《電子技術(shù)應用》
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GPRS網(wǎng)絡電能表的設計方案
鄭仲明 周志輝
摘要: GPRS網(wǎng)絡電能表就是GPRS通信技術(shù)和電表技術(shù)的結(jié)合體,他將三相多功能電能表和GPRS通信模塊相結(jié)合,形成具有無線網(wǎng)絡通信能力的電能計量裝置。
Abstract:
Key words :

1 GPRS網(wǎng)絡電能表

  GPRS網(wǎng)絡電能表就是GPRS通信技術(shù)和電表技術(shù)的結(jié)合體,他將三相多功能電能表和GPRS通信模塊相結(jié)合,形成具有無線網(wǎng)絡通信能力的電能計量裝置。GPRS網(wǎng)絡電能表由基表和GPRS無線通信模塊兩部分組成。

  1.1 基表

  基表可實現(xiàn)普通三相多功能電能表的基本功能,在未接入GPRS通信模塊的情況下,不影響其作為普通多功能電能表的使用。它對交流模擬量進行實時采樣、處理和存儲,實現(xiàn)電能計量、需量測量、復費率、負荷曲線計算和存儲、數(shù)據(jù)凍結(jié)、事件記錄、復費率等,可實現(xiàn)用戶預購電控制、負荷控制、遠程控制等功能。具備RS 485通信接口、紅外通信接口、GPRS通信模塊接口,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的抄讀和設置;基表還具有本地液晶顯示,可支持本地巡顯和鍵顯功能。

  1. 2 GPRS通信模塊

  GPRS通信模塊是GPRS網(wǎng)絡電能表的數(shù)據(jù)上傳的關鍵節(jié)點,作為網(wǎng)絡電能表的一個獨立模塊,在不影響基表計量的情況下,滿足用戶抄表系統(tǒng)的技術(shù)要求和傳輸規(guī)約,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。GPRS通信模塊與基表的下行通信滿足DT/L645多功能電能表通信協(xié)議,與主站的上行通信滿足《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》(Q/GDW 376.1-2009)標準。

  在此著重描述GPRS通信模塊的軟硬件設計。

  2 GPRS通信模塊硬件結(jié)構(gòu)

  2.1 系統(tǒng)框圖

  GPRS無線通信模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括:ARM微處理器(LPC2138)、GPRS模塊、FLASH和鐵電存儲器、紅外收發(fā)、RS 232串行調(diào)試接口、RS 485通信接口、JTAG仿真接口、LED指示及電源轉(zhuǎn)換等。

  

GPRS無線通信模塊的系統(tǒng)框圖

 

  2.2 模塊功能

  2.2.1 微處理器

  采用基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位微處理器LPC2138,其內(nèi)嵌了512 KB的高速FLASH存儲器和32 KB的RAM,具有豐富的外設資源,如:2個32位定時器(帶捕獲、比較通道);2個10位8路ADC;1個10位DAC;PWM通道;47路GPIO;9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷;具有獨立電源和時鐘的RTC;多個串行接口(UART,I2C,SPI,SSP);內(nèi)含向量中斷控制器,可配置中斷優(yōu)先級和向量地址;片內(nèi)Boot裝載程序,可以實現(xiàn)在系統(tǒng)/在應用編程(ISP/IAP),通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)60 MHz的CPU操作頻率,具有空閑和掉電2種低功耗模式,并且可通過外部中斷喚醒。

  2.2.2 GPRS模塊

  采用深圳有方科技出品的M580z模塊,其內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧,具有兩個通信鏈路,一路標準TTL串行通信端口,精簡的AT指令集,通過AT命令可實現(xiàn)模塊的參數(shù)設置和數(shù)據(jù)發(fā)送。M580與CPU通過一個TTL電平的串行口連接。

  2.2.3 存儲器

  由于與主站的上行通信應滿足《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》,需要存儲規(guī)約要求的一類數(shù)據(jù)(實時數(shù)據(jù))、二類數(shù)據(jù)(曲線數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù))和三類數(shù)據(jù)(事件),特別是曲線數(shù)據(jù)要求存儲的數(shù)據(jù)量大,因此采用大容量的FLASH存儲器來存儲二類和三類數(shù)據(jù)。由于鐵電存儲器可無限制的擦寫,所以用來存儲需要經(jīng)常更新的實時數(shù)據(jù)和設置參數(shù)。存儲器與MPU的接口為SPI接口。

  2.2.4 串行接口和JTAG仿真端口

  利用RS 232串行口、紅外通信口可實現(xiàn)模塊參數(shù)的本地設置和維護。其中,RS 232串口可實現(xiàn)對GPRS模塊狀態(tài)的監(jiān)測,通過RS 485串行口可抄讀滿足《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議》的數(shù)據(jù);JTAG仿真端口可對ARM處理器進行仿真和程序燒寫。

  2.2.5 LED指示

  LED指示燈用來指示模塊的電源狀態(tài)、模塊登陸狀態(tài)、網(wǎng)絡通信狀態(tài)及保電狀態(tài)等。

  2.2.6 三相電能表

  三相電能表實現(xiàn)電能量及電壓電流等數(shù)據(jù)的采集與計算。它與MPU通過一個串行口連接,通信規(guī)約滿足DT/L645協(xié)議,模塊定時抄讀三相表數(shù)據(jù),包括電量、需量、電壓、電流等實時數(shù)據(jù),并將抄讀到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和存儲,以滿足主站對模塊的訪問要求。3 軟件設計

 

  3.1 總體架構(gòu)

  軟件設計基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)的多任務設計,整體架構(gòu)如圖2所示。

  

整體架構(gòu)

 

  系統(tǒng)軟件包括:主任務、上行任務、下行任務、模擬串口任務、事件處理任務和控制處理任務。

  3.1.1 主任務

  實現(xiàn)全局變量初始化,硬件環(huán)境初始化,信號量和消息隊列的建立、其他任務的創(chuàng)建和啟動、鍵盤掃描、系統(tǒng)時間和定時處理、復位處理等功能。

  3.1.2 上行任務

  上行任務實現(xiàn)GPRS通信鏈路的建立、維護及與主站的數(shù)據(jù)交換,包括鏈路維護、數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)議解析等功能。

  3.1.3 下行任務

  實現(xiàn)對基表數(shù)據(jù)定時抄讀、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

  3.1.4 模擬串口管理任務

  由于系統(tǒng)必須實現(xiàn)上行通信端口、下行通信端口、RS 485通信端口、RS 232通信端口和紅外通信端口5個串行通信口,而LPC2138內(nèi)部只有兩個串行口,所以必須對串口進行擴展。在此,用軟件來模擬串口通信,以實現(xiàn)串口擴展。建立一個模擬串口管理任務,專門管理下行抄表模擬串口、紅外通信模擬串口和調(diào)試模擬串口。

  3.1.5 事件處理任務

  事件處理任務處理系統(tǒng)發(fā)生的各類事件,包括事件記錄、事件上報等。

  3.1.6 控制任務

  控制任務執(zhí)行一些控制操作,包括預購電控制、保電控制、告警控制等。

  3.1.7 任務間的通信

  任務與任務之間數(shù)據(jù)傳遞通過消息發(fā)送和接收來實現(xiàn),消息結(jié)構(gòu)為:

  

消息結(jié)構(gòu)

 

  消息傳遞函數(shù)定義為:

  

消息傳遞函數(shù)

 

  3.2 軟件模塊實現(xiàn)流程

  軟件采用模塊化設計,每個任務包含不同的功能模塊,由于系統(tǒng)包含模塊較多,在此只給出主任務模塊流程圖及上行任務中的GPRS鏈路維護模塊流程圖。

  3.2.1 主任務流程

  主任務程序流程如圖3所示。

  

主任務程序流程

 

  3.2.2 GPRS鏈路維護流程

  上行任務中的鏈路維護模塊包括:GPRS網(wǎng)絡登陸、鏈路狀態(tài)檢測以及心跳維護等。其中,GPRS網(wǎng)絡登陸程序流程如圖4所示。在GPRS通信鏈路建立后,如果長時間無數(shù)據(jù)傳輸,則GPRS網(wǎng)絡連接將被斷開,所以必須在一定時間間隔內(nèi)發(fā)一個心跳幀至主站,確認主站應答后說明鏈路狀態(tài)正常。不同品牌GPRS模塊的AT指令集不同,因此在編程前須熟悉相關GPRS模塊的指令集,以實現(xiàn)鏈路的建立和維護。

  

GPRS網(wǎng)絡登陸程序流程

 

  4 結(jié)語

  介紹了GPRS網(wǎng)絡電能表的功能和GPRS無線通信模塊的軟硬件設計,它是對GPRS網(wǎng)絡電能表開發(fā)項目的總結(jié)。系統(tǒng)軟件移植了μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng),采用多任務設計,提高了系統(tǒng)的實時性,對實現(xiàn)遠程無線抄表具有積極意義,設計的產(chǎn)品已在國家電網(wǎng)公司成功應用,且運行穩(wěn)定,應用效果良好。

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