高倩+陳桂華

摘 要： 采用專門針對(duì)我國智能電表推出的SUB?GHz無線收發(fā)器Si4438作為無線傳輸模塊，AT89C51作為微處理器，在其上植入μC/OS?Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，電能計(jì)量使用高性能ADE7758芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款高性能無線智能電表。該系統(tǒng)提供電能質(zhì)量的監(jiān)視、提供雙向計(jì)量、多參數(shù)電量實(shí)時(shí)采集和控制、存儲(chǔ)，支持雙向通信、遠(yuǎn)程時(shí)間同步，能根據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程編程設(shè)定以及軟件升級(jí)。實(shí)驗(yàn)證明，該智能電表滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的0.2 s要求，具有功能完備、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高和實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： AT89C51； 智能電表； Si4438； 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ

中圖分類號(hào)： TP919.72?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）14?0105?04

0 引 言

隨著我國智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，其中用于居民和企業(yè)的智能電表是電網(wǎng)改造的關(guān)鍵所在。無線智能電表是智能電表發(fā)展的主要趨勢(shì)。智能電網(wǎng)高級(jí)量測(cè)體系A(chǔ)MI（Advanced Metering Infrastructure）要求智能電表滿足以下功能：能支持具有分布式發(fā)電的用戶；電量能夠?qū)崟r(shí)采集和控制；支持遠(yuǎn)程抄表；支持遠(yuǎn)程編程設(shè)定和軟件升級(jí)；能提供電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)；提供斷電報(bào)警以及供電信息恢復(fù)處理等[1]。成本和性能是智能電表推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素，目前，由于GSM/GPRS無線抄表需要付費(fèi)且工作頻段擁擠而實(shí)時(shí)性差，基于各類高性能嵌入式系統(tǒng)如DSP，ARM，SoC的智能電表成本較高，因此，采用低成本高性能單片機(jī)與免費(fèi)無線頻段的智能電表是低成本方案的首選[2?7]。本系統(tǒng)選用AT89C51作為主控制器，采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ，電能計(jì)量采用高性能ADE7758，無線傳輸模塊采用無線收發(fā)器Si4438，本方案是低成本高性能無線智能電表的可行方案。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)AMI對(duì)智能電表系統(tǒng)功能的主要要求確定系統(tǒng)整體方案，按功能分為3個(gè)單元：電能采集單元、信號(hào)處理單元、通信單元。多功能電能表的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 中，測(cè)量部分將測(cè)量數(shù)據(jù)（電流、電壓、功率等）送給控制單元，單片機(jī)根據(jù)時(shí)段設(shè)置，對(duì)無功、有功、費(fèi)率、電流、電壓等進(jìn)行計(jì)算，并驅(qū)動(dòng)顯示器件顯示有關(guān)信息。通過接口電路與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。選用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)主控單元，它具有4 KB可編程存儲(chǔ)器，2個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，32個(gè)I/O口，并設(shè)有掉電模式、看門狗等資源。

圖1 多功能電能表系統(tǒng)框圖

主控單元設(shè)計(jì)可滿足對(duì)正反向有功電能的平、峰、谷和總電量的計(jì)量，可進(jìn)行手持終端抄表，是符合DL/T645?97要求的ZigBee無線RS 485遠(yuǎn)程抄表；可分別計(jì)量、顯示和存儲(chǔ)多時(shí)段，可跨零點(diǎn)、電量存儲(chǔ)、提供臨時(shí)凍結(jié)電量等[8]。

本設(shè)計(jì)采用的ADE7758是先進(jìn)的智能電量計(jì)量芯片，由此構(gòu)建了一個(gè)低成本、高精度的電能測(cè)量解決方案[9]。該芯片內(nèi)部集成的電路可測(cè)量有功功率、無功功率和視在功率等。

綜合以上論述，此方案具有性能高、靈活性高、價(jià)格廉等優(yōu)點(diǎn)，已成為智能電表控制系統(tǒng)應(yīng)用的一種很好的選擇。

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)AMI對(duì)智能電度表的功能要求，主要有以下幾個(gè)方面：

1.1.1 顯示及鍵盤功能

采用LCD顯示屏，顯示功能主要有上電顯示（全亮數(shù)秒）；正常工作時(shí)的循環(huán)顯示，顯示內(nèi)容包括：時(shí)鐘、日期；總、尖、峰、平、谷的循環(huán)顯示。系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)按鍵，其功能分別為：?jiǎn)?dòng)（模式）鍵、增大、減小、確認(rèn)鍵（長(zhǎng)按2 s停止）。

1.1.2 存儲(chǔ)及擴(kuò)展

智能電表設(shè)計(jì)2級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，以第二級(jí)為主。第一級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)由CPU的程序存儲(chǔ)器FLASH ROM；第二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用外擴(kuò)展FLASH ROM實(shí)現(xiàn)。

1.1.3 抄表功能

數(shù)據(jù)通信采用無線RS 485接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表?？赏ㄟ^手持終端抄讀電表?xiàng)l碼號(hào)、當(dāng)前電量數(shù)據(jù)、保存的任意月份的電量和歷史數(shù)據(jù)等。

1.1.4 通信功能

智能電度表需要具有多種數(shù)據(jù)通信功能接口。通信距離一般不小于1 200 m；RS 485接口符合DL/T645?97通信規(guī)程要求，可與目前市場(chǎng)上主流的手持抄表終端設(shè)備通過紅外通信接口進(jìn)行相互通信。采用標(biāo)準(zhǔn)紅外RS 232通信接口，通信距離一般不小于4 m，符合DL/T645?97通信規(guī)程要求，通信速率為1 200 b/s；紅外波長(zhǎng)范圍為900～1 000 nm；主動(dòng)與被動(dòng)抄表可通過ZigBee或藍(lán)牙射頻接口進(jìn)行，無線抄表采用ISM免費(fèi)頻段實(shí)現(xiàn)，在被動(dòng)抄表方式下，可實(shí)現(xiàn)單播、組播、廣播等通信方式。

1.1.5 計(jì)費(fèi)功能

計(jì)費(fèi)功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)尖、峰、平、谷4種費(fèi)率的計(jì)費(fèi)，智能電表采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。內(nèi)部時(shí)鐘具有日歷計(jì)時(shí)，每日任意時(shí)段的實(shí)際時(shí)間與預(yù)置時(shí)間之差不超過1 s。采用雙鋰電電池，電池最大容量為1 200 mA·h，用于保持時(shí)鐘和停電顯示。

1.1.6 編程功能

編程可以實(shí)現(xiàn)智能電表應(yīng)用的靈活性，可以采用紅外或射頻形式RS 232/RS 485通信接口對(duì)電度表進(jìn)行編程控制?？删幊添?xiàng)目包括時(shí)間、日期設(shè)置，時(shí)段和費(fèi)率設(shè)置，顯示項(xiàng)目及顯示內(nèi)容設(shè)置等。這些編程內(nèi)容可單獨(dú)進(jìn)行設(shè)定，或通過“綜合設(shè)定”功能進(jìn)行一次性完成設(shè)定。

1.2 工作原理

工作時(shí)，傳感器將6個(gè)電壓信號(hào)送入ADE7758，經(jīng)過片內(nèi)PGA1/PGA2可編程增益放大器放大后進(jìn)行模/數(shù)ADC變換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，其中的電流信號(hào)經(jīng)高通濾波器濾除直流分量，再將輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字積分，接著與經(jīng)相位調(diào)整后的電壓量相乘得到瞬時(shí)功率，最后通過低通濾波器后得到瞬時(shí)有功功率信號(hào)；總的三相瞬時(shí)有功功率經(jīng)芯片的DOUT 引腳輸出。視在功率和無功功率的計(jì)算與此相似。MCU通過脈沖及串行通信接口接收有功功率數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的相應(yīng)時(shí)段進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來，并保存到閃存中；同時(shí)，也可通過串口、紅外或ZigBee模塊，與便攜終端或其他數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行通信。

1.3 Si4438無線單元

無線射頻模塊選用了Silicon Labs公司生產(chǎn)的Si4438。提供了SUB?GHz無線解決方案，可針對(duì)我國智能電表市場(chǎng)，滿足我國目前智能電表市場(chǎng)的要求。支持調(diào)頻和采用分集式天線，可增強(qiáng)無線性能和延長(zhǎng)傳輸距離。Si4388無線模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Si4438收發(fā)器采用分集式天線和高效功率放大器，可提高系統(tǒng)鏈路預(yù)算，為智能電表延長(zhǎng)傳輸距離，并且提供可靠的通信鏈路。Si4438收發(fā)器片上集成功率放大器、低噪聲放大器和表面聲波濾波器，提高性能的同時(shí)降低了成本，使其在惡劣的環(huán)境下也可有效傳輸。集成的溫度傳感器、GPIO和上電復(fù)位電路進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本，縮小電路板尺寸。

圖2 Si4388無線模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ZigBee技術(shù)可組建無線個(gè)人局域網(wǎng)，它具有組網(wǎng)能力強(qiáng)、低復(fù)雜度、低速率、節(jié)能可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。ZigBee協(xié)議采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和鏈路層，還包含了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層。Si4438內(nèi)部設(shè)有數(shù)據(jù)的無線收發(fā)2個(gè)部分。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，每個(gè)模塊上設(shè)有GPIO口，單片機(jī)通過RS 485串口接收其他數(shù)據(jù)平臺(tái)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，再控制ZigBee芯片Si4438進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，最后由天線發(fā)射到空中；接收數(shù)據(jù)時(shí)，Si4438將天線接收的數(shù)據(jù)在內(nèi)部解擴(kuò)后，單片機(jī)再把數(shù)據(jù)傳送到其他數(shù)據(jù)平臺(tái)上。

1.4 系統(tǒng)計(jì)量依據(jù)的電力參數(shù)數(shù)學(xué)模型

電網(wǎng)所供瞬時(shí)電力是各諧波分量之和，各個(gè)分量的瞬時(shí)電壓、電流可通過傅里葉變換表示為：

[U（t）=U0+2k=0∞Uksin（kωt+?k）] （1）

[I（t）=I0+2k=0∞Iksin（kωt+φk）] （2）

式中：[U（t）]為瞬時(shí)電壓；[I（t）]為瞬時(shí)電流；[U0]為電壓直流成分；[Uk]為k次諧波電壓有效值；[?k]為k次諧波電壓相位；[φk]為k次諧波電流相位。

系統(tǒng)計(jì)量無功功率Q和有功功率P及功率因數(shù)[cos ?]的離散化計(jì)算表達(dá)式如下所示：

[Q=1Km=0K-1u（m+K4）i（m）] （3）

[P=1Km=0K-1u（m）?i（m）] （4）

[cos ?=PP2+Q2] （5）

式中：[u（m），i（m）]分別為電壓電流采樣信號(hào)經(jīng)抽樣離散化得到的數(shù)據(jù)序列；K為一個(gè)周期內(nèi)的采樣頻率。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序包含初始化、入網(wǎng)處理、掉電處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仁录幚?，系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，主程序判斷電網(wǎng)電壓狀態(tài)，進(jìn)行上電或掉電處理。主循環(huán)要進(jìn)行以下流程：需量計(jì)量、費(fèi)率處理、數(shù)據(jù)結(jié)算、事件記錄和液晶顯示等。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 ZigBee協(xié)議

系統(tǒng)采用ZigBee 2007規(guī)范的Z?Stack無線通信協(xié)議，協(xié)議層自下而上依次為物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、ZDO層、AF應(yīng)用框架層。Z?Stack協(xié)議棧中各層均可作為—個(gè)任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行[10]。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 ZigBee協(xié)議層

ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)采用μC/OS?Ⅱ。μC/OS?Ⅱ是一個(gè)完整的、可移植、可固化、小巧的，可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，源代碼公開降低了開發(fā)成本。μC/OS?Ⅱ?qū)崿F(xiàn)的對(duì)應(yīng)事件從上到下依次為：AF（MeterAPP_ProcessEvent）、ZDO（ZDApp_event_loop， APS_event_loop loop）、網(wǎng)絡(luò)層（nwk_event_loop）、MAC（MacEvent_loop）、物理層（Hal_ProcessEvent）。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)步驟依次為：

（1） 創(chuàng)建系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境；

（2） 生成交叉編譯環(huán)境；

（3） 加載引導(dǎo)程序；

（4） 內(nèi)核裁剪并移植；

（5） 制作根文件系統(tǒng)[11]。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖

圖5中，三相程控精密測(cè)試電源采用HT3050，可輸出工頻50 Hz，相位及幅度可調(diào)的高精度電壓或電流。電壓選220 V檔，電流選10 A檔，電流大小選擇值依次分別為0.1[Ib]，0.5[Ib]，[Ib]，[Imax]。疊加10次諧波分量，基本實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 智能電表參數(shù)測(cè)試誤差 %

從表1中可以看出各個(gè)參數(shù)的最大誤差值。說明了所設(shè)計(jì)的電表準(zhǔn)確度等級(jí)已達(dá)到0.2級(jí)電表的要求，達(dá)到了實(shí)際使用的精度。

4 結(jié) 語

采用專門適合我國智能電表需要的高性價(jià)比低功耗Si4438無線收發(fā)模塊結(jié)合高性價(jià)比的單片機(jī)AT89C51及電能計(jì)量芯片ADE7758設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無線智能電度表，功能上符合AMI的要求且滿足DL/T645?1997規(guī)程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試：系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)性好、運(yùn)行穩(wěn)定、功能完善等特點(diǎn)，是一套功能多、性能好、成本低的無線智能電表解決方案，對(duì)于促進(jìn)智能電度表的推廣應(yīng)用具有重要價(jià)值。

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