電能表RS485通信壓力測(cè)試方法與應(yīng)用研究

趙永輝++李翔++王江濤++宋錫強(qiáng)++饒烜攀++劉清蟬++楊昊++楊明

摘 要：本文針對(duì)電能表現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中RS485通信問題，存在通信不穩(wěn)定、成功率低、通信死機(jī)等問題。分析其主要原因有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化導(dǎo)致的信號(hào)質(zhì)量變差、時(shí)鐘頻率變化、數(shù)據(jù)延時(shí)發(fā)生變化，或由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和現(xiàn)場(chǎng)布線的不同引起，或由于電能表的通信部分對(duì)信號(hào)的軟件濾波能力、帶載能力、誤碼處理能力、波特率冗余度、協(xié)議延時(shí)準(zhǔn)確度不夠?qū)е?。本文主要研究了電能表RS485通信壓力測(cè)試方法，包括RS485帶載能力測(cè)試、RS485共模通信能力測(cè)試、RS485波特率精確度等測(cè)試。從而檢測(cè)出電能表的RS485通信能力，降低電能表現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行故障率。

關(guān)鍵詞：電能表；RS485；通信壓力測(cè)試

中圖分類號(hào)：TM903 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

在智能電能表的全面推廣和應(yīng)用中，RS485作為主要的通信方式，發(fā)揮著非常重要的作用，但現(xiàn)場(chǎng)通信時(shí)，由于溫度不同、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不同、現(xiàn)場(chǎng)布線不同、外部環(huán)境干擾量不同、采集裝置RS485通信接口波特率偏移等各方面因素的影響導(dǎo)致RS485通信失敗，為了確保用電信息采集系統(tǒng)本地抄表的可靠應(yīng)用，建立一套完整的智能電能表RS485通信壓力測(cè)試方法是十分必要的。其可嵌入到現(xiàn)有的電能表校驗(yàn)臺(tái)，自動(dòng)完成大批量的電能表壓力通信測(cè)試，大大提高檢測(cè)效率。同時(shí)，在電能表檢驗(yàn)環(huán)節(jié)可檢出大量的通信成功但性能指標(biāo)不滿足需求的電能表，有效地降低電能表現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行故障率。通過該系統(tǒng)測(cè)試方法可以模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的真實(shí)模型，檢測(cè)出表計(jì)的RS485通信能力。本文從多個(gè)方面論述了影響RS485通信可靠性的因素及實(shí)際中模擬的檢測(cè)措施、方法與原理。

1.電能表RS485通信功能壓力測(cè)試原理

電能表RS485通信功能壓力測(cè)試包含：RS485帶載能力測(cè)試、RS485共模通信能力測(cè)試、RS485通信波特率精確度測(cè)試。

測(cè)試原理：上位機(jī)測(cè)試軟件下發(fā)命令給RS485通信壓力測(cè)試模塊，使其與電能表進(jìn)行通信。RS485通信壓力測(cè)試模塊接收到上位機(jī)的指令后通過負(fù)載調(diào)整電路切換負(fù)載，測(cè)試出與電能表的極限通信帶載能力。共模電壓輸出電路通過調(diào)整電能表COM端的電位來改變電能表輸入端A、B線相對(duì)COM端的接受共模電壓，RS485通信壓力測(cè)試模塊與電能表通信可檢測(cè)出其極限共模電壓通信范圍。RS485波特率精確度測(cè)試通過與電能表通信時(shí)，其信號(hào)采集電路捕捉A、B差分信號(hào)線上的瞬時(shí)電平信號(hào)變化持續(xù)時(shí)間來進(jìn)行判斷。其通信壓力測(cè)試原理如圖1所示。

2. RS485通信功能壓力的測(cè)試方法

2.1 RS485帶載能力測(cè)試

采用RS485組網(wǎng)通信的電能表，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)超過一定數(shù)量時(shí)，抄表會(huì)失敗。由于RS485通信是總線組網(wǎng)方式，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太多，電能表接收阻抗太小或者RS485發(fā)送驅(qū)動(dòng)能力偏弱都會(huì)導(dǎo)致總線上傳輸?shù)男盘?hào)不滿足RS485傳輸電氣特性。究其原因是電能表RS485接收阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)冗余度不夠?qū)е隆?/p>

測(cè)試方法：將壓力測(cè)試模塊的A、B差分線與外部電能表A、B差分線相連接，在RS485接口上接阻性負(fù)載，來模擬多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信工況。通過壓力測(cè)試模塊的負(fù)載調(diào)整電路內(nèi)部繼電器逐步增大負(fù)載阻抗，實(shí)時(shí)監(jiān)控RS485通信是否成功，測(cè)試出電能表RS485的極限帶載能力，同時(shí)將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)軟件。極限帶載能力的負(fù)載詳細(xì)參數(shù)設(shè)置見表1。

采用電阻R1～R10進(jìn)行串聯(lián)，10個(gè)繼電器S1～S10進(jìn)行選擇性短路，可配出1Ω～1024Ω的負(fù)載電阻。選擇功率3W精度5%的水泥電阻，通過繼電器切換進(jìn)行調(diào)整。電阻值分別為：1Ω、2Ω、3.9Ω、9.1Ω、16Ω、32Ω、64Ω、128Ω、256Ω、510Ω。具體操作如圖2所示。

測(cè)試結(jié)果：通過對(duì)不同廠家的電表進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

結(jié)果分析：對(duì)于表格中施加1Ω負(fù)載仍可通信上的廠家電能表，說明其RS485帶載能力較強(qiáng)；對(duì)于表格中廠家6的電能表施加小于125Ω通信不上，說明其帶載能力偏弱。實(shí)際產(chǎn)品中各個(gè)廠家所用的RS485通信芯片大都不同，而且不同芯片內(nèi)部接收輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)能力也有所差異，或者受到芯片外部A、B線上外部上、下拉電阻的影響導(dǎo)致了結(jié)果的差異性。

2.2 RS485共模通信能力測(cè)試

電能表RS485通信接口電氣上與電網(wǎng)隔離，由于電能表的安裝環(huán)境不同，每個(gè)系統(tǒng)具有各自獨(dú)立的接地系統(tǒng)，存在著地電位差。且當(dāng)節(jié)點(diǎn)間距離很遠(yuǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)間存在共模電壓，接收器輸入端的共模電壓就可能會(huì)有很大的幅度（十幾伏甚至數(shù)十伏），并可能伴有強(qiáng)干擾信號(hào)，致使接收器共模輸入A、B線的對(duì)公共地電壓超出正常的范圍，并在信號(hào)線上產(chǎn)生干擾電流，輕則影響RS485通信失敗，重則損壞RS485通信口。

測(cè)試方法：將壓力測(cè)試模塊擴(kuò)展出的RS485接口的COM端與電能表RS485接口的COM端相連，同時(shí)兩者A、B線相連，通過共模電壓輸出電路使壓力測(cè)試模塊內(nèi)部RS485芯片的GND與外部電能表RS485芯片的GND出現(xiàn)一個(gè)差值，從而實(shí)現(xiàn)電能表內(nèi)部RS485差分線A、B對(duì)COM端的輸入電壓達(dá)到可調(diào)節(jié)的目的，實(shí)時(shí)監(jiān)控RS485通信是否成功。測(cè)試出電能表RS485的極限共模通信能力。施加共模電壓的參數(shù)設(shè)置見表3。

具體通過切換繼電器，將共模輸出電路的正端S1切換至電能表的COM端，將共模輸出電路的負(fù)端S2切換至壓力測(cè)試模塊內(nèi)部RS485_GND，同時(shí)調(diào)節(jié)共模輸出電路內(nèi)部的DCDC來產(chǎn)生0～32V的共模正壓。通過切換繼電器，將共模輸出電路的正端S1切換至壓力測(cè)試模塊內(nèi)部RS485_GND，將共模輸出電路的負(fù)端S2切換至電能表的COM端，同時(shí)調(diào)節(jié)共模輸出電路內(nèi)部的DCDC來產(chǎn)生0～32V的共模負(fù)壓。具體操作實(shí)施方式如圖3所示。

測(cè)試結(jié)果：對(duì)不同廠家的電能表測(cè)試結(jié)果見表4。

結(jié)果分析：在實(shí)際應(yīng)用中各個(gè)廠家電能表內(nèi)部A、B差分線與COM端有TVS、熱敏電阻等保護(hù)器件，并且各個(gè)廠家選用的RS485通信芯片也多不相同，所以測(cè)試結(jié)果參差不齊。對(duì)于施加共模電壓≤-32V或≥32V也沒有出現(xiàn)通信問題的廠家，說明電能表內(nèi)部對(duì)于共模電壓的保護(hù)及抗干擾能力比較好，由于受RS485通信壓力測(cè)試模塊所設(shè)計(jì)的施加共模電壓范圍的限制，以及擔(dān)心施加共模電壓太大，會(huì)燒毀電能表內(nèi)部RS485通信芯片，所以共模電壓施加測(cè)試到了±32V。單相表沒有COM端則不做共模電壓極限測(cè)試試驗(yàn)。

2.3 電能表RS485波特率精確度測(cè)試

電能表在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，由于波特率冗余度不夠，或由于溫濕度變化，內(nèi)部電路信號(hào)延時(shí)發(fā)生微小變化，就會(huì)出現(xiàn)波特率超過標(biāo)準(zhǔn)要求，從而導(dǎo)致抄表失敗。對(duì)于電能表波特率的精確度主要從應(yīng)答數(shù)據(jù)幀里每bit的平均時(shí)間長度和單位bit高、低電平的時(shí)間長度兩方面來評(píng)測(cè)。

測(cè)試方法：上位機(jī)通過壓力測(cè)試模塊向電能表下發(fā)固定波特率的DL/T 645抄讀命令，壓力測(cè)試模塊內(nèi)部信號(hào)采集電路捕捉電能表的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀，在一幀數(shù)據(jù)內(nèi)通過對(duì)A、B差分線電平的上升沿與下降沿的變化來觸發(fā)和停止中斷，截取一部分?jǐn)?shù)據(jù)上升沿和下降沿的總時(shí)間T（總），然后通過軟件內(nèi)部計(jì)算公式，得出一幀數(shù)據(jù)內(nèi)每bit的平均時(shí)間近似值T（實(shí)際bit）。

（1）M為接受一幀數(shù)據(jù)的理論二進(jìn)制總位數(shù)。

（2）T（總）為一幀數(shù)據(jù)里所截取的一部分?jǐn)?shù)據(jù)的總時(shí)間。

（3）T（理論bit）為通信波特率的二進(jìn)制單位bit的理論時(shí)間。

例：2400bps的波特率，則T（理論每bit）=1/2400≈416.667us。

（4）N為M四舍五入后的整數(shù)，即是該部分?jǐn)?shù)據(jù)總時(shí)間內(nèi)的實(shí)際二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)。

（5）T（實(shí)際每bit）為計(jì)算得出的一幀數(shù)據(jù)的二進(jìn)制每bit的平均近似時(shí)間。

對(duì)于每bit高、低電平占空比時(shí)間的判斷，如果中斷是由上升沿觸發(fā)的，程序便開始一次高電平脈沖寬度的測(cè)量：記錄上升沿出現(xiàn)的時(shí)間，在中斷里把觸發(fā)方式改為下降沿觸發(fā)，并清空溢出計(jì)數(shù)器，直到中斷由下降沿觸發(fā)，表示到達(dá)脈沖的未端，程序記錄下降沿出現(xiàn)時(shí)間，利用以上公式（1）與（2）計(jì)算出每bit高電平脈沖的時(shí)間寬度。依次類推，可計(jì)算出每bit低電平脈沖的時(shí)間寬度。

測(cè)試結(jié)果：表5是在默認(rèn)通信波特率2400bps的情況對(duì)不同廠家的電能表波特率精度的測(cè)試情況，對(duì)于其他波特率精度的測(cè)試不再贅述，其測(cè)試方法相同；注：時(shí)間數(shù)值近似0.1us。

結(jié)果分析：對(duì)于電能表默認(rèn)通信波特率2400bps，每bit的時(shí)間應(yīng)該約為416.667us。由以上廠家的測(cè)試結(jié)果可知，如果按照電能表廠家對(duì)于波特率一般內(nèi)控3%的要求，則接受一幀數(shù)據(jù)的平均每bit時(shí)間是滿足要求的，但對(duì)于單位bit高、低電平的時(shí)間長度有些廠家則是超出要求范圍的。

結(jié)語

本文研究了在實(shí)際的RS485通信測(cè)試項(xiàng)目中的壓力測(cè)試方法、原理及基本測(cè)試模型，可以很好地指導(dǎo)壓力測(cè)試的實(shí)施，抓住了關(guān)鍵的測(cè)試位置，取得了測(cè)試項(xiàng)目所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。從帶載能力、施加極限共模電壓、通信波特率精確度測(cè)試等方面進(jìn)行了詳盡的分析論述。RS485通信目前雖然在用電信息采集系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，但對(duì)于建立一套系統(tǒng)的RS485壓力測(cè)試方法卻還沒有行之有效的檢測(cè)措施，所以建立一套完整的電能表RS485通信壓力測(cè)試方法將成為下一步研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] DL/T645-2007，多功能電能表通信規(guī)約[S].

[2]徐繼紅.提高RS-485網(wǎng)絡(luò)可靠性的若干措施[J].今日電子，2001（1）：17-20.

[3]袁波.提高RS-485通信可靠性的措施[J].電子世界，2005（11）：53-54.