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摘要:目前我国电力线缆改造过程中,针对当今的国情以及智能化住宅小区对自动抄表系统的要求,提出了基于低压电力线缆通信的采集器的设计方案,不仅成本低,而且易实现功能的扩展。该方案以ATmega8微处理器为核心,采用PLCi363载波芯片作为电力线缆载波通信Modem芯片,并给出了硬件接口与相应的软件实现。该采集器与脉冲电表、集中器、后台管理系统构成了自动抄表系统。实验证明,可以达到实际使用要求,具有广阔的推广应用前景。
关键词:ATmega8;存储器;自动抄表系统;PLCi363
1引言
自动抄表系统(AutomaticMeterReadingSystem,AMRS)是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户消耗电能的智能化管理系统。该系统包括主站级、集中器级、电表终端级。近年来,这一技术在国内外应运而生,而且发展非常迅速。有利于加强用电管理、提高供电效益,使其适应市场经济需要。因此,自动抄表系统将是未来发展的主要方向,这对于提高电力部门的管理水平和经济效益无疑有着十分重要的意义。
自动抄表系统需要用户安装有可进行电力线缆载波通信的智能电表,集中器通过电力线缆对该用户的智能电表进行抄读、监控、通断电等控制。但是,近十几年来,中国的居民电表以脉冲表为主,只有近几年极少数用于自动抄表系统实验的小区安装有可进行电力线缆载波通信的电表。所以,这种状况极大地制约了我国自动抄表系统的推广和使用。
本文针对这种状况,提出了一种在脉冲表的居民楼安装采集器的方法,只需进行小规模布线即可解决该问题,避免了更换智能表造成的社会资源的浪费。
2硬件设计
如果为每个脉冲表配备一个采集器,显然会导致系统结构复杂,成本高。因此,要求每个采集器可采集多个脉冲表的脉冲信号,并把统计的电量数据保存到相应的存储器空间,方便集中器进行抄读控制。
2.1硬件框架图
采用双单片机结构,脉冲信号采集单片机用于采集16路脉冲信号,计算16只电表的累计电量,将电量数据写入存储器。主控单片机用于数据通信和功能的扩展。
为节省单片机I/O口资源,有利于采集器的升级和功能扩展,采用带I2C接口的存储器,只需占用每片单片机的2根I/O线。同时为避免2片单片机读写存储器时发生总线竞争,2片单片机还通过1根I/O口线作为交互线,使脉冲信号采集单片机在占用总线期间主控单片机等待,反之亦然。
主控单片机中未使用的I/O口用于采集器的功能扩展,如扩展红外通信接口,方便现场参数设置;扩展RS485接口,用于小范围485组网;扩展日历时钟电路。每路脉冲信号驱动一个发光二极管,直观地指示脉冲信号的到来。同时通过光电耦合器接入采集器,通过下拉电阻将其转换为高低电平信号,经施密特整形后接入单片机I/O口,由单片机完成对脉冲信号的鉴别、抗干扰和计数。
2.2核心器件
脉冲信号采集单片机和主控单片机均选用ATMEL公司的ATmega8型单片机。ATmega8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVRRISC结构的8位单片机。AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集连接在一起,所有的工作寄存器都与ALU(算术逻辑单元)直接相连,实现了在1个时钟周期内执行的1条指令同时访问(读写)2个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率,使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期。因此,ATmega8可以达到接近1MIPS/MHz的性能,运行速度比普通CISC单片机高出10倍。
同时,该单片机内部集成了较大容量的非易失性存储器和丰富强大的硬件接口电路,如内部看门狗电路、SPI接口、TWI接口、ADC,PWM,I2C接口等,在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面也更具优势。因此用他设计采集器不仅成本低、硬件简单,而且易实现各种扩展功能。
由于采集器需要连续工作至少10年时间,所以不仅要求存储器容量要大,更要求擦写次数要高。一般的E2PROM可擦写100万次,无法满足要求,故选择可擦写次数是E2PROM10000倍的铁电存储器。同时为了节省单片机的I/O口,简化硬件电路,选择带I2C接口的铁电存储器。对于铁电存储器的容量选择,必须参考需要存储的数据。每次电表需要存储的数据有:
累计电量数据:12B;脉冲常数:4B;量程:12个直接;表底数:与累计电路数据占用相同的存储器位置,不需要专门的存储空间。
所以,一个16路的采集器存储的数据总量为(12+4+12)×16=448B,故选用容量为512B的FM24C04铁电存储器,该铁电存储器具有100亿次读写操作、10年以上数据保存、写操作快速无延时等优点。载波通信模块的核心芯片为EASTSOFT的PLCi363,PLCi363是专门为电力线缆介质作为通信信道而设计的扩频通信芯片。该芯片具有通信可靠性高、高效帧、中继转发策略、信号强度指示、完善的网络数据通信协议集,并具有低成本、低功耗、外围器件少等特点。PLCi363芯片实现了基于电力线缆通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交换,在多路复用电力线缆通信信道时,最多16路。具有应用灵活,编码丰富,多路复用,节约成本,便于维护等优点。
3软件设计
3.1程序流程图
由于脉冲的宽度为ms级,而程序执行速度为μs级,所以没有必要连续不断地查询16路信号的电平状态,而且若相邻2次的查询间隔太小,可能会将窄脉冲干扰计入。因此,采用定时器定时,以毫秒级的时间间隔进行脉冲识别处理。
3.2干扰的消除
脉冲信号干扰情况未知,主要考虑窄脉冲的滤除问题。为了降低硬件复杂度,不采用硬件抗干扰电路,可采用程序抗干扰的方法滤除窄脉冲。假设程序保证每5ms时间采集一次16路脉冲信号的电平状态,并同上次采集的状态比较,若出现变化,即表示1个脉冲沿出现。当检测到脉冲前升沿时,并不马上得到“有脉冲”结论,而是清零为每路脉冲开辟的1个计数字节,下一次采集时若电平没有变化,则计数值加1,当检测到脉冲后沿时,理论上的计数值应该为75/5=15。判断计数值,若小于n,则认为是窄脉冲干扰。n可取3,4,5等,根据干扰情况而定,同时保证不把脉冲误判为干扰。
3.3脉冲信号的采集
单片机为每路脉冲信号分配一个变量,用于累计脉冲个数。脉冲采集单片机不断对16路脉冲信号进行轮流查询,若检测到有效的脉冲信号,则将对应的变量加1,并写入铁电存储器。
4结语
本文介绍了一种基于ATmega8单片机和PLCi363载波芯片的采集器的设计方法。由于该方案使用了双单片机结构,有利于系统的升级和功能扩展,同时擦写次数高、容量大的存储器保证了电量数据的长期安全的保存。在陕西美欧电信技术有限公司的现场实验中,达到了实际使用的要求,具有较好的应用前景,为我国电网改造提供了一种切实可行的方案。
参考文献:
[1]PLCi363芯片资料手册.http://www.eastsoft.com.
[2]ATmega8芯片资料手册.http://www.atmel.com.
[3]胡亚永，黄民发，向保林.智能营销管理新模式探析.抄表核算自动化管理[J].企业技术开发,2014（20）:131-133.
[4]周柳奇.分布式电能表远程智能抄表系统设计与实现[J].自动化与仪器仪表,2014(04):123-125.