基于PL3200的自動抄表系統(tǒng)采集器的設(shè)計

摘要：    本文設(shè)計了一種基于單片機PL3200的電能表自動抄收系統(tǒng)的采集器，其應(yīng)用于實際的電能表自動抄收系統(tǒng)中取得了很好的效果。
關(guān)鍵詞：    采集器；PL3200；電能計量

引言

隨著電力市場的不斷擴大，當(dāng)前大量存在的人工抄表這種費時費力效率低下的方式已遠不能滿足現(xiàn)代化管理的需要。為了解決此問題,提高用電管理的自動化水平, 應(yīng)采用自動抄表系統(tǒng)，不但可以節(jié)約勞動力、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、電費損失。筆者研究的電力線擴頻載波自動抄表系統(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。

圖1 自動抄表系統(tǒng)框圖

采集器是自動抄表系統(tǒng)安裝在現(xiàn)場的低端設(shè)備，其作用是將多臺電能表連接起來，對用戶電能表的脈沖進行數(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)，對違章、欠費用戶實施警告和控制。采集器主要由中央處理單元、數(shù)據(jù)采集存儲單元、載波調(diào)制解調(diào)單元組成。

本設(shè)計是基于51兼容芯片PL3200的單片機，對4路電能表的脈沖進行實時采集、計算，變成各路電表的用電量數(shù)據(jù)進行保存。通過RS485串行通訊口可利用外設(shè)對系統(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、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)可靠運行。同時，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，采用半自動的方式進行抄表。

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，運行速度快，數(shù)據(jù)處理能力強。該芯片還具有兩個全雙工UART，一個可配置為38kHz的紅外通信模式，另一個可配置為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。它實現(xiàn)的功能是對電能的計量和與外界進行通信。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)電路

電能計量

PL3200的電能計量部分有以下特點：

提供高精度電能計量；

提供有功功率和無功功率瞬時值輸出(應(yīng)用于儀表校驗)；

指示正/負功；

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；接下來經(jīng)過數(shù)字濾波、移相等處理；最終，得到有效的電能計量數(shù)據(jù)。從而，完成對有功/無功功率、瞬時電流和電壓的有效值以及當(dāng)前的交流頻率值的計量，計算。

圖3 外接采樣電路

計量電路可以由軟件來控制采樣兩路電流信號中的某一路。在計量模塊內(nèi)部與電壓采樣結(jié)果進行乘法處理，計算得到有功功率、無功功率。上電復(fù)位時默認為第一路ADC 采樣作為電流通道的輸入。計量輸出部分采用的是主時鐘分頻得到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。

計量模塊與8051之間是并行通訊，通過寄存器以及中斷進行控制。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個比較器，通過他們可以將RS-485通訊的差分信號轉(zhuǎn)換成UART1所識別的SCOMS 信號，同時也可以將UART1 的輸出信號轉(zhuǎn)換成差分信號，從而直接進行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)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成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200mV的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達千米以外。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，在某一個時刻，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對分機的查詢方式通信，總線上必然有一臺始終處于主機地位的設(shè)備在巡檢其它的分機。因此采用RS-485總線連接的多個站點，任一時刻只能有一個站點在“說”，其它站點只能處于“聽”狀態(tài)。如果有多于1個的站點在“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)的站點收不到正確的數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，對每個字節(jié)進行校驗的同時，應(yīng)盡量減少特征字和校驗字。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；命令碼是主機對分機(或分機應(yīng)答主機)的控制命令；地址碼是分機的本機地址號；“內(nèi)容”是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息；校驗碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗標(biāo)志，采用和校驗方式。

為了可靠的工作，在RS-485總線狀態(tài)切換時需要做適當(dāng)延時，再進行數(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lms左右的時間，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lms后，將控制端置“0”。這樣的處理會使總線在狀態(tài)切換時，有一個穩(wěn)定的工作過程。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

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量、設(shè)置工作模式、調(diào)整電能計量精度，等待外部有關(guān)參數(shù)設(shè)置，然后系統(tǒng)才能根據(jù)每個表的常數(shù)、底數(shù)和采集到的脈沖量進行用電量轉(zhuǎn)換,電量脈沖數(shù)夠表常數(shù)的1/10時,電量值增加0.1度,脈沖數(shù)清零。通過RS-485口就可隨時抄錄出精確到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。

圖5 電能計量流程圖

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行電量查詢和轉(zhuǎn)換。掉電中斷設(shè)置為最高級別中斷,當(dāng)電源監(jiān)視器監(jiān)視到電源電壓降低到4.6V時,便通過INTO向CPU中斷,警示電源開始掉電,讓CPU進入中斷程序,及時進行現(xiàn)場和數(shù)據(jù)保護處理。

結(jié)語

本文介紹的設(shè)計方案由于采用了PL3200單片機，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，提高了運行可靠性。目前該設(shè)計已經(jīng)在電能表自動抄收系統(tǒng)實際運行中取得了很好的效果。

參考文獻：
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