廣東省核工業(yè)華南高級技工學(xué)校 王章寬

專變采集終端的系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案

廣東省核工業(yè)華南高級技工學(xué)校 王章寬

文章根據(jù)專變采集終端的功能和抗干擾等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，提出了一種專變采集終端的系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案。該實現(xiàn)方案應(yīng)用了ARM處理器、UCLINUX嵌入式操作系統(tǒng)、智能三相電表芯片、GRPS通信、CPLD、紅外通信等技術(shù)，實現(xiàn)了專變用戶用電信息的采集、分析、存儲、傳輸、就地顯示以及對開關(guān)量的監(jiān)控管理等功能。該方案硬件成本低廉，設(shè)計可靠，自動化成度高，適應(yīng)于現(xiàn)場應(yīng)用。

堅強(qiáng)智能電網(wǎng)；專變采集終端；ARM處理器；GRPS；CPLD

1 引言

能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，保障能源的長期穩(wěn)定可靠供應(yīng)是世界各國共同追求的目標(biāo)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球在能源安全、能源效率、能源環(huán)境等方面面臨重大挑戰(zhàn)。推動能源發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的能源供應(yīng)體系，十分必要和緊迫。電網(wǎng)是集能源輸送、網(wǎng)絡(luò)市場、公共服務(wù)等功能于一體的基礎(chǔ)設(shè)施，在保障能源安全、促進(jìn)節(jié)能減排、推動經(jīng)濟(jì)增長等方面的作用和價值越來越突出。為應(yīng)對全球能源發(fā)展的新挑戰(zhàn)，迫切需要加快建設(shè)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求的現(xiàn)代電網(wǎng)。

2009年5月，中國國家電網(wǎng)公司在特高壓輸電國際會議上首次提出了建設(shè)“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”的戰(zhàn)略目標(biāo)和發(fā)展思路，并制定了完整的智能電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。堅強(qiáng)智能電網(wǎng)包含發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度等各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級。各環(huán)節(jié)的發(fā)展緊密銜接、相互協(xié)同，整體功能和優(yōu)勢充分發(fā)揮。

專變采集終端是按照堅強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)要實現(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(biāo)要求而開發(fā)的采集終端裝置，是對專變用戶用電信息進(jìn)行采集的設(shè)備，可以實現(xiàn)電能表數(shù)據(jù)的采集、電能計量設(shè)備工況和供電電能質(zhì)量監(jiān)測，以及客戶用電負(fù)荷和電能量的監(jiān)控，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和雙向傳輸?shù)裙δ?。[1]

專變采集終端在系統(tǒng)硬件方案上要實現(xiàn)：1)數(shù)據(jù)采集（包括狀態(tài)量、脈沖量、交流模擬量、電能表數(shù)據(jù)等）；2)數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)的設(shè)置和查詢；3)控制；4)事件的記錄和存儲；5)數(shù)據(jù)傳輸（串口通信、GPRS通信，紅外通信等）；6)時鐘和終端維護(hù)；7)抗干擾等技術(shù)指標(biāo)。[2]

2 系統(tǒng)硬件功能框圖

整個系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件按各部份所實現(xiàn)的功能可大致分為四部分：1)由NUC710ADN ARM7為內(nèi)核的CPU部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、事件的記錄和存儲、系統(tǒng)的維護(hù)和參數(shù)設(shè)置等功能。該CPU運行uclinux操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)串口通信、GPRS通信，紅外通信，網(wǎng)絡(luò)通信，USB存儲等功能；2)由M0516 ARM? Cortex?-M0為內(nèi)核的CPU主要處理數(shù)據(jù)采集、參數(shù)的設(shè)置和查詢、控制、原始數(shù)據(jù)的存儲、時鐘維護(hù)、LCD液晶的顯示管理、按鍵的管理、備用電池的充電管理等功能，該CPU作單片機(jī)用，與ARM7相互由串口連接交換數(shù)據(jù)；3)由三相電度表芯片ATT7022D組成的電路，主要實現(xiàn)電能參數(shù)的采集、電度脈沖的產(chǎn)生等功能，ATT7022D與M0516用SPI口連接。4)由專變采集終端專用電源模塊組成的電路，提供系統(tǒng)電源和隔離側(cè)的電源。備用電池的充電和用電切換。

圖1 系統(tǒng)硬件功能框圖

3 主要元器件的選型

主要元器件的選型遵照器件性能和降低成本兩大原則；主要元器件的性能介紹：NUC710ADN是新唐科技(由華邦電子分割,為華邦電子之關(guān)系企業(yè))采用32位的ARM7TDMI微處理器核生產(chǎn)的一款CPU，標(biāo)準(zhǔn)工作頻率可達(dá)80MHz，具有省電與低成本的優(yōu)勢。NUC710集成了一個USB1.1主控制器，4個串口，一個10M/100M以太網(wǎng)口，實時時鐘，最大可支持32MBYTE的FALSH和128MBYTE的SDRAM,并可外擴(kuò)SRAM設(shè)備[3]。在本方案中，以上設(shè)備都有用到，并且還通過器件的EBI外部總線接口接SC16C2550B芯片擴(kuò)充了兩個串口供紅外通信和GRPS模塊通信用。軟件上華邦科技已移植了uclinux操作系統(tǒng),并有充分的示例程序,可節(jié)省項目開發(fā)時間。

M0516是新唐科技采用32位的ARM? Cortex?-M0微處理器核生產(chǎn)的一款優(yōu)質(zhì)低價的單片機(jī)，主頻高至50MHz（45DMIPS），支持32個外設(shè)中斷及4個優(yōu)先級，寬工作電壓范圍（2.5V-5.5V ) ，支持在系統(tǒng)編程功能ICP、在線編程功能ISP，可以很方便的編程調(diào)試和在系統(tǒng)升級，F(xiàn)lash程序存儲器64K;SRAM存儲器4K，獨立4K ISP空間，獨立4K Data flash空間可用于存儲配置參數(shù)，支持外擴(kuò)總線EBI功能，高速GPIO可設(shè)置成上拉、推挽、輸入、開漏四種模式，每個IO都有寫保護(hù)，防抖動，端口中斷等功能，內(nèi)置高速I2C總線，內(nèi)置8信道12bit ADC，速度可達(dá)600KSPS，并支持單次、單信道循環(huán)、多信道掃描三種模式，芯片還集成了IIC、SPI、2個UART，工業(yè)級工作溫度-40℃～85℃，強(qiáng)抗噪干擾，高ESD、EFT等性能。價位低廉，很適合工業(yè)應(yīng)用[4]。

ATT7022D是由珠海炬力集成電路公司生產(chǎn)的一款高精度的多功能防竊電基波、諧波三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。ATT7022集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路。ATT7022能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費率多功能電能表的需求。ATT7022支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正。ATT7022提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。所有計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。[5]

電源選用上海博湃電子科技專為國網(wǎng)專變采集III型終端設(shè)計的開關(guān)電源BPD15-KD05P12U，可在65～500Vac或80～700Vdc超寬輸入電壓下工作，兩路隔離電壓輸出，隔離電壓可達(dá)4KVac。內(nèi)設(shè)輸入側(cè)過電壓停機(jī)保護(hù)功能,當(dāng)輸入電壓超過設(shè)定值時，電源自動停止工作，從而減小開關(guān)MOSFET所受應(yīng)力，降低在高壓輸入下電源損壞的幾率，提高電源了的可靠性。該電源還具有較高的隔離和抗干擾指標(biāo)，能較好的滿足國標(biāo)安規(guī)和抗干擾技術(shù)要求。

電壓變送器型號TV31B 2MA/2MA 0.1，電流變送器型號TA36C11 1.5（10）A/5MA 0.1。高精度時鐘芯片型號SD2404FLPI（芯片可保證時鐘精度為±5ppm(在-40～85°C下）即年誤差小于2.5分鐘）[6]，SPI FLASH存儲器型號AT45DB642D（具有8MBYTE的存儲容量，用于存儲電量和事件記錄），遙控繼電器型號G6B2114P_1_US，電源充電芯片IC CN3062，電源與電池切換芯片IC LTC4413。LCD液晶模塊AM160160_34U57。GRPS模塊選用友方的M590。

在元器件選型中還要充分考慮元件的隔離、工作溫度范圍和在強(qiáng)干擾下的可靠性等技術(shù)指標(biāo)。

4 電路設(shè)計

NUC710ADN和M0516系統(tǒng)外圍設(shè)計可參看新唐科技的相關(guān)資料，已很詳盡，這里不再重復(fù)。這里只給出了幾個特定電路的設(shè)計和說明。

4.1 三相整流和電源電路設(shè)計

圖2是三相整流和電源電路圖，D2-D5、D8-D11共同構(gòu)成三相整流電路，開關(guān)電源U9有兩路隔離的輸出，一路5V給ARM和單片機(jī)系統(tǒng)供電，另一路12V做遙信和通信隔離電源。注意工藝上在三相電壓輸入端串磁環(huán)。

圖2 三相整流和電源電路圖

4.2 計量芯片ATT7022D電路

圖3是上半部是A相的電流的輸入電路，下半部A相的電壓輸入電路。其它兩相輸入同。

圖3 A相電流、電壓輸入圖

圖4是ATT7022D電路，它與M0516單片機(jī)通過SPI口連接，CF1、CF2是有功無功電度脈沖輸出信號，JP1用于三相三線和三相四線輸入方式選擇。

圖4 ATT7022D電路

4.3 紅外維護(hù)口電路

圖5為維護(hù)口的紅外收發(fā)電路，通過R210的阻值調(diào)整，使U41的12腳輸出振蕩波形頻率在37.9KHZ。HYFSO1是紅外發(fā)射管，KS1838L是紅外接收模塊。

圖5 維護(hù)口紅外收發(fā)電路

4.4 遙控電路

遙控電路如圖6，CPLDOUT6為高時，Q13導(dǎo)通，這時如CPLDOUT1為高，則繼電器RL1動作。在自檢時，CPLDOUT6為低，Q3截止，CPLDOUT1的高脈沖經(jīng)D29使DOFH變高，DOFH為單片機(jī)的輸入。用以檢測硬件電路是否正常。這里只畫出了一路遙控，其它同。

4.5 遙信電路

遙信電路如圖7，DCDC模塊H1224S的輸入來自開關(guān)電源的12V輸出，隔離輸出24V供遙信做輸入側(cè)的電源。PS2501AL有5000Vrms的隔離能力。