多芯模組化智能物聯(lián)電能表的設計

劉彬德，蔡高琰，梁炳基，何家峰

（1.廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣東 廣州 510000；2.廣東浩迪科技創(chuàng)新有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

智能電表的概念已提出了很多年，長期以來，許多學者和工程師致力于智能電表功能的研究和改進。當代智能電表擁有實時計量、數(shù)據(jù)采集、信息存儲、用戶用電數(shù)據(jù)傳輸、費控等功能，暫時能滿足當前國家電網(wǎng)的需求，但是當代智能電表采用一體化設計，即產(chǎn)品在出廠后，硬件和軟件已經(jīng)固化，這種設計方式存在如下問題：

（1）當智能電表出現(xiàn)故障，需要對整表進行更換。

（2）功能一體化設計方式開發(fā)的軟件只能用在特定的電表上，當開發(fā)一款新的電表或者增加電表功能時，需要修改舊款電表軟件中大量代碼，限制了軟件的重復使用，并且可靠性和穩(wěn)定性需要花很長的時間來驗證，因此增加了新產(chǎn)品的開發(fā)時間和開發(fā)成本。

（3）不同的場景對電表有不同的功能和性能要求，場景之間可能隨時發(fā)生切換，基于成本的考慮，智能電表不可能做成通用的型號，將所有場景的功能全部集成。如果做成多個系列電表，在發(fā)生場景切換時，又必須進行拆裝表，帶來大量工作和高額成本。

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，上述弊端日益顯現(xiàn)。在此背景下，國家電網(wǎng)展開了新一代智能電表標準的制定工作，提出在新一代智能電表采用“多芯”“模組化”的設計理念[1]，即將電表在硬件和軟件上劃分為不同的模塊，稱之為模組，模組和模組之間通過標準的接口連接，模組可替換。由于電表在實際使用過程中必須長時間在線，不允許斷電，且對精度有要求，如何實現(xiàn)模組出廠可更換功能和可熱插拔功能成為了新一代電表設計的難點。本文主要從硬件和軟件兩方面討論如何實現(xiàn)模組可更換可熱拔插功能。

1 多芯模組化電表硬件設計

1.1 硬件總體框架

新一代智能電表根據(jù)功能劃分為不同的模組，如計量模組、管理模組、擴展模組等，結(jié)構如圖1所示。管理模組和計量模組是電能表的必備模塊，擴展模塊可根據(jù)實際應用場景添加或刪減，模塊和模塊之間通過標準的硬件接口連接。計量模組由計量MCU、存儲單元、實時時鐘、紅外、電流電壓采集電路組成，承擔著法制計量工作，為保證計量數(shù)據(jù)的準確性和安全性，將計量模組作為基表，在使用中不可拆卸。

圖1 智能電表硬件框架

管理模組由LCD、按鍵控制單元、繼電器、存儲器、MCU組成。管理模組上運行嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，主要負責電能表的數(shù)據(jù)管理、模組管理以及人機交互等。在使用中可更換升級。

擴展模組用于電表功能擴展的模組，包含但不限于WiFi通信、LoRa通信、負荷識別、有序充電控制等功能模塊的擴展。擴展功能作為電表功能的擴展單元，在使用中可根據(jù)實際使用場景進行選配。

1.2 模組硬件接口設計

要實現(xiàn)不同模組互換安裝，需要采用統(tǒng)一的硬件接口。根據(jù)實際應用情況，在此設計了兩種硬件接口標準，分別為A型擴展接口和B型擴展接口，A型B型接口均采用2×6雙排插針作為連接件，接口示意圖如圖2所示。

圖2 接口引腳示意圖

A型接口主要用于電能表數(shù)據(jù)通信模組接入；B 型接口一般用于非介入式負荷識別、有序充電控制等模塊的接入。A型B型擴展接口均包含電源、數(shù)據(jù)信號線和熱拔插信號線，接口引腳說明見表1所列。

表1 接口引腳說明

1.3 熱拔插硬件保護設計

通常，帶電情況下不能插入或拔出無熱插拔設計的模塊。這是因為電路中存在電容和電感，在帶電情況下拔插電源線會產(chǎn)生巨大的浪涌電流、瞬時電壓，這很可能損壞模組，從而造成系統(tǒng)崩潰。同時，帶電情況下拔插信號線會產(chǎn)生瞬變電壓，瞬變電壓會導致通信異常、系統(tǒng)復位或中斷。這兩種情況對于系統(tǒng)來說都是致命的，因此本節(jié)從電源線熱插拔設計和信號線熱插拔設計兩個方面進行研究。

1.3.1 電源熱拔插電路設計

電源熱拔插電路的作用是將浪涌電流或電壓控制在合理的范圍，常用的方法有兩種：

（1）一種是采用熱敏電阻限流法，當電流增大時熱敏電阻的阻值也隨之增大，從而降低浪涌電流，這種方法雖然成本低，但是反應速度緩慢、精度低而且使用壽命低。

（2）另一種方法是采用MOS管和電源管理芯片來實現(xiàn)，電源管理芯片控制熱拔插時的供電電壓來避免浪涌電流的沖擊。這種方法反應快、精度高、實用性強。

本文采用第二種方法，筆者選用LM25061電源管理芯片，這款芯片有過流限制、功率限制、低壓關斷保護功能，其應用電路如圖3所示。當模組接入電表基表，輸入電壓Vsys電壓增加，芯片內(nèi)部通過下拉電流使Q1保持截止，此時TIME引腳電壓為0；當電壓Vsys達到特定閾值時，TIME引腳以5.5 μA的電流給CT充電；當TIME引腳電壓達到1.7 V后，CT以1.5 mA下拉電流放電，此時通過GATE啟動Q1，芯片內(nèi)部的電荷泵灌出16 mA電流對Q1的柵極電容進行充電，直至Q1處于飽和區(qū)和導通狀態(tài)，進入正常工作模式。

圖3 信號熱插拔電路

（1）檢測電阻計算

如圖3所示，Vin引腳和SENSE引腳兩端的電壓超過50 mV，電源管理芯片開啟電流限制。采樣電阻計算公式如下：

根據(jù)接口設計，A模組的最大負載電流為0.25 A，B模組的最大負載電流為0.2 A，計算得到A接口采用電阻Rs=20 mΩ，B接口采用電阻Rs=25 mΩ

（2）功率電阻計算

LM25061通過MOS管的漏極電流和電壓Vds來計算外部的功耗，Vds為引腳SENSE和引腳OUT間的電壓，然后將外部的功耗與功率電阻設定的閾值比較，以實現(xiàn)限制功率功能。功率電阻計算公式如下：

式中：A模組的限制功率PL為3 W，B模組的限制功率PL為1 W，那么，計算得：A型接口功率電阻RPWR=13.92 kΩ，B型接口功率電阻RPWR=5.8 kΩ。

（3）延時電容計算

在電路上施電壓VSYS，TIME引腳以5.5 μ A電流將CT從0 V充電至1.72 V，電容充電所耗時間稱之為延遲時間。電源剛上電，電源管理芯片在延時時間內(nèi)關閉MOS管，從而避免浪涌電流的沖擊。本系統(tǒng)設置的延遲時間為t1=250 ms。計算A，B接口的延遲電容：

（4）欠壓過壓電阻計算

當電壓過低時，將開啟低壓關斷保護功能，R1和R2的值用來設定輸入電壓低壓上下閾值，計算公式如下：

式中：VUVL為欠壓下限；VUVH為欠壓上限。考慮到在A類接口電源電壓為12 V±1 V，在A型接口中取VUVH=11 V，VUVL=10 V，計算得：R1=50 kΩ，R2=6.6 kΩ。考慮到在B型接口電源電壓為5 V，取VUVH=4.5 V，VUVL=4.4 V，計算得R1=5 kΩ，R2=1.8 kΩ。

1.3.2 信號熱插拔設計

信號熱插拔設計采用分級插針法，如圖4所示，其中電源，地引腳為長插針，數(shù)據(jù)信號線使用中長插針，短插針為“模塊到位引腳”。當模塊插入時，電源和地首先接入，模塊上電工作，然后是數(shù)據(jù)信號接入，最后短插針接入，產(chǎn)生“模組到位”信號，此時模塊熱插拔子系統(tǒng)才開始加載模塊信息，確保連接器完全連接后開始通信。模塊拔出過程與插入相反，短插針先斷開，產(chǎn)生“拔出”信號通知模塊熱拔插子系統(tǒng)，此時系統(tǒng)通信終止并卸載模塊信息，然后是數(shù)據(jù)信號拔出，最后斷開電源。通過實驗，長中短針腳的長短差為1.5 mm就可以滿足要求。

圖4 信號熱插拔設計

2 模組化電表的軟件設計

2.1 軟件總體架構

多芯模組化智能的軟件框架如圖5所示，從上往下包括應用層的應用程序、系統(tǒng)層的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核、協(xié)議庫、塊熱拔插子系統(tǒng)、硬件層的硬件、標準外設庫。

圖5 軟件整體框圖

（1）應用程序，實現(xiàn)整體系統(tǒng)基礎功能和業(yè)務擴展功能。

（2）實時操作系統(tǒng)，電表的功能增加，采用小型嵌入式系統(tǒng)是電表設計的趨勢，本課題要求使用的操作系統(tǒng)占用資源少，可靠性高。綜合考慮選擇了μC/OS Ⅲ。

（3）協(xié)議庫。包含了DLT 645協(xié)議、上行通信協(xié)議、STS協(xié)議等與硬件和操作系統(tǒng)無關的庫。

（4）模塊熱拔插子系統(tǒng)。作為一個子系統(tǒng)，向上層應用提供服務，主要實現(xiàn)模組熱拔插功能并將模組驅(qū)動抽象成統(tǒng)一接口。本文著重研究模塊熱拔插子系統(tǒng)的實現(xiàn)。

（5）標準外設庫。芯片廠商提供外設函數(shù)庫，它的存在可以使大家在操作某些硬件時，不用直接操作寄存器，大大地簡化了開發(fā)工作量。

（6）硬件層。該圖中硬件平臺是系統(tǒng)的基礎，為軟件系統(tǒng)的運行提供了條件。

2.2 模塊熱拔插子系統(tǒng)

熱插拔技術的實現(xiàn)包括硬件設計和軟件設計這兩個方面的，硬件部分為軟件提供基本的接口和必要的部件，軟件部分是熱插拔技術靈魂[6]。模塊熱拔插子系統(tǒng)主要實現(xiàn)模組的熱插拔功能并將模組驅(qū)動抽象成統(tǒng)一接口。模塊熱拔插子系統(tǒng)的內(nèi)部組成及與硬件的關系如圖6所示。模塊熱拔插子系統(tǒng)由模組就緒列表、模組驅(qū)動管理列表、模組等待列表組成。其中就緒列表用來組織就緒模組信息，驅(qū)動列表管理模組驅(qū)動。模組等待列表：當應用程序要使用某一模組，而此模組此時沒有就緒，系統(tǒng)使此應用程序休眠并在模組等待列表中存入“應用等待此模組信息”，用于模組上線后喚醒等待此模組的應用程序。

圖6 熱拔插子系統(tǒng)

2.2.1 模組驅(qū)動的抽象接口

抽象接口分為API接口和驅(qū)動接口。API接口主要用來給應用程序提供統(tǒng)一的操作硬件的接口。將所有模組硬件操作抽象成devOpen（）、devRead（）、devWrite（）、devIoctrl（）、devClose（）五個統(tǒng)一的操作接口。DevOpen（）用于打開設備操作，devRead（）用于設備的讀操作，devWrite（）用于設備的寫操作，devIoctrl（）設備的其他控制操作。驅(qū)動接口用于驅(qū)動程序的編寫，主要的接口函數(shù)為driRegister（）、driUninstall（）。driRegister（）用于設備驅(qū)動的注冊，driUninstall（）用于設備驅(qū)動的卸載。

2.2.2 模組熱插入

在本文的設計中，模塊插入時系統(tǒng)會產(chǎn)生插入中斷，系統(tǒng)通過中斷完成模塊的插入處理。在實際的使用過程中，用戶插入模組的過程中存在抖動，或者用戶的誤操作，會導致熱插拔信號引腳COM-RQ的狀態(tài)不停變化，硬件上不斷產(chǎn)生插入拔出中斷。因此在正式執(zhí)行熱插入任務前需要采用軟件預處理來濾除這些情況下產(chǎn)生的中斷。預處理完成后，復位插入的模組，讀取模塊信息，在模塊驅(qū)動管理列表查詢電能表是否支持該模塊。如果支持，就將該模塊信息插入就緒列表中，最后查詢模塊等待列表；如果存在等待該模塊的應用程序，則喚醒該應用程序。熱插入流程如圖7所示。

圖7 熱插入流程

2.2.3 模組熱拔出

由于在實際的使用過程中，拔出模塊也可能會存在抖動，因此在正式執(zhí)行熱拔出任務前也需要采用軟件預處理，預處理完成后，具體流程如圖8所示。

圖8 熱拔出流程

3 結(jié) 語

本文根據(jù)“多芯”，“模組化”設計理念，結(jié)合我國電網(wǎng)發(fā)展情況，進行了多芯模組化智能電表的研究與設計工作，著重研究智能電表模組可更換可熱拔插功能的硬件和軟件設計。實驗表明，本文設計的模組化智能電表解決了一體式智能電表在實際使用中的弊端，能滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，未來具有極大的應用前景。