采用PL3200單片機(jī)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)采集器的設(shè)計(jì)方案介紹

引言

隨著電力市場的不斷擴(kuò)大，當(dāng)前大量存在的人工抄表這種費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率低下的方式已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化管理的需要。為了解決此問題，提高用電管理的自動(dòng)化水平， 應(yīng)采用自動(dòng)抄表系統(tǒng)，不但可以節(jié)約勞動(dòng)力、提高工作效率，而且可以避免人工抄表存在的誤抄及漏抄，避免了各種人為因素的電量、電費(fèi)損失。研究的電力線擴(kuò)頻載波自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由電能表、數(shù)據(jù)采集器、集中器、主控站和通信信道組成，系統(tǒng)框圖如圖1。本文主要描述采集器設(shè)計(jì)。

圖1 自動(dòng)抄表系統(tǒng)框圖

采集器是自動(dòng)抄表系統(tǒng)安裝在現(xiàn)場的低端設(shè)備，其作用是將多臺(tái)電能表連接起來，對(duì)用戶電能表的脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，接收來自集中器發(fā)來的各種操作命令，向集中器回送電能表數(shù)據(jù)，對(duì)違章、欠費(fèi)用戶實(shí)施警告和控制。采集器主要由中央處理單元、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)單元、載波調(diào)制解調(diào)單元組成。

本設(shè)計(jì)是基于51兼容芯片PL3200的單片機(jī)，對(duì)4路電能表的脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、計(jì)算，變成各路電表的用電量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。通過RS485串行通訊口可利用外設(shè)對(duì)系統(tǒng)初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)抄錄。初始化設(shè)置包括系統(tǒng)編號(hào)、電表常數(shù)和表底數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)依據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行電量轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)內(nèi)配有電源監(jiān)視器和看門狗，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。同時(shí)，還具備紅外或其他方式的通信功能，以便在采集器與外界聯(lián)系中斷時(shí)，采用半自動(dòng)的方式進(jìn)行抄表。

PL3200芯片是北京福星曉程公司開發(fā)的多功能智能型電能計(jì)量芯片。PL3200是內(nèi)嵌了805 1指令的高速微處理器芯片，其軟件易于開發(fā)，具有8/16位雙模式ALU，能夠8倍速于標(biāo)準(zhǔn)805 1處理器，運(yùn)行速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。該芯片還具有兩個(gè)全雙工UART，一個(gè)可配置為38kHz的紅外通信模式，另一個(gè)可配置為RS485通信模式，提供了多種方便的數(shù)據(jù)傳輸方式。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。它實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)電能的計(jì)量和與外界進(jìn)行通信。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)電路

電能計(jì)量

PL3200的電能計(jì)量部分有以下特點(diǎn)：

提供高精度電能計(jì)量；

提供有功功率和無功功率瞬時(shí)值輸出（應(yīng)用于儀表校驗(yàn)）；

指示正/負(fù)功；

雙通道電流采樣，具備防竊電功能；

電流通道內(nèi)置可調(diào)增益放大器（PGA），方便電能計(jì)量的多種采樣方式；

具有電壓/電流有效值測量以及相電壓頻率測量功能。

其工作原理是：首先，通過電流互感器CT、電壓互感器PT對(duì)電流、電壓采樣，采樣電路如圖3；采樣后經(jīng)過放大電路放大，通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)；接下來經(jīng)過數(shù)字濾波、移相等處理；最終，得到有效的電能計(jì)量數(shù)據(jù)。從而，完成對(duì)有功/無功功率、瞬時(shí)電流和電壓的有效值以及當(dāng)前的交流頻率值的計(jì)量，計(jì)算。

圖3 外接采樣電路

計(jì)量電路可以由軟件來控制采樣兩路電流信號(hào)中的某一路。在計(jì)量模塊內(nèi)部與電壓采樣結(jié)果進(jìn)行乘法處理，計(jì)算得到有功功率、無功功率。上電復(fù)位時(shí)默認(rèn)為第一路ADC 采樣作為電流通道的輸入。計(jì)量輸出部分采用的是主時(shí)鐘分頻得到600KHz 頻率再經(jīng)過降12 倍頻采樣得到速率為50KHz 數(shù)字脈沖輸出。

計(jì)量模塊與8051之間是并行通訊，通過寄存器以及中斷進(jìn)行控制。PL3200 內(nèi)部的嵌入式微處理器8051可以通過特殊功能寄存器（SFR，包括控制寄存器、標(biāo)識(shí)寄存器、校表寄存器和數(shù)據(jù)寄存器四類）地址直接訪問計(jì)量模塊內(nèi)部的寄存器。

RS-485通信

采集器通過RS-485總線構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)來設(shè)置和抄讀電表數(shù)據(jù)，使它適合應(yīng)用在帶有RS-485接口的多功能電子表的場合。

PL3200 內(nèi)部有2個(gè)比較器，通過他們可以將RS-485通訊的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成UART1所識(shí)別的SCOMS 信號(hào)，同時(shí)也可以將UART1 的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，從而直接進(jìn)行RS-485通訊。外接電路圖如圖4。

圖4 RS-485通信接口電路

RS-485是一種低成本、易操作的通信系統(tǒng)，RS-485總線收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出；在接收端，接收器將差分信號(hào)變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的

能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達(dá)200mV的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米以外。RS-485總線采用二線方式，為保持總線平衡傳輸需要在傳輸線兩端并接一個(gè)電阻。

由于RS-485無標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，協(xié)議應(yīng)自定義，RS-485總線的協(xié)議制定和軟件編程對(duì)系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃杂泻艽笥绊?。另外RS-485總線是異步半雙工的通信總線，在某一個(gè)時(shí)刻，總線只能呈現(xiàn)一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機(jī)對(duì)分機(jī)的查詢方式通信，總線上必然有一臺(tái)始終處于主機(jī)地位的設(shè)備在巡檢其它的分機(jī)。因此采用RS-485總線連接的多個(gè)站點(diǎn)，任一時(shí)刻只能有一個(gè)站點(diǎn)在“說”，其它站點(diǎn)只能處于“聽”狀態(tài)。如果有多于1個(gè)的站點(diǎn)在“說”，數(shù)據(jù)將在通信總線上碰撞，結(jié)果使處于接收狀態(tài)的站點(diǎn)收不到正確的數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對(duì)每個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)的同時(shí)，應(yīng)盡量減少特征字和校驗(yàn)字。所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來協(xié)調(diào)總線的分時(shí)共用。這里采用的是數(shù)據(jù)包通信方式，通信數(shù)據(jù)是一幀或一包地發(fā)送，每包數(shù)據(jù)都有引

導(dǎo)碼、長度碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容、校驗(yàn)碼等部分組成。其中引導(dǎo)碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭；長度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長度；命令碼是主機(jī)對(duì)分機(jī)（或分機(jī)應(yīng)答主機(jī)）的控制命令；地址碼是分機(jī)的本機(jī)地址號(hào)；“內(nèi)容”是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息；校驗(yàn)碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志，采用和校驗(yàn)方式。

為了可靠的工作，在RS-485總線狀態(tài)切換時(shí)需要做適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。具體的做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時(shí)lms左右的時(shí)間，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，一包數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后再延時(shí)lms后，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過程。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序、脈沖采集中斷服務(wù)程序和掉電保護(hù)中斷服務(wù)程序等組成。主程序主要完成脈沖量到用電數(shù)據(jù)的計(jì)算轉(zhuǎn)換，以及系統(tǒng)與外設(shè)的通訊，主程序流程圖如圖5。首先進(jìn)行工作單元、標(biāo)志單元的初始化，通過寫寄存器使能電能計(jì)量、設(shè)置工作模式、調(diào)整電能計(jì)量精度，等待外部有關(guān)參數(shù)設(shè)置，然后系統(tǒng)才能根據(jù)每個(gè)表的常數(shù)、底數(shù)和采集到的脈沖量進(jìn)行用電量轉(zhuǎn)換，電量脈沖數(shù)夠表常數(shù)的1/10時(shí)，電量值增加0.1度，脈沖數(shù)清零。通過RS-485口就可隨時(shí)抄錄出精確到0.1度的各電表當(dāng)前用電量值，不夠1/10個(gè)表常數(shù)的電量脈沖數(shù)仍保存在RAM中由下次脈沖繼續(xù)累加。

脈沖采集中斷服務(wù)程序完成脈沖的采集和脈沖復(fù)位，當(dāng)采集到某路脈沖后，將該路脈沖標(biāo)志位置1，以便主程序?qū)ζ溥M(jìn)行電量查詢和轉(zhuǎn)換。掉電中斷設(shè)置為最高級(jí)別中斷，當(dāng)電源監(jiān)視器監(jiān)視到電源電壓降低到4.6V時(shí)，便通過INTO向CPU中斷，警示電源開始掉電，讓CPU進(jìn)入中斷程序，及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場和數(shù)據(jù)保護(hù)處理。

結(jié)語

本文介紹的設(shè)計(jì)方案由于采用了PL3200單片機(jī)，其豐富的片上外圍功能模塊使得外圍電路得以大大簡化，以及其超低功耗模式，從而降低了成本，提高了運(yùn)行可靠性。目前該設(shè)計(jì)已經(jīng)在電能表自動(dòng)抄收系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中取得了很好的效果。