一種智能電表集中器設(shè)計(jì)方案

摘要：介紹了智能電表集中器的原理，分析了相關(guān)的硬件電路，設(shè)計(jì)了具體的軟件的控制流程。該集中器具有獨(dú)立存儲空間、實(shí)時性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在具體的應(yīng)用中取得較好的效果。

　 引言

　　目前，我國城市居民用戶的電表、水表、天然氣表很多是人工抄表，由抄表工作人員每月逐個查抄各種儀表，也有很多地區(qū)已經(jīng)通過抄表改造工程實(shí)現(xiàn)了集中抄表。

　　由于目前已經(jīng)使用的遠(yuǎn)程抄表還面臨一些挑戰(zhàn)：比如初期成本較高，同時總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是終端用戶所消費(fèi)的水、電、氣等重要數(shù)據(jù)，對總線的抗干擾性要求非常高，要具有抵抗容性、感性的偶合干擾的能力，為節(jié)約成本，要采用遠(yuǎn)程供電的方式給從設(shè)備提供電源，以盡可能減少元器件的使用。

　　為了解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的遠(yuǎn)程電表抄表系統(tǒng)集中器。基于CAN總線的智能電表系統(tǒng)具有造價較低，可靠性高，組網(wǎng)簡單，管理方便，操作簡捷等優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過擴(kuò)展和升級硬件，利用有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)通信，把集中器采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送到售電公司的管理系統(tǒng)中統(tǒng)一管理，通過應(yīng)用線損分析、遠(yuǎn)程通斷電、防竊電分析等功能達(dá)到更高的智能化。

　　1 集中器的功能及原理分析

　　一般的智能電表系統(tǒng)由四部分組成：表頭，集中器，通訊器，上位機(jī)系統(tǒng)。具體如圖1所示，其工作原理是通過一體化載波表或安裝在電表表尾的電力計(jì)量傳感系統(tǒng)模塊經(jīng)CAN總線組網(wǎng)，集中器按設(shè)定好的時間段接收數(shù)據(jù)并保存到內(nèi)部flash中，當(dāng)上位機(jī)發(fā)來讀數(shù)據(jù)的信號后上位機(jī)通過RS232或RS485讀數(shù)，讀到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到用電管理中心。

　　在遠(yuǎn)程抄表表系統(tǒng)中，集中器是一個重要組成部分。

　　集中器通過CAN總線控制并讀取表頭的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在集中器的flash中。集中器執(zhí)行從上位機(jī)發(fā)送的控制命令：

　　對時、讀flash、讀表數(shù)、限電、增加表頭地址等。

　　集中器通過CAN控制器發(fā)送讀表命令信號到總線上，每個表頭根據(jù)讀表命令將采集的信號通過CAN總線發(fā)送到集中器。集中器將采集的信號存儲在flash芯片中。上位機(jī)通過串口發(fā)送讀數(shù)據(jù)信號到集中器，集中器就把存儲在flash中的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

　　2 集中器硬件設(shè)計(jì)

　　主控芯片采用的是ST公司的STM32系列的STM32F103Tx，該系列單片機(jī)是ARM的CortexTM-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時提供卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。具有運(yùn)行速度快(系統(tǒng)時鐘頻率最高可達(dá)72MHz)26個復(fù)用GPIO;64KB片上RAM;2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時間(多達(dá)16個輸入通道);3個SPI，5個USARTs，2個IIC接口;片上256KBFLASH;2個看門狗，11個定時器;芯片具有獨(dú)立的實(shí)時時鐘，能夠相關(guān)資料豐富，提供單片機(jī)使用庫函數(shù)，用C語言編程十分方便，易于開發(fā)。

　　由于智能電表控制器需要很準(zhǔn)確的實(shí)時性，以方便售電公司收取用電費(fèi)用。因?yàn)橹骺匦酒詭?shí)時時鐘，所以只需要外接獨(dú)立的32.768kHz的晶體。實(shí)時時鐘既可以通過寄存器設(shè)置年月日及具體時間，同時還有鬧鐘功能，定時中斷進(jìn)行指定操作。

　　智能電表集中器的硬件部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有ARM，F(xiàn)lash，時鐘芯片，接口電路，RS232，RS485，電源等組成。ARM作為控制芯片，有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì);ARM接口電路比較簡單，以下重點(diǎn)討論CAN總線接口和Flash接口設(shè)計(jì)。

　　圖1智能電表抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

　　因?yàn)橄到y(tǒng)對信號傳輸過程中的穩(wěn)定性和抗干擾能力要求很高，所以CAN接口采用高標(biāo)準(zhǔn)接口電路。電路圖如圖2所示。

　　圖2CAN接口硬件電路圖

　　CAN-bus接口電路采用+3.3V供電，選擇CTM8251A隔離CAN收發(fā)器。該芯片是3.3V工業(yè)級的隔離CAN收發(fā)器。CTD0信號連接主控芯片的CAN控制器的發(fā)送腳，CRD0信號連接CAN控制器的接收腳。CTM隔離CAN收發(fā)器內(nèi)有一完整的CAN-bus隔離收發(fā)器電路，可以將來自CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線信號，并具有DC2500V隔離功能。另外，CTM收發(fā)器可以選擇集成ESD保護(hù)功能的“T”系列，從而省略外擴(kuò)的ESD保護(hù)器件。共模扼流圈T1起著EMI增強(qiáng)的功能，用于提高設(shè)備的EMI能力;共模扼流圈T1的電感參數(shù)很重要，選擇CAN-bus專用器件，比如EPCOS的B82793扼流圈。