ARM處理器的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)集中器設(shè)計(jì)

羅浩，康一梅

（北京航空航天大學(xué) 軟件學(xué)院，北京100091）

引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)在不斷地進(jìn)步。供電部門對(duì)于電網(wǎng)的管理任務(wù)愈發(fā)繁重，目前我國(guó)供電部門主要采用的是傳統(tǒng)的人工抄表，效率低、誤抄、漏抄率高是人工抄表目前存在的主要問題，造成了供電部門大量的人力資源浪費(fèi)，同時(shí)，抄表的準(zhǔn)確性和及時(shí)性也無法得到有效的保證。遠(yuǎn)程抄表技術(shù)的應(yīng)用將有效改變長(zhǎng)期以來無法及時(shí)、完整、準(zhǔn)確掌控電力用戶信息的局面，對(duì)于供電部門進(jìn)一步提升服務(wù)能力具有重要作用。

集中器是一個(gè)數(shù)據(jù)集中處理器，是低壓電力線載波集中抄表系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)對(duì)所在臺(tái)區(qū)中各電能表的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化采集、存儲(chǔ)、監(jiān)控、管理等工作，同時(shí)，集中抄表系統(tǒng)要求集中器必須工作在實(shí)時(shí)在線模式，永久性地與主站保持聯(lián)系，隨時(shí)響應(yīng)主站的各種命令。并且，對(duì)各種異常情況要及時(shí)向主站報(bào)告，配合完成電力自動(dòng)化工作，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)。為了完成系統(tǒng)需要的各種復(fù)雜功能，集中器需要采用32位ARM9微處理器。為了提高軟件的可移植性、穩(wěn)定性，便于軟件的開發(fā)、升級(jí)、維護(hù)等工作，提高系統(tǒng)多任務(wù)處理能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該優(yōu)先使用開放、可靠的軟件平臺(tái)，如Linux平臺(tái)＋sqlite嵌入式數(shù)據(jù)庫。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

集中自動(dòng)抄表是指采用多種通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，通過集中器自動(dòng)采集和處理電能表數(shù)據(jù)，然后通過GPRS專網(wǎng)或電力專網(wǎng)將信息傳至電力公司服務(wù)器，由服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、打印、生成報(bào)表等各種綜合業(yè)務(wù)處理。集中抄表系統(tǒng)主要組成有：主站、集中器、電能表。其中，電能表和集中器之間的通信可以通過載波與RS－485兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，集中器與服務(wù)器主要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。集中抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，集中器位于系統(tǒng)中心位置，工作狀態(tài)下微處理器（AT91SAM9260）作為集中器的控制中心，在軟件邏輯的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)其負(fù)責(zé)的臺(tái)區(qū)按內(nèi)置業(yè)務(wù)邏輯讀取各個(gè)電能表的各種數(shù)據(jù)（如電量、時(shí)間、報(bào)警信息等），并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、生成各種凍結(jié)報(bào)表；當(dāng)集中器發(fā)現(xiàn)有電能表數(shù)據(jù)存在異常時(shí)將及時(shí)報(bào)告主站，當(dāng)主站進(jìn)行數(shù)據(jù)召測(cè)時(shí)及時(shí)將集中器內(nèi)存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)交給主站進(jìn)行處理。而當(dāng)主站想要主動(dòng)召測(cè)指定電能表的數(shù)據(jù)時(shí)，集中器作為信道轉(zhuǎn)換器使用，將通過GPRS網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的主站數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)發(fā)到指定電能表，收到電能表回復(fù)后，再提取出電能表返回?cái)?shù)據(jù)幀中的有效數(shù)據(jù)并封裝成主站能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)幀回復(fù)給主站，完成數(shù)據(jù)交換過程。

圖1 多對(duì)象自動(dòng)抄表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 集中器硬件設(shè)計(jì)

2.1 集中器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用ARM9芯片AT91SAM9260，它是基于ARM926EJ－S架構(gòu)的32位微處理器，具備8KB指令以及8KB數(shù)據(jù)緩存。集中器系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖2所示。硬件平臺(tái)包括嵌入式處理器的選型、時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、外圍存儲(chǔ)器擴(kuò)展、LCD、通信接口電路等。微處理器是集中器的核心，數(shù)據(jù)的采集、處理與傳送都是在微處理器的控制下進(jìn)行。

圖2 集中器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)時(shí)鐘為集中器定時(shí)抄表提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；電源電路為集中器系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源；看門狗模塊的設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，防止系統(tǒng)死機(jī)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)參數(shù)、變量、集中器參數(shù)、智能表的參數(shù)，以及智能表用量。上行信道即集中器與主站之間的通信線路，采用GPRS模塊或以太網(wǎng)模塊進(jìn)行通信；下行信道即集中器與電能表之間的通信，采用RS－485總線或載波進(jìn)行通信。

集中器通過載波模塊抄收下行信道上的電能表數(shù)據(jù)，然后交由CPU進(jìn)行處理、解析。解析后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器上，系統(tǒng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能夠在液晶面板上進(jìn)行顯示，顯示菜單的切換通過按鍵動(dòng)作控制。同時(shí)，集中器可以通過GPRS模塊與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)時(shí)鐘精度要求每天時(shí)差不超過1s，所以系統(tǒng)中需要專用的時(shí)鐘芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)。為了對(duì)集中器進(jìn)行本地控制，系統(tǒng)提供了紅外通信口、RS－232接口、RS－485接口。系統(tǒng)的電源供應(yīng)由電源管理模塊提供，電能量信息的采集通過電壓、電流互感器變換后接入專用的計(jì)量芯片，計(jì)量芯片處理后結(jié)果交微處理器進(jìn)行二次處理。

2.2 高可靠RS－485通信電路設(shè)計(jì)

普通RS－485通信電路存在以下問題：

①RS－485電路存在阻抗匹配問題，降低了RS－485線路的兼容性，RS－485接口芯片在使用、焊接或設(shè)備的運(yùn)輸途中都有可能受到靜電的沖擊而損壞。

② 在傳輸線架設(shè)于戶外的使用場(chǎng)合，接口芯片乃至整個(gè)系統(tǒng)還有可能遭到雷電的襲擊。

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RS－485阻抗匹配電路如圖3所示。該方案能夠有效地解決RS－485線路的兼容性以及抗雷擊和抗靜電沖擊問題。電路中主要器件的作用為：光耦U1／U2起安全隔離作用，防止RS－485總線上的高電壓信號(hào)（如雷擊等）傳導(dǎo)到CPU端造成系統(tǒng)損壞；SN65LHVD3082EDR是RS－485收發(fā)器，具有低功耗關(guān)斷模式；PT2／PT3為熱敏電阻，TVS6為壓敏電阻（擊穿電壓680V），這三個(gè)器件相互配合能起到防雷作用，當(dāng)RS－485總線上遭遇雷電沖擊時(shí)，由于雷電電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TVS6的擊穿電壓，導(dǎo)致TVS6瞬間擊穿，擊穿后TVS6的電流急劇增加，電流增加后導(dǎo)致熱敏PT2／PT3阻值迅速增大，進(jìn)而限制電流的增加，從而防止因?yàn)殡娏髟龃蠖鵁龤VS6。這樣當(dāng)雷擊過后，RS－485總線上電壓恢復(fù)正常，熱敏PT2／PT3阻值減低到常態(tài)阻值，TVS6重新斷路，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

3 集中器的軟件設(shè)計(jì)

圖3 RS－485接口電路

集中器的主要功能分兩部分：一是通過以太網(wǎng)或GPRS模塊連接到主站上，與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；二是通過RS－485端口或載波端口進(jìn)行抄表。其中主要難點(diǎn)是GPRS通信控制與載波抄表控制。

3.1 集中器各模塊的軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 集中器主程序的設(shè)計(jì)

在多對(duì)象遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，集中器的主要作用是通信，它是電能表和主站之間進(jìn)行信息交換的橋梁和紐帶，而集中器與主站之間的主要通信信道為GPRS網(wǎng)絡(luò)。因此網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于GPRS模塊的通信控制。

GPRS網(wǎng)絡(luò)控制流程的主要工作如下。首先，啟動(dòng)后查詢數(shù)據(jù)庫獲取聯(lián)網(wǎng)方式、主站IP地址、端口、APN等信息。如果是GPRS聯(lián)網(wǎng)方式，則初始化GPRS模塊，初始化工作有一系列AT指令控制，具體過程不同廠家有所差別，大致過程是：檢測(cè)模塊、設(shè)定控制參數(shù)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、發(fā)起聯(lián)網(wǎng)、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制流程根據(jù)業(yè)務(wù)要求分為正常網(wǎng)絡(luò)過程與FTP升級(jí)過程兩部分。正常網(wǎng)絡(luò)過程中，集中器需要每隔一段時(shí)間向主站發(fā)送一個(gè)心跳幀以維持在線狀態(tài)，同時(shí)，當(dāng)有主站數(shù)據(jù)到來時(shí)，負(fù)責(zé)接收GPRS模塊數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取出376.1協(xié)議幀交376.1解析模塊處理，處理后再將結(jié)果返回主站。FTP升級(jí)流程為：集中器收到FTP升級(jí)命令后，根據(jù)命令登錄到指定FTP服務(wù)器，然后下載升級(jí)文件，升級(jí)文件下載完成后執(zhí)行升級(jí)，升級(jí)完成后報(bào)告主站升級(jí)情況。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性，所以，F(xiàn)TP升級(jí)過程必須做好容錯(cuò)處理，保證能夠進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)傳。同時(shí)，如果升級(jí)失敗不可以改變?cè)衅鳡顟B(tài)。GPRS流程框圖如圖4所示。

圖4 GPRS流程框圖

3.1.2 集中器載波抄表程序的設(shè)計(jì)

由于載波抄表流程是異步執(zhí)行的，為了簡(jiǎn)化程序邏輯，整個(gè)抄表過程分三個(gè)線程控制：

①載波控制線程。進(jìn)行載波初始化工作，接收其他線程的各種邏輯命令，并將邏輯命令翻譯為載波模塊對(duì)應(yīng)的特定格式命令，可以看作載波驅(qū)動(dòng)程序。

② 抄表控制線程。該線程為抄表業(yè)務(wù)邏輯控制層，根據(jù)客戶要求制定抄表邏輯，并根據(jù)抄表邏輯自動(dòng)控制抄表過程。

③ 數(shù)據(jù)異步接收、解析線程。該線程負(fù)責(zé)載波模塊異步數(shù)據(jù)的接收工作，并根據(jù)解析情況控制抄表控制線程的進(jìn)度，同時(shí)，解析后的數(shù)據(jù)要進(jìn)行存儲(chǔ)。

載波抄表流程圖如圖5所示。

圖5 集中器載波抄表流程圖

為了支持載波模塊的熱插拔和集中器地址改變，程序中每隔一段時(shí)間就將當(dāng)前載波模塊主節(jié)點(diǎn)地址、集中器地址與數(shù)據(jù)庫中的記錄進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)載波模塊主節(jié)點(diǎn)地址或集中器地址有任意一個(gè)發(fā)生改變，就將載波模塊初始化，保證載波模塊的正常工作。

結(jié) 語

通過廣泛的調(diào)查、研究、比較、反復(fù)的規(guī)劃之后，完成了多對(duì)象遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)集中器的設(shè)計(jì)。多對(duì)象集中器的設(shè)計(jì)借鑒了市場(chǎng)上其他產(chǎn)品的研究成果，采用高性能的ARM9微處理器自行設(shè)計(jì)，解決了人工抄表效率低、錯(cuò)誤率高的問題，滿足了電力系統(tǒng)對(duì)抄表快捷性、準(zhǔn)確性的要求，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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