基于ATmega128和μC/OS-Ⅱ的電力載波集中器的設(shè)計(jì)

馬勇（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽712000）

基于ATmega128和μC/OS-Ⅱ的電力載波集中器的設(shè)計(jì)

馬勇
（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽712000）

中國智能電網(wǎng)發(fā)展的第一步是進(jìn)行國家電網(wǎng)“電力用戶用電信息采集系統(tǒng)”的建設(shè)，自動(dòng)抄表技術(shù)是該系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵，而在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，集中器充當(dāng)代理服務(wù)器的角色，對整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》集中抄表終端技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)了以ATmega128芯片為硬件核心，以μC/OS-Ⅱ?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有GPRS和電力線載波功能的集中器系統(tǒng)。測試結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行正常，可以滿足規(guī)范對于集中器系統(tǒng)的相關(guān)要求，性能穩(wěn)定。該系統(tǒng)對于其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)也有一定參考價(jià)值。

自動(dòng)抄表；集中器；電力線載波；GPRS；數(shù)據(jù)采集

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對電力需求越來越大，我國的電網(wǎng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。依靠現(xiàn)代技術(shù)，積極發(fā)展建設(shè)智能電網(wǎng)，適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求，已經(jīng)成為電力工業(yè)積極應(yīng)對挑戰(zhàn)的共同選擇。中國智能電網(wǎng)發(fā)展的第一步是進(jìn)行國家電網(wǎng)公司“電力用戶用電信息采集系統(tǒng)”的建設(shè)，自動(dòng)抄表技術(shù)是該系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵，而在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，集中器充當(dāng)著代理服務(wù)器的角色，起著承上啟下的作用，對整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義。

自動(dòng)抄表，是利用自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)及通訊等技術(shù)，通過專用設(shè)備對表計(jì)進(jìn)行讀取及數(shù)據(jù)處理的過程。國內(nèi)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要包括：主站、通信信道、采集終端、電能表4部分，如圖1所示。

圖1　自動(dòng)抄表系統(tǒng)Fig.1Automatic meter reading system

其中數(shù)據(jù)采集終端中最主要的部分是集中器。集中器是指收集各采集終端或電能表的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理儲(chǔ)存，同時(shí)能和主站或手持設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備。集中器就是主站與電能計(jì)量設(shè)備之間的橋梁，在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中起著不可或缺的作用。目前市場上存在著各類集中器，但是缺乏符合2009年國家電網(wǎng)用電信息采集規(guī)范的產(chǎn)品，所以設(shè)計(jì)出一款符合2009年國網(wǎng)采集規(guī)范的集中器，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1　相關(guān)理論與技術(shù)

1.1電力線載波通信技術(shù)

電力線載波，簡稱PLC，是利用電力線進(jìn)行載波通信的一種有線通信方式。電力線載波通信與其他通信方式相比，能充分利用現(xiàn)有的電力線資源，即利用電力線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。近十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，電力載波技術(shù)得到迅速的發(fā)展，載波技術(shù)由模擬式發(fā)展為數(shù)字式，成為通信技術(shù)的又一個(gè)熱點(diǎn)。

1.2ATmega128微控制器

ATmega128是一款基于AVR內(nèi)核，采用RISC結(jié)構(gòu)的CMOS 8位微控制器，數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)1 MIPS/ MHz，在電源電壓2.7～5.5 V范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定工作，內(nèi)置具有數(shù)據(jù)記憶功能的128 kB Flash程序存儲(chǔ)器，4 kB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4 kB的SRAM內(nèi)部存儲(chǔ)器，2個(gè)可編程串行USART等，可通過JTAG接口進(jìn)行編程調(diào)試。

2　集中器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)任何一個(gè)嵌入式設(shè)備之前，明確它的功能是非常必要的。

根據(jù)Q/GDW_374.2-2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范：集中抄表終端技術(shù)規(guī)范》，本集中器系統(tǒng)的主要功能如下。

2.1采集功能

集中器將根據(jù)設(shè)置方式，采集各用戶電表的日歷史電量、月歷史電量、實(shí)時(shí)電量以及關(guān)口表的視在功率。本集中器下轄120個(gè)采集器，每個(gè)采集器下轄8個(gè)用戶電表，最多可采集960戶的電量數(shù)據(jù)。

2.2設(shè)置及控制功能

集中器可根據(jù)主站的命令設(shè)置主站IP及端口號(hào)等參數(shù)，可以對用戶進(jìn)行用電控制。

2.3通信功能

集中器采用無線GPRS，電力載波等通訊方式，可接收主站命令及相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)命令對各戶電表進(jìn)行采集及控制。

2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

集中器存儲(chǔ)有采集的各種電量數(shù)據(jù)及主站編號(hào)、集中器編號(hào)、主站IP地址、視在功率越限閾值等參數(shù)。

2.5心跳及上報(bào)功能

為了監(jiān)測所有集中器的工作狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，集中器每隔一段時(shí)間就主動(dòng)向主站發(fā)送一個(gè)心跳報(bào)文。集中器還可以向主站報(bào)關(guān)口表現(xiàn)出視在功率越限情況。

2.6校時(shí)功能

集中器可通過主站進(jìn)行系統(tǒng)校時(shí)，調(diào)整時(shí)間誤差，也可對采集器進(jìn)行廣播校時(shí)。

2.7本地功能

集中器具有本地狀態(tài)指示燈，指示電源、運(yùn)行、通信等狀態(tài)，具有本地維護(hù)接口JTAG，可對本地軟件進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)。

2.8終端維護(hù)

集中器接收到復(fù)位命令，可對集中器進(jìn)行初始化。

2.8.1集中器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集中器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括3個(gè)模塊，集中器模塊，GPRS收發(fā)器，載波模塊。集中器既是主站的從機(jī)，又是采集器的主機(jī)，其軟硬件設(shè)計(jì)相對要求較高，必須能保證整個(gè)采集系統(tǒng)的安全性和可靠性。集中器的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　集中器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2Concentrator system structure diagram

集中器模塊是集中器系統(tǒng)中的核心部分，數(shù)據(jù)采集、處理、儲(chǔ)存與傳送以及對各戶電表用電控制都在集中器模塊控制下進(jìn)行。集中器模塊的主控MCU是ATmega128。通過RS485、RS232分別與載波模塊和GPRS收發(fā)器通信。

GPRS收發(fā)器用于登入GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)集中器和主站間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。本GPRS模塊采用的GPRS Modem是華為公司的EM310，MCU采用的是ATmega64。

載波模塊用于完成集中器與采集器之間的數(shù)據(jù)傳輸，并且與臺(tái)區(qū)關(guān)口表通過RS485相連，用于采集關(guān)口表視在功率。載波模塊采用的載波芯片是福星曉程的PL3106，由于集中器需要與三相電路上的采集器進(jìn)行通信，所以需要使用3個(gè)PL3106芯片。

2.8.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理

該系統(tǒng)使用3個(gè)FRAM的64KB FM24C512芯片作為存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)著各項(xiàng)電量及參數(shù)，儲(chǔ)空間比較大，系統(tǒng)需要保存的數(shù)據(jù)也是比較大的。系統(tǒng)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)大致分2類：電量數(shù)據(jù)和集中器配置參數(shù)。電量數(shù)據(jù)包括：各用戶電表31 d的日歷史用電量，最近12個(gè)月的月歷史電量，各用戶當(dāng)前電能示值，關(guān)口表視在功率。集中器配置參數(shù)包括：主站編號(hào)，集中器編號(hào)，所轄采集器編號(hào)，主站IP，視在功率越限閾值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)最多下轄120個(gè)采集器，分別分配給A、B、C三相。關(guān)口表采集數(shù)據(jù)，下轄3個(gè)用戶，A、B、C三相的日用電量，它們的單位是kW·h，每相電量用4個(gè)字節(jié)表示。其他采集器采集的電量單位都是脈沖數(shù)，每個(gè)采集器下轄8個(gè)用戶電表，每戶電量用4個(gè)字節(jié)表示。

根據(jù)Q/GDW_374.2-2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范：集中抄表終端技術(shù)規(guī)范》，集中器需要存儲(chǔ)存儲(chǔ)所有用戶31 d的日歷史用電量。存儲(chǔ)時(shí)，采用覆蓋的方法，順序存入，相對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)完后，回到開始地址，覆蓋以前的日歷史電量，再順序存入。如果一個(gè)月不足31 d，則跳過沒有日期與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。

2.8.3集中器通信協(xié)議

通信協(xié)議在集中器系統(tǒng)中有著的重要作用，該集中器系統(tǒng)的通信協(xié)議分為上行通信協(xié)議和下行通信協(xié)議2部分。上行通信協(xié)議規(guī)定了集中器與上位機(jī)主站之間通信的幀格式，數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。下行通信協(xié)議規(guī)定了集中器與采集器及關(guān)口表之間通信的幀格式，數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。上行通信協(xié)議基于Q/GDW_376.1-2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議：主站與采集終端通信協(xié)議》，下行協(xié)議基于DL/T-645-1997《多功能電表通信規(guī)約》。其中集中器與主站的通信協(xié)議比較復(fù)雜，且最為重要。Q/GDW_376.1-2009協(xié)議的幀格式如圖3所示。

圖3　上行協(xié)議幀結(jié)構(gòu)Fig.3Uplink protocol frame structure

Q/GDW 376.1-2009中的內(nèi)容雖然豐富，但由于本系統(tǒng)采用的硬件和軟件功能的限制，沒必要完全照搬此協(xié)議，所以根據(jù)此協(xié)議，設(shè)計(jì)出適合本系統(tǒng)的上行專用通信協(xié)議。本協(xié)議對報(bào)文的應(yīng)用層功能碼和信息類標(biāo)識(shí)定義如表1所示。協(xié)議中采集當(dāng)前電能示值的報(bào)文格式如表2所示。

表1　應(yīng)用層功能碼和信息類標(biāo)識(shí)Tab.1Application layer function code andinformation identification

3　集中器實(shí)現(xiàn)

3.1集中器模塊的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能，集中器模塊包括：MCUATmega128芯片，DS1302時(shí)鐘芯片，F(xiàn)M24C512，MAX232，MAX485等器件。集中器模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中DS1302，F(xiàn)M24C512模塊如圖5、圖6所示。

表2　采集當(dāng)前電能示值下行報(bào)文Tab.2Downlink message of current power value

圖4　集中器模塊結(jié)構(gòu)Fig.4The concentrator module structure

圖5　DS1302模塊Fig.5DS1302 module

3.2GPRS收發(fā)器

GPRS收發(fā)器是集中器系統(tǒng)用來與主站之間通信的模塊。GPRS收發(fā)器又分為2部分：ATmega64控制器，華為EM310模塊。GPRS收發(fā)器原理框圖，如圖7所示。其中的EM310模塊電路如圖8所示。

3.3載波模塊

載波模塊是系統(tǒng)中負(fù)責(zé)與采集器通信的模塊，上行通過RS485與集中器模塊相連，下行通過電力載波與采集器相連。本系統(tǒng)采用PL3106作為專用的載波通信芯片，PL3106是北京福星曉程有限公司生產(chǎn)的一款片上系統(tǒng)，主要針對自動(dòng)抄表及智能儀表而設(shè)計(jì)的。它需要配合外圍的功率放大、接收電路等載波通信電路才能工作。電力載波電路原理框圖如圖9所示。其中PL3106及載波信號(hào)的后處理電路如圖10所示。

圖6　FM24C512模塊Fig.6FM24C512 module

圖7　收發(fā)器框圖Fig.7Transceiver diagram

本系統(tǒng)要與三相電路上的采集器進(jìn)行通信，所以載波模塊使用了3個(gè)PL3106芯片，具有3路載波通信電路，且互不干擾。

3.4集中器軟件實(shí)現(xiàn)

軟件是系統(tǒng)重要的組成部分，也是系統(tǒng)的價(jià)值所在。軟件實(shí)現(xiàn)包括μC/OS-Ⅱ在的移植和任務(wù)分配及系統(tǒng)運(yùn)行、GPRS收發(fā)器功能實(shí)現(xiàn)、載波模塊功能實(shí)現(xiàn)。

μC/OS-Ⅱ是一個(gè)源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、可剝奪的RTOS。它的絕大多數(shù)代碼使用C語言編寫，只有少數(shù)與CPU密切相關(guān)的代碼用匯編語言編寫，方便用戶把它移植到別的處理器上。與Linux相比較，它具有占用空間少，執(zhí)行效率高，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，且針對新處理器的移植相對簡單。該系統(tǒng)的移植目的是讓μC/OS-Ⅱ內(nèi)核能夠正常運(yùn)行在ATmega128芯片上。大部分μC/OS-Ⅱ代碼是C語言代碼，方便移植，但是仍有一部分是匯編代碼，這是因?yàn)棣藽/OS-Ⅱ在讀寫底層寄存器時(shí)需要匯編語言來完成。要進(jìn)行移植，需要找到os_cpu.h，os_cpu_c.c、os_cpu_a.s、os_cfg.h這4個(gè)文件，其中os_cpu_a.s是匯編語言文件，并對它們里面數(shù)據(jù)類型、函數(shù)或宏進(jìn)行修改，另外還需編寫移植所用的主頭文件includes.h。

圖8　EM310模塊Fig.8EM310 module

圖9　電力載波電路框圖Fig.9Power carrier circuit diagram

本集中器主要有以下幾個(gè)方面的任務(wù)：數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)器管理任務(wù)，定時(shí)任務(wù)、上行協(xié)議解析任務(wù)，下行協(xié)議解析任務(wù)，上行協(xié)議封裝任務(wù)，下行協(xié)議封裝任務(wù)。上行通信任務(wù)，下行通信任務(wù)。在上行任務(wù)中，可通過串口，采用中斷服務(wù)程序接收來自GPRS收發(fā)器的主站數(shù)據(jù)，接收方式為接收狀態(tài)機(jī)方式。接收各任務(wù)的通信關(guān)系如圖11所示。

GPRS收發(fā)器采用裸機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)各功能，以便更好地控制各項(xiàng)硬件資源，使之得到合理的應(yīng)用，同時(shí)也降低了對硬件配置的要求，成本隨之降低。采用中斷的方式接收發(fā)送數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)如圖12所示功能。

載波模塊的功能是把接收來的集中器命令，通過電力線轉(zhuǎn)發(fā)給采集器，并把采集器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給集中器，起到一個(gè)橋式數(shù)據(jù)通路的作用。集中器通過載波模塊與采集器和關(guān)口表通信，所基于的通信協(xié)議是DL-T645-1997《多功能電能表通信規(guī)約》。由于采用福星曉程的載波芯片，所以也結(jié)合了福星曉程載波通訊協(xié)議的一些特點(diǎn)。載波通信接收和發(fā)送均被設(shè)計(jì)為外部中斷的方式進(jìn)行處理；每一次進(jìn)入中斷，完成對1 bit數(shù)據(jù)的接收或者發(fā)送處理。接收時(shí)，捕獲和同步的過程由載波單元的硬件自動(dòng)完成，不需要軟件參與。由于電力線噪聲的存在，所以在有效數(shù)據(jù)前必須加上同步幀頭，依據(jù)福星曉程的載波通訊協(xié)議，同步幀頭選擇為09H、 AFH，后續(xù)為通信的有效數(shù)據(jù)。載波接收過程如圖13所示。載波處于發(fā)送態(tài)時(shí)，載波單元發(fā)送完1 bit的擴(kuò)頻數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生一次中斷，然后進(jìn)行下一個(gè)bit的數(shù)據(jù)發(fā)送。根據(jù)捕獲和同步過程需要，首先發(fā)送48 bit的全1，然后發(fā)送同步幀頭09H、AFH，之后根據(jù)有關(guān)協(xié)議發(fā)送其余有效數(shù)據(jù)。載波發(fā)送過程如圖14所示。

圖10　PL3106及載波信號(hào)的后處理電路Fig.10PL3106 and post processing circuit of carrier signal

圖11　任務(wù)關(guān)系圖Fig.11Task diagram

圖12　收發(fā)器實(shí)現(xiàn)功能圖Fig.12Transceiver implementation function

圖13　載波接收圖Fig.13Carrier reception

圖14　載波發(fā)送圖Fig.14Carrier transmission

本文在智能電網(wǎng)建設(shè)這一大背景下，根據(jù)《國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中電力用戶用電信息采集系統(tǒng)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的。我國自動(dòng)抄表技術(shù)在不斷發(fā)展，只有對系統(tǒng)進(jìn)行不斷的調(diào)整改進(jìn)，才能使集中器系統(tǒng)更好的適應(yīng)這些變化，從而使它在我國自動(dòng)抄表系統(tǒng)的建設(shè)當(dāng)中發(fā)揮更好的作用。

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（編輯董小兵）

Design of Carrier Wave Concentrator Based on ATmega128 and μC/OS-Ⅱ

MA Yong
（Shaanxi Technical College of Finance&Economics，Xianyang 712000，Shaanxi，China）

The first step in the development of Smart Grid in China is to construct“power user electric energy data acquisition system”in State Grid Corporation.Automatic meter reading technology is the key to the construction of the system. The concentrator，acting as a proxy server role and playing the connecting role，is also significant to the whole system. According to the related requirements of the centralized meter reading terminal specification as stipulated in“Enterprise Standards of the State Grid Corp”，a concentrator system with both GPRS and wave carrier functions is designed and implemented in this paper.The system uses ATmega128 chip as the hardware core，and the μC/OS-Ⅱas the embedded real-time operating system.The testing results show that the system runs normally，and it can meet the requirements of the specification for the concentrator system with very stable performance.The content in this paper has also certain reference value to the design and realization of other data acquisition equipment.

automatic meter reading；concentrator；power line carrier；GPRS；data collection

1674-3814（2015）06-0049-07

TP368

A

2014-12-16。

馬勇（1980—），男，工程碩士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集和WEB軟件開發(fā)。