陳慶旭

（南京國電南自軟件工程有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著能源管理控制工作的全面發(fā)展，電能管理工作質(zhì)量受到了更多的關(guān)注，要建立基于嵌入式電能信息采集終端的控制模式，實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的合理化采集管理，并打造遠(yuǎn)程通信輸送平臺，更好地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為電能集約化管理提供保障。

1 遠(yuǎn)程通信電能信息采集系統(tǒng)總體設(shè)計方案

結(jié)合功能需求搭建如圖1所示的遠(yuǎn)程通信電能信息采集系統(tǒng)，落實相應(yīng)模塊的協(xié)同控制要求，滿足整體管理需求的同時，更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理。

圖1 遠(yuǎn)程通信電能信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 遠(yuǎn)程通信方案

在遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)體系中，要完成主站數(shù)據(jù)中心和信息采集終端之間的數(shù)據(jù)交互管理，配合通信距離要求完成數(shù)據(jù)的采集匯總，從而滿足穩(wěn)定性和可靠性傳輸管理。本文選取通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）數(shù)據(jù)傳輸模式，技術(shù)較為成熟且編程資源較為豐富，加之GPRS模塊價格適中，系統(tǒng)整體開發(fā)成本較低，針對數(shù)據(jù)流較小的傳輸模式具有較為突出的優(yōu)勢[1]。本系統(tǒng)中系統(tǒng)采集的電能信息傳輸本身具有連續(xù)性不足、突發(fā)性較強等特點，利用對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)控制體系就能打造更加科學(xué)的傳輸協(xié)議，以維持完整的數(shù)據(jù)管理控制。

1.2 系統(tǒng)信息采集終端單元方案

第一，建立主微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）和外圍輔助電路控制模式。選取性價比較高且穩(wěn)定性較好的單片機作為主MCU，配合時鐘電路就能打造完整的應(yīng)用約束體系，并實現(xiàn)多路發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）協(xié)同指示系統(tǒng)工作狀態(tài)的目標(biāo)，滿足多接頭在線調(diào)試。

第二，完成MCU和RS485總線電路的電能數(shù)據(jù)采集工作后，從屬MCU能滿足并行通信的具體需求，具有工作效率高且讀寫速度快的特點。利用RS485總線電路芯片能實現(xiàn)大批量電表數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)，配合高效性的電能數(shù)據(jù)分析平臺，最大程度上實現(xiàn)資源協(xié)同管理的目標(biāo)[2]。

第三，遠(yuǎn)程通信。借助主MCU和GPRS模塊實現(xiàn)信息交互管理，配合主站數(shù)據(jù)中心的鏈路體系完成數(shù)據(jù)的實時性傳輸和控制，更好地維持終端信息交互結(jié)構(gòu)的平衡。

第四，數(shù)據(jù)存儲。主MCU主要是負(fù)責(zé)信息的接收和傳輸，將相關(guān)數(shù)據(jù)直接發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，但是一旦數(shù)據(jù)中心接收無效，就要利用存儲模塊將相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容直接放置在存儲器中，以保證再次發(fā)送時數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。選取MicroSD卡，滿足數(shù)據(jù)暫存的基本需求[3]。

第五，參數(shù)設(shè)備。利用RS232C電路和上位機完成實時性信息交互，建立通信管理平臺，匹配參數(shù)設(shè)定操作控制模塊的同時，更好地利用電路將系統(tǒng)的運行情況直接顯示在上位機軟件中。

2 遠(yuǎn)程通信電能信息采集系統(tǒng)具體設(shè)計內(nèi)容

結(jié)合遠(yuǎn)程通信電能信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用要求和規(guī)范，要整合具體的應(yīng)用內(nèi)容，建構(gòu)完整的系統(tǒng)控制平臺，從而滿足綜合化管理的具體控制需求，實現(xiàn)多元化管理，并更好地維持電能信息采集效率。

2.1 硬件設(shè)計

基于遠(yuǎn)程通信電能信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用需求，在進行如圖2所示的硬件系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中，要保證時鐘、驅(qū)動、調(diào)試接口等環(huán)節(jié)銜接合理，共同建構(gòu)完整的主MCU和從MCU控制平臺，確保后續(xù)電能信息采集和匯總管理工作都能順利展開，減少資源損耗和經(jīng)濟損失[4]。

圖2 硬件設(shè)計

在MCU功能電路設(shè)計環(huán)節(jié)中，借助嵌入式技術(shù)完成相應(yīng)設(shè)計流程，打造綜合化管控體系和運行平臺[5]。

2.1.1 主MCU電路

主MCU電路是整個嵌入式系統(tǒng)的核心組成部分，選取的MCU需要滿足客戶的實際需求并且產(chǎn)品開發(fā)較為成熟，具有通用型接口。最終選取的是AT91SAM7X256單片機，不僅存儲空間大，而且利用32位ARM核精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）處理器，具備較為豐富的外設(shè)接口和I/O口線，能起到中心調(diào)度的作用。借助串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）處理模塊將整個系統(tǒng)與MCU連接，建立完整的通信體系，能實時獲取對應(yīng)電能表的數(shù)據(jù)信息。與此同時，單片機和GPRS模塊進行連接，配合實際應(yīng)用環(huán)境，就能借助無線處理方式完成數(shù)據(jù)傳輸管控，將其直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，更好地減少數(shù)據(jù)丟失造成的影響。一旦出現(xiàn)通信失效等問題，AT91SAM7X256單片還支持模塊內(nèi)數(shù)據(jù)的暫存管理，等待網(wǎng)絡(luò)運行正常后再次發(fā)送[6]。

2.1.2 外圍輔助電路

應(yīng)用時鐘電路、聯(lián)合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）調(diào)試接口電路以及LED指示燈電路等建立可控化管理體系，整合相關(guān)運行模式，滿足在振蕩電路應(yīng)用管理的基本需求。例如，在JTAG調(diào)試接口電路選擇時，要具備接口支持模式，實現(xiàn)前期系統(tǒng)開發(fā)程序調(diào)試，有效搜索錯誤程序，更好地保證設(shè)計方案的準(zhǔn)確性和規(guī)范性[7]。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG要具備相應(yīng)的引腳，具體信息見表1。

表1 引腳信息

2.2 軟件設(shè)計

在如圖3所示的軟件設(shè)計環(huán)節(jié)，要結(jié)合信息采集系統(tǒng)軟件和上位機參數(shù)設(shè)定內(nèi)容完成相關(guān)工作，確保具體的設(shè)計內(nèi)容符合綜合監(jiān)管的需求，整合資源結(jié)構(gòu)共同維持管理效率，配合總體設(shè)計和電能數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計、電能信息數(shù)據(jù)幀格式以及數(shù)據(jù)暫存程序設(shè)計打造完整的控制體系，共同優(yōu)化管理模式的運行質(zhì)量。

圖3 軟件設(shè)計

一方面，總體軟件基于終端處理要求落實具體工作，在系統(tǒng)進入正式信息處理環(huán)節(jié)后，利用初始化設(shè)置就能維持各個系統(tǒng)模塊運行管理的規(guī)范性。設(shè)置SPI串行通信接口等，滿足自動調(diào)整后發(fā)送開機碼的基本要求，并且能實時性讀取Flash系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)據(jù)幀，以保證系統(tǒng)運行工作的連續(xù)性[8]。

另一方面，軟件支持程序中的主MCU運行效率得以優(yōu)化升級，利用中斷服務(wù)模式就能完成系統(tǒng)的階段性控制，配合串行通信中斷程序有效建構(gòu)完整的GPRS模塊，實現(xiàn)上位機軟件通信體系的建立和管控目標(biāo)。例如，定時器中斷程序中，定時器0會每間隔0.5 s就完成一次中斷，借助系統(tǒng)中LED燈的閃爍控制完成信號傳遞。相應(yīng)的，定時器1會每間隔1 s進行一次中斷處理，判定主MCU是否能借助SPI串行通信接口完成數(shù)據(jù)管理，評估數(shù)據(jù)是否存在超時溢出等問題[9]。

3 基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程通信電能信息采集系統(tǒng)測試

3.1 嵌入式系統(tǒng)電源

利用工業(yè)12 V直流穩(wěn)壓進行供電，點亮所有LED指示燈，并且將系統(tǒng)模式調(diào)控為定時器1的模式，系統(tǒng)RS485總線采取的是電能數(shù)據(jù)模塊和GPRS模塊，滿足相應(yīng)控制要求后進行測試處理。

結(jié)合測試條件進行主MCU和從MCU的功耗測試程序編寫，利用直流穩(wěn)壓電源完成系統(tǒng)供電測試，有效評估直流供電環(huán)境下系統(tǒng)的實際功耗參數(shù)。為確保測試的準(zhǔn)確性，將萬用表直接串聯(lián)在電路中，以實現(xiàn)無數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下和有數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下的測試對比，更好地判定功耗參數(shù)，并繪制曲線。最終測試結(jié)果表明，為更好地減少系統(tǒng)運行功耗，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)運行要求，直流電壓數(shù)值要選取8～13 V，系統(tǒng)采取229 V交流市電供電，轉(zhuǎn)12 V電源變壓器能有效優(yōu)化功耗效果。

3.2 GPRS遠(yuǎn)程通信

主要是借助傳輸控制協(xié)議/用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（Transport Control Protocol/User Data Protocol，TCP/UDP） Socket調(diào)試軟件進行測試，配合嵌入式處理模式，能建立GPRS模塊和數(shù)據(jù)中心之間的通信連接體系，更好地滿足實際應(yīng)用的設(shè)計要求，并配合串行通信接口調(diào)試軟件和仿真器實現(xiàn)數(shù)據(jù)暫存管理[10]。

4 結(jié) 論

總而言之，基于嵌入式技術(shù)建立遠(yuǎn)程通信電能信息采集系統(tǒng)具有重要的研究意義，能在提升系統(tǒng)運行效率的同時，打造更加可控化的數(shù)據(jù)監(jiān)督管理模式，減少數(shù)據(jù)傳輸中功耗情況，維持良好的數(shù)據(jù)運維管理效能，整合硬件設(shè)計和軟件設(shè)計內(nèi)容，共同打造完整的信息管理體系，為遠(yuǎn)程通信電能信息采集系統(tǒng)的可持續(xù)健康發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。