专变采集终端的系统硬件实现方案

2016-03-12广东省核工业华南高级技工学校王章宽

电子世界 2016年23期

广东省核工业华南高级技工学校王章宽

专变采集终端的系统硬件实现方案

广东省核工业华南高级技工学校王章宽

文章根据专变采集终端的功能和抗干扰等相关技术指标要求，提出了一种专变采集终端的系统硬件实现方案。该实现方案应用了ARM处理器、UCLINUX嵌入式操作系统、智能三相电表芯片、GRPS通信、CPLD、红外通信等技术，实现了专变用户用电信息的采集、分析、存储、传输、就地显示以及对开关量的监控管理等功能。该方案硬件成本低廉，设计可靠，自动化成度高，适应于现场应用。

坚强智能电网；专变采集终端；ARM处理器；GRPS；CPLD

1 引言

能源是经济发展和社会生活的重要物质基础，保障能源的长期稳定可靠供应是世界各国共同追求的目标。进入21世纪以来，全球在能源安全、能源效率、能源环境等方面面临重大挑战。推动能源发展方式转变，构建安全、稳定、经济、清洁的能源供应体系，十分必要和紧迫。电网是集能源输送、网络市场、公共服务等功能于一体的基础设施，在保障能源安全、促进节能减排、推动经济增长等方面的作用和价值越来越突出。为应对全球能源发展的新挑战，迫切需要加快建设适应经济社会发展要求的现代电网。

2009年5月，中国国家电网公司在特高压输电国际会议上首次提出了建设“坚强智能电网”的战略目标和发展思路，并制定了完整的智能电网相关技术标准。坚强智能电网包含发电、输电、变电、配电、用电、调度等各个环节，覆盖所有电压等级。各环节的发展紧密衔接、相互协同，整体功能和优势充分发挥。

专变采集终端是按照坚强智能电网建设要实现电力用户用电信息采集系统建设“全覆盖、全采集、全预付费”的总体目标要求而开发的采集终端装置，是对专变用户用电信息进行采集的设备，可以实现电能表数据的采集、电能计量设备工况和供电电能质量监测，以及客户用电负荷和电能量的监控，并对采集数据进行管理和双向传输等功能。[1]

专变采集终端在系统硬件方案上要实现：1)数据采集（包括状态量、脉冲量、交流模拟量、电能表数据等）；2)数据显示、参数的设置和查询；3)控制；4)事件的记录和存储；5)数据传输（串口通信、GPRS通信，红外通信等）；6)时钟和终端维护；7)抗干扰等技术指标。[2]

2 系统硬件功能框图

整个系统硬件框图如图1所示，系统硬件按各部份所实现的功能可大致分为四部分：1)由NUC710ADN ARM7为内核的CPU部分主要实现数据通信、事件的记录和存储、系统的维护和参数设置等功能。该CPU运行uclinux操作系统，可实现串口通信、GPRS通信，红外通信，网络通信，USB存储等功能；2)由M0516 ARM® Cortex™-M0为内核的CPU主要处理数据采集、参数的设置和查询、控制、原始数据的存储、时钟维护、LCD液晶的显示管理、按键的管理、备用电池的充电管理等功能，该CPU作单片机用，与ARM7相互由串口连接交换数据；3)由三相电度表芯片ATT7022D组成的电路，主要实现电能参数的采集、电度脉冲的产生等功能，ATT7022D与M0516用SPI口连接。4)由专变采集终端专用电源模块组成的电路，提供系统电源和隔离侧的电源。备用电池的充电和用电切换。

图1 系统硬件功能框图

3 主要元器件的选型

主要元器件的选型遵照器件性能和降低成本两大原则；主要元器件的性能介绍：NUC710ADN是新唐科技(由华邦电子分割,为华邦电子之关系企业)采用32位的ARM7TDMI微处理器核生产的一款CPU，标准工作频率可达80MHz，具有省电与低成本的优势。NUC710集成了一个USB1.1主控制器，4个串口，一个10M/100M以太网口，实时时钟，最大可支持32MBYTE的FALSH和128MBYTE的SDRAM,并可外扩SRAM设备[3]。在本方案中，以上设备都有用到，并且还通过器件的EBI外部总线接口接SC16C2550B芯片扩充了两个串口供红外通信和GRPS模块通信用。软件上华邦科技已移植了uclinux操作系统,并有充分的示例程序,可节省项目开发时间。

M0516是新唐科技采用32位的ARM® Cortex™-M0微处理器核生产的一款优质低价的单片机，主频高至50MHz（45DMIPS），支持32个外设中断及4个优先级，宽工作电压范围（2.5V-5.5V ) ，支持在系统编程功能ICP、在线编程功能ISP，可以很方便的编程调试和在系统升级，Flash程序存储器64K;SRAM存储器4K，独立4K ISP空间，独立4K Data flash空间可用于存储配置参数，支持外扩总线EBI功能，高速GPIO可设置成上拉、推挽、输入、开漏四种模式，每个IO都有写保护，防抖动，端口中断等功能，内置高速I2C总线，内置8信道12bit ADC，速度可达600KSPS，并支持单次、单信道循环、多信道扫描三种模式，芯片还集成了IIC、SPI、2个UART，工业级工作温度-40℃～85℃，强抗噪干扰，高ESD、EFT等性能。价位低廉，很适合工业应用[4]。

ATT7022D是由珠海炬力集成电路公司生产的一款高精度的多功能防窃电基波、谐波三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。ATT7022集成了六路二阶sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。ATT7022能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。ATT7022支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。ATT7022提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。所有计量参数都可以通过SPI接口读出。[5]

电源选用上海博湃电子科技专为国网专变采集III型终端设计的开关电源BPD15-KD05P12U，可在65～500Vac或80～700Vdc超宽输入电压下工作，两路隔离电压输出，隔离电压可达4KVac。内设输入侧过电压停机保护功能,当输入电压超过设定值时，电源自动停止工作，从而减小开关MOSFET所受应力，降低在高压输入下电源损坏的几率，提高电源了的可靠性。该电源还具有较高的隔离和抗干扰指标，能较好的满足国标安规和抗干扰技术要求。

电压变送器型号TV31B 2MA/2MA 0.1，电流变送器型号TA36C11 1.5（10）A/5MA 0.1。高精度时钟芯片型号SD2404FLPI（芯片可保证时钟精度为±5ppm(在-40～85°C下）即年误差小于2.5分钟）[6]，SPI FLASH存储器型号AT45DB642D（具有8MBYTE的存储容量，用于存储电量和事件记录），遥控继电器型号G6B2114P_1_US，电源充电芯片IC CN3062，电源与电池切换芯片IC LTC4413。LCD液晶模块AM160160_34U57。GRPS模块选用友方的M590。

在元器件选型中还要充分考虑元件的隔离、工作温度范围和在强干扰下的可靠性等技术指标。