基于Si4438的无线智能电表设计

2015-07-22高倩陈桂华

现代电子技术 2015年14期

高倩+陈桂华

摘要：采用专门针对我国智能电表推出的SUB?GHz无线收发器Si4438作为无线传输模块，AT89C51作为微处理器，在其上植入μC/OS?Ⅱ实时操作系统，电能计量使用高性能ADE7758芯片，设计并实现了一款高性能无线智能电表。该系统提供电能质量的监视、提供双向计量、多参数电量实时采集和控制、存储，支持双向通信、远程时间同步，能根据进行远程编程设定以及软件升级。实验证明，该智能电表满足国家标准中规定的0.2 s要求，具有功能完备、运行稳定、精度高和实时性好等优点。

关键词： AT89C51；智能电表； Si4438；实时操作系统μC/OS?Ⅱ

中图分类号： TP919.72?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）14?0105?04

0 引言

随着我国智能电网的快速发展，其中用于居民和企业的智能电表是电网改造的关键所在。无线智能电表是智能电表发展的主要趋势。智能电网高级量测体系AMI（Advanced Metering Infrastructure）要求智能电表满足以下功能：能支持具有分布式发电的用户；电量能够实时采集和控制；支持远程抄表；支持远程编程设定和软件升级；能提供电能质量的监测；提供断电报警以及供电信息恢复处理等[1]。成本和性能是智能电表推广应用的关键因素，目前，由于GSM/GPRS无线抄表需要付费且工作频段拥挤而实时性差，基于各类高性能嵌入式系统如DSP，ARM，SoC的智能电表成本较高，因此，采用低成本高性能单片机与免费无线频段的智能电表是低成本方案的首选[2?7]。本系统选用AT89C51作为主控制器，采用嵌入式操作系统μC/OS?Ⅱ，电能计量采用高性能ADE7758，无线传输模块采用无线收发器Si4438，本方案是低成本高性能无线智能电表的可行方案。

1 系统整体方案设计

根据AMI对智能电表系统功能的主要要求确定系统整体方案，按功能分为3个单元：电能采集单元、信号处理单元、通信单元。多功能电能表的系统框图如图1所示。

图1 中，测量部分将测量数据（电流、电压、功率等）送给控制单元，单片机根据时段设置，对无功、有功、费率、电流、电压等进行计算，并驱动显示器件显示有关信息。通过接口电路与外部进行数据传输和通信。选用AT89C51单片机作为系统主控单元，它具有4 KB可编程存储器，2个定时器和计数器，32个I/O口，并设有掉电模式、看门狗等资源。

图1 多功能电能表系统框图

主控单元设计可满足对正反向有功电能的平、峰、谷和总电量的计量，可进行手持终端抄表，是符合DL/T645?97要求的ZigBee无线RS 485远程抄表；可分别计量、显示和存储多时段，可跨零点、电量存储、提供临时冻结电量等[8]。

本设计采用的ADE7758是先进的智能电量计量芯片，由此构建了一个低成本、高精度的电能测量解决方案[9]。该芯片内部集成的电路可测量有功功率、无功功率和视在功率等。

综合以上论述，此方案具有性能高、灵活性高、价格廉等优点，已成为智能电表控制系统应用的一种很好的选择。

1.1 系统功能设计

系统设计根据AMI对智能电度表的功能要求，主要有以下几个方面：

1.1.1 显示及键盘功能

采用LCD显示屏，显示功能主要有上电显示（全亮数秒）；正常工作时的循环显示，显示内容包括：时钟、日期；总、尖、峰、平、谷的循环显示。系统设置4个按键，其功能分别为：启动（模式）键、增大、减小、确认键（长按2 s停止）。

1.1.2 存储及扩展

智能电表设计2级存储系统，以第二级为主。第一级存储系统由CPU的程序存储器FLASH ROM；第二级存储系统采用外扩展FLASH ROM实现。

1.1.3 抄表功能

数据通信采用无线RS 485接口，实现远程自动抄表。可通过手持终端抄读电表条码号、当前电量数据、保存的任意月份的电量和历史数据等。

1.1.4 通信功能

智能电度表需要具有多种数据通信功能接口。通信距离一般不小于1 200 m；RS 485接口符合DL/T645?97通信规程要求，可与目前市场上主流的手持抄表终端设备通过红外通信接口进行相互通信。采用标准红外RS 232通信接口，通信距离一般不小于4 m，符合DL/T645?97通信规程要求，通信速率为1 200 b/s；红外波长范围为900～1 000 nm；主动与被动抄表可通过ZigBee或蓝牙射频接口进行，无线抄表采用ISM免费频段实现，在被动抄表方式下，可实现单播、组播、广播等通信方式。

1.1.5 计费功能

计费功能可实现对尖、峰、平、谷4种费率的计费，智能电表采用实时时钟电路。内部时钟具有日历计时，每日任意时段的实际时间与预置时间之差不超过1 s。采用双锂电电池，电池最大容量为1 200 mA·h，用于保持时钟和停电显示。

1.1.6 编程功能

编程可以实现智能电表应用的灵活性，可以采用红外或射频形式RS 232/RS 485通信接口对电度表进行编程控制。可编程项目包括时间、日期设置，时段和费率设置，显示项目及显示内容设置等。这些编程内容可单独进行设定，或通过“综合设定”功能进行一次性完成设定。

1.2 工作原理

工作时，传感器将6个电压信号送入ADE7758，经过片内PGA1/PGA2可编程增益放大器放大后进行模/数ADC变换为相应的数字信号，其中的电流信号经高通滤波器滤除直流分量，再将输出信号进行数字积分，接着与经相位调整后的电压量相乘得到瞬时功率，最后通过低通滤波器后得到瞬时有功功率信号；总的三相瞬时有功功率经芯片的DOUT 引脚输出。视在功率和无功功率的计算与此相似。MCU通过脉冲及串行通信接口接收有功功率数据，并根据预先设置的相应时段进行处理，将数据和输出结果实时显示出来，并保存到闪存中；同时，也可通过串口、红外或ZigBee模块，与便携终端或其他数据平台进行通信。

1.3 Si4438无线单元

无线射频模块选用了Silicon Labs公司生产的Si4438。提供了SUB?GHz无线解决方案，可针对我国智能电表市场，满足我国目前智能电表市场的要求。支持调频和采用分集式天线，可增强无线性能和延长传输距离。Si4388无线模块内部结构如图2所示。

Si4438收发器采用分集式天线和高效功率放大器，可提高系统链路预算，为智能电表延长传输距离，并且提供可靠的通信链路。Si4438收发器片上集成功率放大器、低噪声放大器和表面声波滤波器，提高性能的同时降低了成本，使其在恶劣的环境下也可有效传输。集成的温度传感器、GPIO和上电复位电路进一步降低了系统成本，缩小电路板尺寸。

图2 Si4388无线模块内部结构图

ZigBee技术可组建无线个人局域网，它具有组网能力强、低复杂度、低速率、节能可靠等诸多优点。ZigBee协议采用IEEE 802.15.4标准的物理层和链路层，还包含了网络层、安全层和应用层。Si4438内部设有数据的无线收发2个部分。数据发送时，每个模块上设有GPIO口，单片机通过RS 485串口接收其他数据平台发送来的数据，再控制ZigBee芯片Si4438进行直接序列扩频，最后由天线发射到空中；接收数据时，Si4438将天线接收的数据在内部解扩后，单片机再把数据传送到其他数据平台上。

1.4 系统计量依据的电力参数数学模型

电网所供瞬时电力是各谐波分量之和，各个分量的瞬时电压、电流可通过傅里叶变换表示为：

[U（t）=U0+2k=0∞Uksin（kωt+?k）] （1）

[I（t）=I0+2k=0∞Iksin（kωt+φk）] （2）

式中：[U（t）]为瞬时电压；[I（t）]为瞬时电流；[U0]为电压直流成分；[Uk]为k次谐波电压有效值；[?k]为k次谐波电压相位；[φk]为k次谐波电流相位。

系统计量无功功率Q和有功功率P及功率因数[cos ?]的离散化计算表达式如下所示：

[Q=1Km=0K-1u（m+K4）i（m）] （3）

[P=1Km=0K-1u（m）?i（m）] （4）

[cos ?=PP2+Q2] （5）

式中：[u（m），i（m）]分别为电压电流采样信号经抽样离散化得到的数据序列；K为一个周期内的采样频率。

2 系统软件设计

2.1 主程序设计

系统主程序包含初始化、入网处理、掉电处理、数据传输等事件处理，系统主流程图如图3所示。系统上电后首先进行初始化，主程序判断电网电压状态，进行上电或掉电处理。主循环要进行以下流程：需量计量、费率处理、数据结算、事件记录和液晶显示等。

图3 系统主程序流程图

2.2 ZigBee协议

系统采用ZigBee 2007规范的Z?Stack无线通信协议，协议层自下而上依次为物理层、MAC层、网络层、ZDO层、AF应用框架层。Z?Stack协议栈中各层均可作为—个任务独立运行[10]。协议栈结构图如图4所示。

图4 ZigBee协议层

ZigBee协议实现采用μC/OS?Ⅱ。μC/OS?Ⅱ是一个完整的、可移植、可固化、小巧的，可裁剪的占先式实时多任务内核，源代码公开降低了开发成本。μC/OS?Ⅱ实现的对应事件从上到下依次为：AF（MeterAPP_ProcessEvent）、ZDO（ZDApp_event_loop， APS_event_loop loop）、网络层（nwk_event_loop）、MAC（MacEvent_loop）、物理层（Hal_ProcessEvent）。对于嵌入式系统开发步骤依次为：

（1）创建系统开发环境；

（2）生成交叉编译环境；

（3）加载引导程序；

（4）内核裁剪并移植；

（5）制作根文件系统[11]。

3 系统实验

系统实验框图如图5所示。

图5 系统实验框图

图5中，三相程控精密测试电源采用HT3050，可输出工频50 Hz，相位及幅度可调的高精度电压或电流。电压选220 V档，电流选10 A档，电流大小选择值依次分别为0.1[Ib]，0.5[Ib]，[Ib]，[Imax]。叠加10次谐波分量，基本实验结果见表1。

表1 智能电表参数测试误差 %

从表1中可以看出各个参数的最大误差值。说明了所设计的电表准确度等级已达到0.2级电表的要求，达到了实际使用的精度。

4 结语

采用专门适合我国智能电表需要的高性价比低功耗Si4438无线收发模块结合高性价比的单片机AT89C51及电能计量芯片ADE7758设计实现的无线智能电度表，功能上符合AMI的要求且满足DL/T645?1997规程。经实验测试：系统具有精度高、实时性好、运行稳定、功能完善等特点，是一套功能多、性能好、成本低的无线智能电表解决方案，对于促进智能电度表的推广应用具有重要价值。

参考文献

[1] 陈虹，朱菲菲，朱建，等.基于工业以太网的双向智能电表设计[J].低压电器，2012，12（1）：35?40.

[2] 吴琦，徐阳，吴巍，等.基于3G的智能电表远程监测系统的研究[J].电测与仪表，2011，48（8）：68?71.

[3] 唐轶，陈奎，谷露，等.一种高精度快速计算电力谐波参数的方法[J].电力系统保护与控制，2013，41（5）：43?49.

[4] 杜欣慧，王茜.基于计量芯片ADE7758的三相多功能电表设计[J].电气技术，2012，10（2）：42?44.

[5] 吕小强，张涛，白燕羽，等.基于ARM和ATT7022B的智能电表系统[J].中国测试，2012，38（1）：94?96.

[6] 唐红雨.基于MSP430FF42X和ESP430的单相智能电表的设计[J].低压电器，2012，11（1）：41?45.

[7] 郭志华，李平舟，尹应鹏，等.基于ATT7022B和ARM微处理器的多功能三相电力仪表的设计与实现[J].电子元器件应用，2008（3）：1?3.

[8] 牟龙华，朱国锋，朱吉然.基于智能电网的智能用户端设计[J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：53?56.

[9] 蔡泽彬，邓磊.基于ADE7758三相多功能电表的设计[J].空军雷达学院学报，2007，21（3）：183?185.

[10] 周湶，马小敏，陈伟根，等.基于ZigBee和零序电流增量法的配网单相接地故障定位方法[J].电力系统保护与控制，2012，40（9）：62?69.

[11] 余东东.基于μC/OS?Ⅱ的嵌入式文件系统的研究与实现[D].上海：上海交通大学，2007.