基于无线公网通讯的三相电能表设计

2012-07-12广州正力通用电气有限公司赵洪军

电子世界 2012年13期

关键词：公网电能表三相

广州正力通用电气有限公司赵洪军

基于无线公网通讯的三相电能表设计

广州正力通用电气有限公司赵洪军

本文论述了一款基于GPRS/CDMA无线公网通讯的电能表的设计方案，着重介绍了无线通讯模块的功能及电路、专用电能计量芯片ADE7758的特性及应用电路、NUC120RE3AN微控制器的功能及接口、软件架构。

无线公网通讯；GPRS/CDMA；电能表；NUC120；ADE7758；MC52；MC323

一、引言

随着科技的进步，电力系统中电能表的抄表方式也从现场人工抄表发展到远程自动抄表。目前用于抄表的技术有多种，如RS485总线、红外和电力线载波等，这些抄表技术相对比较成熟，但应用却各有其局限性，如RS485总线抄表需要布线，且传输距离不能超过1200米，红外抄表需要人工在现场抄表，电力载波抄表由于电磁干扰等的影响传输距离受限。随着GPRS/CDMA无线公网通信技术的成熟，其网络覆盖广，可实时在线，按流量计费，资费不断下调，且不受距离和空间的限制等优点，使得无线通讯技术在电力抄表行业得到越来越广泛的应用。

二、GPRS/CDMA电能表简介

GPRS/CDMA电能表就是无线公网通信技术和电表技术的结合体，它将三相多功能电能表和GPRS/CDMA通信模块相结合，形成具有无线网络通信能力的电能计量装置。GPRS/CDMA电能表主要由无线通信模块和电能计量两部分组成。

1.电能计量

可实现三相数字多功能电能表的全部功能，在未接入无线通信模块的情况下，不影响其作为普通多功能电能表的使用。它对交流模拟量进行实时采样、处理和存储，实现电能计量、需量测量、复费率、负荷曲线计算和存储、数据冻结、事件记录、复费率、电压、电流、频率测量等，可实现用户预购电控制、负荷控制、远程控制等功能。具有RS485、RS232接口、红外接口、USB接口，以实现数据的抄读和设置；具有本地液晶显示，支持本地巡显和键显功能。

图1 无线公网通讯的三相电能表系统框图

2.GPRS/CDMA通信模块

GPRS/CDMA通信模块是电能表远程通讯的关键部件，作为网络电能表的一个独立模块，在不影响电能表基本计量功能的情况下，满足远程抄表、负荷控制的需要。电能表与主站的通信规约遵循《电力用户用电信息采集系统通信协议》（Q/GDW376.1-2009）标准。

三、电能表硬件结构

1.系统框图

无线公网通讯的三相电能表的系统框图如图1所示。系统包括：ARM微控制器（NUC120VE3AN）、GPRS（MC52）/CDMA(MC323)模块、ADE7758电能测量模块、三相电流检测模块、三相电压检测模块、显示模块、RS485、RS232、USB、红外通信接口、存储器及电源模块等。

2.主要模块功能

（1）GPRS/CDMA无线公网通讯模块

无线公网通信是指使用由电信部门建设、维护和管理，面向社会开放的通信系统和通信服务。公共通信网具有地域覆盖面广，技术成熟可靠，通信质量高，建设和维护质量高等优点。目前工业控制领域的无线公网通信主要包括GPRS和CDMA，其在配网自动化终端方面也得到了广泛应用。

本方案无线通讯可选择为GPRS通讯或CDMA通讯方式。GPRS通讯模块采用CINTERION公司的MC52iR3模块或西门子公司的MC55模块；CDMA通讯模块采用华为公司的MC323模块。由于以上三种模块的硬件接口一致，都是使用50pin B2B连接器，并且各引脚功能基本相同，因此可以在同一款硬件电路上直接互换使用。只是GPRS模块与CDMA模块的AT命令不同，软件上可通过查询模块版本信息的方式加以区分，即可做到两种模块同时兼容。

以上无线通讯模块内部都集成了TCP/IP协议栈，为软件开发带来了方便，直接采用AT指令的方式即可实现无线网络通讯。并且能够保证网络通讯及SMS（短信息）通讯同时有效，为通讯的可靠性提供了保障。其应用电路简单、接口方便、性能稳定，是GPRS/CDMA通讯的首选模块。

以MC55模块为例给出实际应用电路图2，以便参考，另外两款模块的硬件电路与该图一致。具体见“图2--无线通讯模块外围电路”，通过IGT引脚控制模块的开机，使用SYNC引脚控制指示灯显示模块工作状态，使用TTL电平的TXD0、RXD0串行通讯接口与ARM微处理器的USART0接口通讯。

（2）电参数测量模块

电参数测量模块包含ADE7758电能测量模块、三相电流检测模块、三相电压检测模块。

ADE7758是一款高准确度的三相电能计量芯片，支持IEC60687，IEC61036，IEC61268，IEC62053-21，IEC62053-22，和IEC62053-23标准；适用于三相/三线，三相/四线和其它三相系统；温度在25度时，在1000:1的动态范围内，有功电能误差小于0.1%；能提供有功电量、无功电量、视在电量，电压有效值，电流有效值和采样波形数据；两路脉冲输出，一路为有功功率，另一路为无功率或视在功率；支持功率，相位和有效值偏移校正；提供线电压骤降和电压检测的片内用户可编程阈值电压；片内数字积分器可以直接连接di/dt电流传感器；电流通道上的可编程增益放大器允许直接连接电流分流器和电流互感器；带中断请求输出功能的SPI兼容串行接口；ADE7758集成了二阶∑-D模数转换器，数字积分器，基准电路，温度传感器，以及所有进行有功，无功和视在电能计量以及有效值计量所需的信号处理元件保证在各种环境和时间条件下的高准确度。

ADE7758中具有波形采样寄存器，它可以对模数转换器的输出进行访问。三相中的任一相的线电压过零检测与电压过零点是同步的，过零检测的结果可用于测量三个电压输入中任意一个的周期。也可用于内部芯片的线循环电能累加模式。该模式使电能累加与半周期的整数倍同步，以此实现更快更准确的校准。

三相电流检测部分采用电流互感器的方式，以便实现更好的电气隔离及增强抗干扰能力。电流互感器采用标准的5A/2.5mA的互感器，电流经过电阻后转成0-350mV的电压直接输入到ADE7758，省去了运放等元器件，保证了精度。

三相电压检测部分采用变压器转换的方式进行电压采样，使强弱电部分进行有效的隔离，提高了绝缘强度及可靠性。

电参数测量模块部分电路如图3所示。可见采用ADE7758芯片的电参数测量电路非常简单，是制作三相电能表不错的方案。

（3）微处理器

采用基于ARM Cortex-M0内核的32位微控制器NUC120VE3AN，其内嵌了128KB的高速FLASH存储器和16KB的RAM，具有丰富的外设资源，如：4个32位定时器（带捕获、比较通道）；8路12位ADC；8路PWM通道；76个GPIO；具有独立电源和时钟的RTC，支持软件频率补偿；3个UART串行接口，支持IrDA(SIR)协议；4个SPI接口；2个I2C接口；1个全速USB2.0接口，支持控制传输（Control），批量传输（Bulk In/Out），中断传输(Interrupt)及同步传输；1个I2S接口；内含向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址；片内Boot装载程序，可以实现在系统编程（ISP），通过片内PLL可实现50MHz的CPU操作频率，具有空闲和掉电2种低功耗模式，并且可通过外部中断唤醒。

其大容量的FLASH存储器和RAM足够满足应用需求，避免了外扩芯片的烦恼；3个UART串行接口可分别用于与通讯模块通信、红外通信及RS458/232通讯，并且支持IrDA(SIR)协议，非常实用方便；具有USB接口，方便与笔记本电脑或PDA通讯，负荷今后发展趋势；支持软件频率补偿的RTC，保证系统时间的精度；在系统编程（ISP）功能方便程序升级。

该芯片由台湾新塘公司生产，价格低廉，并且提供了丰富的接口应用程序及例程，给使用及学习带来了方便。总之其大容量的内部资源、丰富的接口及合理的价格，使其性价比在同类MCU中表现突出，非常适合作为无线公网通讯的三相电能表的微控制器使用，图4是微控制器功能框图。

（4）存储器

由于与主站的上行通信应满足电力用户用电信息采集系统通信协议，需要存储规约要求的一类数据（实时数据）、二类数据（曲线数据、统计数据）和三类数据（事件），特别是曲线数据要求存储的数据量大，因此应采用大容量的存储器来存储二类和三类数据。

由于铁电存储器可无限制的擦写，所以非常适合用来存储需要经常更新的实时数据和设置参数。存储器与MCU的接口为SPI接口，简单方便。

（5）本地通讯接口

利用RS485/RS232串行口、USB口及红外通信口可实现终端参数的本地设置和维护。其中，RS232串口可实现对GPRS/CDMA模块状态的监测，通过RS485串行口及USB接口可抄读符合电力用户用电信息采集系统通信协议的数据。

（6）显示模块

LCD显示屏及LED指示灯用来指示终端的运行状态、各项电参数、通讯状态及报警状态等信息。