國(guó)家電網(wǎng)公司在2009年制定了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”發(fā)展規(guī)劃，根據(jù)智能電網(wǎng)建設(shè)的要求，保證智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)范有序推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費(fèi)的總體目標(biāo)[1]。集中器在智能電網(wǎng)自動(dòng)抄表系統(tǒng)中處于主站服務(wù)器與電表之間，具有承上啟下的作用。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布的Q/GDW 374.2-2009《集中抄表終端技術(shù)規(guī)范》中對(duì)集中器的要求，應(yīng)用戶要求開發(fā)了一種基于ARM的符合國(guó)家電網(wǎng)要求的集中器。
1 集中器的系統(tǒng)構(gòu)成
　本集中器采用成都英創(chuàng)信息技術(shù)有限公司ARM9內(nèi)核的工業(yè)級(jí)主板EM9160為核心，軟件采用EVC(Embedded Visual C++)編制,運(yùn)行在Windows CE 5.0嵌入式操作系統(tǒng)上。集中器系統(tǒng)框圖1所示。

2 主要電路介紹
2.1  計(jì)量電路
    計(jì)量電路部分采用專用電能計(jì)量芯片ATT7022CU的電路設(shè)計(jì)，主要包括電壓通道電路、電流通道電路、計(jì)量芯片電路和高速光耦隔離電路。ATT7022CU是一款多功能防竊電三相電能計(jì)量專用芯片，該芯片適用于三相三線和三相四線的應(yīng)用。它集成了7路二階slgma-deatl ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣[2]。其電壓采集電路采用電阻分壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體電路如圖2所示。

    電流采樣通過(guò)電流互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里選用河北申科電子股份有限公司的產(chǎn)品，規(guī)格型號(hào)：1.5（12）A/5 mA(電流互感器允許接入的最大電流為12 A)，精度0.1級(jí)，負(fù)載阻抗20 Ω，電流采樣電路如圖3所示。
    由于計(jì)量芯片ATT7022CU及其外圍電路采用熱底板設(shè)計(jì)，故計(jì)量電路與核心板之間的數(shù)據(jù)交換采用高速光電耦合器6N137來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光電隔離，ATT7022CU的外圍電路如圖4所示。

2.2 上行遠(yuǎn)程通信的實(shí)現(xiàn)
    集中器與主站之間的遠(yuǎn)程通信采用GPRS方式實(shí)現(xiàn)，采用基于西門子公司MC37i的外掛式GPRS擴(kuò)展單元，直接通過(guò)插座與EM9160相連。GPRS擴(kuò)展單元的電路如圖5所示。
2.3 下行數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)
    在電量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中電表數(shù)據(jù)的采集采用電力線載波方式進(jìn)行通信，采用青島鼎信公司提供的電力線載波路由模塊，通過(guò)外掛的形式通過(guò)串行接口與核心板相連，從而實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的采集。
2.4 直流模擬量的采集
    根據(jù)Q/GDW 374.2-2009《集中抄表終端技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，集中器可以采集一些直流模擬量，如溫度、壓力等，直流模擬量測(cè)量精度要求在1%范圍內(nèi)[3]。在設(shè)計(jì)中采用了飛思卡爾的MPL115A2大氣壓力傳感器來(lái)采集大氣壓力和環(huán)境溫度這兩個(gè)直流量,它內(nèi)置了信號(hào)調(diào)理集成電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可輸出精確的溫度和壓力數(shù)據(jù)[4]。MPL115A2采用I2C總線接口,十分方便與ARM核心板的連接。
2.5 紅外接口電路
　紅外通信接口主要用于集中器從手持抄表器接收其采集的電表數(shù)據(jù)。由于核心板I/O口比較緊張，自帶的PWM發(fā)生器引腳被占用，因此采用串口來(lái)完成紅外信號(hào)的發(fā)送和接收。紅外發(fā)送信號(hào)連接串口的發(fā)送端，接收信號(hào)連接串口的接收端，這樣設(shè)計(jì)方便程序的編寫。具體電路如圖6所示。

    紅外接收部分采用一體化設(shè)計(jì)的AT138RV3紅外接收頭，其內(nèi)部包括紅外檢測(cè)二極管、放大器、限幅器、帶通濾波器、積分電路、比較器等。發(fā)送紅外信號(hào)的38 kHz載波由38 kHz石英晶振和CMOS數(shù)字集成電路SN74HC04組成，信號(hào)的調(diào)制由串口發(fā)送信號(hào)和三極管Q301實(shí)現(xiàn)，調(diào)制后的紅外信號(hào)通過(guò)紅外發(fā)光二極管AT205B發(fā)出。IrTXD信號(hào)為低時(shí)，Q301導(dǎo)通，發(fā)射管AT205B工作，發(fā)送一串38 kHz信號(hào)調(diào)制的紅外光；當(dāng)IrTXD信號(hào)為高時(shí)，Q301截止，發(fā)射管AT205B停止工作，則沒(méi)有紅外光發(fā)出。
2.6 串口的擴(kuò)展電路
　集中器在管理GPRS通信模塊時(shí),需要使用AT命令查詢模塊狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測(cè)GPRS在線情況和通信信號(hào)強(qiáng)度。使用的基于MC37i的遠(yuǎn)程通信GPRS模塊提供了雙串口通信功能，另一個(gè)串口處理數(shù)據(jù)，一個(gè)串口接收AT指令。由于核心板自身的串口數(shù)量有限，考慮到實(shí)際應(yīng)用中紅外接口使用的頻度較低，故將GPRS模塊接收AT命令與紅外接口共用一個(gè)串口，進(jìn)而設(shè)計(jì)了串口擴(kuò)展電路。串口擴(kuò)展利用多路模擬開關(guān)CD4052BC芯片，實(shí)現(xiàn)了AT命令通信和紅外通信共用一個(gè)串口。
2.7 電源監(jiān)測(cè)電路
    集中器的電源采用了AC65V～AC500V寬電壓設(shè)計(jì)，一般的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響。但是如果出現(xiàn)突然斷電，為了保證數(shù)據(jù)的安全性和保護(hù)系統(tǒng)再次啟動(dòng)的延續(xù)性，需要設(shè)計(jì)電源監(jiān)測(cè)電路。當(dāng)電源低于閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)電路產(chǎn)生中斷，處理器保存重要數(shù)據(jù)，記錄掉電事件。
    在這里采用了MAX708電源監(jiān)控芯片，它可以同時(shí)輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號(hào)。MAX708的PFI閾值為1.25 V，當(dāng)監(jiān)測(cè)電源低于閾值時(shí)，MAX708產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。本設(shè)計(jì)的電源模塊輸出5 V，精度±1%，用數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測(cè)電源從4.90 V開始下降到4.7 V用時(shí)6~9 ms，足夠用來(lái)保存掉電數(shù)據(jù)。核心板EM9160供電電壓為5 V，精度要求±5%，最低工作電壓為4.7 V，其中斷響應(yīng)時(shí)間為30 ns~100 ns。當(dāng)核心板供電電源的電壓下降到4.9 V時(shí)，MAX708的PFI管腳電壓1.25 V。若電壓繼續(xù)下降則觸發(fā)AX708的REST管腳產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)，處理器響應(yīng)該中斷后，快速記錄掉電事件、保存運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，在電源低至4.7 V前，處理器將完成所有掉電保護(hù)工作，進(jìn)入掉電狀態(tài)。
    本項(xiàng)目開發(fā)歷時(shí)3年時(shí)間，其間申請(qǐng)專利5項(xiàng)，已獲授權(quán)實(shí)用新型專利2項(xiàng)。實(shí)現(xiàn)了《Q/GDW 374.2-2009集中抄表終端技術(shù)規(guī)范》中定義的必備功能和部分選配功能，如：在線自動(dòng)升級(jí)更新、自動(dòng)抄讀電能表數(shù)據(jù)、定時(shí)上報(bào)電能表數(shù)據(jù)、集中器權(quán)限管理、集中器電量數(shù)據(jù)輪顯、集中器功能菜單實(shí)現(xiàn)、直流量采集等，樣機(jī)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化后就可上市。本集中器解決了委托企業(yè)從外部采購(gòu)集中器的問(wèn)題，對(duì)提高企業(yè)在國(guó)家電網(wǎng)采購(gòu)招標(biāo)中的竟?fàn)幜哂蟹e極意義。
參考文獻(xiàn)
[1] Q/GDW 378.3-2009,電力用戶用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則：技術(shù)方案設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].2009.
[2] 尹維春.基于ATT7022B電能表及其抄表方式的研究[D].吉林：東北電力大學(xué)，2007.
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[4] Freescale. MPL115A Datesheet[Z]. 2013.