基于ARM 技術(shù)的電能采集終端設(shè)計

曲 霏，伏冬紅，劉 丹，陳德宏

（1.國網(wǎng)葫蘆島供電公司，葫蘆島 125000；2.國網(wǎng)營口供電公司，營口 115000；3.國網(wǎng)朝陽供電公司，朝陽 122000）

0 引言

傳統(tǒng)人工抄表工作存在勞動強(qiáng)度大，工作效率低，并且不能及時對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行快速查詢等缺點(diǎn)，嚴(yán)重的阻礙了電力事業(yè)的發(fā)展。利用電子通信技術(shù)實現(xiàn)自動抄錄用戶電表數(shù)據(jù)是電管理未來發(fā)展趨勢，設(shè)計電能采集終端能夠增強(qiáng)用電管理部門的工作效率，增加配電管理的科學(xué)性。同時還能實現(xiàn)自動傳輸和記錄電表數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)關(guān)于電費(fèi)糾紛問題，采集終端可以提供歷史用電數(shù)據(jù)，從而有效的解決電費(fèi)糾紛問題。通過以ARM硬件為核心的硬件設(shè)計，依托設(shè)計的485數(shù)據(jù)通道抄表流程完成了能采集終端的軟件設(shè)計，然后通過對設(shè)計的終端進(jìn)行校正，實現(xiàn)了基于ARM技術(shù)的電能采集終端設(shè)計?；贏RM 技術(shù)的電能采集終端設(shè)計，必將會給電力公司帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 基于ARM技術(shù)的電能采集終端硬件設(shè)計

通過以ARM硬件為核心，搭載485數(shù)據(jù)通道以及Linux操作系統(tǒng)，完成了基于ARM技術(shù)的電能采集終端的硬件主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后依托電能采集終端檢測裝置的設(shè)計，實現(xiàn)了基于ARM技術(shù)的電能采集終端硬件設(shè)計。

1.1 基于ARM 技術(shù)的電能采集終端硬件主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

以ARM硬件為核心的電能采集終端選用A191SAM9260作為電能采集終端的電源電路，應(yīng)用Linux操作系統(tǒng)來對其進(jìn)行操控。ARM技術(shù)的電能采集終端共使用兩組電源，其中電能采集的終端I/O端口供電電源為3.3V，內(nèi)設(shè)供電電源為1.8V[1]。電能采集終端搭載485數(shù)據(jù)通道模塊以及Linux操作系統(tǒng)，485數(shù)據(jù)通道模塊需要5V的電源來供電，所以整個電能采集終端需要3.3V、1.8V以及5V，共三種直流穩(wěn)壓電源。

在電能采集終端的電源進(jìn)行嵌入式設(shè)計，嵌入式設(shè)計除了可以保證電能采集終端的電壓穩(wěn)定，還能防止其被外部電網(wǎng)干擾，從而避免被破壞。為了提高電能采集終端電源電路的供電質(zhì)量和安全性，在電源電路中進(jìn)行電源濾波，同時接入保護(hù)電路。首先將電能采集終端接入居民用電系統(tǒng)，經(jīng)過變壓器、整流橋?qū)?20V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?5V直流電。利用開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片將15V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?2V直流電，再利用LM 2576S開關(guān)電源將12V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?V直流電，最后5V直流電經(jīng)過AMS1I17—3.3和AMS1I17—1.8轉(zhuǎn)換后，分別轉(zhuǎn)換成3.3V和1.8V直流電。利用電容器對電流進(jìn)行濾波，其中C35（0.1uf）電容用來濾除高頻紋波，電解電容C33（10000uf）用來濾除低頻紋波，進(jìn)行濾波后的電源，其電源波紋更小，穩(wěn)定性更高[2]。

通過以ARM硬件為核心，搭載485數(shù)據(jù)通道以及Linux操作系統(tǒng)，完成基于ARM技術(shù)的電能采集終端的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計后，還要對電能采集終端檢測裝置進(jìn)行設(shè)計，檢測裝置可以確保設(shè)計的電能采集終端的規(guī)范性以及安全性。

1.2 基于ARM技術(shù)的電能采集終端檢測裝置設(shè)計

基于ARM技術(shù)的電能采集終端檢測裝置包括：標(biāo)準(zhǔn)表、功率源、信號源、載波通信系統(tǒng)以及檢測單元。其中標(biāo)準(zhǔn)表、功率源、信號源為常規(guī)的具有校驗功能的表，基于ARM技術(shù)的電能采集終端的每一個檢測單元配備1個標(biāo)準(zhǔn)表、1個功率源、1個信號源，標(biāo)準(zhǔn)表、功率源、信號源的主要功能是對跳閘信號進(jìn)行終端測試，然后將終端測試產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行集中記錄，同時對測試終端產(chǎn)生的遙信信號進(jìn)行通信擴(kuò)展，使得電能采集終端不但可以完成數(shù)據(jù)采集，還能對歷史采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存。

電能采集終端可以在不同用電現(xiàn)場的用電環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，所以基于ARM技術(shù)的電能采集終端檢測裝置需要適應(yīng)各種用電環(huán)境，因此在對檢測裝置進(jìn)行設(shè)計時，需要模擬不同的用電環(huán)境，在不同的用電環(huán)境下，檢測裝置都可以獨(dú)立調(diào)節(jié)的電壓電流及相位[3]。利用DSP信號控制技術(shù)來實現(xiàn)三相信號源的獨(dú)立調(diào)節(jié)，使得輸出電流及相位量值之間相互獨(dú)立。為了滿足不同用電情況下的檢測裝置使用性，利用了數(shù)字調(diào)制裝置來進(jìn)行檢測裝置的功率轉(zhuǎn)變，其工作原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字調(diào)制裝置工作原理圖

為了防止電能采集終端在工作過程中出現(xiàn)不可控的振蕩情況，需要在電能采集終端檢測裝置增加高頻反饋電路和高頻保護(hù)電路。當(dāng)電能采集終端輸入的電流出現(xiàn)過流現(xiàn)象時，檢測裝置會自動進(jìn)行調(diào)整，將輸出限流。當(dāng)電能采集終端輸出的電流出現(xiàn)級幅值異常時，檢測裝置中的開（短）路保護(hù)裝置會對能采集終端進(jìn)行保護(hù)。由于電能采集終端在采集電能時需要大量的通信串口，常規(guī)串口服務(wù)器模式是通過串口擴(kuò)展來實現(xiàn)通信，該方法造成電能采集終端接線復(fù)雜、成本高，常常出現(xiàn)接線松動以及通信部件損壞等情況[4]。因此本文設(shè)計的基于ARM技術(shù)的電能采集終端檢測裝置，采用新型的信擴(kuò)展模式，通信接口采用互聯(lián)型ARM芯片，可以實現(xiàn)檢測裝置良好的擴(kuò)展性能。檢測裝置搭載兩路485通信接口，一路用于完成本地維護(hù)串口的通信，另一路用于直流量測量。

依托電能采集終端檢測裝置的設(shè)計，結(jié)合基于ARM技術(shù)的電能采集終端硬件主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了基于ARM技術(shù)的電能采集終端硬件設(shè)計。在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對基于ARM技術(shù)的電能采集終端進(jìn)行軟件設(shè)計，從而完成電能采集終端的整體設(shè)計。

2 基于ARM技術(shù)的電能采集終端軟件設(shè)計

基于ARM技術(shù)的電能采集終端以ARM硬件為核心，搭載485數(shù)據(jù)通道以及Linux操作系統(tǒng)，通過對485數(shù)據(jù)通道進(jìn)行工作流程設(shè)計，以及對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校對完成基于ARM技術(shù)的電能采集終端軟件設(shè)計。

2.1 基于ARM技術(shù)的電能采集終端工作流程設(shè)計

由于原有的485數(shù)據(jù)通道的工作流程是通過異步執(zhí)行來完成的，因此對485數(shù)據(jù)通道的工作流程進(jìn)行重新設(shè)計，設(shè)計簡化程序邏輯。將485數(shù)據(jù)通道的工作流程分成兩個模塊，分別是：485數(shù)據(jù)通道的通信發(fā)送過程，根據(jù)用戶要求設(shè)計通信發(fā)送過程，根據(jù)制定的邏輯設(shè)計自動化控制程序，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯控制層；485數(shù)據(jù)通道的通信接收過程，根據(jù)抄表控制線程的工作進(jìn)度，對采集到的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，同時對解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，從而實現(xiàn)485數(shù)據(jù)通道的電能采集工作。

485數(shù)據(jù)通道的通信發(fā)送過程：基于ARM技術(shù)的電能采集終端按照與用戶之間的通信規(guī)約，將消息組幀通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)酱赱5]。接下來將接收到消息組幀以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送出去，發(fā)送過程以總線仲裁機(jī)制為基礎(chǔ)。485數(shù)據(jù)通道先寫出地址請求，在電能采集終端接收到請求后，與485數(shù)據(jù)通道地址相符的端口自動打開，其他端口全部自動關(guān)閉，從而實現(xiàn)了電能采集終端的點(diǎn)對點(diǎn)通信。485數(shù)據(jù)通道的通信發(fā)送過程不但保證了電能采集終端正常通信，還提高了電能采集終端的工作效率。

485數(shù)據(jù)通道的通信接收過程：基于ARM技術(shù)的電能采集終端要保證接收到的數(shù)據(jù)的實時性，因此在通信接收過程采用中斷方式[6]。利用搭載的Linux操作系統(tǒng)中的select 函數(shù)，有串口中的消息組幀進(jìn)入到電能采集裝置后，裝置會立刻自動響應(yīng)，這樣可以確保接收數(shù)據(jù)的實時性。

通過設(shè)計485數(shù)據(jù)通道的通信發(fā)送過程和485數(shù)據(jù)通道的通信接收過程，完成了基于ARM技術(shù)的電能采集終端軟件設(shè)計。依托電能采集終端檢測裝置的設(shè)計，結(jié)合基于ARM技術(shù)的電能采集終端硬件主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了基于ARM技術(shù)的電能采集終端設(shè)計。完成電能采集終端設(shè)計后，需要對其電能采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行校對，從而確保所設(shè)計的電能采集終端具有準(zhǔn)確性、有效性。

2.2 基于ARM技術(shù)的電能采集終端的數(shù)據(jù)校對

完成基于ARM技術(shù)的電能采集終端設(shè)計之后，還有對其進(jìn)行校對。完成控制任務(wù)的子設(shè)備還需進(jìn)行控制任務(wù)量校對，對基于ARM技術(shù)的電能采集終端所分配的調(diào)度任務(wù)進(jìn)行合理性檢查。只有通過合理性檢查，才能確保母設(shè)備的調(diào)度任務(wù)能夠調(diào)度子設(shè)備進(jìn)入正常控制狀態(tài)[7]。為了確保校核的合理性，引入“適應(yīng)度”，適應(yīng)度是指大型機(jī)械設(shè)備中自動化控制設(shè)備完成控制工作的能力，適應(yīng)度的公式如下：

式中，T代表電力公司中電能采集終端完成任務(wù)所用的總調(diào)度時間，dai表示子設(shè)備的調(diào)度時間，適應(yīng)度f（t）數(shù)值與電能采集終端完成工作的能力成反比例關(guān)系，適應(yīng)度 f（t）數(shù)值越小，電能采集終端的能力就越強(qiáng)。

通常，如果電力公司的電能采集終端任務(wù)較多，那么每個子設(shè)備的適應(yīng)度相差并不多。因此，在基于數(shù)學(xué)計算的自動化控制模型進(jìn)行校對過程中，如果出現(xiàn)某個電能采集終端子設(shè)備與其他電能采集終端子設(shè)備有較大差異的適應(yīng)度，那么，則證明該電能采集終端無法完成其自身的任務(wù)[8]。此時，電能采集終端母設(shè)備應(yīng)重新為出現(xiàn)問題的電能采集終端子設(shè)備分配控制任務(wù)，然后再次計算其適應(yīng)度，反復(fù)循環(huán)，直至該電能采集終端子設(shè)備的適應(yīng)度在合理范圍內(nèi)。

經(jīng)由式(1)對電能采集終端子設(shè)備的適應(yīng)度進(jìn)行計算后，然后通過計算式(2)，能夠獲取調(diào)度時間Tn，如下所示：

式中，Tai表示子設(shè)備從接受到母設(shè)備命令到動作時所用的時間，Wai表示母設(shè)備開始動作時間，通過計算，完成基于ARM技術(shù)的電能采集終端的校對，確定所設(shè)計的電能采集終端具有可行性。

3 仿真試驗

為了保證本文提出的基于ARM技術(shù)的電能采集終端設(shè)計的有效性，進(jìn)行仿真試驗分析。以電力公司的人工抄表模式作為對照試驗對象，對基于ARM技術(shù)的電能采集終端的有效性進(jìn)行仿真模擬實驗，來確定本文設(shè)計的于ARM技術(shù)的電能采集終端是否具有有效的可行性。

3.1 試驗準(zhǔn)備

由于設(shè)置的原始數(shù)據(jù)不同，得到基于ARM技術(shù)的電能采集終端的通信性能、有效性也是不同的，并且對試驗結(jié)果造成影響。因此，試驗過程中需要保證原始數(shù)據(jù)是一致的。使用2臺型號、規(guī)格相同的虛擬實驗設(shè)備，在虛擬實驗設(shè)備中分別寫入人工抄表模式以及ARM技術(shù)的電能采集終端抄表模式，然后對同一電力用戶進(jìn)行電能采集。仿真試驗前，將虛擬實驗設(shè)備的兩個通信接口分別設(shè)置帶寬范圍，帶寬范圍分別設(shè)為[0 Mb/s，2.5Mb/s]和[2.5Mb/s，5Mb/s]。最后進(jìn)行8h的仿真試驗，從而獲取基于ARM技術(shù)的電能采集終端有效性試驗結(jié)果。

3.2 試驗結(jié)果分析

在對同一電力用戶進(jìn)行電能采集時，基于ARM技術(shù)的電能采集終端其有效性不容易受到外界干擾，相反人工抄表模式很容易受到外界干擾，因此在固定情況下獲取仿真實驗結(jié)果。將仿真實驗的結(jié)果匯總，實驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 實驗結(jié)果匯總表

為了將實驗記過更加形象生動的展現(xiàn)出來，將表1的結(jié)果繪制成準(zhǔn)確性和工作效率對比圖，如圖2、圖3所示。工作效率為采集數(shù)據(jù)與總電能數(shù)據(jù)之比（%），準(zhǔn)確率為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)之比（%），圖形中橫坐標(biāo)為均為對比項目，縱坐標(biāo)為工作效率和準(zhǔn)確率的百分比。

圖2 人工抄表模式與基于ARM 技術(shù)的電能采集終端工作效率對比表

圖3 人工抄表模式與基于ARM技術(shù)的電能采集終端準(zhǔn)確性對比表

由仿真實驗結(jié)果可知，基于ARM技術(shù)的電能采集終端工作效率、準(zhǔn)確性均高于人工抄表模式。設(shè)計基于ARM技術(shù)的電能采集終端可以減輕員工勞動強(qiáng)度，提高工作效率，同時還確保了電能采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使得用電管理部門能夠準(zhǔn)確的掌握電網(wǎng)供電狀況，為以后電網(wǎng)改造提供有效性數(shù)據(jù)，提高配電網(wǎng)管理水平。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)人工抄表工作的勞動強(qiáng)度大，工作效率低，利用電子通信技術(shù)來完成抄表工作是用電管理未來發(fā)展趨勢，通過對基于ARM技術(shù)的電能采集終端進(jìn)行以ARM硬件為核心，搭載485數(shù)據(jù)通道以及Linux操作系統(tǒng)的硬件設(shè)計，然后進(jìn)行了整個抄表流程軟件設(shè)計，最后對設(shè)計的電能采集終端進(jìn)行校對，完成了基于ARM技術(shù)的電能采集終端設(shè)計。通過仿真實驗證明，本文設(shè)計的電能采集終端具有較高的有效性，能夠減輕員工勞動強(qiáng)度，提高工作效率，同時還能確保了電能采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，希望本文能為電能采集終端設(shè)計提供參考依據(jù)。