基于ATMEGA64的電力采集器設(shè)計

張高山

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇 南京211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211106）

1 概述

電力采集器是用戶用電信息采集系統(tǒng)里的采集裝置，可以實現(xiàn)表計數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)雙向傳輸以及轉(zhuǎn)發(fā)或執(zhí)行控制命令的功能。

電力采集器功能整體上可分為上行規(guī)約處理、下行抄表及數(shù)據(jù)存儲。下行抄表主要完成抄表任務(wù)，數(shù)據(jù)存儲可存儲所有電能表最近12個月的正反向月有功、無功電量數(shù)據(jù)（總及各費率）；最近31 天的正反向日有功、無功電量數(shù)據(jù)（總及各費率）；所有電能表最近24 h 整點正反向有功電能數(shù)據(jù)（總電量）；實時數(shù)據(jù)按照抄讀間隔抄讀數(shù)據(jù)項，整點數(shù)據(jù)在每次抄完實時數(shù)據(jù)后凍結(jié)數(shù)據(jù)，在存儲的當前有效位置判斷抄讀回來的數(shù)據(jù)有效時間是否與最近一次存儲的數(shù)據(jù)的時間（年月日時）相同，不同存儲；日凍結(jié)抄讀是在每日零點開始抄讀，日凍結(jié)存儲是在成功或在實時數(shù)據(jù)有效時存儲，月凍結(jié)（抄表日凍結(jié)）數(shù)據(jù)抄讀是在抄表日時發(fā)生。

2 總體設(shè)計

電力采集器的電路設(shè)計由電源電路、RS485 通信電路、載波通信電路、存儲電路、MCU電路和紅外通信等組成。交流市電經(jīng)過整流濾波為載波功放電路提供電源，然后經(jīng)過線性電源降壓，給系統(tǒng)提供基本電源，電池電源是用來維持停電后時鐘正常運行；載波通道采用模塊化處理，提供統(tǒng)一接口，可以更換各種方案；存儲電路存儲抄讀的電能表凍結(jié)數(shù)據(jù)。其原理框架如圖1所示。

電源單元。采集器采用開關(guān)電源給主處理器和外圍電路提供穩(wěn)定工作電源，市電停電后，由電池維持時鐘電路的運行。

圖1 原理框架圖

MCU 單元。主處理器采用32 位先進的低功耗芯片，該處理器處理性能強，資源豐富，抗干擾能力強，功耗低。

存儲單元。存儲器主要貯存抄讀電表的凍結(jié)數(shù)據(jù)、電表檔案、采集器參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，停電后數(shù)據(jù)不會丟失。

載波通信單元。采集器的上行通道采用低壓電力線載波通信方式和集中器及其他終端進行通信，載波通信電路集成在儀表內(nèi)部。

RS485 電路。采集器的下行通道具有RS485 接口，可以和RS485 電能表進行通信。485 芯片內(nèi)部集成瞬變電壓抵制，同時對超出總線終端ESD保護（+30 kV 接觸放電；+15 kV 氣隙放電；+15 人體模型），能承受峰值為400 W過壓瞬變，在電噪聲環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbit/s，開路失效保護接收器設(shè)計，1/4 單位負載允許128 個器件連接到總線，熱關(guān)閉保護，低禁止工作電流最大300 μA。

紅外電路。采集器具有一路調(diào)制紅外電路，可以通過手持設(shè)備進行設(shè)置采集器參數(shù)、抄讀電能表數(shù)據(jù)等操作。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件程序運行說明

主芯片接收到來自載波、紅外或調(diào)試485 的報文后，首先檢查報文中的通信地址是否是采集器地址，如果不是采集器地址同時也不是廣播地址，那么就把這幀數(shù)據(jù)原樣發(fā)送到485抄表口上（同時判斷數(shù)據(jù)幀是2007/645 或1997/645，并按照不同的波特率發(fā)送出去，默認2007/645按2400 bit/s發(fā)送，1997/645按1200 bit/s發(fā)送）；如果是廣播地址，同時是廣播校時，則對采集器校時，同時會以1200 bit/s 和2400 bit/s發(fā)送到485抄表口上；如果是采集器地址，則抄讀采集器本身存儲的數(shù)據(jù)，如果沒有數(shù)據(jù)，則抄讀對應(yīng)的485表數(shù)據(jù)，再返回。

實時數(shù)據(jù)按照抄讀間隔（抄讀間隔可設(shè)置為30、60 min 等）抄讀數(shù)據(jù)項，采集器在3 天內(nèi)連續(xù)抄表失敗后會自動刪除該表地址；整點數(shù)據(jù)在每次抄完實時數(shù)據(jù)就凍結(jié)數(shù)據(jù)，在存儲的當前有效位置判斷抄讀回來的數(shù)據(jù)有效時間是否與最近一次存儲的數(shù)據(jù)時間（年月日時）相同，不同則存儲；日凍結(jié)抄讀在每日00:05 開始抄讀，如果表不支持日凍結(jié)功能，則使用實時數(shù)據(jù)存儲，日凍結(jié)存儲是在成功或在實時數(shù)據(jù)有效時存儲，與整點數(shù)據(jù)存儲的原理相同；月凍結(jié)（抄表日凍結(jié)）數(shù)據(jù)抄讀在抄表日指定時刻進行，存儲原理與日凍結(jié)相同。程序流程圖如圖2所示。

圖2 整體程序流程圖

4 存儲空間分配

電力采集器有效的存儲空間包括2K Byte 的EEPROM，以及2048×264 Byte 的片外Flash，存儲內(nèi)容包括采集器參數(shù)、電能表檔案參數(shù)、電能表數(shù)據(jù)、遠程升級程序備份空間以及采集器事件，其空間占用如下：

采集器參數(shù)占用空間大小為64 Byte；電能表檔案參數(shù)占用空間大小為257 Byte；電能表數(shù)據(jù)占用空間大小為395328 Byte。

采集器EEPROM存儲內(nèi)容包括采集器參數(shù)、電能表檔案參數(shù)，具體分配如表1所示。

表1 EEPROM存儲空間分配

片外FLASH存儲內(nèi)容采集器參數(shù)備份、電能表檔案參數(shù)備份、電能表數(shù)據(jù)、遠程升級以及事件，具體分配如表2所示。

表2 片外Flash存儲空間分配

5 結(jié)束語

本文設(shè)計實現(xiàn)了電力采集器的硬件平臺、抄表軟件流程?；贏TMEGA64的電力采集器已經(jīng)批量應(yīng)用在安徽、江蘇、青海等地，并取得了非常好的采集效果。隨著電力物聯(lián)網(wǎng)的不斷推進，電力采集器也將具有非常廣泛的應(yīng)用前景。