基于CAN總線和3G集抄的智能電表設(shè)計

方向紅，李善田，許廣彬 （淮南聯(lián)合大學(xué)機電系，安徽 淮南232038）

智能電表是智能電網(wǎng)的終端，智能電表除了具有傳統(tǒng)電能表的計量功能外，還具有復(fù)費率計算、遠程控制、防竊電及信息交互功能，其強大的數(shù)據(jù)處理功能可以幫助相關(guān)部門準(zhǔn)確開展市場分析預(yù)測，同時讓用戶更好地了解自己的用電情況，有針對性地節(jié)約電能。隨著國家智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，作為用戶端的智能電表的需求也將大幅增長［1］。目前智能電表網(wǎng)絡(luò)設(shè)計多采用485總線形式，且集抄方式多采用電力載波傳送形式，存在通信的實時性和可靠性不高、數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定、在用電高峰期實時性和準(zhǔn)確度都難以保證等缺點。下面，筆者設(shè)計了一種具有電表網(wǎng)絡(luò)集成、3G無線抄表、IC卡智能管理與消費、竊電報警等功能的智能電表，能解決局部及大范圍電表用戶的電表數(shù)據(jù)通信與傳輸問題。

1 智能電表總體結(jié)構(gòu)

該智能電表系統(tǒng)由一個單相智能電表主單元和若干智能電表從單元組成，各單元之間通過控制器局域網(wǎng)絡(luò) （Controller Area Network，CAN）和485總線進行數(shù)據(jù)傳輸 （見圖1）。

2 智能電表主單元

主單元與從單元相比，增加了IC卡預(yù)付費和3G無線傳輸2個模塊。局域網(wǎng)內(nèi)的用戶可通過IC讀卡器集中刷卡，并通過3G無線傳輸模塊將網(wǎng)內(nèi)所有用戶的用電信息統(tǒng)一發(fā)送給用電管理部門。智能電表主單元組成如圖2所示。

主控模塊采用16位飛思卡爾單片機MC9S12X-Sl28，ATT7053智能電能計量芯片組成電能采集模塊，通信模塊由CAN通信模塊和485通信模塊組成；工業(yè)級的WCDMA 3G路由器組成基于3G的數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊；復(fù)旦微電子FM1702SL構(gòu)成非接觸式預(yù)付費IC卡電路。ESAM（Embedded Secure Access Module）嵌入式安全控制模塊實現(xiàn)安全存儲、數(shù)據(jù)加／解密、雙向身份認證、存取權(quán)限控制、線路加密傳輸?shù)劝踩刂乒δ埽?］。DS1302芯片和AT24C02芯片分別組成時鐘同步模塊和信息存儲模塊。

2．1 電能采集模塊

電能采集模塊由信號調(diào)理模塊和單相電能計量芯片ATT7053構(gòu)成 （見圖3）。信號調(diào)理電路將待測信號通過電壓、電流互感器轉(zhuǎn)換、濾波等操作，轉(zhuǎn)變成ATT7053采集芯片能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)信號。ATT7053是一種帶SPI的單相多功能防竊電計量芯片，能同時得到2通道的有功功率、無功功率、視在功率和電能脈沖輸出以及3通道的有效值、電壓頻率、電壓電流相位等參數(shù)。

圖1 智能電表通信結(jié)構(gòu)圖

1）信號調(diào)理模塊 信號調(diào)理模塊包括電壓信號采集電路和電流信號采集電路，如圖4所示。圖4（a）中，220V單相電壓通過限流電阻R102加到電壓互感器HPT205NBJ-1的輸入端，互感器輸出端經(jīng)跨接電阻R10將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，由R1a、R1b、C1a、C1b組成抗混疊濾波器用來濾除電網(wǎng)中噪聲信號。其輸出分別接到ATT7053的電壓信號輸入端V3P和V3N。圖4（b）采用變比為2000∶1的電流互感器HCT204NBJ-1，精密電阻R30將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)濾波變換后的信號以差模電壓的形式接到ATT7053的電流信號輸入端V2P和V2N。

圖2 智能電表主單元組成框圖

圖3 電能采集模塊的組成

圖4 信號調(diào)理電路

2）ATT7053 芯片ATT7053的接線如圖5所示，其輸出引腳SPICLK、SPIDO、SPIDI、SPICS、IRQ分別接單片機的PB3，PB2，PB1，PB0，PB4組成SPI采集數(shù)據(jù)傳輸通道，輸出引腳CF3、CF2、CF1分別通過電阻RQ、RP、RS與發(fā)光二極管LED＿Q、LED＿P、LED＿S相連接用來顯示電能脈沖信號。

圖5 電能計量芯片ATT7053的接線圖

圖6 CAN通信模塊

2．2 通信模塊

通信模塊由CAN通信電路和485通信電路組成。以CAN通信為主，為了保證局域網(wǎng)通信的可靠性，一旦CAN網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，可以自動啟用485通信網(wǎng)絡(luò)。一般智能電表多采用485通信，筆者的設(shè)計主要采用CAN通信協(xié)議，與485相比，基于CAN總線的系統(tǒng)具有通信速率高、實時性和可靠性高、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等突出優(yōu)點［3］。

1）CAN通信電路 主要由飛思卡爾單片機MC9S12X-Sl28的通訊口PM0、PM1并通過CAN驅(qū)動模塊82C250完成 （見圖6）。

2）485通信電路 由單片機的串口0、光電耦合器ISO11、ISO12、ISO13、485電平轉(zhuǎn)換芯片65LN184、瞬態(tài)抑制二極管 TVSD1、TVSD2、TVSD3、TVSD4、負溫度系數(shù)熱敏電阻RBUSA、RBUSB組成 （見圖7）。

圖7 485通信模塊

3 軟件控制流程

3．1 軟件總體設(shè)計

智能電表的軟件是按照結(jié)構(gòu)化、模塊化、通用化的設(shè)計原則進行的，整個程序從結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)處理模塊、事件捕獲模塊、事件處理模塊、通訊處理模塊4大模塊。在各個模塊之內(nèi)再按功能劃分為更細小的模塊，組成實現(xiàn)單一功能的子程序和函數(shù)，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。數(shù)據(jù)處理模塊主要負責(zé)將外部數(shù)據(jù)經(jīng)輸入、采集后進行計算處理、存儲、運算等任務(wù)，其中數(shù)據(jù)記錄保存模塊可以存儲一些重要用戶用電數(shù)據(jù)，如時間、當(dāng)前用電量、剩余電量、用戶信息等；事件捕獲模塊主要監(jiān)視、識別并報告各內(nèi)外部事件的發(fā)生，如用戶插卡、硬件故障等，然后以消息模式通知主控程序，激活事件處理模塊中的相應(yīng)函數(shù)進行響應(yīng)，該模塊一般以中斷處理模式工作，具有可靠性高、實時性強的特點；事件處理模塊和通訊處理模塊是該智能表軟件功能實現(xiàn)的主體，由多種功能模塊組成，在外部事件的觸發(fā)下執(zhí)行特定的流程，實現(xiàn)特定的功能。該軟件是個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，需要協(xié)調(diào)完成復(fù)雜的通訊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、輸出顯示、遠程傳輸、邏輯控制、安全校驗等工作。

3．2 主程序簡化流程

主程序簡化流程如圖9所示。儀表上電后開始運行自檢程序，分別檢測各通訊模塊工作是否正常工作及硬件電路是否有故障。如有通訊不正?；螂娐饭收蟿t運行故障中斷程序，顯示故障代碼或者聲光報警等；自檢通過之后則一方面等待各種中斷事件發(fā)生，一方面運行各種例行功能模塊程序。事件中斷程序是軟件的主體部分，尤其是通訊中斷更是重中之重。該設(shè)計的特點之一是局域網(wǎng)各個電表模塊之間的485和CAN通訊的冗余設(shè)計，除了模塊本身與內(nèi)外部的通訊之外，還要擔(dān)負著與其他模塊之間的數(shù)據(jù)通訊，以保證局域網(wǎng)內(nèi)部的可靠通訊。

圖8 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

通信部分軟件流程如下：①如有用戶插卡預(yù)付費時，系統(tǒng)通過EASM系統(tǒng)核對用戶信息進行安全驗證并進行安全信息交換，然后判斷是局域網(wǎng)內(nèi)哪個用戶模塊預(yù)付費，并發(fā)起對該模塊的CAN通訊以傳輸預(yù)付費數(shù)據(jù)，模塊接收信息后進行數(shù)據(jù)比較、存儲等用戶模塊的操作。用戶模塊正確接收到信息后返回給主模塊正確應(yīng)答，如主模塊沒有在規(guī)定時間內(nèi)收到驗證信息則判斷CAN通訊失敗，則啟動485通訊協(xié)議對該模塊進行二次通訊以確保通訊成功［4］。②用戶電表模塊將每隔1min接收到電能計量模塊ATT7053通過SPI協(xié)議發(fā)送來的電能計量信息，并將數(shù)據(jù)與用戶剩余購電量進行比較，判斷是否欠費。如果欠費，發(fā)出警告或斷電信號，如不欠費則正常供電，累計用電量分時分段計算電費并進行存儲和遠傳。③局域網(wǎng)主模塊除了具有完善的與局域網(wǎng)內(nèi)各從模塊的主動通訊功能外，還要擔(dān)負著通過3G傳輸模塊將各用戶模塊的數(shù)據(jù)收集發(fā)送到用電管理部門進行登記，上網(wǎng)以供用戶查詢等任務(wù)，其自身也可以用作普通用戶電表模塊。

4 結(jié) 語

筆者設(shè)計的智能電表，符合國標(biāo)GB／T 15284-94標(biāo)準(zhǔn)要求，可以將一個單元或樓層甚至整棟樓的所有用戶連成一個電表局域網(wǎng)，該網(wǎng)內(nèi)能實現(xiàn)用戶集中刷卡、集中抄表，節(jié)約了成本。而且采用CAN通信為主與485通信備用的方案，極大地增強了網(wǎng)內(nèi)用戶的通信可靠性與安全性。3G無線傳輸模塊可以全天候地向用電管理部門傳送數(shù)據(jù)，因而該智能電表具有很高的靈活性、很強的應(yīng)用性。

圖9 主程序簡化流程圖

［1］李?，| ．智能電表簡介 ［J］．裝備機械，2010（3）：70-73．

［2］陶維清，黃俊祥，曹軍，等．ESAM安全模塊在預(yù)付費電表中的應(yīng)用研究 ［J］．電測與儀表，2010（11）：58-62．

［3］蔡莉，盧珞先．RS-485通信與CAN總線的接口設(shè)計 ［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報 （信息與管理工程版），2002（1）：30-33．

［4］馬忠梅，籍順心，張凱，等 ．單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計 ［M］．第4版 ．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：256-301．