远程自动抄表系统【自动抄表系统的设计】

　　摘 要 自动抄表系统以准确计量、抗干扰能力强、节省大量人力资源等优点得到了电力部门的普遍重视。但自动抄表系统目前还不是很成熟，市场上出现的产品还存在不少缺点。本文对自动抄表系统原理进行研究，深入介绍了电能采集、传输、接收及显示的过程，实现了无线抄表的目的。本文以凌阳单片机为控制核心，其具有功能强大、功耗低、运算速度快等优点，同时内部又具有32K的Flash,使系统结构紧凑、灵活。本文采用DS1302作为系统时钟芯片，为系统采集电能提供了准确的时间信息，另外，先进的电能采集芯片CS5460A,可以对电压、功率、电能等进行测量和计算。同时采用无线收发模块nRF2401A对数据进行无线收发，在微处理器的控制下对数据进行处理后向上级系统发送，实现了采集终端和控制终端之间的短距离无线通信。最后，终端电表数据存储在上位机数据库服务器，配有专门的系统软件，具有自动抄表，数据处理，信息分析及统计等功能。     
　　关键词 系统设计;自动抄表系统; 单片机;程序设计    
　　中图分类号TM92 文献标识码 A
　　
　　Automatic meter reading system
　　ZHANG Kun1
　　 1(Lin"an City, Zhejiang Province Technical School，Zhejiang 311300, China)
　　【Abstract 】 Automatic meter reading system to accurate measurement, strong anti-jamming capability, saves the massive human resources advantages to get the universal attention of electricity department. But the automatic meter reading system is still not very mature, appear on the market the product there are still quite a few shortcomings. In this paper the principle of automatic meter reading system, further study introduced electricity collection, transmission, receiving and display process, realized wireless meter reading purpose. Based on single-chip sunplus as control core, it has powerful, low power consumption, the operation is fast, at the same time interior and advantages of 32K Flash, make with compact structure and flexible. System This paper adopts DS1302 as a system clock chip, for system collection provides accurate time power, in addition, advanced information collected CS5460A power of voltage, chip, power, power was measured and calculated. Meanwhile nRF2401A by wireless transceiver module of data in microprocessor, wireless transceiver under the control of the processing of data sent to the superior system after, realized the acquisition terminal and control terminals short-range wireless communication between. Finally, terminal electric meter data storage in PC database server, have a special system software, with automatic meter reading, data processing, information analysis and statistics, and other functions.   
　　【Key words】wireless communications; SCM; meter reading system     
　　
　　0 引 言
　　自动抄表是利用电子技术、传感器技术、自动控制技术、计算机及通讯等技术，通过专用设备对表计进行读取及数据处理的过程。自动抄表系统是不需要人员到现场，就能完成抄读用户电能数据并分析、统计的智能化管理系统。
　　自动抄表技术最先出现在国外，早在70年代国外许多国家就大力开展自动抄表系统的研发工作。在美国、加拿大等北美国家，自动抄表系统早已广泛应用于配电管理系统之中了。国外电力网相对国内要纯净得多，因此以色列的Unique公司利用现有的电表和电网，以电力线为传技术研发了collectric集中抄表系统在国内，虽然自动抄表系统的研制起步比较晚，但是发展也十分迅速，华立集团万胜电力仪表公司、中联科技等都对电能自动抄表系统的研制投入大量资源
　　当前，我国的传统的电能表人工抄收方式已经不适应电力改革的要求，阻碍了先进管理模式的推行。可见，自动抄表系统是在技术急待进步、改革的迫切要求下逐渐发展的。就目前广泛使用的脉冲式计量表基本上采用干簧管或霍耳元件传感器，即在原机械表的转动齿轮或指针上放置磁铁，将传感器固定在其附近某一位置，齿轮或指针转动带动磁铁转动，当磁铁靠近又离开传感器时，输出一个周期的脉冲信号。脉冲式抄表系统需要时时刻刻采集电表脉冲信号，多采集或少采集都会造成误差。现实证明，这些环节的可靠性是难以保证的。从理论上讲，计量表输出的脉冲数与齿轮或指针的转动次数成一一对应关系。然而现场条件却难以达到理想状态，脉冲信号是0-5(V)的TTL信号，无法进行任何保护措施，加上表盘的抖动和传输过程的电磁干扰等因素，易引起脉冲丢失或多计脉冲。底层通信网大多是总线模式，传输介质是双胶线，如果距离过长，或者屏蔽不好，都会造成失真，数据不准。基于以上原因，可以预见总线模式的通信网以及脉冲式电量采集方式显然不是抄表系统以后的发展方向。目前的抄表系统，前端采集端子技术问题是关键，通讯网络的选择也会给系统的性能尤其是成本和可扩展性带来不小的影响。所以本设计为了要达到可靠、准确运行的要求，改变了传统的以脉冲累计计量的抄表方式。从而使用以计量芯片为核心的智能数字电表。另外，在短距离无线通讯方面，本设计用短距离无线通信芯片nRF2401A取代传统的PTR2000，通信距离提高到3-10倍。
　　1 电能采集和控制芯片
　　最常见的电能自动抄表系统由前端采集子系统、通信子系统以及上位机处理子系统三部分组成。本系统设计采用高精度电能采集芯片采集电能，采用单片机控制，处理后的数据通过无线收发模块nRF2401A实现数据的无线传输，接收模块接受到前端采集系统采集的数据传送给上位机，上位机可以显示所需要的一些电参数，实现抄表收费一体化。系统结构如图1所示。
　　对本设计要求综合考虑，选用CS5460A作为电能采集芯片，选用凌阳科技的16位单片机作为控制芯片。
　　1.1 电能采集芯片
　　CS5460A是CRYSTAL公司最新推出的带有串行接口的单相双向功率/电能计量集成电路芯片。CS5460A能计量各数据信息，包括瞬时电压、瞬时电流、电流有效值、电压有效值、瞬时功率、电能等信息，这些数据信息可以长时间存储在CS5460A自带的存储器内，另外单片机SPCE061A可以通过串口对CS5460A芯片进行读写[1]。
　　(1) CS5460A测量原理
　　CS5460A的测量原理是采集电网的有效电压以及流过所有电器的总的有效电流，将这两个量乘积，得到当前用电器的总的瞬时功率，最后将总的瞬时功率在一段时间内积分，就得到了该时间段内所有用电器所消耗的电量。如式（1）。
　　(2) CS5460A运行原理
　　CS5460A可以在单+5(V)电源及双极性 5(V)电源下运行，电流通道输入范围为50(mA)或250(mA),电压通道为250(mV)。在单电源供电时CS5460A的共模信号为-0.25(V)到VA+。图2是CS5460A在单电源模式下单相2线系统的功率测量的典型电路图。此接线方式实现与电源线了隔离。
　　隔离通过3个变压器实现。一个是普通的变压器，用于提供CS5460A的直流电源。第二个是高精度、低阻抗的变压器（通常称为电压互感器），在较高的滤波下也具有很小的衰减和相位延迟。还有一个电流互感器用于测量电源线电流，一个电阻跨接在电流互感器的次极，对CS5460A的电流通道产生电流感应的电压信号。
　　
　　1.2 控制芯片的选型
　　考虑到本设计的性能要求及特点，本设计的控制芯片选用凌阳公司多功能16位单片机SPCE061A，是继产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使其能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以unSPTM为核心的SPCE061A微控制器是适用于多种应用领域产品的一种较为经济的选择[2]。
　　2 电能采集及数据传输硬件设计
　　电能采集系统是系统底层的部分，也是整个系统功能实现的关键之一。在考虑到设备的先进性、经济性的同时，还要考虑到电能计量的准确性和可靠性。目前市场上的抄表系统，大多是将电能耗能转变为脉冲输出进行计量的。脉冲式计量的准确性经过系统的多年运行后受到质疑，这是由脉冲计量的技术本身缺点决定的。在本文中，本设计采用当今先进的电能计量芯片CS5460A设计采集子系统，该系统和市场上出现的系统相比，除了计量准确、可靠外，还尽可能抑制谐波、过电压、过电流对系统的冲击和影响。
　　2.1 电能采集子系统硬件设计
　　采集子系统由谐波抑制模块、保护电路、电能计量及控制芯片，电源模块几部分组成。系统组成结构如图3所示。
　　2.2 系统时钟硬件设计
　　在本抄表系统中，需要记录所采集的电能数据及其对应的时间，由于记录这些时间数据对于本系统具有重要的意义，而且又不可能总是靠人工记录，所以要求要设计一种自动的时钟系统。考虑到传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体时间记录，因此只能记录数据而无法记录其出现的时间，若采用单片机记时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源。综合考虑，我们采用DS1302芯片设计系统时钟。
　　2.3 无线通信模块
　　随着网络技术和通信技术的飞速发展，短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理限制少、安装施工方便灵活等特点，在许多领域有着广阔的应用前景。针对不断发展的无线通信市场，各大厂商都推出了自己的无线通信解决方案，也出现了许多无线通信协议。如蓝牙技术、IrDA无线协议等。但到目前为止，由于各厂商的技术不能统一，成本难以降低等原因，蓝牙技术的应用还是有限的。挪威Nordic公司的无线通信芯片nRF2401A具有收发合一、通用频段、低发射功率、高敏接收、串口通信等优点，和蓝牙技术相比，该芯片成本低、功耗更低、且协议简单、软件开发容易，十分适合短距离通信场合。本文的抄表系统短距离无线通信采用的正是nRF2401A芯片设计的[3]。
　　nRF2401A是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5(GHz) ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5(dBm) 的功率发射时，工作电流只有10.5(mA)，接收时工作电流只有18(mA)，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM 技术使nRF2401A可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。
　　(1) .nRF2401无线通信的硬件设计
　　nRF2401A及其外围电路包括nRF2401A的芯片部分，稳压部分、晶振部分、天线部分。电压VDD经电容C1、C2、C3处理后为芯片提供电压；晶振部分包括Y1、C9、C10,晶振Y1允许值为：4(MHz)、8(MHz)、12(MHz)、16(MHz),本设计用1(Mbps)的通信速率，则必须选择16(MHz)晶振。天线部分包括电感L1、L2，用来将nRF2401A芯片的ANT1、ANT2管脚产生2.4G电平信号转换为电磁波信号，或者将电磁波信号转换为电平信号输入芯片的ANT1、ANT2管脚。
　　 nRF2401A通信模块原理图如4示，电源指示电路如图5。本设计只利用通道1的收发通道，通道2为预留通道，PER¬_UP与单片机IOB0口相连控制nRF2401A芯片上电，IOB1接CE控制芯片使能. IOB3连CS实现nRF2401A片选，IOB4接DR1从而通过单片机控制芯片通道1数据请求，IOB5接CLK1控制通道1时钟，IOB6和芯片DATA管脚相连，实现单片机与模块之间的数据传输[4]。
　　1) 收发模式
　　nRF2401A 的收发模式有ShockBurstTM 收发模式和直接收发模式两种，收发模式器件配置字决定ShockBurstTM 收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401A 的ShockBurstTM 技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstTM 收发模式下，nRF2401A 自动处理字头和CRC 校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC 校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC 校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。而在直接收发模式下nRF2401A 如传统的射频收发器一样工作。
　　2) 配置模式
　　在配置模式，15 字节的配置字被送到nRF2401A，这通过CS、CLK1 和DATA 三个引脚完成。
　　3) 空闲模式
　　 nRF2401A 的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4(MHz) 时工作电流为12(uA)，外部晶振为16(MHz) 时工作电流为32(uA)。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF2401A 片内。
　　4) 关机模式
　　在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1(uA)。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF2401A 片内，这是该模式与断电状态最大的区别。
　　3 上位机系统硬件设计
　　本控制系统是通过接收模块接收数据并且通过计算机串口和上位机相连，实现和上位机的通信，从而达到通过上位机来显示电量和记费情况，以及监测电压、电流等是否正常的目的。
　　3.1 上位机系统的硬件组成
　　上位机系统主要以单片机控制nRF2401A芯片接收数据并向PC机传输数据，另外通过电平转换器RS232实现计算机与无线通讯模块的接受模块的连接，其结构如图6所示：
　　(1) 数据接收模块的硬件连接
　　无线数据接收的实现是由nRF2401A芯片和单片机共同实现的，通过单片机控制芯片的数据接收并且传送给中心计算机。其电路原理图如图7。
　　(2) 单片机与上位机的硬件连接
　　单片机SPCE061A通过电平转换芯片和计算机串口连接，PC机的RS232串行口标准逻辑电平0为-3V到-12V，1为+3V到+12V。芯片MAX232将 12V电平转换为0到5V电平，与单片机接口，同时也把单片机的0到5V信号转换为PC机所要求的 12V信号。 其电路图如8。
　　1) MAX232芯片的功能
　　MAX232接收/发送器是MAXIM公司特别为满足EIA/TEA-232E的标准而设计的。它们在EIA/TIA-232E标准串行通信接口中日益得到广泛的应用,它们具有功耗低、工作电源为单电源,外接电容仅为0.1或1μF、采用双列直插封装形式、接收器输出为三态TTLCMOS等优越性,为双组RS-232接收发送器,工作电源为+5V,波特率高,仅需外接0.1μF或1μF的电容。其价格低,可在一般需要串行通信的系统中使用。
　　2) DB-9连接器
　　 DB-9连接器，作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的9个信号。如图9：
　　引脚定义如下：
　　(1)联络控制线
　　数据装置准备好（Data set ready-DSR),有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。数据终端准备好(Data set ready-DTR),有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。
　　 (2)请求发送(Request to send-RTS)
　　用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ON状态），向MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否要进入发送状态。
　　 (3)允许发送（Clear to send-CTS）
　　用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开始沿发送数据线TxD发送数据。
　　 这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需要RTS/CTS联络信号，使其变高。
　　 (4)接收线信号检出(Received Line detection-RLSD)
　　用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端（远地）的MODEM送来的载波信号时，使RLSD信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字两数据后，沿接收数据线RxD送到终端。此线也叫做数据载波检出(Data Carrier dectection-DCD）线。
　　(5)振铃指示(Ringing-RI)
　　当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效（ON状态），通知终端，已被呼叫。
　　数据发送与接收线：发送数据(Transmitted data-TxD)――通过TxD终端将串行数据发送到MODEM，(DTE→DCE)。
　　 (6)接收数据(Received data-RxD)
　　通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据，(DCE→DTE)。
　　 (7)地线
　　两根线SG、PG,信号地和保护地信号线，无方向[5]。
　　4 电能采集及数据传输软件设计
　　本部分功能是完成电能的数据采集、显示以及控制数据的无线传输，本部分也是整个系统的最重要的一部分，数据的正确采集以及准确及时的传输都是整个系统是否成功的关键。本模块主程序流程图如图10所示。
　　4.1 电能采集程序设计
　　(1) 程序功能
　　程序功能包括两方面的关键内容，一是通过单片机对CS5460A芯片寄存器地址的定义和控制字的写入，一是数据的读取。
　　(2) 输出标准化转换
　　 本设计要求读取的寄存器包括电压有效值寄存器、电流有效值寄存器、能量寄存器和功率寄存器。后两个寄存器可在-0.9999999至+0.9999999范围之内取值。前两个可在0至+0.9999999范围之内取值。本文通过软件实现从寄存器的值转换到安、伏、瓦和千瓦时等标准值的转换。
　　1) 电压值的转换
　　 对CS5460A校准后，使得当电压有效值寄存器的读数为0.6时测得线电压为250V。则转换常数：
　　Kv=250/0.6=417.6
　　从寄存器中读出的数乘以转换常数Kv,即可得到标准化值。
　　2) 电流值的转换
　　校准后当电流标准信号测得电流值为20(A)，电流有效值寄存器为0.6，则电流转换常数:
　　Ki=20/0.6= 33.3
　　3) 能量与功率转换常数
　　CS5460A取得了N（周期记数寄存器的值）个瞬时电压和电流采样值，这些采样值分别以Rvk和Rik来表示，此处K=0、1、……，N-1。通过这些采样值和已知常数Ki、Kv可以获得实际的电压和电流值。
　　一个周期内的平均功率可以通过能量寄存器中的结果值来确定，通过把能量寄存器的值乘以K3,然后除以一个计算周期的时长。即可求得功率[6]。
　　5 结论
　　系统电能采集技术、单片机技术和无线通信技术相接合，利用成熟而廉价的单片机做主控芯片，设计出低成本高可靠性的无线抄表系统。
　　系统实现了以下功能：
　　(1) 能够实现电能的准确的采集；
　　(2) 能够通过键盘设置系统时间；
　　(3) 数据传输采用无线通信方式；
　　(4) 通过串口实现和上位机通信。
　　(5) 能够通过上位机实现电能和电费量的读取，同时实现电压、电流、功率等瞬时量的监测。
　　该系统的优点：
　　(1) 采用模块化设计，方便了系统的扩展；
　　(2) 采用SPLC501液晶显示屏，成本低，显示效果好；
　　(3) 稳定性好，安全性高；
　　(4) 采用高性能的时钟芯片，实现同步时间显示；
　　 (5) 成本低，计量准确度高；
　　本设计对电能采集、传输、显示等功能采用流程式设计，系统功能完善，模块独立性强，控制芯片采用凌阳单片机，采用61板进行系统功能开发，大大缩短了系统开发时间，降低了系统开发费用。
　　
　　参考文献
　　[1] 费占军，刘瑞峰.单相功率/电能芯片CS5460A的原理与应用.电测与仪表.2001，38：42-45.
　　[2] 卢胜利.基于凌阳SPCE061A设计实验平台的专业综合设计教程.机械工业出版社，2007：7-8.
　　[3] 曾庆喜,王强,杨英杰.nRF2401A与SPI接口的软硬件解决方案.东北电力学院学报.2006，1：4-5.
　　[4] Morgans AS.Model-based control of combustion.Journal of Sound and Vibration.2007,2：6-7.
　　[5] Gary S Rogers. An introduction to wireless technology.清华大学出版社.2004:256-260.
　　[6] Theodore S Rappapout.Wireless communications principles and practice. Publishing house of electrontis industry.2006:160-165.
　　
　　作者简介: 张坤（1984），男，工学学士，二级实习指导教师，电工电子
　　张国光（1975），男，工学硕士，助理工程师，电力系统与自动化

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