基于LPC1768的低压抄表集中器设计与应用

2014-05-16林勇

实验室研究与探索 2014年5期

关键词：集中器电表中继

林勇

（陕西理工学院数学与计算机科学学院，陕西汉中 723001）

基于LPC1768的低压抄表集中器设计与应用

林勇

（陕西理工学院数学与计算机科学学院，陕西汉中 723001）

针对农村地区现场条件复杂，电力线载波抄表效率低下的情况，从硬件和软件两方面提出了一种基于LPC1768的自动抄表集中器的设计思路，硬件部分重点阐述了提高系统可靠性的电路设计，外扩存储器的规划设计，以及GPRS模块、载波模块接口和RS-485接口设计，软件上给出了双MCU通信的程序设计思路和自动中继抄表算法的实现方案。实际安装测试表明，该集中器运行稳定可靠，抗干扰能力强，自动中继算法应用效果明显。

Cortex-M3;远程自动抄表;集中器;电力线载波通信;中继

0 引言

近些年来，国家电网努力推进建设坚强的智能电网，并伴随着电子、计算机及通信技术的高速发展，国内的远程自动抄表技术发展十分迅速。集中器作为自动抄表系统的核心设备之一，目前，国内对其进行通信技术方面、嵌入式解决方案及功能实现方面的研究［1］。在集中器设计方面，国内已有的大多数方案都很好地解决了功能实现的问题，但由于在电表抄收的通信方面(尤其在载波通信方面)没有进行有针对性的优化设计，实际应用效果往往不甚理想。

本文以国家电网公司相关技术标准为参考，以高性能嵌入式微控制器LPC1768为核心，针对农村地区应用现场，设计了一款低压电力用户抄表集中器。此集中器以较低的硬件成本，实现了实际应用所需的全部功能，且较好地完成了电表抄收率要求。

LPC1768是NXP公司基于Cortex-M3 R2修订版内核的MCU，主频高达100 MHz，是一款工业级芯片，经实际应用表明，性能稳定可靠。它支持低功耗模式、中断唤醒控制器;内部具备512 KB FLASH存储器，64 KB SRAM存储器;集成Ethernet MAC控制器、12M全速USB Host接口、3路I2C接口、3路SSP/SPI接口、4个UART接口等。这些特性使其非常适合本文所设计的集中器。

1 低压集中抄表系统

低压集中抄表系统一般指面向居民用户的自动抄表系统，其典型的系统架构如图1所示［2］。从图中可以看出，整个低压集中抄表系统主要由主站管理系统、集中器、采集器和电能表组成。在实际应用中，根据设备的安装环境或其他因素，在集中器的上、下行信道均可选择适合的一种通信方式或多种通信方式混合使用。本文设计的集中器在实际应用时，根据现场条件，上行信道选择GPRS通信方式，下行信道选择低压电力线载波通信方式，同时也通过RS-485总线抄收台区总表的数据。

图1 低压集抄系统架构图

2 集中器设计

2.1 硬件设计

2.1.1 系统总体方案设计

集中器可具备交流模拟量采集功能［3］(相当于一个三相多功能电能表)，用以实现公变电能计量，在本设计中不作要求，只留出扩展位置和接口。实际硬件设计时，为了避免高压与低压、模拟与数字部分相互干扰，整个集中器分为上下两个电路板，上层电路板为主控电路板，下层电路板为电源、交流采样和继电器控制电路板。下层电路板为上层电路板提供电源，并将交流采样接口信号及继电器控制接口信号通过排针与上层电路板相连。

上层主控电路板的主要硬件结构框图如图2所示，整个主控板以LPC1768为核心，包括载波模块接口(用于插接载波模块实现和载波电能表的通信)、RS-485接口(用于连接具有485接口的电能表或作为集中器的级联接口)、GPRS模块接口(通过插接GPRS模块实现和主站通信)、红外接口(用于和手持设备通信的本地调试接口)、本地调试用RS232串口、存储数据用的外部存储器件、按键和液晶显示屏(用于电能数据显示和参数设置等功能)、ESAM安全模块(用于保障关键数据通信安全)、看门狗和实时时钟电路等，另外还有本设计不实现而只留出扩展位置的以太网接口和 USB 接口［4-6］。

整个集中器在MCU的控制下，通过RS-485总线或载波模块实现下挂电能表电能数据的定时或实时采集，并实时接收来自GPRS的主站命令，同时根据需要将参数或电表数据存入外部存储器中。由于集中器所需实现的功能较多，在主控板的MCU部分我们加了一个辅助MCU，它是NXP公司的基于Cortex-M0的处理器——LPC1114。主MCU和辅MCU之间通过SPI总线通信，主MCU控制辅MCU实现一些简单的I/O功能，如蜂鸣器报警、通信模块类型识别等。除此之外，系统还设计了开盖检测，电池欠压检测和系统掉电检测，以实现实时监视外部的异常情况，对检测到的异常情况进行相关记录，同时进行声光报警。

图2 主控板硬件结构框图

2.1.2 电源电路的基本结构

集中器使用交流三相四线供电，在断一相或两相电压的条件下，交流电源也能维持集中器正常工作和通信。为了减小电源的体积从而减轻集中器的重量，我们采用开关电源对交流市电进行转换。转换之后的电源分三路经LDO芯片输出供给上层主控板:一路供给载波模块，第二路供给RS-485通信电路，第三路供给MCU及其外围的所有其他电路，三路电源相互隔离。为了保证电源的稳定性和抗干扰性，以满足EMC测试要求，我们在电源的输出部分串联了磁珠，用于抑制电源线上的高频噪声和尖峰干扰，另外还并联了瞬态电压抑制二极管，用于将输出电压限定在安全的幅度内。

2.1.3 存储模块规划设计

本设计在MCU外部扩展了I2C总线接口的E2PROM及SPI接口的FLASH，E2PROM及FLASH的型号可根据实际所需存储容量的大小进行选择［7］，每种分别可扩充8片，故整个存储模块的容量具有较大的弹性。根据标准［3］要求，集中器需要存储的数据主要有:集中器参数、电表档案信息、普通表历史数据、总表历史数据、事件记录数据等。另外，还需存储自动抄表中继路径信息。在对各类数据的特点及两种存储器的特性进行综合考虑后，做出如下安排:在E2PROM中主要存储集中器参数、电表档案信息、事件记录数据和中继路径信息，而在大容量的FLASH中存储电表的历史数据(包括普通表和总表的)。对于E2PROM以方便各类数据存取为原则进行存储区域划分，对于FLASH芯片，为了避免频繁擦写而造成其寿命降低，尽量以扇区或块为单位进行存储区域划分［8-9］。在本设计中，我们根据实际需求计算各类数据所需存储容量，划分各类数据存储区域，计算总存储空间大小，最后扩展了1片型号为ST24512的E2PROM芯片及1片型号为SST25VF064C的FLASH芯片。

2.1.4 GPRS 模块及接口设计

GPRS模块是集中器与主站通信的上行信道通信模块，载波模块是集中器抄收下挂电表或采集器的下行信道通信模块，它们都是以模块的形式插接在对应的接口上。载波模块接口处的信号与主控板对应信号之间用光耦NEC2501进行了隔离，GPRS模块接口处的信号和MCU之间通过74LV245芯片进行连接，这些设计都是为了实现接口保护，以提高集中器的可靠性。

RS-485接口在实现时为了增强抗干扰能力，用光耦进行了隔离，在485芯片输出部分加了热敏电阻和瞬态二极管，提高抗过压、抗过流能力，增强电路的稳定性，电路如图3所示。

图3 RS-485接口电路

2.2 软件设计

2.2.1 软件的总体设计

本集中器软件基于RealView MDK开发环境进行开发，分为主MCU(LPC1768)程序和辅MCU(LPC1114)程序两部分［10-11］。主MCU程序移植了μC/OS-II操作系统，实现了实时多任务管理功能。根据集中器的功能要求与实际需求情况，本集中器主要实现定时抄表、实时抄表命令的响应、路由查询和更新、数据的发送和接收等功能。具体实现时，按照任务的优先级，主要设计以下几个方面的任务。

(1)监视任务。监视任务具有最高的优先级，系统运行后，由它进行初始化，并负责监视其他任务的运行以及看门狗“喂狗”。

(2)实时响应任务。主要用于响应主站下发的命令，包括数据接收和发送任务，协议解析任务。

(3)GPRS管理任务。负责GPRS模块的初始化、通信链路的连接;接收主站下发的请求报文，并发送信号量给实时响应任务，由实时响应任务进行协议解析、命令执行等操作;当没有下发报文时，根据需要主动向主站发送登录、心跳、重要事件、级联终端上行报文。

(4)定时抄表任务。依据设置的定时时间参数，定时抄读所有电表的各类冻结数据，并根据事件条件统计处理冻结数据，形成记录。

(5)液晶显示任务。和按键部分相配合，负责集中器当前通信方式、当前工作状态及电能数据等的显示和集中器常用参数的设置，提供可视化人机接口。

(6)路由搜索任务。根据设置的自动中继抄表算法，进行中继路径存储区的更新维护。

2.2.2 双MCU通信的实现

主MCU和辅MCU通过SPI总线进行通信，在辅MCU实现的功能包括:电源LED控制、告警LED控制、蜂鸣器控制、通信模块类型识别、电池电量检测、开盖检测等。正常运行状态下主MCU和辅MCU都处于SPI从机模式，当有一方有信息要发送时，则该方主动转换为主机模式而发起通信［12-14］。为了保证正确可靠的传输，定义了简单的通信协议，协议帧格式只包括功能码和操作码两字节，接收的从机根据功能码和操作码完成对应的操作，并回复确认帧［15］。协议帧格式的部分具体定义见表1。虽然大部分情况下是主MCU主动发起通信，但为了避免小概率情况下双方同时发起通信而引起冲突，规定:一方在发起通信时要先检测SPI接口是否处于接收忙状态或者SPI缓冲区有无数据。

表1 协议帧格式部分定义

2.2.3 自动中继抄表算法的实现

本集中器在实际现场应用时主要是通过电力线载波模块抄收下挂电能表数据。由于电力网络的阻抗时变性、衰减特性及较大的噪声干扰，造成电力载波通信的通信质量和通信距离很不稳定。为了保证整个抄表系统在一天24 h都能有一个稳定的较高的抄收率，需要在集中器的程序设计中加入可靠的中继路由算法。为了减少现场调试的人力成本，本设计引入了自动中继算法，我们将朴素自动中继算法——无穷搜索法作为备用算法，另外引入具有中继约束条件的自动中继算法。前者以已抄得的载波表为基础逐个逐级测试出有效的中继路径，费时较长，效率较低;后者以前者为基础，在选择载波表作为中继节点时加入了中继约束条件，可以大大缩短寻找中继路径的时间。

中继约束条件包括线路编号、相序类别和表箱编号，同一线路编号、相序类别的电表可以相互作为中继，同一表箱号的电表一般不互为中继，具体的算法描述可以参考文献［16］。本设计中，我们在E2PROM开辟了一片路径存储区，具体分为以下五个区:无路径区、一级路径区、二级路径区、三级路径区和死区。无路径区存放集中器可以直接抄到的表号，一级路径区存放可以通过无路径区电表抄到的表号及对应的中继表号，类似地，二级、三级路径区存放可通过前一级路径区电表抄到的表号及其对应的中继表号，死区为通过三级路径也无法抄到的表号。集中器可以根据实际需要选择在抄表时段以外的时间对该路径存储区进行维护，也可以选择在抄表过程中更新路径存储区。整个抄表算法为动态的中继路由算法，只要电表参数信息录入正确，集中器可以自适应的跟随现场安装情况的变化。图4为自动搜索一级中继流程图。

3 现场安装与测试

本文设计的集中器在陕西地区一农村现场台区进行了实际安装和测试，该台区安装有167块单相载波电能表，由于地处农村，电能表安装位置相对比较分散，3或4个电能表共用一个表箱装在一根电线杆上，电线杆与电线杆之间的平均距离在40 m左右。该台区输电线路东西跨度18根电线杆，南北跨度9根电线杆，我们尽量将集中器安装在离变压器不远的接近台区中心的位置，以尽可能提高集中器直接抄回的电表的数量。另一方面，农村地区线路电压波动幅度较大、现场安装环境防雷措施不足等因素，对于集中器来说是一个比较大的考验。然而经过较长阶段的测试发现，集中器绝大多数时间都能正常工作，并能稳定地上送电能数据。另外，还对中继算法进行了实际对比测试，图5为集中器在三种程序配置下各自一天的抄收率曲线图，测试数据是在后台主站软件以整点为单位进行统计的。由图5可以看出，加入了中继约束条件的自动中继算法所得到的抄收率更高并且更加稳定。

图4 自动搜索一级中继流程图

图5 中继算法测试数据

4 结语

本系统以LPC1768为核心，外扩存储器可根据应用需要进行配置，加入增强硬件系统可靠性的电路设计，抄表程序采用自动中继算法，这些特性使得本设计具有硬件成本低、系统稳定可靠、抄收性能良好的优点。实际应用也表明，本集中器运行稳定、抗干扰能力强，适用于低压载波集中抄表系统。

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Design and Application of Meter Reading Concentrator Based on LPC1768

LIN Yong
(School of Mathematics and Computer Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723001，China)

In order to deal with the situation of complicated rural field condition and low success rate of electricity meter reading system through power line communication，this article introduces a design of meter reading concentrator based on one MCU，LPC1768 from hardware and software.In hardware，a flexible external storage and GPRS module，carrier module and RS485 interface were added to the system to improve the circuit reliability.A program based on two MCU structure and automatic relay algorithm was designed in software.Actual applications showed that the concentrator is reliable and strong anti-jamming，the automatic relay algorithm works well.

Cortex-M3;auto meter reading;concentrator;power line carrier communication;relay

TP 274.2

1006－7167(2014)05－0087－04