需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要有:集中器參數(shù)、電表檔案信息、普通表歷史數(shù)據(jù)、總表歷史數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)等。另外，還需存儲(chǔ)自動(dòng)抄表中繼路徑信息。在對各類數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及兩種存儲(chǔ)器的特性進(jìn)行綜合考慮后，做出如下安排:在E2PROM中主要存儲(chǔ)集中器參數(shù)、電表檔案信息、事件記錄數(shù)據(jù)和中繼路徑信息，而在大容量的FLASH中存儲(chǔ)電表的歷史數(shù)據(jù)(包括普通表和總表的)。對于E2PROM以方便各類數(shù)據(jù)存取為原則進(jìn)行存儲(chǔ)區(qū)域劃分，對于FLASH芯片，為了避免頻繁擦寫而造成其壽命降低，盡量以扇區(qū)或塊為單位進(jìn)行存儲(chǔ)區(qū)域劃分［8-9］。在本設(shè)計(jì)中，我們根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算各類數(shù)據(jù)所需存儲(chǔ)容量，劃分各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，計(jì)算總存儲(chǔ)空間大小，最后擴(kuò)展了1片型號(hào)為ST24512的E2PROM芯片及1片型號(hào)為SST25VF064C的FLASH芯片。

2.1.4 GPRS 模塊及接口設(shè)計(jì)

GPRS模塊是集中器與主站通信的上行信道通信模塊，載波模塊是集中器抄收下掛電表或采集器的下行信道通信模塊，它們都是以模塊的形式插接在對應(yīng)的接口上。載波模塊接口處的信號(hào)與主控板對應(yīng)信號(hào)之間用光耦NEC2501進(jìn)行了隔離，GPRS模塊接口處的信號(hào)和MCU之間通過74LV245芯片進(jìn)行連接，這些設(shè)計(jì)都是為了實(shí)現(xiàn)接口保護(hù)，以提高集中器的可靠性。

RS-485接口在實(shí)現(xiàn)時(shí)為了增強(qiáng)抗干擾能力，用光耦進(jìn)行了隔離，在485芯片輸出部分加了熱敏電阻和瞬態(tài)二極管，提高抗過壓、抗過流能力，增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性，電路如圖3所示。

圖3 RS-485接口電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件的總體設(shè)計(jì)

本集中器軟件基于RealView MDK開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，分為主MCU(LPC1768)程序和輔MCU(LPC1114)程序兩部分［10-11］。主MCU程序移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)管理功能。根據(jù)集中器的功能要求與實(shí)際需求情況，本集中器主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)抄表、實(shí)時(shí)抄表命令的響應(yīng)、路由查詢和更新、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等功能。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，主要設(shè)計(jì)以下幾個(gè)方面的任務(wù)。

(1)監(jiān)視任務(wù)。監(jiān)視任務(wù)具有最高的優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)運(yùn)行后，由它進(jìn)行初始化，并負(fù)責(zé)監(jiān)視其他任務(wù)的運(yùn)行以及看門狗“喂狗”。

(2)實(shí)時(shí)響應(yīng)任務(wù)。主要用于響應(yīng)主站下發(fā)的命令，包括數(shù)據(jù)接收和發(fā)送任務(wù)，協(xié)議解析任務(wù)。

(3)GPRS管理任務(wù)。負(fù)責(zé)GPRS模塊的初始化、通信鏈路的連接;接收主站下發(fā)的請求報(bào)文，并發(fā)送信號(hào)量給實(shí)時(shí)響應(yīng)任務(wù)，由實(shí)時(shí)響應(yīng)任務(wù)進(jìn)行協(xié)議解析、命令執(zhí)行等操作;當(dāng)沒有下發(fā)報(bào)文時(shí)，根據(jù)需要主動(dòng)向主站發(fā)送登錄、心跳、重要事件、級(jí)聯(lián)終端上行報(bào)文。

(4)定時(shí)抄表任務(wù)。依據(jù)設(shè)置的定時(shí)時(shí)間參數(shù)，定時(shí)抄讀所有電表的各類凍結(jié)數(shù)據(jù)，并根據(jù)事件條件統(tǒng)計(jì)處理凍結(jié)數(shù)據(jù)，形成記錄。

(5)液晶顯示任務(wù)。和按鍵部分相配合，負(fù)責(zé)集中器當(dāng)前通信方式、當(dāng)前工作狀態(tài)及電能數(shù)據(jù)等的顯示和集中器常用參數(shù)的設(shè)置，提供可視化人機(jī)接口。

(6)路由搜索任務(wù)。根據(jù)設(shè)置的自動(dòng)中繼抄表算法，進(jìn)行中繼路徑存儲(chǔ)區(qū)的更新維護(hù)。

2.2.2 雙MCU通信的實(shí)現(xiàn)

主MCU和輔MCU通過SPI總線進(jìn)行通信，在輔MCU實(shí)現(xiàn)的功能包括:電源LED控制、告警LED控制、蜂鳴器控制、通信模塊類型識(shí)別、電池電量檢測、開蓋檢測等。正常運(yùn)行狀態(tài)下主MCU和輔MCU都處于SPI從機(jī)模式，當(dāng)有一方有信息要發(fā)送時(shí)，則該方主動(dòng)轉(zhuǎn)換為主機(jī)模式而發(fā)起通信［12-14］。為了保證正確可靠的傳輸，定義了簡單的通信協(xié)議，協(xié)議幀格式只包括功能碼和操作碼兩字節(jié)，接收的從機(jī)根據(jù)功能碼和操作碼完成對應(yīng)的操作，并回復(fù)確認(rèn)幀［15］。協(xié)議幀格式的部分具體定義見表1。雖然大部分情況下是主MCU主動(dòng)發(fā)起通信，但為了避免小概率情況下雙方同時(shí)發(fā)起通信而引起沖突，規(guī)定:一方在發(fā)起通信時(shí)要先檢測SPI接口是否處于接收忙狀態(tài)或者SPI緩沖區(qū)有無數(shù)據(jù)。

表1 協(xié)議幀格式部分定義

2.2.3 自動(dòng)中繼抄表算法的實(shí)現(xiàn)

本集中器在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)主要是通過電力線載波模塊抄收下掛電能表數(shù)據(jù)。由于電力網(wǎng)絡(luò)的阻抗時(shí)變性、衰減特性及較大的噪聲干擾，造成電力載波通信的通信質(zhì)量和通信距離很不穩(wěn)定。為了保證整個(gè)抄表系統(tǒng)在一天24 h都能有一個(gè)穩(wěn)定的較高的抄收率，需要在集中器的程序設(shè)計(jì)中加入可靠的中繼路由算法。為了減少現(xiàn)場調(diào)試的人力成本，本設(shè)計(jì)引入了自動(dòng)中繼算法，我們將樸素自動(dòng)中繼算法——無窮搜索法作為備用算法，另外引入具有中繼約束條件的自動(dòng)中繼算法。前者以已抄得的載波表為基礎(chǔ)逐個(gè)逐級(jí)測試出有效的中繼路徑，費(fèi)時(shí)較長，效率較低;后者以前者為基礎(chǔ)，在選擇載波表作為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)加入了中繼約束條件，可以大大縮短尋找中繼路徑的時(shí)間。

中繼約束條件包括線路編號(hào)、相序類別和表箱編號(hào)，同一線路編號(hào)、相序類別的電表可以相互作為中繼，同一表箱號(hào)的電表一般不互為中繼，具體的算法描述可以參考文獻(xiàn)［16］。本設(shè)計(jì)中，我們在E2PROM開辟了一片路徑存儲(chǔ)區(qū)，具體分為以下五個(gè)區(qū):無路徑區(qū)、一級(jí)路徑區(qū)、二級(jí)路徑區(qū)、三級(jí)路徑區(qū)和死區(qū)。無路徑區(qū)存放集中器可以直接抄到的表號(hào)，一級(jí)路徑區(qū)存放可以通過無路徑區(qū)電表抄到的表號(hào)及對應(yīng)的中繼表號(hào)，類似地，二級(jí)、三級(jí)路徑區(qū)存放可通過前一級(jí)路徑區(qū)電表抄到的表號(hào)及其對應(yīng)的中繼表號(hào)，死區(qū)為通過三級(jí)路徑也無法抄到的表號(hào)。集中器可以根據(jù)實(shí)際需要選擇在抄表時(shí)段以外的時(shí)間對該路徑存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行維護(hù)，也可以選擇在抄表過程中更新路徑存儲(chǔ)區(qū)。整個(gè)抄表算法為動(dòng)態(tài)的中繼路由算法，只要電表參數(shù)信息錄入正確，集中器可以自適應(yīng)的跟隨現(xiàn)場安裝情況的變化。圖4為自動(dòng)搜索一級(jí)中繼流程圖。

3 現(xiàn)場安裝與測試

本文設(shè)計(jì)的集中器在陜西地區(qū)一農(nóng)村現(xiàn)場臺(tái)區(qū)進(jìn)行了實(shí)際安裝和測試，該臺(tái)區(qū)安裝有167塊單相載波電能表，由于地處農(nóng)村，電能表安裝位置相對比較分散，3或4個(gè)電能表共用一個(gè)表箱裝在一根電線桿上，電線桿與電線桿之間的平均距離在40 m左右。該臺(tái)區(qū)輸電線路東西跨度18根電線桿，南北跨度9根電線桿，我們盡量將集中器安裝在離變壓器不遠(yuǎn)的接近臺(tái)區(qū)中心的位置，以盡可能提高集中器直接抄回的電表的數(shù)量。另一方面，農(nóng)村地區(qū)線路電壓波動(dòng)幅度較大、現(xiàn)場安裝環(huán)境防雷措施不足等因素，對于集中器來說是一個(gè)比較大的考驗(yàn)。然而經(jīng)過較長階段的測試發(fā)現(xiàn)，集中器絕大多數(shù)時(shí)間都能正常工作，并能穩(wěn)定地上送電能數(shù)據(jù)。另外，還對中繼算法進(jìn)行了實(shí)際對比測試，圖5為集中器在三種程序配置下各自一天的抄收率曲線圖，測試數(shù)據(jù)是在后臺(tái)主站軟件以整點(diǎn)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的。由圖5可以看出，加入了中繼約束條件的自動(dòng)中繼算法所得到的抄收率更高并且更加穩(wěn)定。

圖4 自動(dòng)搜索一級(jí)中繼流程圖

圖5 中繼算法測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本系統(tǒng)以LPC1768為核心，外擴(kuò)存儲(chǔ)器可根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行配置，加入增強(qiáng)硬件系統(tǒng)可靠性的電路設(shè)計(jì)，抄表程序采用自動(dòng)中繼算法，這些特性使得本設(shè)計(jì)具有硬件成本低、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、抄收性能良好的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用也表明，本集中器運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，適用于低壓載波集中抄表系統(tǒng)。

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Design and Application of Meter Reading Concentrator Based on LPC1768

LIN Yong
(School of Mathematics and Computer Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China)

In order to deal with the situation of complicated rural field condition and low success rate of electricity meter reading system through power line communication，this article introduces a design of meter reading concentrator based on one MCU，LPC1768 from hardware and software.In hardware，a flexible external storage and GPRS module，carrier module and RS485 interface were added to the system to improve the circuit reliability.A program based on two MCU structure and automatic relay algorithm was designed in software.Actual applications showed that the concentrator is reliable and strong anti-jamming，the automatic relay algorithm works well.

Cortex-M3;auto meter reading;concentrator;power line carrier communication;relay

TP 274.2

A

1006－7167(2014)05－0087－04

2013－06－06

陜西省教育廳專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(12JK0970)

林 勇(1977－)，男，四川廣安人，碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail:linyong770917@163.com