基于CAN总线和3G集抄的智能电表设计

2013-01-06方向红李善田许广彬淮南联合大学机电系安徽淮南232038

长江大学学报(自科版) 2013年7期

方向红，李善田，许广彬（淮南联合大学机电系，安徽淮南232038）

智能电表是智能电网的终端，智能电表除了具有传统电能表的计量功能外，还具有复费率计算、远程控制、防窃电及信息交互功能，其强大的数据处理功能可以帮助相关部门准确开展市场分析预测，同时让用户更好地了解自己的用电情况，有针对性地节约电能。随着国家智能电网建设的发展，作为用户端的智能电表的需求也将大幅增长［1］。目前智能电表网络设计多采用485总线形式，且集抄方式多采用电力载波传送形式，存在通信的实时性和可靠性不高、数据采集不稳定、在用电高峰期实时性和准确度都难以保证等缺点。下面，笔者设计了一种具有电表网络集成、3G无线抄表、IC卡智能管理与消费、窃电报警等功能的智能电表，能解决局部及大范围电表用户的电表数据通信与传输问题。

1 智能电表总体结构

该智能电表系统由一个单相智能电表主单元和若干智能电表从单元组成，各单元之间通过控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）和485总线进行数据传输（见图1）。

2 智能电表主单元

主单元与从单元相比，增加了IC卡预付费和3G无线传输2个模块。局域网内的用户可通过IC读卡器集中刷卡，并通过3G无线传输模块将网内所有用户的用电信息统一发送给用电管理部门。智能电表主单元组成如图2所示。

主控模块采用16位飞思卡尔单片机MC9S12X-Sl28，ATT7053智能电能计量芯片组成电能采集模块，通信模块由CAN通信模块和485通信模块组成；工业级的WCDMA 3G路由器组成基于3G的数据远程传输模块；复旦微电子FM1702SL构成非接触式预付费IC卡电路。ESAM（Embedded Secure Access Module）嵌入式安全控制模块实现安全存储、数据加／解密、双向身份认证、存取权限控制、线路加密传输等安全控制功能［2］。DS1302芯片和AT24C02芯片分别组成时钟同步模块和信息存储模块。

2．1 电能采集模块

电能采集模块由信号调理模块和单相电能计量芯片ATT7053构成（见图3）。信号调理电路将待测信号通过电压、电流互感器转换、滤波等操作，转变成ATT7053采集芯片能够识别的标准信号。ATT7053是一种带SPI的单相多功能防窃电计量芯片，能同时得到2通道的有功功率、无功功率、视在功率和电能脉冲输出以及3通道的有效值、电压频率、电压电流相位等参数。

图1 智能电表通信结构图

1）信号调理模块信号调理模块包括电压信号采集电路和电流信号采集电路，如图4所示。图4（a）中，220V单相电压通过限流电阻R102加到电压互感器HPT205NBJ-1的输入端，互感器输出端经跨接电阻R10将电流信号转变为电压信号，由R1a、R1b、C1a、C1b组成抗混叠滤波器用来滤除电网中噪声信号。其输出分别接到ATT7053的电压信号输入端V3P和V3N。图4（b）采用变比为2000∶1的电流互感器HCT204NBJ-1，精密电阻R30将电流信号转变为电压信号，经滤波变换后的信号以差模电压的形式接到ATT7053的电流信号输入端V2P和V2N。

图2 智能电表主单元组成框图

图3 电能采集模块的组成

图4 信号调理电路

2）ATT7053 芯片ATT7053的接线如图5所示，其输出引脚SPICLK、SPIDO、SPIDI、SPICS、IRQ分别接单片机的PB3，PB2，PB1，PB0，PB4组成SPI采集数据传输通道，输出引脚CF3、CF2、CF1分别通过电阻RQ、RP、RS与发光二极管LED＿Q、LED＿P、LED＿S相连接用来显示电能脉冲信号。

图5 电能计量芯片ATT7053的接线图

图6 CAN通信模块

2．2 通信模块

通信模块由CAN通信电路和485通信电路组成。以CAN通信为主，为了保证局域网通信的可靠性，一旦CAN网络出现故障，可以自动启用485通信网络。一般智能电表多采用485通信，笔者的设计主要采用CAN通信协议，与485相比，基于CAN总线的系统具有通信速率高、实时性和可靠性高、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等突出优点［3］。

1）CAN通信电路主要由飞思卡尔单片机MC9S12X-Sl28的通讯口PM0、PM1并通过CAN驱动模块82C250完成（见图6）。

2）485通信电路由单片机的串口0、光电耦合器ISO11、ISO12、ISO13、485电平转换芯片65LN184、瞬态抑制二极管 TVSD1、TVSD2、TVSD3、TVSD4、负温度系数热敏电阻RBUSA、RBUSB组成（见图7）。

图7 485通信模块

3 软件控制流程

3．1 软件总体设计

智能电表的软件是按照结构化、模块化、通用化的设计原则进行的，整个程序从结构上分为数据处理模块、事件捕获模块、事件处理模块、通讯处理模块4大模块。在各个模块之内再按功能划分为更细小的模块，组成实现单一功能的子程序和函数，具体结构如图8所示。数据处理模块主要负责将外部数据经输入、采集后进行计算处理、存储、运算等任务，其中数据记录保存模块可以存储一些重要用户用电数据，如时间、当前用电量、剩余电量、用户信息等；事件捕获模块主要监视、识别并报告各内外部事件的发生，如用户插卡、硬件故障等，然后以消息模式通知主控程序，激活事件处理模块中的相应函数进行响应，该模块一般以中断处理模式工作，具有可靠性高、实时性强的特点；事件处理模块和通讯处理模块是该智能表软件功能实现的主体，由多种功能模块组成，在外部事件的触发下执行特定的流程，实现特定的功能。该软件是个比较复杂的系统，需要协调完成复杂的通讯、数据采集、数据分析处理、输出显示、远程传输、逻辑控制、安全校验等工作。

3．2 主程序简化流程

主程序简化流程如图9所示。仪表上电后开始运行自检程序，分别检测各通讯模块工作是否正常工作及硬件电路是否有故障。如有通讯不正常或电路故障则运行故障中断程序，显示故障代码或者声光报警等；自检通过之后则一方面等待各种中断事件发生，一方面运行各种例行功能模块程序。事件中断程序是软件的主体部分，尤其是通讯中断更是重中之重。该设计的特点之一是局域网各个电表模块之间的485和CAN通讯的冗余设计，除了模块本身与内外部的通讯之外，还要担负着与其他模块之间的数据通讯，以保证局域网内部的可靠通讯。

图8 软件总体结构图

通信部分软件流程如下：①如有用户插卡预付费时，系统通过EASM系统核对用户信息进行安全验证并进行安全信息交换，然后判断是局域网内哪个用户模块预付费，并发起对该模块的CAN通讯以传输预付费数据，模块接收信息后进行数据比较、存储等用户模块的操作。用户模块正确接收到信息后返回给主模块正确应答，如主模块没有在规定时间内收到验证信息则判断CAN通讯失败，则启动485通讯协议对该模块进行二次通讯以确保通讯成功［4］。②用户电表模块将每隔1min接收到电能计量模块ATT7053通过SPI协议发送来的电能计量信息，并将数据与用户剩余购电量进行比较，判断是否欠费。如果欠费，发出警告或断电信号，如不欠费则正常供电，累计用电量分时分段计算电费并进行存储和远传。③局域网主模块除了具有完善的与局域网内各从模块的主动通讯功能外，还要担负着通过3G传输模块将各用户模块的数据收集发送到用电管理部门进行登记，上网以供用户查询等任务，其自身也可以用作普通用户电表模块。

4 结语

笔者设计的智能电表，符合国标GB／T 15284-94标准要求，可以将一个单元或楼层甚至整栋楼的所有用户连成一个电表局域网，该网内能实现用户集中刷卡、集中抄表，节约了成本。而且采用CAN通信为主与485通信备用的方案，极大地增强了网内用户的通信可靠性与安全性。3G无线传输模块可以全天候地向用电管理部门传送数据，因而该智能电表具有很高的灵活性、很强的应用性。