電能信息采集系統(tǒng)集中器硬件設(shè)計

張曉蘭 白楊 蔡徵薇

摘 要：在電力行業(yè)的發(fā)展過程中，便能信息采集對電力行業(yè)的發(fā)展非常重要的作用，要想讓電能信息采集的安全性得到更好的保障，我們就必須要不斷加大對電能信息集中器硬件的研究力度，只有這樣才能提高我國電力企業(yè)的發(fā)展速度?，F(xiàn)在我國電力行業(yè)電能信息采集系統(tǒng)應(yīng)用的集中器硬件一般都是32bit嵌入式系統(tǒng)芯片，這種嵌入式的系統(tǒng)芯片一般采用的系統(tǒng)級芯片應(yīng)用的都是A RM9處理器技術(shù)，這種系統(tǒng)芯片現(xiàn)在已經(jīng)成為電力行業(yè)電能信息采集系統(tǒng)主要應(yīng)用的集中器硬件了。本文就電能信息采集系統(tǒng)集中器硬件設(shè)計進(jìn)行分析，希望能夠更進(jìn)一步的提高我國電力企業(yè)電腦信息采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，讓我國電力企業(yè)在電力行業(yè)中的市場競爭力能夠得到提高。

關(guān)鍵詞：電能信息采集；集中器；載波通信；RS-485通信；短距離無線通信；級聯(lián)；看門狗

在我國電力企業(yè)的發(fā)展過程中，電能信息采集系統(tǒng)的發(fā)展歷史已經(jīng)非常久遠(yuǎn)了，現(xiàn)在我國的電能信息采集的方式已經(jīng)由“一戶一表”開始向著智能電能信息采集的方式轉(zhuǎn)變了，我國的電能信息抄表設(shè)備研究取得的成果也變得越來越多了，這種發(fā)展趨勢不僅在一定程度上提高了我國電能信息采集的效率，同時也在一定程度上促進(jìn)了我國電力市場的發(fā)展，讓我國人們生活以及生產(chǎn)的用電質(zhì)量能夠得到更好的保障，在這個過程中，我們必須要不斷加強(qiáng)對電能信息采集系統(tǒng)集中器的硬件設(shè)計水平，只有這樣我國電力行業(yè)的競爭力才能得到提升。

本文詳細(xì)介紹了參照廣東省電網(wǎng)公司2007年9月頒布的集中抄表技術(shù)條件的要求設(shè)計的典型集中器硬件原理。

1 電能信息采集系統(tǒng)簡介

電力企業(yè)在進(jìn)行電能信息采集的過程中應(yīng)用到的設(shè)備是非常多的，電能信息采集系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)也是非常多的，其中主要需要采集的信息有變電站以及發(fā)電廠電能表數(shù)據(jù)采集，配電區(qū)內(nèi)專變用戶電能信息、供電側(cè)電能信息的采集的供電側(cè)進(jìn)場電能表相關(guān)電能數(shù)據(jù)的采集，并且還需要對有關(guān)我們設(shè)備和電能表的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)督和相關(guān)數(shù)據(jù)采集，但是在進(jìn)行電能信息數(shù)據(jù)采集的過程中，居民用戶的用電數(shù)據(jù)采集一直是電能信息采集的重點(diǎn)，其中集中器硬件在電能信息采集的過程中發(fā)揮著非常重要的作用，集中去硬件設(shè)計的水平，也在一定程度上決定了電能信息采集的性能，在電能信息采集系統(tǒng)中，采集器和集中器之間有RS-485有線通信、短距離無線通信、低壓電力載波通信這三種主要的通信技術(shù)。在32bit微控制器普遍應(yīng)用的情況下，如果要滿足一個真實(shí)復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境，就需要將集中器下行通信設(shè)計為三者同時使用。

2 硬件設(shè)計

集中器用了2片SDRAM作為程序運(yùn)行空間，F(xiàn)lash存儲器存儲程序代碼、設(shè)備參數(shù)和數(shù)據(jù)。CPU采用AT91RM9200，其工作于180MHz時性能高達(dá)200MIPS（每秒百萬條指令）。外部總線接口豐富，支持SDRAM、靜態(tài)存儲器、BurstFlash、無縫連接的CompactFlash？、SmartMediaTM及NANDFlash等多種存儲器。

2.1 存儲系統(tǒng)

AT91RM9200存儲控制器（MC）管理ASB總線并最多達(dá)4個主機(jī)的訪問控制。它通過一個總線判決器和一個地址譯碼器將32bit地址總線可尋址的4GB空間分區(qū)來訪問內(nèi)置的SRAM和ROM，內(nèi)置外設(shè)及通過外部總線接口（EBI）的外部存儲器。對于AT91RM9200來說，0x00000000～0x0FFFFFFF的256MB用于內(nèi)部存儲器空間，0x10000000～0x8FFFFFFF共8塊256MB的空間用于EBI外部總線接口擴(kuò)展存儲空間，每256MB空間相應(yīng)由芯片NCS0～NCS7片選控制線選擇。集中器存儲空間映射如圖1所示。

2.1.1 程序和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計

電能信息采集系統(tǒng)中，電能表終端的數(shù)據(jù)存儲處于基準(zhǔn)的核心地位，不容存儲有閃失，但作為集中器來說，數(shù)據(jù)刷新并不頻繁。結(jié)合NANDFlash存儲器和NORFlash存儲器擦寫壽命次數(shù)、訪問速度的特點(diǎn)以及集中器電能信息數(shù)據(jù)的大容量、平臺可擴(kuò)性、安全性等要求，本設(shè)計采用了不同于電能表終端的數(shù)據(jù)存儲策略，將NORFlash芯片用于程序代碼、設(shè)備參數(shù)存儲，NANDFlash芯片用于電能量數(shù)據(jù)存儲。

2.1.2 內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)計

盡管程序可以在NORFlash存儲器內(nèi)運(yùn)行，但NORFlash擦寫次數(shù)有限，而且訪問速度也不是很理想。本設(shè)計中采用SDRAM存儲器作為程序運(yùn)行空間。從理論上說，SDRAM與CPU頻率同步，共享一個時鐘周期，訪問速度更快，對于集中器應(yīng)用來說，重要的是SDRAM存儲器無擦寫次數(shù)限制。

2.2 通信接口

在電能信息采集系統(tǒng)中，集中器與主站之間的遠(yuǎn)距離通信方式有2種：集中器作為從終端利用配變終端的遠(yuǎn)傳通道的級聯(lián)通信和集中器作為主終端通過通用分組無線電業(yè)務(wù)（GPRS）/公共交換電話網(wǎng)（PSTN）的遠(yuǎn)距離通信。作為主終端時，集中器可能級聯(lián)其他從終端設(shè)備，換句話說，級聯(lián)通信口和GPRS/PSTN通信口可能同時使用，因此將串口1和串口2設(shè)計作為集中器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信的2個獨(dú)立通道。

2.3 外部看門狗

電力企業(yè)電能信息采集系統(tǒng)的集中器硬件8bit單片機(jī)系統(tǒng)，主要應(yīng)用的就是看門狗電路，但是在32bit嵌入式系統(tǒng)中，我們卻很少看見看門狗電路，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因就是很多人由于缺乏經(jīng)驗(yàn)的原因，認(rèn)為既然已經(jīng)采用了Linux操作系統(tǒng)，那么就不需要采用外部看門狗電路了，但是這種觀點(diǎn)本身就存在著很大的問題，主要是因?yàn)殡娔苄畔⒉杉到y(tǒng)集中去硬件的工作環(huán)境是非常復(fù)雜的，并且經(jīng)常會發(fā)生變化、出現(xiàn)各種干擾因素，在這種情況下，如果不采用外部看門狗電路的話那么電能信息采集系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性就無法得到有效地保證，因?yàn)閮H僅依靠操作系統(tǒng)本身是無法保證電能信息采集系統(tǒng)安全的，甚至嚴(yán)重的情況下，甚至?xí)?dǎo)致電腦信息采集系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰的情況，如果在進(jìn)行電能信息采集系統(tǒng)集中器硬件安裝的時候，如果軟件設(shè)計人員的技術(shù)水平不過關(guān)的話，沒有外部看門狗，根本無法保證集中器在無人值守的現(xiàn)場長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。因此，本設(shè)計在硬件上增加了外部硬件看門狗電路，選用常用的MAX813L芯片。在Linux操作系統(tǒng)下，如何讓看門狗功能真正發(fā)揮作用，保證無論是系統(tǒng)還是應(yīng)用程序在失常的情況下設(shè)備都能夠恢復(fù)正常，需要慎重、全面地考慮。這部分軟件功能的設(shè)計可參看文獻(xiàn)。

3 結(jié)束語

綜上所述，電能信息采集集中去的硬件設(shè)計對我國電力行業(yè)的發(fā)展有著非常重要的作用，特別是近幾年來嵌入式技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，也在一定程度上推動了我國電力行業(yè)的發(fā)展，32bit嵌入式系統(tǒng)芯片在電力行業(yè)的發(fā)展過程中應(yīng)用范圍是非常廣泛的，特別是他結(jié)合了ARM9處理器技術(shù)之后，不但能夠使人更加復(fù)雜的工作環(huán)境，同時這種系統(tǒng)級芯片本身的功能也存在著多樣性的特點(diǎn)，在實(shí)際的應(yīng)用過程中32bit嵌入式系統(tǒng)芯片的外部增加了模擬量輸入的電路擴(kuò)展模塊和開關(guān)量模塊單元，這種設(shè)計方式不僅提高了電力企業(yè)的電能信息的采集效率，同時也在一定程度上促進(jìn)了我國電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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