基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的設(shè)計(jì)

張立新（河南許繼儀表有限公司，河南　許昌　461000）

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基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的設(shè)計(jì)

張立新
（河南許繼儀表有限公司，河南許昌461000）

從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)角度進(jìn)行基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的設(shè)計(jì)分析，目的在于驗(yàn)證PROFIBUS技術(shù)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(shè)計(jì)

從協(xié)議結(jié)構(gòu)的角度來了解PROFIBUS，其是在基于ISO7498國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上借助開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)作為參考模型。此次研究的最終目的在于實(shí)現(xiàn)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(jì)量功能、時(shí)間功能、通訊功能、組態(tài)設(shè)置功能等，性能需求包含能夠確保監(jiān)控軟件的實(shí)時(shí)性等［1-3］。

1　基于PROFIBUS的嵌入式智能電表的硬件設(shè)計(jì)

1.1模塊設(shè)計(jì)

1.1.1電源。由于電源的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)智能電表工作的穩(wěn)定性，因此這個(gè)方面的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的過程中建議采用6V電壓的環(huán)保鋰電池作為后備供電電池。

1.1.2計(jì)量。為了保證在各種負(fù)載條件和各種電源質(zhì)量下，能夠精準(zhǔn)地計(jì)量有功電能量，充分考慮到此次研究想要達(dá)到的結(jié)果，擬采用具有計(jì)量功能的芯片SOC芯片71M6513H，選擇該型號芯片的目的不僅是因?yàn)樵撔酒宫F(xiàn)出良好的測量功能，還具備實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在超過2 000∶1動態(tài)范圍內(nèi)，將有功計(jì)量精度誤差控制在0.1%Wh，CT相位補(bǔ)償±7°。超過20個(gè)通用I/O接口，支持六路傳感器輸入等強(qiáng)大功能。關(guān)于電壓電流采樣電流設(shè)計(jì)，此次設(shè)計(jì)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(jì)量芯片連接，就需要進(jìn)行電路轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)大電流轉(zhuǎn)換成小電流。

1.1.3計(jì)量芯片外圍電路設(shè)計(jì)。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(jié)合系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)IIC通信。

1.1.4實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)。只有一個(gè)可靠的時(shí)鐘基準(zhǔn)智能電表，才能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載曲線記錄、分時(shí)計(jì)價(jià)、需求側(cè)響應(yīng)等功能。因此，需要設(shè)計(jì)一款穩(wěn)定性高的時(shí)鐘電路。此次研究擬采用某公司生產(chǎn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS32KHZ。

1.1.5通信電路設(shè)計(jì)。在此次設(shè)計(jì)中，利用相關(guān)技術(shù)本次設(shè)計(jì)的智能電表能夠?qū)崿F(xiàn)PROFIBUS-DP協(xié)議通信功能（采用DP9針接口方式），還支持MODBUS協(xié)議通信（采用異步RS485通信接口）。在這個(gè)過程中，為了避免芯片在發(fā)生故障時(shí)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(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)智能電表4個(gè)按鍵，完成上翻、下翻、確定、推出功能。

1.1.7存儲電路設(shè)計(jì)。考慮到智能電表需要存儲的數(shù)據(jù)量較大，為了滿足智能電表的存儲需求，此次設(shè)計(jì)采用某公司生產(chǎn)的串行接口的FLASH存儲器。關(guān)于顯示電路的設(shè)計(jì)，采用LCD完成顯示。

1.2通信模塊

①單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)使用80C51芯片。關(guān)于PROFIBUS通信電路的設(shè)計(jì)，擬采用某公司的SPC3協(xié)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(shè)計(jì)，通過串口并經(jīng)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(shè)計(jì)

2.1基于PROFIBUS的通信模塊軟件設(shè)計(jì)

第一步，建立一個(gè)PROFIBUS地址與MODBUS地址的映射關(guān)系；第二步，將PROFIBUS數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)域與輸出區(qū)域設(shè)置為5字節(jié)的全部輸入輸入；第三步，將電表中的MODBUS協(xié)議打包放在PROFIBUS協(xié)議幀數(shù)據(jù)區(qū)中。在完成第三步之前，需要對智能電表從站資源進(jìn)行定義。另外，考慮到需要抄讀電表數(shù)據(jù)以及設(shè)置電表參數(shù)，可以采用模塊性從站設(shè)定的方式，將電能表數(shù)據(jù)類型分為瞬時(shí)量模塊、電能量模塊、儀表參數(shù)讀模塊、儀表參數(shù)寫模塊、儀表參數(shù)讀與儀表參數(shù)寫模塊。PROFIBUS主站鞥能夠從上述的5個(gè)模塊中通過設(shè)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(shè)計(jì)主要包含SPC3S的初始化、中斷處理以及通訊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

2.2時(shí)鐘模塊的軟件設(shè)計(jì)

時(shí)鐘模塊程序流程包含開始→是否到1s→時(shí)間處理→一些和時(shí)鐘有關(guān)的處理→串口無法接受數(shù)據(jù)23h→初始化串口→是否1h→保持電量→結(jié)束。

2.3計(jì)量模塊的軟件設(shè)計(jì)

關(guān)于計(jì)量模塊的設(shè)計(jì)，需要從兩方面進(jìn)行，從主控芯片入手，得到有功功率、電壓/電流有效值等的計(jì)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(jì)算標(biāo)志→按有功功率計(jì)算發(fā)脈沖的變量值→啟動潛動函數(shù)→均分電量，有功脈沖用→電量累加→結(jié)束。其中，主控芯片需要完成對主/備份存儲區(qū)電量的讀取，流程為開始→從主存儲區(qū)讀取電量數(shù)據(jù)→CSC是否正確→錯(cuò)誤次數(shù)+1→錯(cuò)誤次數(shù)大于3→從備份存儲區(qū)讀取電量數(shù)據(jù)→CSC是否正確→錯(cuò)誤次數(shù)+1→錯(cuò)誤次數(shù)大于3→初始化電量數(shù)據(jù)。

2.4存儲電量

針對在軟件設(shè)計(jì)過程中的掉電存數(shù)，考慮到各種故障發(fā)生的可能性。因此，設(shè)計(jì)了存儲電量的方式，不僅避免電量丟失，又能夠保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)語

我國在電力系統(tǒng)方面提出了堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，在目前我國良好的電力行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對智能電表提出了新的要求。該文在基于PROFIBUS總線技術(shù)的基礎(chǔ)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(fā)周期、提高系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(tǒng)的智能電表設(shè)計(jì)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(xié)議的智能電表嵌入式通信軟件研發(fā)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010（9）：7-12.

［3］劉金碩，王謝兵，鄭穩(wěn)，等.嵌入式智能電表中的反匯編關(guān)鍵問題分析［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)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(shè)計(jì)。