智能電表數(shù)據(jù)傳輸通訊多重保護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)

張海峰

摘要：對(duì)遠(yuǎn)程控制的單相智能電表的通訊系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)。首先對(duì)其要完成的功能進(jìn)行了描述，然后對(duì)其通訊的硬件外圍電路了設(shè)計(jì)，最后用485總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊，完成了遠(yuǎn)程控制所需要的三個(gè)關(guān)鍵寄存器的參數(shù)設(shè)置，對(duì)通訊系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，包括上下位機(jī)單片機(jī)時(shí)鐘頻率的選擇和參數(shù)的設(shè)置使得波特率一致，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊的偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)、數(shù)據(jù)的多次發(fā)送來(lái)使得通訊可靠性大大提高。

Abstract： The reliability design of the remotely controlled single-phase smart meter communication system is carried out. This article first describes the functions to be completed， and then designs the hardware peripheral circuits for communication. Finally， it uses the 485 bus to communicate with the upper computer， and completes the parameter settings of the three key registers required for remote control. The system has been designed for reliability， including the selection of the clock frequency of the upper and lower computer and the setting of parameters to make the baud rate consistent. Through the even communication of data communication， data encryption， data and verification， and multiple transmission of data， the reliability of communication is greatly improved.

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嘀悄茈姳?通訊;校驗(yàn);可靠性

Key words： single-phase smart meter;communication;calibration;reliability

中圖分類號(hào)：TM933.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）04-0284-04

0? 引言

隨著大學(xué)對(duì)學(xué)生的生活環(huán)境更加重視，高校宿舍裝空調(diào)已經(jīng)越來(lái)越普遍，很多高校都要對(duì)原有的宿舍線路和電表加以改進(jìn)來(lái)適應(yīng)新的用電要求。一般來(lái)說(shuō)，高校宿舍的用電負(fù)載主要包括插座、照明、空調(diào)三種回路，這三種回路由于所用時(shí)間一般不同，如插座一般要求24小時(shí)有電，照明需要早晚有電，而空調(diào)一般夏季才使用，所以，這三路一般是分開走線。而在供電側(cè)進(jìn)行三路繼電器分別控制。但由于學(xué)生宿舍經(jīng)常違禁使用熱水壺、電熱毯、電吹風(fēng)、電磁爐等大功率電器，傳統(tǒng)的電表不能識(shí)別這些用電設(shè)備造成宿舍安全隱患。新型基于實(shí)時(shí)功率檢測(cè)的智能電表除了具有傳統(tǒng)電表能進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、計(jì)量和傳輸外，在保證空調(diào)正常使用前提下，要能檢測(cè)惡性負(fù)載，既保證用電的安全，又保證宿舍環(huán)境舒適[1-2]。具體采取的方式是當(dāng)識(shí)別出惡性負(fù)載后，切斷宿舍的所有電路進(jìn)行警告，然后10s后恢復(fù)供電，如果惡性負(fù)載還沒有去除，又被檢出，再一次斷電警告，然后10s后再恢復(fù)供電，如果再一次檢出還有惡性負(fù)載，斷電后將不再供電，也就是說(shuō)，在長(zhǎng)時(shí)間斷電之前有三次去掉違禁用電器的機(jī)會(huì)，這種人性化的設(shè)計(jì)使得學(xué)生多了些理解，少了些抱怨，這個(gè)過(guò)程中需要有效識(shí)別惡性負(fù)載，為了不出現(xiàn)不能識(shí)別或者錯(cuò)誤識(shí)別的情況，不但需要功率計(jì)量準(zhǔn)確，更重要的是在數(shù)據(jù)通訊過(guò)程中不能出現(xiàn)錯(cuò)誤，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，這樣為后續(xù)的功率計(jì)算以及負(fù)載識(shí)別打下良好的基礎(chǔ)。為了保證通訊的實(shí)時(shí)性，本文設(shè)計(jì)的智能電表采用485總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸和控制。在一些高校的應(yīng)用表明，采用此設(shè)計(jì)方案抗干擾性強(qiáng)，可靠性高。

1? 單相智能電表所能完成的功能

本文所研究的單相智能電表具有的功能如下：

電表同時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓、電流、功率等各種用電參數(shù)，顯示剩余電量、總用電量、已購(gòu)電量，預(yù)購(gòu)電量、無(wú)費(fèi)關(guān)斷、欠費(fèi)斷電提示、透支額度可以通過(guò)軟件設(shè)置。最大功率限制（負(fù)載限制功率可任意設(shè)置，超過(guò)限額自動(dòng)斷電。惡意負(fù)載限制（惡意負(fù)載功率可任意設(shè)置（阻性負(fù)載功率），有效設(shè)備阻性負(fù)載，防止火災(zāi)發(fā)生。具有惡意負(fù)載的識(shí)別功能，能對(duì)30W以上甚至更小的阻性負(fù)載進(jìn)行有效識(shí)別，而不影響其他電器的正常使用，為杜絕安全隱患提供了可靠保證;空調(diào)等電器正常使用。實(shí)時(shí)采集電壓和電流波形，通過(guò)2個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)特征，判斷發(fā)熱電器和防限電插排。反限電插座識(shí)別（通過(guò)技術(shù)手段有效識(shí)別反限電插座的違規(guī)使用，杜絕安全隱患）目前防欠電插座市場(chǎng)上采用可控硅變壓、全波半波技術(shù)破解限電器。每個(gè)房間可實(shí)現(xiàn)照明、插座、衛(wèi)生間等多回路管理，控制輸出分別對(duì)應(yīng)控制房間內(nèi)的照明回路，插座回路，空調(diào)回路，衛(wèi)生間回路，實(shí)現(xiàn)分路用電管理。在不需要空調(diào)的季節(jié)關(guān)閉空調(diào)回路的電路，正常時(shí)每天晚上熄滅照明和插座回路。在用空調(diào)的季節(jié)晚上熄燈后留著空調(diào)回路，夜間熄燈后留著衛(wèi)生間燈光。同時(shí)違章用電未處理時(shí)，停止插座回路的供電。時(shí)段小功率管理（夜間熄燈后只允許使用充電器臺(tái)燈等電器）。總功率限制保護(hù)設(shè)置：對(duì)每個(gè)房間設(shè)置最大用電功率保護(hù);同時(shí)該保護(hù)具備白天模式、空調(diào)模式、夜間模式;在夜間熄燈后，只有衛(wèi)生間照明時(shí)，自動(dòng)把房間總功率保護(hù)調(diào)整到設(shè)定值（如50W），以防止夜間從衛(wèi)生間取電的違規(guī)用電行為。

2? MAX483通訊外圍電路設(shè)計(jì)

485總線采用半雙工方式工作，網(wǎng)路傳輸采用雙絞線方式，發(fā)送電路時(shí)需要用使能信號(hào)加以控制。半雙工數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中只能在一個(gè)方向上進(jìn)行傳輸，等待一方的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束以后，由另外一方再做回應(yīng)。本設(shè)計(jì)方案中RS485通信所用的是低功耗收發(fā)器芯片MAX483，其芯片電路如圖1所示，在MAX483芯片中每個(gè)元器件中都只含有一個(gè)接收器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，它含有的是有限功率驅(qū)動(dòng)器，它不僅能夠減少電磁干擾，并且也使得使用不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜而產(chǎn)生的反射有所下降，能夠完成最大250kbps無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。接收器具有失效保護(hù)功能，當(dāng)輸出端開路，能夠保證輸出邏輯是高電平。電路左邊有3個(gè)型號(hào)NEC2501光耦，起到隔離作用，以防MAX483芯片和單片機(jī)的信號(hào)相互干擾。右邊的瞬態(tài)抑制二極管P6KE10CA是吸收浪涌功率用的，能在極短時(shí)間內(nèi)承受反向電壓沖擊，使兩極間的電壓被鉗制于一特定電壓上，避免后面的電路受到?jīng)_擊，連接時(shí)必須反向工作在電路電源地兩端[3]。

采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可;RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài);當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可;A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1;當(dāng)A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX483的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。

3? RS485串口通訊寄存器參數(shù)設(shè)置和初始化

在RS485通訊過(guò)程中，采用的是串行通訊口，可以對(duì)UART6進(jìn)行初始化后，將數(shù)據(jù)處理程序放在接收標(biāo)志之后，使可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行響應(yīng)，UART6的初始化主要包括異步串行接口操作模式寄存器ASIM6、時(shí)鐘選擇寄存器CKSR6和波特率發(fā)生器控制寄存器BRGC6這三個(gè)寄存器[4]。

3.1 異步串行接口操作模式寄存器ASIM6設(shè)置

該8位寄存器用于控制串行接口UART6的串行通信，可由1位或8位存儲(chǔ)器操作指令設(shè)置該寄存器。其8位符號(hào)如表1所示。

3.2 時(shí)鐘選擇寄存器CKSR6設(shè)置

該寄存器用于選擇串行接口UART6的基本時(shí)鐘fXCLK6，可由8為存儲(chǔ)器操作指令設(shè)置CKSR6。其8位符號(hào)如表2所示。

3.3 波特率發(fā)生器控制寄存器BRGC6

波特率發(fā)生器控制寄存器BRGC6，該寄存器用于設(shè)置串行接口UART6的8位計(jì)數(shù)器的分頻值，可由8位存儲(chǔ)器操作指令設(shè)置BRGC6。其8位符號(hào)如表4所示。

波特率發(fā)生器控制寄存器不同參數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)的不同輸出時(shí)鐘，輸出時(shí)鐘范圍廣泛，所以相應(yīng)有252種不同的波特率，其對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘輸出如表5所示。

3.4 電表的初始化程序

本電表的初始化程序設(shè)計(jì)：

4? 通訊的可靠性設(shè)計(jì)

4.1 上下位機(jī)的波特率一致性

上下位機(jī)的波特率一致性是保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)脑搭^，在選擇設(shè)計(jì)時(shí)候必須引起足夠的重視[5]。下位機(jī)電表采用的單片機(jī)和上位機(jī)收發(fā)器采用的單片機(jī)生產(chǎn)廠家不一樣，時(shí)鐘頻率也不一樣，這樣在進(jìn)行通訊時(shí)，可能波特率不一致造成誤差，通過(guò)我們的選擇，保證了二者的速率一樣，不會(huì)造成通訊的延遲。

電表通訊的波特率計(jì)算公式：

4.2 軟件設(shè)計(jì)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/p>

首先數(shù)據(jù)通訊時(shí)采用9為異步通信，每幀數(shù)據(jù)均為11位，1位起始位為0，8位數(shù)據(jù)位（先低位），1位可程控為1或0的第9位數(shù)據(jù)位和1位停止位，數(shù)據(jù)通訊采用偶校驗(yàn)，如果接收的數(shù)據(jù)不能通過(guò)校驗(yàn)，通訊會(huì)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)。

軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖2所示[6]，如果接收的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為0，報(bào)告沒有接收數(shù)據(jù)，返回接收值為0XFF。如果只接收到一個(gè)數(shù)據(jù)，要判斷接收的數(shù)據(jù)是不是電表號(hào)，因?yàn)樵谕〝嚯姇r(shí)，只需要接收和發(fā)送電表號(hào)一個(gè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)要求要保證各宿舍斷電時(shí)間前后不超過(guò)3分鐘，因?yàn)闀r(shí)間太長(zhǎng)會(huì)造成學(xué)生的抱怨，為什么有的宿舍關(guān)燈早，有的宿舍關(guān)燈晚。解決的辦法主要一個(gè)增加上位機(jī)收發(fā)器的數(shù)量，二是要求通訊的數(shù)據(jù)盡量少，減少發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間。在進(jìn)行判斷時(shí)，要將電表號(hào)加上0x33看是否與接收的數(shù)據(jù)一致，因?yàn)樵谏衔粰C(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，為了增加數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密，加了0x33。如果數(shù)據(jù)超過(guò)一個(gè)，首先檢驗(yàn)第一個(gè)數(shù)據(jù)是不是空格，因?yàn)樵诎l(fā)送數(shù)據(jù)前發(fā)送一空格，相當(dāng)于提示通訊接口要進(jìn)行正式數(shù)據(jù)通訊了，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。然后接收后面?個(gè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括控制字如寫電量、功率設(shè)置等，電表號(hào)，用戶號(hào)，電量等，如果沒有，就用0填充，這些數(shù)據(jù)和前面的電表號(hào)一樣也進(jìn)行了加密，為了保證這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，第5個(gè)數(shù)據(jù)是校驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果前面4個(gè)數(shù)據(jù)的和與第5個(gè)數(shù)據(jù)相等，就表明傳輸數(shù)據(jù)沒有錯(cuò)誤，然后把這4個(gè)數(shù)據(jù)減去加密數(shù)據(jù)后存入接收SBUF，準(zhǔn)備發(fā)送，為了保證這些數(shù)據(jù)有效接收，每組數(shù)據(jù)（包括1個(gè)空格和5個(gè)數(shù)據(jù)）發(fā)送兩次，如果數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤，發(fā)送字母“N”，這樣通過(guò)偶校驗(yàn)、加密、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)、多次發(fā)送，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率和可靠性，實(shí)驗(yàn)表明，錯(cuò)誤率小于萬(wàn)分之一，對(duì)于大學(xué)宿舍用電已經(jīng)非?？煽浚瑢W(xué)生基本沒有不滿意的情況發(fā)生。

5? 結(jié)論

本文對(duì)遠(yuǎn)程控制的單相智能電表的通訊系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)。包括軟硬件的設(shè)計(jì)工作，硬件設(shè)計(jì)工作主要是進(jìn)行了外圍電路設(shè)計(jì)和元器件的型號(hào)參數(shù)選擇，軟件設(shè)計(jì)主要是完成了遠(yuǎn)程控制所需要的三個(gè)關(guān)鍵寄存器的參數(shù)設(shè)置，上下位機(jī)單片機(jī)時(shí)鐘頻率的選擇和參數(shù)的設(shè)置使得波特率一致，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊的偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)、數(shù)據(jù)的多次發(fā)送，使得系統(tǒng)的通訊可靠性大大提高，通過(guò)這些改進(jìn)措施，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明大大超過(guò)了最初的設(shè)計(jì)指標(biāo)，現(xiàn)已在某些高校得到了較好的應(yīng)用。

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