一種基于ARM的遠程電表抄表系統(tǒng)集中器的設(shè)計方案

目前，我國城市居民用戶的電表、水表、天然氣表很多是人工抄表，由抄表工作人員每月逐個查抄各種儀表，也有很多地區(qū)已經(jīng)通過抄表改造工程實現(xiàn)了集中抄表。
由于目前已經(jīng)使用的遠程抄表還面臨一些挑戰(zhàn)：比如初期成本較高，同時總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是終端用戶所消費的水、電、氣等重要數(shù)據(jù)，對總線的抗干擾性要求非常高，要具有抵抗容性、感性的偶合干擾的能力，為節(jié)約成本，要采用遠程供電的方式給從設(shè)備提供電源，以盡可能減少元器件的使用。
為了解決以上問題，本文設(shè)計了一種基于CAN總線的遠程電表抄表系統(tǒng)集中器?；贑AN總線的智能電表系統(tǒng)具有造價較低，可靠性高，組網(wǎng)簡單，管理方便，操作簡捷等優(yōu)點，并且可以通過擴展和升級硬件，利用有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)通信，把集中器采集到的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到售電公司的管理系統(tǒng)中統(tǒng)一管理，通過應(yīng)用線損分析、遠程通斷電、防竊電分析等功能達到更高的智能化。
1 集中器的功能及原理分析
一般的智能電表系統(tǒng)由四部分組成：表頭，集中器，通訊器，上位機系統(tǒng)。具體如圖1所示，其工作原理是通過一體化載波表或安裝在電表表尾的電力計量傳感系統(tǒng)模塊經(jīng)CAN總線組網(wǎng)，集中器按設(shè)定好的時間段接收數(shù)據(jù)并保存到內(nèi)部flash中，當上位機發(fā)來讀數(shù)據(jù)的信號后上位機通過RS232或RS485讀數(shù)，讀到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到用電管理中心。
在遠程抄表表系統(tǒng)中，集中器是一個重要組成部分。
集中器通過CAN總線控制并讀取表頭的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在集中器的flash中。集中器執(zhí)行從上位機發(fā)送的控制命令：
對時、讀flash、讀表數(shù)、限電、增加表頭地址等。
集中器通過CAN控制器發(fā)送讀表命令信號到總線上，每個表頭根據(jù)讀表命令將采集的信號通過CAN總線發(fā)送到集中器。集中器將采集的信號存儲在flash芯片中。上位機通過串口發(fā)送讀數(shù)據(jù)信號到集中器，集中器就把存儲在flash中的數(shù)據(jù)傳送給上位機。
2 集中器硬件設(shè)計
主控芯片采用的是ST公司的STM32系列的STM32F103Tx，該系列單片機是ARM的CortexTM-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時提供卓越的計算性能和先進的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。具有運行速度快(系統(tǒng)時鐘頻率最高可達72MHz)26個復(fù)用GPIO;64KB片上RAM;2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時間(多達16個輸入通道);3個SPI，5個USARTs，2個IIC接口;片上256KBFLASH;2個看門狗，11個定時器;芯片具有獨立的實時時鐘，能夠相關(guān)資料豐富，提供單片機使用庫函數(shù)，用C語言編程十分方便，易于開發(fā)。
由于智能電表控制器需要很準確的實時性，以方便售電公司收取用電費用。因為主控芯片自帶實時時鐘，所以只需要外接獨立的32.768kHz的晶體。實時時鐘既可以通過寄存器設(shè)置年月日及具體時間，同時還有鬧鐘功能，定時中斷進行指定操作。
智能電表集中器的硬件部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有ARM，F(xiàn)lash，時鐘芯片，接口電路，RS232，RS485，電源等組成。ARM作為控制芯片，有標準設(shè)計;ARM接口電路比較簡單，以下重點討論CAN總線接口和Flash接口設(shè)計。

圖1智能電表抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 CAN總線接口電路設(shè)計
因為系統(tǒng)對信號傳輸過程中的穩(wěn)定性和抗干擾能力要求很高，所以CAN接口采用高標準接口電路。電路圖如圖2所示。

圖2CAN接口硬件電路圖

CAN-bus接口電路采用+3.3V供電，選擇CTM8251A隔離CAN收發(fā)器。該芯片是3.3V工業(yè)級的隔離CAN收發(fā)器。CTD0信號連接主控芯片的CAN控制器的發(fā)送腳，CRD0信號連接CAN控制器的接收腳。CTM隔離CAN收發(fā)器內(nèi)有一完整的CAN-bus隔離收發(fā)器電路，可以將來自CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線信號，并具有DC2500V隔離功能。另外，CTM收發(fā)器可以選擇集成ESD保護功能的“T”系列，從而省略外擴的ESD保護器件。共模扼流圈T1起著EMI增強的功能，用于提高設(shè)備的EMI能力;共模扼流圈T1的電感參數(shù)很重要，選擇CAN-bus專用器件，比如EPCOS的B82793扼流圈。
2.2 Flash接口電路設(shè)計
集中器需要對與之相連的每個電表表頭采集數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)量較大，從而對存儲有著較高的要求，故選用ST的M25P64-VMF6TP。該芯片為64M串行接口閃存，增強數(shù)據(jù)傳輸時鐘速率為50MHz;讀的吞吐量為50Mbps;接口為簡單的4線SPI(串行外圍設(shè)備接口)接口;深度降功耗模式間斷功耗，電流消耗僅為1uA。
M25P64Flash芯片，通過SPI總線與ARM相連。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進行通信以交換信息，一般使用4條線：串行時鐘線(SCL)、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MISO(SDO)、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI(SDI)和低電平有效的從機選擇線CS。SPI以主從方式工作，通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備。
圖3為ARM與Flash的連接電路圖。以下幾點說明：(1)SCL串行時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生;(2)SDO主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入;(3)SDI主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出;(4)CS為片選，從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制。(5)對7、15、16角外接上拉電阻，提高芯片輸入信號的噪聲容限增強抗干擾能力。

圖3Flash接口硬件電路圖

3 集中器軟件設(shè)計
集中器系統(tǒng)采用數(shù)序程序設(shè)計，按功能模塊設(shè)計程序，由主程序調(diào)用各個功能模塊程序?qū)崿F(xiàn)各個相應(yīng)功能，各個功能模塊通過調(diào)用底層函數(shù)完成相應(yīng)的操作。具體流程見圖4，啟動后，開始初始化系統(tǒng)。系統(tǒng)進入等待命令模式，如果有上位機操作命令或有定時中斷發(fā)生則進入對時程序，對時如果超出一定時間還未成功則向上位機報警。
對時成功后，集中器繼續(xù)等待上位機的讀數(shù)命令或等待中斷讀數(shù)命令。當收到讀數(shù)的命令后，定時讀數(shù)使集中器按設(shè)置的時間，自動讀取表頭采集來的數(shù)據(jù);讀數(shù)使集中器讀取當前表頭的數(shù)據(jù)。

圖4系統(tǒng)軟件流程圖

集中器通過CAN總線可以掛載最多100個表頭，集中器發(fā)出CAN總線設(shè)備的ID。每個分系統(tǒng)表接收到對應(yīng)的ID號后，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的讀表頭命令來反饋數(shù)據(jù)。如果CAN通訊有故障，CAN控制器通訊將報故障。如系統(tǒng)回路正常，集中器的發(fā)送命令數(shù)據(jù)包。每幀CAN數(shù)據(jù)包含8字節(jié)，因為每次讀數(shù)的數(shù)據(jù)流量不是很大，所以每次通訊只需要使用一幀CAN數(shù)據(jù)即可，表頭ID使用幀ID來識別，每個表頭對應(yīng)獨立的幀ID。
集中器發(fā)送CAN數(shù)據(jù)命令包到CAN總線，表頭根據(jù)各自的ID選擇接收讀表命令后發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)到CAN總線上。
集中器將接收到的應(yīng)答數(shù)據(jù)提取出電表讀數(shù)存儲在flash中。CAN數(shù)據(jù)收發(fā)工作流程如圖5所示。

圖5數(shù)據(jù)收發(fā)流程圖

4 結(jié)束語
本設(shè)計作為智能電表抄表系統(tǒng)的一部分，目前成功應(yīng)用于某些遠程抄表系統(tǒng)中，由于成本適中、性能穩(wěn)定，取得了較好的經(jīng)濟效益，具有很好的推廣前景，同時經(jīng)過簡單的修改就可以開發(fā)出其他的遠程抄表系統(tǒng)，如燃氣遠程抄表系統(tǒng)等。