劉彬德，蔡高琰，梁炳基，何家峰

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510000；2.廣東浩迪科技創(chuàng)新有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

智能電表的概念已提出了很多年，長期以來，許多學(xué)者和工程師致力于智能電表功能的研究和改進。當(dāng)代智能電表擁有實時計量、數(shù)據(jù)采集、信息存儲、用戶用電數(shù)據(jù)傳輸、費控等功能，暫時能滿足當(dāng)前國家電網(wǎng)的需求，但是當(dāng)代智能電表采用一體化設(shè)計，即產(chǎn)品在出廠后，硬件和軟件已經(jīng)固化，這種設(shè)計方式存在如下問題：

（1）當(dāng)智能電表出現(xiàn)故障，需要對整表進行更換。

（2）功能一體化設(shè)計方式開發(fā)的軟件只能用在特定的電表上，當(dāng)開發(fā)一款新的電表或者增加電表功能時，需要修改舊款電表軟件中大量代碼，限制了軟件的重復(fù)使用，并且可靠性和穩(wěn)定性需要花很長的時間來驗證，因此增加了新產(chǎn)品的開發(fā)時間和開發(fā)成本。

（3）不同的場景對電表有不同的功能和性能要求，場景之間可能隨時發(fā)生切換，基于成本的考慮，智能電表不可能做成通用的型號，將所有場景的功能全部集成。如果做成多個系列電表，在發(fā)生場景切換時，又必須進行拆裝表，帶來大量工作和高額成本。

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，上述弊端日益顯現(xiàn)。在此背景下，國家電網(wǎng)展開了新一代智能電表標準的制定工作，提出在新一代智能電表采用“多芯”“模組化”的設(shè)計理念[1]，即將電表在硬件和軟件上劃分為不同的模塊，稱之為模組，模組和模組之間通過標準的接口連接，模組可替換。由于電表在實際使用過程中必須長時間在線，不允許斷電，且對精度有要求，如何實現(xiàn)模組出廠可更換功能和可熱插拔功能成為了新一代電表設(shè)計的難點。本文主要從硬件和軟件兩方面討論如何實現(xiàn)模組可更換可熱拔插功能。

1 多芯模組化電表硬件設(shè)計

1.1 硬件總體框架

新一代智能電表根據(jù)功能劃分為不同的模組，如計量模組、管理模組、擴展模組等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。管理模組和計量模組是電能表的必備模塊，擴展模塊可根據(jù)實際應(yīng)用場景添加或刪減，模塊和模塊之間通過標準的硬件接口連接。計量模組由計量MCU、存儲單元、實時時鐘、紅外、電流電壓采集電路組成，承擔(dān)著法制計量工作，為保證計量數(shù)據(jù)的準確性和安全性，將計量模組作為基表，在使用中不可拆卸。

圖1 智能電表硬件框架

管理模組由LCD、按鍵控制單元、繼電器、存儲器、MCU組成。管理模組上運行嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，主要負責(zé)電能表的數(shù)據(jù)管理、模組管理以及人機交互等。在使用中可更換升級。

擴展模組用于電表功能擴展的模組，包含但不限于WiFi通信、LoRa通信、負荷識別、有序充電控制等功能模塊的擴展。擴展功能作為電表功能的擴展單元，在使用中可根據(jù)實際使用場景進行選配。

1.2 模組硬件接口設(shè)計

要實現(xiàn)不同模組互換安裝，需要采用統(tǒng)一的硬件接口。根據(jù)實際應(yīng)用情況，在此設(shè)計了兩種硬件接口標準，分別為A型擴展接口和B型擴展接口，A型B型接口均采用2×6雙排插針作為連接件，接口示意圖如圖2所示。

圖2 接口引腳示意圖

A型接口主要用于電能表數(shù)據(jù)通信模組接入；B 型接口一般用于非介入式負荷識別、有序充電控制等模塊的接入。A型B型擴展接口均包含電源、數(shù)據(jù)信號線和熱拔插信號線，接口引腳說明見表1所列。

表1 接口引腳說明

1.3 熱拔插硬件保護設(shè)計

通常，帶電情況下不能插入或拔出無熱插拔設(shè)計的模塊。這是因為電路中存在電容和電感，在帶電情況下拔插電源線會產(chǎn)生巨大的浪涌電流、瞬時電壓，這很可能損壞模組，從而造成系統(tǒng)崩潰。同時，帶電情況下拔插信號線會產(chǎn)生瞬變電壓，瞬變電壓會導(dǎo)致通信異常、系統(tǒng)復(fù)位或中斷。這兩種情況對于系統(tǒng)來說都是致命的，因此本節(jié)從電源線熱插拔設(shè)計和信號線熱插拔設(shè)計兩個方面進行研究。

1.3.1 電源熱拔插電路設(shè)計

電源熱拔插電路的作用是將浪涌電流或電壓控制在合理的范圍，常用的方法有兩種：

（1）一種是采用熱敏電阻限流法，當(dāng)電流增大時熱敏電阻的阻值也隨之增大，從而降低浪涌電流，這種方法雖然成本低，但是反應(yīng)速度緩慢、精度低而且使用壽命低。

（2）另一種方法是采用MOS管和電源管理芯片來實現(xiàn)，電源管理芯片控制熱拔插時的供電電壓來避免浪涌電流的沖擊。這種方法反應(yīng)快、精度高、實用性強。

本文采用第二種方法，筆者選用LM25061電源管理芯片，這款芯片有過流限制、功率限制、低壓關(guān)斷保護功能，其應(yīng)用電路如圖3所示。當(dāng)模組接入電表基表，輸入電壓Vsys電壓增加，芯片內(nèi)部通過下拉電流使Q1保持截止，此時TIME引腳電壓為0；當(dāng)電壓Vsys達到特定閾值時，TIME引腳以5.5 μA的電流給CT充電；當(dāng)TIME引腳電壓達到1.7 V后，CT以1.5 mA下拉電流放電，此時通過GATE啟動Q1，芯片內(nèi)部的電荷泵灌出16 mA電流對Q1的柵極電容進行充電，直至Q1處于飽和區(qū)和導(dǎo)通狀態(tài)，進入正常工作模式。

圖3 信號熱插拔電路

（1）檢測電阻計算

如圖3所示，Vin引腳和SENSE引腳兩端的電壓超過50 mV，電源管理芯片開啟電流限制。采樣電阻計算公式如下：

根據(jù)接口設(shè)計，A模組的最大負載電流為0.25 A，B模組的最大負載電流為0.2 A，計算得到A接口采用電阻Rs=20 mΩ，B接口采用電阻Rs=25 mΩ

（2）功率電阻計算

LM25061通過MOS管的漏極電流和電壓Vds來計算外部的功耗，Vds為引腳SENSE和引腳OUT間的電壓，然后將外部的功耗與功率電阻設(shè)定的閾值比較，以實現(xiàn)限制功率功能。功率電阻計算公式如下：

式中：A模組的限制功率PL為3 W，B模組的限制功率PL為1 W，那么，計算得：A型接口功率電阻RPWR=13.92 kΩ，B型接口功率電阻RPWR=5.8 kΩ。

（3）延時電容計算

在電路上施電壓VSYS，TIME引腳以5.5 μ A電流將CT從0 V充電至1.72 V，電容充電所耗時間稱之為延遲時間。電源剛上電，電源管理芯片在延時時間內(nèi)關(guān)閉MOS管，從而避免浪涌電流的沖擊。本系統(tǒng)設(shè)置的延遲時間為t1=250 ms。計算A，B接口的延遲電容：

（4）欠壓過壓電阻計算

當(dāng)電壓過低時，將開啟低壓關(guān)斷保護功能，R1和R2的值用來設(shè)定輸入電壓低壓上下閾值，計算公式如下：

式中：VUVL為欠壓下限；VUVH為欠壓上限?？紤]到在A類接口電源電壓為12 V±1 V，在A型接口中取VUVH=11 V，VUVL=10 V，計算得：R1=50 kΩ，R2=6.6 kΩ。考慮到在B型接口電源電壓為5 V，取VUVH=4.5 V，VUVL=4.4 V，計算得R1=5 kΩ，R2=1.8 kΩ。

1.3.2 信號熱插拔設(shè)計

信號熱插拔設(shè)計采用分級插針法，如圖4所示，其中電源，地引腳為長插針，數(shù)據(jù)信號線使用中長插針，短插針為“模塊到位引腳”。當(dāng)模塊插入時，電源和地首先接入，模塊上電工作，然后是數(shù)據(jù)信號接入，最后短插針接入，產(chǎn)生“模組到位”信號，此時模塊熱插拔子系統(tǒng)才開始加載模塊信息，確保連接器完全連接后開始通信。模塊拔出過程與插入相反，短插針先斷開，產(chǎn)生“拔出”信號通知模塊熱拔插子系統(tǒng)，此時系統(tǒng)通信終止并卸載模塊信息，然后是數(shù)據(jù)信號拔出，最后斷開電源。通過實驗，長中短針腳的長短差為1.5 mm就可以滿足要求。

圖4 信號熱插拔設(shè)計

2 模組化電表的軟件設(shè)計

2.1 軟件總體架構(gòu)

多芯模組化智能的軟件框架如圖5所示，從上往下包括應(yīng)用層的應(yīng)用程序、系統(tǒng)層的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核、協(xié)議庫、塊熱拔插子系統(tǒng)、硬件層的硬件、標準外設(shè)庫。

圖5 軟件整體框圖

（1）應(yīng)用程序，實現(xiàn)整體系統(tǒng)基礎(chǔ)功能和業(yè)務(wù)擴展功能。

（2）實時操作系統(tǒng)，電表的功能增加，采用小型嵌入式系統(tǒng)是電表設(shè)計的趨勢，本課題要求使用的操作系統(tǒng)占用資源少，可靠性高。綜合考慮選擇了μC/OS Ⅲ。

（3）協(xié)議庫。包含了DLT 645協(xié)議、上行通信協(xié)議、STS協(xié)議等與硬件和操作系統(tǒng)無關(guān)的庫。

（4）模塊熱拔插子系統(tǒng)。作為一個子系統(tǒng)，向上層應(yīng)用提供服務(wù)，主要實現(xiàn)模組熱拔插功能并將模組驅(qū)動抽象成統(tǒng)一接口。本文著重研究模塊熱拔插子系統(tǒng)的實現(xiàn)。

（5）標準外設(shè)庫。芯片廠商提供外設(shè)函數(shù)庫，它的存在可以使大家在操作某些硬件時，不用直接操作寄存器，大大地簡化了開發(fā)工作量。

（6）硬件層。該圖中硬件平臺是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為軟件系統(tǒng)的運行提供了條件。

2.2 模塊熱拔插子系統(tǒng)

熱插拔技術(shù)的實現(xiàn)包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計這兩個方面的，硬件部分為軟件提供基本的接口和必要的部件，軟件部分是熱插拔技術(shù)靈魂[6]。模塊熱拔插子系統(tǒng)主要實現(xiàn)模組的熱插拔功能并將模組驅(qū)動抽象成統(tǒng)一接口。模塊熱拔插子系統(tǒng)的內(nèi)部組成及與硬件的關(guān)系如圖6所示。模塊熱拔插子系統(tǒng)由模組就緒列表、模組驅(qū)動管理列表、模組等待列表組成。其中就緒列表用來組織就緒模組信息，驅(qū)動列表管理模組驅(qū)動。模組等待列表：當(dāng)應(yīng)用程序要使用某一模組，而此模組此時沒有就緒，系統(tǒng)使此應(yīng)用程序休眠并在模組等待列表中存入“應(yīng)用等待此模組信息”，用于模組上線后喚醒等待此模組的應(yīng)用程序。

圖6 熱拔插子系統(tǒng)

2.2.1 模組驅(qū)動的抽象接口

抽象接口分為API接口和驅(qū)動接口。API接口主要用來給應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的操作硬件的接口。將所有模組硬件操作抽象成devOpen（）、devRead（）、devWrite（）、devIoctrl（）、devClose（）五個統(tǒng)一的操作接口。DevOpen（）用于打開設(shè)備操作，devRead（）用于設(shè)備的讀操作，devWrite（）用于設(shè)備的寫操作，devIoctrl（）設(shè)備的其他控制操作。驅(qū)動接口用于驅(qū)動程序的編寫，主要的接口函數(shù)為driRegister（）、driUninstall（）。driRegister（）用于設(shè)備驅(qū)動的注冊，driUninstall（）用于設(shè)備驅(qū)動的卸載。

2.2.2 模組熱插入

在本文的設(shè)計中，模塊插入時系統(tǒng)會產(chǎn)生插入中斷，系統(tǒng)通過中斷完成模塊的插入處理。在實際的使用過程中，用戶插入模組的過程中存在抖動，或者用戶的誤操作，會導(dǎo)致熱插拔信號引腳COM-RQ的狀態(tài)不停變化，硬件上不斷產(chǎn)生插入拔出中斷。因此在正式執(zhí)行熱插入任務(wù)前需要采用軟件預(yù)處理來濾除這些情況下產(chǎn)生的中斷。預(yù)處理完成后，復(fù)位插入的模組，讀取模塊信息，在模塊驅(qū)動管理列表查詢電能表是否支持該模塊。如果支持，就將該模塊信息插入就緒列表中，最后查詢模塊等待列表；如果存在等待該模塊的應(yīng)用程序，則喚醒該應(yīng)用程序。熱插入流程如圖7所示。

圖7 熱插入流程

2.2.3 模組熱拔出

由于在實際的使用過程中，拔出模塊也可能會存在抖動，因此在正式執(zhí)行熱拔出任務(wù)前也需要采用軟件預(yù)處理，預(yù)處理完成后，具體流程如圖8所示。

圖8 熱拔出流程

3 結(jié) 語

本文根據(jù)“多芯”，“模組化”設(shè)計理念，結(jié)合我國電網(wǎng)發(fā)展情況，進行了多芯模組化智能電表的研究與設(shè)計工作，著重研究智能電表模組可更換可熱拔插功能的硬件和軟件設(shè)計。實驗表明，本文設(shè)計的模組化智能電表解決了一體式智能電表在實際使用中的弊端，能滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，未來具有極大的應(yīng)用前景。