使用32位单片机设计电能计量自动抄表系统

2019-01-28 14:35:04 来源:网络
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1电力自动抄表系统

我国社会经济的快速增长直接促进了电力工业的迅猛发展,电力需求不断增加,供应日趋紧张,如今的电力系统已成为一个庞大复杂的多元化系统。为了保证电网正确、安全的商业化运营,必须有一套计量精确、功能强大的电能计量计费系统。


运用最新的计算机技术,可以实现对电力系统中的各种计量设备(表计)的自动抄表。这是电力工业信息化发展的总趋势,自动化抄表系统不仅节约了大量的人力和时间,能快捷、准确地传递信息,减少人工抄表误差,提高工作效率,而且也是全面实现发、输、配电网用户电能量的自动采集、分析与计费功能的自动化系统,是电网推行商业化运营和管理、电力走向市场的技术保障。

 

典型的电能计量自动抄表系统主要由前端采集子系统、通信子系统和中心处理子系统等三部分组成,如图1。

电能表数据采集器是前端采集子系统的主要组成部分,电能表数据的采集一般分为脉冲采集型和通过串行口直接连接于集中器的数据采集型两种形式。脉冲采集型利用电能表本身提供的脉冲或者通过加装光电转换器,利用电能表表盘转数转换成脉冲信号,计算电量。

 

通信子系统是把数据传送到控制中心的信道。为了适应不同的环境条件以及成本要求,通信子系统的构成有多种方案。按照通信介质的不同,通信子系统主要有、无线传输、电话线传输和低压电力线载波传输等四种。

 

中心处理子系统主要由中心处理工作站以及相应的软件构成,是整个电能计量自动抄表系统的最上层,所有用户的用电信息通过信道汇集到这里,管理人员利用软件对数据进行汇总和分析,作出相应的决策。如果硬件允许,还可直接向下级集中器或电能表发出指令,从而对用户的用电行为实施控制,如停、送电远程操作。

 

2嵌入式的强大功能

后PC时代,随着嵌入式系统的广泛应用,嵌入式操作系统也越来越受到重视。嵌入式操作系统具有结构小巧、实时性强、稳定性高等特点。目前,商用嵌入式操作系统比较多,如 Vxworks,QNX,Nucleaus,WinCE等,但价格都很昂贵,并不适合广泛应用。嵌入式Linux为这个问题提供了良好的,其开放的源代码、强大的技术支持、良好的可扩展性及对众多硬件的支持都是它嵌入化的优势。

 

电能表数据采集器一般都挂接1~16路电能表,实现对它们的轮流电量采集,任务繁重。现在通用的大多采用8位技术实现,存在处理速度偏低,抄表时间过长,处理任务单一,存储空间过小等问题,已难以适应现在电力计量复杂化、实时化的趋势。因此,将高性能的CPU处理器和多任务操作系统应用于自动抄表系统中,结合嵌入式操作系统来实现新型的数据采集器,可以大幅度地提高系统整体性能。基于嵌入式Linux的多任务机制,可以在多个进程调度下实现对电能表的同时采集,处理速度大为提高,并且基于高速的处理器,可以连接大容量的和FLAS存储器,大大提高了系统的数据存储空间。为电力计量计费的准确、实时操作提供了可靠的技术保证。

 

3无线通信方式的优越性

现在应用的远程抄表系统很多都是利用电话网进行数据传输,基于“点对点”的传输模式。但是这种“点对点”的模式效率低,抄表中心需要逐个进行读表操作。为了提高抄表速度,抄表主机往往使用多个和多根电话线,这又增加了成本。

 

无线抄表方式是指集中器的上行信道采用无线通信或集中器与移动抄表设备采用无线通信。通用分组无线业务( packet radio ,GPRS),它是在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络,并且充分利用了现有移动通信网的设备,在GSM网络上增加一些硬件设备和软件升级,形成一个新的网络逻辑实体。由于其基础是使用现有的GSM网络设备及频率资源,是GSM话音通信的增值,成本低。该技术有永远在线、按实际使用量收费、网络现成、覆盖完善、安全可靠等优点,很适合行业用户远程数据采集的使用。

 

方案设计中,在数据发送端使用GPRS无线智能传输模块,数据接收端使用专线方式(与当地移动的核心交换系统直接连接GGSN)。这样只有数据发送端走移动的空中信道资源,另外的数据接收端则走专线方式。这种应用方式下表现的结果非常稳定和可靠,时延非常小(1~ s),完全可以满足电力行业的需要。在服务端其实是一台服务器,通过通信软件来完成与大量的数据发送端(可以上千个)的及时通信,可以通过配置在Linux或下的多进程(或单进程下的多线程)来保证服务端的稳定和可靠,即便在某个或几个数据发送端失效的情况下依然保证服务端能服务于其它的数据发送端,而且完全可以同时接收数据和发送命令或控制指令给数据接受端。

 

4自动抄表系统的硬件实现

从总体上看,此嵌入式系统由5个软、硬件子系统组成,它们分别是中央处理器子系统、存储子系统、通信子系统、输入输出子系统和操作系统子系统。该系统硬件框图见图2。

4.1嵌入式微处理器

考虑到上面的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高,支持CP/IP等协议将占用大量系统资源。同时,相对于有线网络,无线网络的带宽小,网络延时较大,连接可靠性低。这些都对嵌入式系统的微处理器提出了较高的要求。因此,采用了公司的32位微处理器作为嵌入式系统的 CPU,主频达100 Mz,适合于计算量较大的应用环境。

 

内部集成了微处理器和一些控制领域的常用外围组件,特别适用于通信产品。包括器件的适应性,扩展能力和集成度等。集成了两个处理块,一是嵌入的核,另一个是通信处理模块(communications processor ,CPM)。通信处理模块支持4个串行通信控制器(serial communication ,SCC),实际上它有8个串行通道: 4个SCC,2个串行管理控制器(serial management channels,SMC),一个串行外围(serial peripheral ,SPI)和一个I2C(inter integrated )接口。

 

4.2嵌入式操作系统

嵌入式操作系统具有结构小巧,实时性强,稳定性高的特点。嵌入式Linux除了具有以上特点之外还有源代码开放、可制定性强、支持多种芯片等优点。在网络通信方面:支持CP/IP及协议并提供通信协议动态挂接技术,以及操作系统内部的进程通信应用接口技术。采用稳定的.4内核,并对它进行合理的裁减和加载,作为操作平台。

 

4.3通信子系统

通信子系统由西门子公司的MC5模块构成。它实现了GSM/GPRS通信功能。GPRS低层基于IP协议,用户可以随时随地接入Internet。采用GPRS作为嵌入式系统中的无线传输层,将从根本上解决目前移动Internet费用高而速率低的瓶颈问题。同时在链路层,采用PPP协议。PPP协议作为Linux操作系统的一个重要组成部分,能够支持在串行线上的CP/IP的使用,这就使用户可以通过串口与GPRS模块通信,并通过GPRS网络连入Internet中。

 

5系统软件设计

嵌入式系统软件设计部分主要包括操作系统,驱动程序,应用程序。通过编译内核,删除不需要的功能模块,再重新配置,可以使操作系统显著减小,从而缩减对资源的使用。由于系统需要CPU通过串口完成对GSM/GPRS模块的控制以及和它的数据通信,以实现Internet的接入。所以要求Linux内核保留对串口和网络协议CP/IP,PPP的支持。

 

PPP协议是在串行连接上运行IP以及网络协议的一种机制,使用PPP可以把基于Linux的嵌入式系统连接到一台PPP服务器上,并可访问该服务器上连接的网络资源。在Linux中,PPP的运行需要两类程序:PPP驱动程序和pppd程序。使用脚本程序ppp-on可以非常方便快捷的控制,登陆到远程主机并启动pppd。在接入过程中,CPU通过串行口SCC1向MC5模块发送A命令,完成GPRS网络的初始化工程。附着到GPRS网络之后,可以通过PPP协议接入移动网关,进而实现移动Internet平台。

 

同时为了保证抄表事件的顺利完成,必须采取Linux多任务执行的方式进行软件规划。多任务的执行基于多进程运行原理,这使得数据采集器可以在同一时间抄多个表以及完成数据的存储、转发工作。建立后台监测进程,用来完成GPRS数据通道的建立、检测与重连;建立通信进程,完成网络通道接口的绑定、监听、已采集数据的发送、主站通信数据的接收等工作;为每个MPC860串口建立电能表数据采集进程,负责读取每一路电能表的能量寄存器值、分时数据等。系统软件流程图如图3。

电能表采集程序采用任务驱动机制,设定1 min时间间隔找一次任务,高级别任务可以打断低级别任务。同1 min时间段内可有若干任务,按任务级别排序进入任务队列,依次执行。任务有两层重试,即包重试和任务重试,重试次数可设定。

 

采集程序包括两部分:初始化和主流程。初始化部分清除各种标志,从设置文件读电能表和能量寄存器信息写入RAM盘文件,生成能量寄存器文件(如果不存在)并写入电能表类型。主流程如图4所示。

 

6结束语

本文介绍的基于嵌入式Linux系统的电力远程自动抄表装置,集嵌入式计算机技术、网络技术和通信技术为一体,采用高性能的CPU、先进的无线通信模块,应用GPRS作为数据传输平台,实现了嵌入式系统与Internet的结合。由于Linux的强大多任务处理功能,使得表计采集器可以连接更多总线和电能表路数,同时大大提高了现场抄表的效率,电力自动抄表系统整体性能有了大幅提高。可以预见,代表着计算机领域发展方向的嵌入式OS技术,将在电力系统中发挥越来越大的作用。

 
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