郝毫毫，熊俊俏 (武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430073)

張 鯤 (武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

電子式電能表無(wú)線(xiàn)通信接口設(shè)計(jì)

郝毫毫，熊俊俏 (武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430073)

張 鯤 (武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

為實(shí)現(xiàn)電能表無(wú)線(xiàn)抄表功能，以TI公司的MSP430F149的16位低功耗微控制器為中央處理單元、Semtech公司的SX1233為無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元，設(shè)計(jì)了一種電子式電能表的無(wú)線(xiàn)通信接口，分析了系統(tǒng)的功耗和編程特點(diǎn)，給出了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方案。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)通信接口性能穩(wěn)定、靈活可調(diào)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

電子式電能表；無(wú)線(xiàn)通信接口；SX1233; MSP430F149

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企事業(yè)單位及居民用電量的不斷增加，電能表的使用數(shù)量急劇增加。傳統(tǒng)的手工抄表方式存在諸多弊端，如入戶(hù)困難、管理費(fèi)用過(guò)高、效率低等問(wèn)題，為了提高抄表效率，目前國(guó)內(nèi)電能表主要采取如下2種管理模式:IC卡預(yù)付費(fèi)管理模式和自動(dòng)抄表收費(fèi)管理模式[1]。IC卡預(yù)付費(fèi)管理模式只解決了收費(fèi)問(wèn)題，但容易導(dǎo)致線(xiàn)損統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確。采用自動(dòng)抄表收費(fèi)管理模式不僅可以解決上述問(wèn)題，而且可以通過(guò)掌握用戶(hù)當(dāng)月用電量的方式加強(qiáng)需方用電管理，有利于市場(chǎng)細(xì)分。采用自動(dòng)抄表收費(fèi)管理模式時(shí)需要依靠自動(dòng)抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的方式主要有RS-485總線(xiàn)、電力線(xiàn)載波通信、紅外通信以及短距離無(wú)線(xiàn)通信等，其中RS-485接口布線(xiàn)工作量大、維護(hù)費(fèi)用高，電力線(xiàn)載波存在電力網(wǎng)污染嚴(yán)重的問(wèn)題，紅外通信距離較短、抗干擾性能差[2]，而短距離無(wú)線(xiàn)通信無(wú)需布線(xiàn)、組網(wǎng)簡(jiǎn)單，是一種較為合理的通信方式。下面，筆者以Semtech公司的SX1233為無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元，以TI公司的MSP430F149的16位低功耗微控制器為中央處理單元設(shè)計(jì)了一種電子式電能表的短距離無(wú)線(xiàn)通信接口。

1 硬件設(shè)計(jì)

圖1 電子式電能表無(wú)線(xiàn)通信接口的電路原理圖

電子式電能表無(wú)線(xiàn)通信接口的電路原理圖如圖1所示。主要由MCU控制單元和無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元構(gòu)成。電能表通過(guò)TTL電平串口與無(wú)線(xiàn)通信接口連接，采集裝置則通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式與無(wú)線(xiàn)通信接口連接，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。單片機(jī)預(yù)留一個(gè)串口用于對(duì)無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和程序升級(jí)。

與電能表無(wú)線(xiàn)通信接口進(jìn)行連接的采集裝置為無(wú)線(xiàn)手持抄表終端，其硬件設(shè)計(jì)可采用類(lèi)似結(jié)構(gòu)，將MCU改為MSP430F449，加上LCD和鍵盤(pán)設(shè)計(jì)即可。

1.1MCU控制單元

MCU控制單元采用TI公司推出的MSP430F149。MCU控制單元是無(wú)線(xiàn)接口模塊的核心，在無(wú)事件發(fā)生的情況下工作于LPM3低功耗狀態(tài)，當(dāng)有串口數(shù)據(jù)接收或有無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收時(shí)，MCU控制單元可響應(yīng)并退出LPM3狀態(tài)進(jìn)入活動(dòng)工作狀態(tài)[3]。由于MSP430F149功能豐富，編程方式靈活，因而完全滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通訊接口模塊的設(shè)計(jì)要求。

1.2無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元

無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元采用Semtech公司推出的SX1233，SX1233是一款超低功耗的可編程ISM頻段收發(fā)器，擁有全球最高的碼率(600kbps)以及世界級(jí)的鏈路預(yù)算(137kB)、超低功耗、出色的ACR(鄰道抑制)以及抗阻塞能力。SX1233提供高接收(RX)靈敏度，增強(qiáng)了對(duì)弱信號(hào)的接收能力，而且能夠以1dB步長(zhǎng)編程的發(fā)射機(jī)(TX)輸出功率[4]。高RX靈敏度與TX輸出功率相當(dāng)于獲得了更長(zhǎng)距離上的可靠傳輸，這與需要RF中繼器的傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)相比，節(jié)省了成本。

為了防止射頻干擾，無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元采用射頻板材單獨(dú)制版，并用金屬罩對(duì)其進(jìn)行屏蔽，通過(guò)10×2連接器與主板相連(見(jiàn)圖2)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P1口和P2口能夠接受外部上升沿或下降沿的中斷輸入，所以DIO0-DIO5分別與單片機(jī)的P2.0-P2.5連接，便于數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中的狀態(tài)檢測(cè)。SPI口連接單片機(jī)的P3.0～P3.3，將單片機(jī)的USART0設(shè)置為SPI工作模式，單片機(jī)通過(guò)該SPI口對(duì)SX1233進(jìn)行參數(shù)配置、控制和數(shù)據(jù)收發(fā)。RESET和RXTX腳分別接P3.4和P3.5。

圖2 無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元電路圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1通信協(xié)議

我國(guó)多功能電能表普遍采用DL/T645-1997《多功能電能表通信規(guī)約》，而最新發(fā)布的國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 354-2009《智能電能表功能規(guī)范》中也明確規(guī)定了智能電能表必須遵循DL/T645-2007《多功能電能表通信規(guī)約》及其備案文件。上述標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一保證了智能電能表的設(shè)計(jì)在一個(gè)框架下進(jìn)行，這為不同廠家、不同型號(hào)的智能電能表采用統(tǒng)一編程軟件編程奠定了基礎(chǔ)。

圖3 字節(jié)傳輸序列

軟件協(xié)議設(shè)計(jì)以DL/T 645-2007規(guī)約為基礎(chǔ)，該規(guī)約定義了3層結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、鏈路層和物理層。鏈路層規(guī)定了通信的幀格式，包括幀結(jié)構(gòu)、字節(jié)結(jié)構(gòu)、傳送順序、傳送間隔。數(shù)據(jù)的傳送以字節(jié)為基本單位，每字節(jié)含8位二進(jìn)制碼，傳輸時(shí)加上1個(gè)起始位(0)、1個(gè)偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位(1)，共11位，其傳輸序列如圖3所示。D0是字節(jié)的最低有效位，D7是字節(jié)的最高有效位。先傳低位，后傳高位。

若干個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)組成一個(gè)幀，幀格式如表1所示。第1個(gè)68H是幀起始符，標(biāo)志一幀信息的開(kāi)始，地址域A0～A5用來(lái)區(qū)分不同的從站，只有地址碼等于A0～A5的從站才會(huì)對(duì)該幀信息做出應(yīng)答，第2個(gè)68H是幀的結(jié)構(gòu)特征字節(jié)。

在主站發(fā)送幀信息之前，先發(fā)送4個(gè)字節(jié)FEH，以喚醒接收方。所有數(shù)據(jù)項(xiàng)均先傳送低位字節(jié)，后傳送高位字節(jié)。每次通信先由主站向從站發(fā)出請(qǐng)求命令幀，被請(qǐng)求的從站接收到命令后作出響應(yīng)。字節(jié)校驗(yàn)為偶校驗(yàn)，幀校驗(yàn)為縱向信息校驗(yàn)和，接收方無(wú)論檢測(cè)到偶校驗(yàn)出錯(cuò)或縱向信息校驗(yàn)和出錯(cuò)，均放棄該信息幀，不予響應(yīng)。

表1 幀格式

2.2程序設(shè)計(jì)

軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench，使用C430語(yǔ)言。上位機(jī)為無(wú)線(xiàn)手持抄表終端，從機(jī)為電能表無(wú)線(xiàn)接口，每1個(gè)電能表都擁有1個(gè)唯一的地址，工作方式為主站輪詢(xún)、從站監(jiān)聽(tīng)的方式。系統(tǒng)軟件的主要流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序框圖

無(wú)事件發(fā)生時(shí)，MCU進(jìn)入LPM3低功耗模式，SX1233進(jìn)入Sleep模式。當(dāng)串口1收到數(shù)據(jù)時(shí)，MCU被激活，MCU根據(jù)接收的數(shù)據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的程序后重新進(jìn)入LPM3低功耗模式。對(duì)于串口1接收的數(shù)據(jù)，MCU執(zhí)行的是MODBUS協(xié)議。

當(dāng)SX1233被喚醒時(shí)，會(huì)從Sleep狀態(tài)中進(jìn)入接收工作狀態(tài)并觸發(fā)MCU退出LPM3模式，當(dāng)發(fā)現(xiàn)通信地址非本機(jī)地址時(shí)立即中斷接收，SX1233重新進(jìn)入Sleep狀態(tài)，MCU進(jìn)入LPM3模式。否則，完成數(shù)據(jù)幀的接收工作，并根據(jù)協(xié)議執(zhí)行相應(yīng)的程序，返回響應(yīng)代碼后，SX1233回到Sleep狀態(tài)，MCU進(jìn)入LPM3低功耗模式。

2.3MSP430F149編程要點(diǎn)

1)IO口配置 MSP430F149的多數(shù)IO口都有2種或2種以上的功能，每個(gè)IO位都可以獨(dú)立編程，因此初始化時(shí)要對(duì)IO口進(jìn)行配置。

2)LPM3低功耗模式 MSP430F149有5種低功耗模式，即LPM0-LPM4。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在沒(méi)有按鍵和數(shù)據(jù)收發(fā)的工作狀態(tài)下工作在LPM3模式，耗電僅為0.9uA。此時(shí)CPU處于禁止?fàn)顟B(tài)，DCO被禁止，直流發(fā)生器被禁止，MCLK和SCLK被禁止，只有低速時(shí)鐘ACLK(32768Hz)活動(dòng)。因此當(dāng)按鍵或無(wú)線(xiàn)偵聽(tīng)激活MCU時(shí)，程序應(yīng)立刻從LPM3模式中退出。

3)MCU的FLASH存儲(chǔ)區(qū)分配 MSP430F149不同于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，其存儲(chǔ)器為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，其FLASH區(qū)有60KB+256B。該系統(tǒng)地址分配如下：

3 結(jié) 語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)電能表無(wú)線(xiàn)抄表功能，設(shè)計(jì)了電子式電能表無(wú)線(xiàn)通信接口，其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、技術(shù)開(kāi)發(fā)成熟、功耗低、性?xún)r(jià)比高。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)射功率設(shè)置為10dB時(shí)，在樓宇內(nèi)的有效收發(fā)距離為80m左右，誤包率低于1%，完全能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)抄表的使用要求。由于系統(tǒng)程序具有升級(jí)功能，因而經(jīng)過(guò)適當(dāng)改動(dòng)后可適用于其他應(yīng)用場(chǎng)合，如工業(yè)監(jiān)控等。因此，該方案有較大的推廣價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]陳紅軍．公用事業(yè)一戶(hù)一表改造方案比較[J].中國(guó)住宅設(shè)施，2004(11)：22-25.

[2] 戰(zhàn)凱.略談電能計(jì)量自動(dòng)抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 黑龍江科技信息，2011(14)：8-10.

[3] 沈建華，楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4] Semtech Corporation. SX1233 High Bit Rate Transceiver [EB/OL].http://www.semtech. com/ images/ datasheet/sx1233_ag.pdf/2011-10-04.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.04.041

TN923

A

1673-1409(2012)04-N117-04

2012-01-11

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(D20091503)。

郝毫毫(1968-)，男，1989年大學(xué)畢業(yè)， 碩士，講師，現(xiàn)主要從事智能儀器、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作。