基于Modbus通信的单相智能电表设计

王祥傲，钱小兵，汪先兵，彭　靳，叶玺臣

基于Modbus通信的单相智能电表设计

王祥傲，钱小兵，汪先兵，彭靳，叶玺臣

摘要:随着生活水平的提高，居民用电量快速增加，对电网的稳定运行造成不利影响。智能电表的应用有助于平衡电力峰谷负荷。本文介绍了一种单相智能电表设计方案。系统采用模块化结构，包括电量采集、数据存储与显示和远程通信三部分。电量采集模块对配电线路的电压、电流进行采样，经由CS5460A电能计量芯片得出电能信息；按键电路、数码管与存储单元用于电能数据的查询、显示及存储。智能电表采用Modbus RTU通信协议实现与上位机的远程通信。该设计方案对提高电能表的智能化程度有一定的实用价值。

关键词:单相智能电表；CS5460A；远程通信；Modbus

1引言

作为电能测量的专用仪表，电能表自诞生至今已有100多年的历史。随着电力系统及其相关产业的发展以及电能管理系统的不断完善，电能表的结构和性能也经历了不断更新、优化的发展过程：由机械感应式电能表、脉冲电能表，发展到现在的智能电表[1]。与传统电能表相比，智能电表具有测量精度高、功耗低、故障自诊断和远程通信、防窃电并可以实现分时计费等优点，适应现代电能管理的需要[2]。

现场总线技术是工业自动化的技术热点之一，它的出现标志着工业控制技术领域一个新时代的开始。现场总线技术将分散控制和集中管理高度统一，使现场智能设备与中央控制计算机之间实现了双向、多节点数据通信。现场总线技术的核心是通信技术及通信协议。Modbus是现场总线网络通信最常用的协议之一[3]。本文设计了一种基于Modbus通信协议的单相智能电表，实现了对电量数据的采集、存储，并可以实现与上位机之间的远程通信。该设计方案有利于平衡峰谷负荷，对降低抄表成本、实施分时计费政策具有较高的实用价值。

2单相智能电表的整体结构设计

单相智能电表由电能计量模块、电源模块、MCU模块和通信模块组成。电能计量模块的电压采样采用变比为1：1的电流型电压互感器；电流采样采用变比2000：1的电流互感器，利用取样电阻采样信号，经变换后的信号以差模电压的形式送给Cirrus Logic公司生产的电能计量芯片CS5460A，取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定。采样信号经CS5460A处理后将电压、电流、功率、电能等信息送给单片机AT89C51。显示模块采用6位数码管组成，可通过键盘选择显示电压、电流、功率、电度信息等；通信模块采用Modbus通信协议实现电能表与上位机之间的双向数据通信。系统硬件结构如图1所示。

3单相智能电表的硬件模块设计

3.1　微处理器单元设计

微处理器选用AT89C51作为单相智能电表的主控制器，负责按键的输入扫描、电量数据的读入和存储、电表参数的现场配置以及与上位机的通信。微处理器单元的引脚接线如图2所示。

3.2　供电电源设计

电能表属于不间断工作的电力计量装置，因而电源是其设计的关键部分。电源电路负责给各个硬件模块供电，以保证整个电能表的正常运行。需要供电的硬件模块有：

图1　智能电表硬件设计框图

图2　微处理器单元的引脚接线图

(1)电能计量芯片的+5V的直流电源；

(2)单片机AT89C51等数据处理单元电路的+5V直流电源；

(3)RS-485通信接口电路的+5V直流电源。

电源模块由电源变压器、滤波电路及稳压电路组成，如图3所示。

图3　直流稳压电源电路

3.3　电压、电流采样模块的设计

电压采样电路采用变比为2mA/2mA的电流互感器和高精度电阻作为输入电路。外接110k的电阻R1将220V市电电压转换为2mA的电流，经变比为2mA/2mA的互感器做电气隔离，通过二次侧125K的电阻R2转换为CS5460A的输入电压信号。为提高输入电压信号的稳定性，加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入抖动电容保护计量芯片。

电流采样电路采用变比2000：1的电流互感器，然后经一精密电阻将电流信号转变成电压信号。加入RC滤波网络对信号初步滤波，并加入抖动电容保护芯片。经变换后的电流信号以差模电压的形式接到CS5460A的模拟信号输入端。由于互感器角差的影响，可能造成输入信号的相移，使功率测量的误差增大。而CS5460A具有相位补偿功能，可以大大减小互感器角差的影响，提高电能表计量精度。如图4所示为电压电流采样电路。

图4　电压电流采样电路

3.4　电能计量模块设计

电能计量模块由电能计量芯片CS5460A及其外围电路组成。CS5460A是带SPI串行接口的双向功率/电能计量集成芯片，芯片的脉冲输出频率与有功电能成正比且具有高速电能计算功能，应用于电子式电能表。如图5所示为电能计量电路。

CS5460A的参考电压输入端(VREFIN)和参考电压输出端(VREFOUT)直接相连并通过0.1pF电容接地，0.1pF的电容起作电源抗干扰的作用；模拟电源负引脚(VA-)直接接地。片上模/数转换器的参考电压为0V，使用芯片内部2.5V的基准电压；时钟输出引脚(XOUT)和输入引脚(XIN)之间接4.096MHz的晶振提供系统时钟信号。

3.5　通信模块设计

Modbus通信协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备，PLC、DCS和智能仪表等都可以使用Modbus协议作为通信标准。

图5　电能计量电路

Modbus通信协议包括ASCII、RTU等传输模式。RTU模式以十六进制传送数据，一个字节为一帧，数据传输效率高于ASCII模式。因此，目前大多数工业智能自动化设备采用RTU模式[4,5]。本文的单相智能电表Modbus通信协议传输模式即采用RTU模式。

图6为RS-485通信接口电路，采用SN75176芯片实现电平转换和数据收发。RS485A+、RS485B-为传输信号线，连接主控制器的RS-485通信接口。发送数据时，将CPU_RDE置1，MCU将串行数据通过CPU_TXD传输给SN75176，经SN75176芯片转换为差分电平信号，由A、B两管脚输出到RS485A+、RS485B-，由上位机接收；接收数据时，将CPU_RDE置0，主控制器发送的数据经RS485A+、RS485B-到达SN75176的A、B端。SN75176将此差分信号转换为TTL电平信号，由CPU_RXD发送给MCU，实现数据的接收。

图6　Modbus协议的485通信接口电路

4单相智能电表的软件设计

4.1　软件总体设计方案

采用模块化程序结构和循环检测方式实现电压电流采集、信息显示和通信等功能。图7为单相智能电表的主程序流程图。智能电表上电后，系统首先进行初始化操作，然后检测配电电压、电流，经由电能计量芯片运算处理得出实时电量信息。通过控制器可对电量信息进行存储、显示及查询。当接收到上位机发送的通信指令时，控制器启动数据通信程序，完成与上位机的远程通信。

图7　智能电表主程序流程图

4.2　电量采集及校表程序设计

图8为智能电表校表程序流程图，图9为电量采集程序流程图。系统初始化后，微处理器通过CSA5460A对配电电压、电流进行检测、处理得到电量数据，单片机对数据进行存储、显示等操作。当需要校对智能电表时，在输入端加满量程信号，根据显示值通过键盘调整芯片内电压、电流、功率等寄存器的参数，从而实现对系统参数的校准。

图8　校表程序流程图

图9　电量采集流程图

4.3　数据通信软件设计

智能电表Modbus通信程序流程图如图10所示。上位机发送命令至单相智能电表，从机采用中断方式接收、处理指令，每次传送的数据帧中的第一帧为地址码，表明由用户设定地址码的子设备将接收由上位机发送来的信息。

每个单相智能电表都有唯一的地址码，若上位机发送的地址码与电表本身地址不同则可对其余数据不做处理，直接结束；若地址相同则准备接收本次通信的其余帧。从机接收数据完毕后，生成接收数据的CRC校验码，并与主机发送的CRC码比较，若CRC校验正确，则接收正确，从机按相应功能码的要求完成操作并生成发送数据响应主机；若校验码错误则向上位机报告并终止通信。

图10　Modbus总线通信程序流程图

5单相智能电表实验研究与分析

结合智能电表硬件设计和系统软件方案，进行了实验研究，实验平台搭建如图11所示。

图11　单相智能电表实验测试平台

单相智能电表与上位机通过VB编写的远程监控软件实现通信。图12为监控软件的通信连接界面。

图12　智能电表远程监控软件通信连接界面

图13　电能监测界面

6结论

本文结合智能电表技术发展趋势，研究了单相智能电表及其远程通信的设计方法。硬件方面基于模块化设计思想分析了单相智能电表的硬件整体设计方案，并阐述各主要电路模块的工作原理；软件方面采用模块化结构与循环扫描方式完成了程序设计，最后通过实验验证了该单相智能电表的设计可以有效地实现电能计量、远程通信等功能。该设计方案对于实现低成本、高效率的电能计量装置具有较好的实用价值。

[参考文献]

[1]陈恩黔,陈奔.国外智能电网的研究概况及其在我国的发展前景[J].中国电力教育, 2011(18): 90-91.

[2]刘鹰. 智能电表的应用前景[J].仪表技术,2011(12): 61-63.

[3]王兴贵, 张明智, 杜莹. Modbus RTU通信协议在智能仪表与工控机通信中的应用[J]. 低压电器，2008(2):8-11.

[4]李喜东,刘波涛,刘刚.Modbus RTU串行通讯协议在工业现场的应用[J].自动化技术与应用, 2005,24(7)：37-40.

[5]ABB公司, ModiconModbus协议[ Z], 2002.

[6]吕国芳,唐海龙,李进.基于Modbus RTU的串口调试软件的实现[J].计算机技术与发展，2009,19(9):237-238.

责任编辑：刘海涛

Design of Signal-phase Smart Meter Based on Modbus Communication

Wang Xiangao, Qian Xiaobing, Wang Xianbing, Peng Jin, Ye Xichen

Abstract:With the improvement of living standard, electricity consumption of residents increases rapidly, which adversely affects the stability of power grid. Smart meter is conducive to counterweigh the peak and valley power loads. This paper presents a design scheme of single-phase smart meter. The system adopts modular structure, including power acquisition, data storage and display and remote communication. Power acquisition module takes sample of the distribution line voltage and current, while CS5460A computes electric energy information; the key circuit, LED and storage unit are used for query, display and storage of electric energy information. The remote communication of smart meter and upper PC is based on Modbus RTU communication protocol. This design has certain practical value for the intelligence of electric energy meter.

Key words:signal-phase smart meter; CS5460A; remote communication; Modbus

通信地址用于指定上位机需要访问的智能电表。设置好通信端口与波特率后进行通信连接，当显示“连接正常”时，表明上位机可以与智能电表通信。图13为电量数据监测窗口。通过Modbus通信协议，上位机监控软件可以实时读取用户的电压、电流、频率、功率和电能等数据。

收稿日期：2014-11-15

基金项目：滁州市科技计划项目(201314)；安徽省教育厅自然科学研究项目(KJ2012B127)

作者简介：王祥傲，汪先兵，彭靳，叶玺臣，滁州学院电子与电气工程学院(安徽 滁州 239000)；钱小兵，中兴通讯股份有限公司(南京 210000)。

中图分类号:TM933.4

文献标识码：A

文章编号：1673-1794(2015)02-0039-04