电子式电能表无线通信接口设计

郝毫毫，熊俊俏 (武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉 430073)

张 鲲 (武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072)

电子式电能表无线通信接口设计

郝毫毫，熊俊俏 (武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉 430073)

张 鲲 (武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072)

为实现电能表无线抄表功能，以TI公司的MSP430F149的16位低功耗微控制器为中央处理单元、Semtech公司的SX1233为无线收发单元，设计了一种电子式电能表的无线通信接口，分析了系统的功耗和编程特点，给出了系统软件的设计方案。测试结果表明，设计的无线通信接口性能稳定、灵活可调，达到了设计要求。

电子式电能表；无线通信接口；SX1233; MSP430F149

随着我国经济的快速发展，企事业单位及居民用电量的不断增加，电能表的使用数量急剧增加。传统的手工抄表方式存在诸多弊端，如入户困难、管理费用过高、效率低等问题，为了提高抄表效率，目前国内电能表主要采取如下2种管理模式:IC卡预付费管理模式和自动抄表收费管理模式[1]。IC卡预付费管理模式只解决了收费问题，但容易导致线损统计不准确。采用自动抄表收费管理模式不仅可以解决上述问题，而且可以通过掌握用户当月用电量的方式加强需方用电管理，有利于市场细分。采用自动抄表收费管理模式时需要依靠自动抄表系统，该系统采集数据的方式主要有RS-485总线、电力线载波通信、红外通信以及短距离无线通信等，其中RS-485接口布线工作量大、维护费用高，电力线载波存在电力网污染严重的问题，红外通信距离较短、抗干扰性能差[2]，而短距离无线通信无需布线、组网简单，是一种较为合理的通信方式。下面，笔者以Semtech公司的SX1233为无线收发单元，以TI公司的MSP430F149的16位低功耗微控制器为中央处理单元设计了一种电子式电能表的短距离无线通信接口。

1 硬件设计

图1 电子式电能表无线通信接口的电路原理图

电子式电能表无线通信接口的电路原理图如图1所示。主要由MCU控制单元和无线收发单元构成。电能表通过TTL电平串口与无线通信接口连接，采集装置则通过无线方式与无线通信接口连接，硬件结构简单。单片机预留一个串口用于对无线收发单元的参数进行设置和程序升级。

与电能表无线通信接口进行连接的采集装置为无线手持抄表终端，其硬件设计可采用类似结构，将MCU改为MSP430F449，加上LCD和键盘设计即可。

1.1MCU控制单元

MCU控制单元采用TI公司推出的MSP430F149。MCU控制单元是无线接口模块的核心，在无事件发生的情况下工作于LPM3低功耗状态，当有串口数据接收或有无线数据接收时，MCU控制单元可响应并退出LPM3状态进入活动工作状态[3]。由于MSP430F149功能丰富，编程方式灵活，因而完全满足无线通讯接口模块的设计要求。

1.2无线收发单元

无线收发单元采用Semtech公司推出的SX1233，SX1233是一款超低功耗的可编程ISM频段收发器，拥有全球最高的码率(600kbps)以及世界级的链路预算(137kB)、超低功耗、出色的ACR(邻道抑制)以及抗阻塞能力。SX1233提供高接收(RX)灵敏度，增强了对弱信号的接收能力，而且能够以1dB步长编程的发射机(TX)输出功率[4]。高RX灵敏度与TX输出功率相当于获得了更长距离上的可靠传输，这与需要RF中继器的传统无线系统相比，节省了成本。

为了防止射频干扰，无线收发单元采用射频板材单独制版，并用金属罩对其进行屏蔽，通过10×2连接器与主板相连(见图2)，因为单片机的P1口和P2口能够接受外部上升沿或下降沿的中断输入，所以DIO0-DIO5分别与单片机的P2.0-P2.5连接，便于数据收发过程中的状态检测。SPI口连接单片机的P3.0～P3.3，将单片机的USART0设置为SPI工作模式，单片机通过该SPI口对SX1233进行参数配置、控制和数据收发。RESET和RXTX脚分别接P3.4和P3.5。

图2 无线收发单元电路图

2 软件设计

2.1通信协议

我国多功能电能表普遍采用DL/T645-1997《多功能电能表通信规约》，而最新发布的国家电网公司企业标准Q/GDW 354-2009《智能电能表功能规范》中也明确规定了智能电能表必须遵循DL/T645-2007《多功能电能表通信规约》及其备案文件。上述标准的统一保证了智能电能表的设计在一个框架下进行，这为不同厂家、不同型号的智能电能表采用统一编程软件编程奠定了基础。

图3 字节传输序列

软件协议设计以DL/T 645-2007规约为基础，该规约定义了3层结构：应用层、链路层和物理层。链路层规定了通信的帧格式，包括帧结构、字节结构、传送顺序、传送间隔。数据的传送以字节为基本单位，每字节含8位二进制码，传输时加上1个起始位(0)、1个偶校验位和1个停止位(1)，共11位，其传输序列如图3所示。D0是字节的最低有效位，D7是字节的最高有效位。先传低位，后传高位。

若干个字节数据组成一个帧，帧格式如表1所示。第1个68H是帧起始符，标志一帧信息的开始，地址域A0～A5用来区分不同的从站，只有地址码等于A0～A5的从站才会对该帧信息做出应答，第2个68H是帧的结构特征字节。

在主站发送帧信息之前，先发送4个字节FEH，以唤醒接收方。所有数据项均先传送低位字节，后传送高位字节。每次通信先由主站向从站发出请求命令帧，被请求的从站接收到命令后作出响应。字节校验为偶校验，帧校验为纵向信息校验和，接收方无论检测到偶校验出错或纵向信息校验和出错，均放弃该信息帧，不予响应。

表1 帧格式

2.2程序设计

软件的开发环境为IAR Embedded Workbench，使用C430语言。上位机为无线手持抄表终端，从机为电能表无线接口，每1个电能表都拥有1个唯一的地址，工作方式为主站轮询、从站监听的方式。系统软件的主要流程如图4所示。

图4 系统程序框图

无事件发生时，MCU进入LPM3低功耗模式，SX1233进入Sleep模式。当串口1收到数据时，MCU被激活，MCU根据接收的数据指令执行相应的程序后重新进入LPM3低功耗模式。对于串口1接收的数据，MCU执行的是MODBUS协议。

当SX1233被唤醒时，会从Sleep状态中进入接收工作状态并触发MCU退出LPM3模式，当发现通信地址非本机地址时立即中断接收，SX1233重新进入Sleep状态，MCU进入LPM3模式。否则，完成数据帧的接收工作，并根据协议执行相应的程序，返回响应代码后，SX1233回到Sleep状态，MCU进入LPM3低功耗模式。

2.3MSP430F149编程要点

1)IO口配置 MSP430F149的多数IO口都有2种或2种以上的功能，每个IO位都可以独立编程，因此初始化时要对IO口进行配置。

2)LPM3低功耗模式 MSP430F149有5种低功耗模式，即LPM0-LPM4。该系统设计在没有按键和数据收发的工作状态下工作在LPM3模式，耗电仅为0.9uA。此时CPU处于禁止状态，DCO被禁止，直流发生器被禁止，MCLK和SCLK被禁止，只有低速时钟ACLK(32768Hz)活动。因此当按键或无线侦听激活MCU时，程序应立刻从LPM3模式中退出。

3)MCU的FLASH存储区分配 MSP430F149不同于传统的51单片机，其存储器为冯·诺依曼结构，其FLASH区有60KB+256B。该系统地址分配如下：

3 结 语

为了实现电能表无线抄表功能，设计了电子式电能表无线通信接口，其硬件结构简单、成本低、技术开发成熟、功耗低、性价比高。测试结果表明，当发射功率设置为10dB时，在楼宇内的有效收发距离为80m左右，误包率低于1%，完全能满足无线抄表的使用要求。由于系统程序具有升级功能，因而经过适当改动后可适用于其他应用场合，如工业监控等。因此，该方案有较大的推广价值和广阔的市场前景。

[1]陈红军．公用事业一户一表改造方案比较[J].中国住宅设施，2004(11)：22-25.

[2] 战凯.略谈电能计量自动抄表系统的现状与发展趋势[J]. 黑龙江科技信息，2011(14)：8-10.

[3] 沈建华，杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4] Semtech Corporation. SX1233 High Bit Rate Transceiver [EB/OL].http://www.semtech. com/ images/ datasheet/sx1233_ag.pdf/2011-10-04.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.04.041

TN923

A

1673-1409(2012)04-N117-04

2012-01-11

湖北省教育厅科学研究计划资助项目(D20091503)。

郝毫毫(1968-)，男，1989年大学毕业， 硕士，讲师，现主要从事智能仪器、无线传感器网络技术等方面的教学与研究工作。