《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于ARM的集中器的硬件實現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第1期
劉 煒, 毛建鑫,, 梁 磊,, 周廣峰
北方民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院, 寧夏 銀川750021
摘要: 介紹了一種以ARM9為核心,,以Windows CE5.0為操作系統(tǒng)的集中器。它符合國家電網(wǎng)的Q/GDW 374.2-2009技術(shù)標準,,可以在國家電網(wǎng)中使用,。給出了集中器的系統(tǒng)框圖,介紹了集中器的主要實現(xiàn)電路,,論述了其主要工作原理,。
關(guān)鍵詞: ARM 集中器 硬件
中圖分類號: TM93
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)01-0086-04
The hardware design of concentrator based on ARM
Liu Wei, Mao Jianxin, Liang Lei, Zhou Guangfeng
College of electrical and Information Engineering of Beifang Univesity of Nationalities, Yinchuan 750021, China
Abstract: This paper introduces a concentrator with ARM9 as the core and Windows CE5.0 as the operating system. It accords with the national power grid Q/GDW 374.2-2009 standard. So it can be used in the national grid. This paper gives the system diagram of the concentrator, introduces the main circuit implementation of concentrator, discusses the main principle.
Key words : concentrator; ARM; hardware

    國家電網(wǎng)公司在2009年制定了“堅強智能電網(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,,實現(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)付費的總體目標[1]。集中器在智能電網(wǎng)自動抄表系統(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)級主板EM9160為核心,,軟件采用EVC(Embedded Visual C++)編制,運行在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  計量電路

    計量電路部分采用專用電能計量芯片ATT7022CU的電路設(shè)計,,主要包括電壓通道電路、電流通道電路,、計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實現(xiàn),具體電路如圖2所示,。

    電流采樣通過電流互感器來實現(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: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,,負載阻抗20 Ω,電流采樣電路如圖3所示,。
    由于計量芯片ATT7022CU及其外圍電路采用熱底板設(shè)計,,故計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來實現(xiàn)信號的光電隔離,,ATT7022CU的外圍電路如圖4所示。

2.2 上行遠程通信的實現(xiàn)
    集中器與主站之間的遠程通信采用GPRS方式實現(xiàn),,采用基于西門子公司MC37i的外掛式GPRS擴展單元,,直接通過插座與EM9160相連。GPRS擴展單元的電路如圖5所示,。
2.3 下行數(shù)據(jù)采集的實現(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,通過外掛的形式通過串行接口與核心板相連,,從而實現(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,直流模擬量測量精度要求在1%范圍內(nèi)[3],。在設(shè)計中采用了飛思卡爾的MPL115A2大氣壓力傳感器來采集大氣壓力和環(huán)境溫度這兩個直流量,它內(nèi)置了信號調(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,,因此采用串口來完成紅外信號的發(fā)送和接收,。紅外發(fā)送信號連接串口的發(fā)送端,接收信號連接串口的接收端,,這樣設(shè)計方便程序的編寫,。具體電路如圖6所示。

 

 

    紅外接收部分采用一體化設(shè)計的AT138RV3紅外接收頭,,其內(nèi)部包括紅外檢測二極管,、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,,信號的調(diào)制由串口發(fā)送信號和三極管Q301實現(xiàn),調(diào)制后的紅外信號通過紅外發(fā)光二極管AT205B發(fā)出,。IrTXD信號為低時,,Q301導(dǎo)通,發(fā)射管AT205B工作,,發(fā)送一串38 kHz信號調(diào)制的紅外光,;當IrTXD信號為高時,,Q301截止,發(fā)射管AT205B停止工作,,則沒有紅外光發(fā)出,。
2.6 串口的擴展電路
 集中器在管理GPRS通信模塊時,需要使用AT命令查詢模塊狀態(tài),實時檢測GPRS在線情況和通信信號強度,。使用的基于MC37i的遠程通信GPRS模塊提供了雙串口通信功能,,另一個串口處理數(shù)據(jù),一個串口接收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串口,,進而設(shè)計了串口擴展電路,。串口擴展利用多路模擬開關(guān)CD4052BC芯片,實現(xiàn)了AT命令通信和紅外通信共用一個串口,。
2.7 電源監(jiān)測電路
    集中器的電源采用了AC65V~AC500V寬電壓設(shè)計,,一般的波動對系統(tǒng)沒有影響。但是如果出現(xiàn)突然斷電,,為了保證數(shù)據(jù)的安全性和保護系統(tǒng)再次啟動的延續(xù)性,需要設(shè)計電源監(jiān)測電路,。當電源低于閾值時,,監(jiān)測電路產(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,它可以同時輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號,。MAX708的PFI閾值為1.25 V,,當監(jiān)測電源低于閾值時,MAX708產(chǎn)生復(fù)位信號,。本設(shè)計的電源模塊輸出5 V,,精度±1%,用數(shù)字存儲示波器觀測電源從4.90 V開始下降到4.7 V用時6~9 ms,,足夠用來保存掉電數(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)時間為30 ns~100 ns。當核心板供電電源的電壓下降到4.9 V時,,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)生中斷請求信號,,處理器響應(yīng)該中斷后,快速記錄掉電事件,、保存運行數(shù)據(jù)和運行狀態(tài),,在電源低至4.7 V前,處理器將完成所有掉電保護工作,,進入掉電狀態(tài),。
    本項目開發(fā)歷時3年時間,其間申請專利5項,,已獲授權(quán)實用新型專利2項,。實現(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:在線自動升級更新,、自動抄讀電能表數(shù)據(jù),、定時上報電能表數(shù)據(jù)、集中器權(quán)限管理,、集中器電量數(shù)據(jù)輪顯,、集中器功能菜單實現(xiàn)、直流量采集等,,樣機經(jīng)過進一步優(yōu)化后就可上市,。本集中器解決了委托企業(yè)從外部采購集中器的問題,對提高企業(yè)在國家電網(wǎng)采購招標中的竟爭力具有積極意義,。
參考文獻
[1] Q/GDW 378.3-2009,電力用戶用電信息采集系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則:技術(shù)方案設(shè)計導(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.
[3] Q/GDW 374.2-2009,集中抄表終端技術(shù)規(guī)范[S].2009.
[4] Freescale. MPL115A Datesheet[Z]. 2013.

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