王祥傲，錢小兵，汪先兵，彭　靳，葉璽臣

基于Modbus通信的單相智能電表設(shè)計(jì)

王祥傲，錢小兵，汪先兵，彭靳，葉璽臣

摘要:隨著生活水平的提高，居民用電量快速增加，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。智能電表的應(yīng)用有助于平衡電力峰谷負(fù)荷。本文介紹了一種單相智能電表設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括電量采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示和遠(yuǎn)程通信三部分。電量采集模塊對(duì)配電線路的電壓、電流進(jìn)行采樣，經(jīng)由CS5460A電能計(jì)量芯片得出電能信息；按鍵電路、數(shù)碼管與存儲(chǔ)單元用于電能數(shù)據(jù)的查詢、顯示及存儲(chǔ)。智能電表采用Modbus RTU通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信。該設(shè)計(jì)方案對(duì)提高電能表的智能化程度有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:單相智能電表；CS5460A；遠(yuǎn)程通信；Modbus

1引言

作為電能測(cè)量的專用儀表，電能表自誕生至今已有100多年的歷史。隨著電力系統(tǒng)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及電能管理系統(tǒng)的不斷完善，電能表的結(jié)構(gòu)和性能也經(jīng)歷了不斷更新、優(yōu)化的發(fā)展過(guò)程：由機(jī)械感應(yīng)式電能表、脈沖電能表，發(fā)展到現(xiàn)在的智能電表[1]。與傳統(tǒng)電能表相比，智能電表具有測(cè)量精度高、功耗低、故障自診斷和遠(yuǎn)程通信、防竊電并可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電能管理的需要[2]。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化的技術(shù)熱點(diǎn)之一，它的出現(xiàn)標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)新時(shí)代的開始。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將分散控制和集中管理高度統(tǒng)一，使現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與中央控制計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)了雙向、多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的核心是通信技術(shù)及通信協(xié)議。Modbus是現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信最常用的協(xié)議之一[3]。本文設(shè)計(jì)了一種基于Modbus通信協(xié)議的單相智能電表，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，并可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信。該設(shè)計(jì)方案有利于平衡峰谷負(fù)荷，對(duì)降低抄表成本、實(shí)施分時(shí)計(jì)費(fèi)政策具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2單相智能電表的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單相智能電表由電能計(jì)量模塊、電源模塊、MCU模塊和通信模塊組成。電能計(jì)量模塊的電壓采樣采用變比為1：1的電流型電壓互感器；電流采樣采用變比2000：1的電流互感器，利用取樣電阻采樣信號(hào)，經(jīng)變換后的信號(hào)以差模電壓的形式送給Cirrus Logic公司生產(chǎn)的電能計(jì)量芯片CS5460A，取樣電阻的阻值由被測(cè)信號(hào)的最大值決定。采樣信號(hào)經(jīng)CS5460A處理后將電壓、電流、功率、電能等信息送給單片機(jī)AT89C51。顯示模塊采用6位數(shù)碼管組成，可通過(guò)鍵盤選擇顯示電壓、電流、功率、電度信息等；通信模塊采用Modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)電能表與上位機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3單相智能電表的硬件模塊設(shè)計(jì)

3.1　微處理器單元設(shè)計(jì)

微處理器選用AT89C51作為單相智能電表的主控制器，負(fù)責(zé)按鍵的輸入掃描、電量數(shù)據(jù)的讀入和存儲(chǔ)、電表參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)配置以及與上位機(jī)的通信。微處理器單元的引腳接線如圖2所示。

3.2　供電電源設(shè)計(jì)

電能表屬于不間斷工作的電力計(jì)量裝置，因而電源是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。電源電路負(fù)責(zé)給各個(gè)硬件模塊供電，以保證整個(gè)電能表的正常運(yùn)行。需要供電的硬件模塊有：

圖1　智能電表硬件設(shè)計(jì)框圖

圖2　微處理器單元的引腳接線圖

(1)電能計(jì)量芯片的+5V的直流電源；

(2)單片機(jī)AT89C51等數(shù)據(jù)處理單元電路的+5V直流電源；

(3)RS-485通信接口電路的+5V直流電源。

電源模塊由電源變壓器、濾波電路及穩(wěn)壓電路組成，如圖3所示。

圖3　直流穩(wěn)壓電源電路

3.3　電壓、電流采樣模塊的設(shè)計(jì)

電壓采樣電路采用變比為2mA/2mA的電流互感器和高精度電阻作為輸入電路。外接110k的電阻R1將220V市電電壓轉(zhuǎn)換為2mA的電流，經(jīng)變比為2mA/2mA的互感器做電氣隔離，通過(guò)二次側(cè)125K的電阻R2轉(zhuǎn)換為CS5460A的輸入電壓信號(hào)。為提高輸入電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，加入RC濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)初步濾波，并加入抖動(dòng)電容保護(hù)計(jì)量芯片。

電流采樣電路采用變比2000：1的電流互感器，然后經(jīng)一精密電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。加入RC濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)初步濾波，并加入抖動(dòng)電容保護(hù)芯片。經(jīng)變換后的電流信號(hào)以差模電壓的形式接到CS5460A的模擬信號(hào)輸入端。由于互感器角差的影響，可能造成輸入信號(hào)的相移，使功率測(cè)量的誤差增大。而CS5460A具有相位補(bǔ)償功能，可以大大減小互感器角差的影響，提高電能表計(jì)量精度。如圖4所示為電壓電流采樣電路。

圖4　電壓電流采樣電路

3.4　電能計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

電能計(jì)量模塊由電能計(jì)量芯片CS5460A及其外圍電路組成。CS5460A是帶SPI串行接口的雙向功率/電能計(jì)量集成芯片，芯片的脈沖輸出頻率與有功電能成正比且具有高速電能計(jì)算功能，應(yīng)用于電子式電能表。如圖5所示為電能計(jì)量電路。

CS5460A的參考電壓輸入端(VREFIN)和參考電壓輸出端(VREFOUT)直接相連并通過(guò)0.1pF電容接地，0.1pF的電容起作電源抗干擾的作用；模擬電源負(fù)引腳(VA-)直接接地。片上模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓為0V，使用芯片內(nèi)部2.5V的基準(zhǔn)電壓；時(shí)鐘輸出引腳(XOUT)和輸入引腳(XIN)之間接4.096MHz的晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。

3.5　通信模塊設(shè)計(jì)

Modbus通信協(xié)議支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備，PLC、DCS和智能儀表等都可以使用Modbus協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)。

圖5　電能計(jì)量電路

Modbus通信協(xié)議包括ASCII、RTU等傳輸模式。RTU模式以十六進(jìn)制傳送數(shù)據(jù)，一個(gè)字節(jié)為一幀，數(shù)據(jù)傳輸效率高于ASCII模式。因此，目前大多數(shù)工業(yè)智能自動(dòng)化設(shè)備采用RTU模式[4,5]。本文的單相智能電表Modbus通信協(xié)議傳輸模式即采用RTU模式。

圖6為RS-485通信接口電路，采用SN75176芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)。RS485A+、RS485B-為傳輸信號(hào)線，連接主控制器的RS-485通信接口。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將CPU_RDE置1，MCU將串行數(shù)據(jù)通過(guò)CPU_TXD傳輸給SN75176，經(jīng)SN75176芯片轉(zhuǎn)換為差分電平信號(hào)，由A、B兩管腳輸出到RS485A+、RS485B-，由上位機(jī)接收；接收數(shù)據(jù)時(shí)，將CPU_RDE置0，主控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)RS485A+、RS485B-到達(dá)SN75176的A、B端。SN75176將此差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)，由CPU_RXD發(fā)送給MCU，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。

圖6　Modbus協(xié)議的485通信接口電路

4單相智能電表的軟件設(shè)計(jì)

4.1　軟件總體設(shè)計(jì)方案

采用模塊化程序結(jié)構(gòu)和循環(huán)檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)電壓電流采集、信息顯示和通信等功能。圖7為單相智能電表的主程序流程圖。智能電表上電后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，然后檢測(cè)配電電壓、電流，經(jīng)由電能計(jì)量芯片運(yùn)算處理得出實(shí)時(shí)電量信息。通過(guò)控制器可對(duì)電量信息進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示及查詢。當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的通信指令時(shí)，控制器啟動(dòng)數(shù)據(jù)通信程序，完成與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信。

圖7　智能電表主程序流程圖

4.2　電量采集及校表程序設(shè)計(jì)

圖8為智能電表校表程序流程圖，圖9為電量采集程序流程圖。系統(tǒng)初始化后，微處理器通過(guò)CSA5460A對(duì)配電電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)、處理得到電量數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示等操作。當(dāng)需要校對(duì)智能電表時(shí)，在輸入端加滿量程信號(hào)，根據(jù)顯示值通過(guò)鍵盤調(diào)整芯片內(nèi)電壓、電流、功率等寄存器的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的校準(zhǔn)。

圖8　校表程序流程圖

圖9　電量采集流程圖

4.3　數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計(jì)

智能電表Modbus通信程序流程圖如圖10所示。上位機(jī)發(fā)送命令至單相智能電表，從機(jī)采用中斷方式接收、處理指令，每次傳送的數(shù)據(jù)幀中的第一幀為地址碼，表明由用戶設(shè)定地址碼的子設(shè)備將接收由上位機(jī)發(fā)送來(lái)的信息。

每個(gè)單相智能電表都有唯一的地址碼，若上位機(jī)發(fā)送的地址碼與電表本身地址不同則可對(duì)其余數(shù)據(jù)不做處理，直接結(jié)束；若地址相同則準(zhǔn)備接收本次通信的其余幀。從機(jī)接收數(shù)據(jù)完畢后，生成接收數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)碼，并與主機(jī)發(fā)送的CRC碼比較，若CRC校驗(yàn)正確，則接收正確，從機(jī)按相應(yīng)功能碼的要求完成操作并生成發(fā)送數(shù)據(jù)響應(yīng)主機(jī)；若校驗(yàn)碼錯(cuò)誤則向上位機(jī)報(bào)告并終止通信。

圖10　Modbus總線通信程序流程圖

5單相智能電表實(shí)驗(yàn)研究與分析

結(jié)合智能電表硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件方案，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖11所示。

圖11　單相智能電表實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

單相智能電表與上位機(jī)通過(guò)VB編寫的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)通信。圖12為監(jiān)控軟件的通信連接界面。

圖12　智能電表遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件通信連接界面

圖13　電能監(jiān)測(cè)界面

6結(jié)論

本文結(jié)合智能電表技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，研究了單相智能電表及其遠(yuǎn)程通信的設(shè)計(jì)方法。硬件方面基于模塊化設(shè)計(jì)思想分析了單相智能電表的硬件整體設(shè)計(jì)方案，并闡述各主要電路模塊的工作原理；軟件方面采用模塊化結(jié)構(gòu)與循環(huán)掃描方式完成了程序設(shè)計(jì)，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該單相智能電表的設(shè)計(jì)可以有效地實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量、遠(yuǎn)程通信等功能。該設(shè)計(jì)方案對(duì)于實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的電能計(jì)量裝置具有較好的實(shí)用價(jià)值。

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責(zé)任編輯：劉海濤

Design of Signal-phase Smart Meter Based on Modbus Communication

Wang Xiangao, Qian Xiaobing, Wang Xianbing, Peng Jin, Ye Xichen

Abstract:With the improvement of living standard, electricity consumption of residents increases rapidly, which adversely affects the stability of power grid. Smart meter is conducive to counterweigh the peak and valley power loads. This paper presents a design scheme of single-phase smart meter. The system adopts modular structure, including power acquisition, data storage and display and remote communication. Power acquisition module takes sample of the distribution line voltage and current, while CS5460A computes electric energy information; the key circuit, LED and storage unit are used for query, display and storage of electric energy information. The remote communication of smart meter and upper PC is based on Modbus RTU communication protocol. This design has certain practical value for the intelligence of electric energy meter.

Key words:signal-phase smart meter; CS5460A; remote communication; Modbus

通信地址用于指定上位機(jī)需要訪問的智能電表。設(shè)置好通信端口與波特率后進(jìn)行通信連接，當(dāng)顯示“連接正常”時(shí)，表明上位機(jī)可以與智能電表通信。圖13為電量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)窗口。通過(guò)Modbus通信協(xié)議，上位機(jī)監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)讀取用戶的電壓、電流、頻率、功率和電能等數(shù)據(jù)。

收稿日期：2014-11-15

基金項(xiàng)目：滁州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201314)；安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2012B127)

作者簡(jiǎn)介：王祥傲，汪先兵，彭靳，葉璽臣，滁州學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院(安徽 滁州 239000)；錢小兵，中興通訊股份有限公司(南京 210000)。

中圖分類號(hào):TM933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1794(2015)02-0039-04