高倩+陳桂華

摘 要： 采用專門針對我國智能電表推出的SUB?GHz無線收發(fā)器Si4438作為無線傳輸模塊，AT89C51作為微處理器，在其上植入μC/OS?Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，電能計量使用高性能ADE7758芯片，設(shè)計并實現(xiàn)了一款高性能無線智能電表。該系統(tǒng)提供電能質(zhì)量的監(jiān)視、提供雙向計量、多參數(shù)電量實時采集和控制、存儲，支持雙向通信、遠程時間同步，能根據(jù)進行遠程編程設(shè)定以及軟件升級。實驗證明，該智能電表滿足國家標準中規(guī)定的0.2 s要求，具有功能完備、運行穩(wěn)定、精度高和實時性好等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： AT89C51； 智能電表； Si4438； 實時操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ

中圖分類號： TP919.72?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0105?04

0 引 言

隨著我國智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，其中用于居民和企業(yè)的智能電表是電網(wǎng)改造的關(guān)鍵所在。無線智能電表是智能電表發(fā)展的主要趨勢。智能電網(wǎng)高級量測體系A(chǔ)MI（Advanced Metering Infrastructure）要求智能電表滿足以下功能：能支持具有分布式發(fā)電的用戶；電量能夠?qū)崟r采集和控制；支持遠程抄表；支持遠程編程設(shè)定和軟件升級；能提供電能質(zhì)量的監(jiān)測；提供斷電報警以及供電信息恢復處理等[1]。成本和性能是智能電表推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素，目前，由于GSM/GPRS無線抄表需要付費且工作頻段擁擠而實時性差，基于各類高性能嵌入式系統(tǒng)如DSP，ARM，SoC的智能電表成本較高，因此，采用低成本高性能單片機與免費無線頻段的智能電表是低成本方案的首選[2?7]。本系統(tǒng)選用AT89C51作為主控制器，采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS?Ⅱ，電能計量采用高性能ADE7758，無線傳輸模塊采用無線收發(fā)器Si4438，本方案是低成本高性能無線智能電表的可行方案。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

根據(jù)AMI對智能電表系統(tǒng)功能的主要要求確定系統(tǒng)整體方案，按功能分為3個單元：電能采集單元、信號處理單元、通信單元。多功能電能表的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 中，測量部分將測量數(shù)據(jù)（電流、電壓、功率等）送給控制單元，單片機根據(jù)時段設(shè)置，對無功、有功、費率、電流、電壓等進行計算，并驅(qū)動顯示器件顯示有關(guān)信息。通過接口電路與外部進行數(shù)據(jù)傳輸和通信。選用AT89C51單片機作為系統(tǒng)主控單元，它具有4 KB可編程存儲器，2個定時器和計數(shù)器，32個I/O口，并設(shè)有掉電模式、看門狗等資源。

圖1 多功能電能表系統(tǒng)框圖

主控單元設(shè)計可滿足對正反向有功電能的平、峰、谷和總電量的計量，可進行手持終端抄表，是符合DL/T645?97要求的ZigBee無線RS 485遠程抄表；可分別計量、顯示和存儲多時段，可跨零點、電量存儲、提供臨時凍結(jié)電量等[8]。

本設(shè)計采用的ADE7758是先進的智能電量計量芯片，由此構(gòu)建了一個低成本、高精度的電能測量解決方案[9]。該芯片內(nèi)部集成的電路可測量有功功率、無功功率和視在功率等。

綜合以上論述，此方案具有性能高、靈活性高、價格廉等優(yōu)點，已成為智能電表控制系統(tǒng)應(yīng)用的一種很好的選擇。

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)AMI對智能電度表的功能要求，主要有以下幾個方面：

1.1.1 顯示及鍵盤功能

采用LCD顯示屏，顯示功能主要有上電顯示（全亮數(shù)秒）；正常工作時的循環(huán)顯示，顯示內(nèi)容包括：時鐘、日期；總、尖、峰、平、谷的循環(huán)顯示。系統(tǒng)設(shè)置4個按鍵，其功能分別為：啟動（模式）鍵、增大、減小、確認鍵（長按2 s停止）。

1.1.2 存儲及擴展

智能電表設(shè)計2級存儲系統(tǒng)，以第二級為主。第一級存儲系統(tǒng)由CPU的程序存儲器FLASH ROM；第二級存儲系統(tǒng)采用外擴展FLASH ROM實現(xiàn)。

1.1.3 抄表功能

數(shù)據(jù)通信采用無線RS 485接口，實現(xiàn)遠程自動抄表?？赏ㄟ^手持終端抄讀電表條碼號、當前電量數(shù)據(jù)、保存的任意月份的電量和歷史數(shù)據(jù)等。

1.1.4 通信功能

智能電度表需要具有多種數(shù)據(jù)通信功能接口。通信距離一般不小于1 200 m；RS 485接口符合DL/T645?97通信規(guī)程要求，可與目前市場上主流的手持抄表終端設(shè)備通過紅外通信接口進行相互通信。采用標準紅外RS 232通信接口，通信距離一般不小于4 m，符合DL/T645?97通信規(guī)程要求，通信速率為1 200 b/s；紅外波長范圍為900～1 000 nm；主動與被動抄表可通過ZigBee或藍牙射頻接口進行，無線抄表采用ISM免費頻段實現(xiàn)，在被動抄表方式下，可實現(xiàn)單播、組播、廣播等通信方式。

1.1.5 計費功能

計費功能可實現(xiàn)對尖、峰、平、谷4種費率的計費，智能電表采用實時時鐘電路。內(nèi)部時鐘具有日歷計時，每日任意時段的實際時間與預置時間之差不超過1 s。采用雙鋰電電池，電池最大容量為1 200 mA·h，用于保持時鐘和停電顯示。

1.1.6 編程功能

編程可以實現(xiàn)智能電表應(yīng)用的靈活性，可以采用紅外或射頻形式RS 232/RS 485通信接口對電度表進行編程控制?？删幊添椖堪〞r間、日期設(shè)置，時段和費率設(shè)置，顯示項目及顯示內(nèi)容設(shè)置等。這些編程內(nèi)容可單獨進行設(shè)定，或通過“綜合設(shè)定”功能進行一次性完成設(shè)定。

1.2 工作原理

工作時，傳感器將6個電壓信號送入ADE7758，經(jīng)過片內(nèi)PGA1/PGA2可編程增益放大器放大后進行模/數(shù)ADC變換為相應(yīng)的數(shù)字信號，其中的電流信號經(jīng)高通濾波器濾除直流分量，再將輸出信號進行數(shù)字積分，接著與經(jīng)相位調(diào)整后的電壓量相乘得到瞬時功率，最后通過低通濾波器后得到瞬時有功功率信號；總的三相瞬時有功功率經(jīng)芯片的DOUT 引腳輸出。視在功率和無功功率的計算與此相似。MCU通過脈沖及串行通信接口接收有功功率數(shù)據(jù)，并根據(jù)預先設(shè)置的相應(yīng)時段進行處理，將數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果實時顯示出來，并保存到閃存中；同時，也可通過串口、紅外或ZigBee模塊，與便攜終端或其他數(shù)據(jù)平臺進行通信。

1.3 Si4438無線單元

無線射頻模塊選用了Silicon Labs公司生產(chǎn)的Si4438。提供了SUB?GHz無線解決方案，可針對我國智能電表市場，滿足我國目前智能電表市場的要求。支持調(diào)頻和采用分集式天線，可增強無線性能和延長傳輸距離。Si4388無線模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Si4438收發(fā)器采用分集式天線和高效功率放大器，可提高系統(tǒng)鏈路預算，為智能電表延長傳輸距離，并且提供可靠的通信鏈路。Si4438收發(fā)器片上集成功率放大器、低噪聲放大器和表面聲波濾波器，提高性能的同時降低了成本，使其在惡劣的環(huán)境下也可有效傳輸。集成的溫度傳感器、GPIO和上電復位電路進一步降低了系統(tǒng)成本，縮小電路板尺寸。

圖2 Si4388無線模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ZigBee技術(shù)可組建無線個人局域網(wǎng)，它具有組網(wǎng)能力強、低復雜度、低速率、節(jié)能可靠等諸多優(yōu)點。ZigBee協(xié)議采用IEEE 802.15.4標準的物理層和鏈路層，還包含了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層。Si4438內(nèi)部設(shè)有數(shù)據(jù)的無線收發(fā)2個部分。數(shù)據(jù)發(fā)送時，每個模塊上設(shè)有GPIO口，單片機通過RS 485串口接收其他數(shù)據(jù)平臺發(fā)送來的數(shù)據(jù)，再控制ZigBee芯片Si4438進行直接序列擴頻，最后由天線發(fā)射到空中；接收數(shù)據(jù)時，Si4438將天線接收的數(shù)據(jù)在內(nèi)部解擴后，單片機再把數(shù)據(jù)傳送到其他數(shù)據(jù)平臺上。

1.4 系統(tǒng)計量依據(jù)的電力參數(shù)數(shù)學模型

電網(wǎng)所供瞬時電力是各諧波分量之和，各個分量的瞬時電壓、電流可通過傅里葉變換表示為：

[U（t）=U0+2k=0∞Uksin（kωt+?k）] （1）

[I（t）=I0+2k=0∞Iksin（kωt+φk）] （2）

式中：[U（t）]為瞬時電壓；[I（t）]為瞬時電流；[U0]為電壓直流成分；[Uk]為k次諧波電壓有效值；[?k]為k次諧波電壓相位；[φk]為k次諧波電流相位。

系統(tǒng)計量無功功率Q和有功功率P及功率因數(shù)[cos ?]的離散化計算表達式如下所示：

[Q=1Km=0K-1u（m+K4）i（m）] （3）

[P=1Km=0K-1u（m）?i（m）] （4）

[cos ?=PP2+Q2] （5）

式中：[u（m），i（m）]分別為電壓電流采樣信號經(jīng)抽樣離散化得到的數(shù)據(jù)序列；K為一個周期內(nèi)的采樣頻率。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序包含初始化、入網(wǎng)處理、掉電處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)仁录幚?，系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電后首先進行初始化，主程序判斷電網(wǎng)電壓狀態(tài)，進行上電或掉電處理。主循環(huán)要進行以下流程：需量計量、費率處理、數(shù)據(jù)結(jié)算、事件記錄和液晶顯示等。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 ZigBee協(xié)議

系統(tǒng)采用ZigBee 2007規(guī)范的Z?Stack無線通信協(xié)議，協(xié)議層自下而上依次為物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、ZDO層、AF應(yīng)用框架層。Z?Stack協(xié)議棧中各層均可作為—個任務(wù)獨立運行[10]。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 ZigBee協(xié)議層

ZigBee協(xié)議實現(xiàn)采用μC/OS?Ⅱ。μC/OS?Ⅱ是一個完整的、可移植、可固化、小巧的，可裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核，源代碼公開降低了開發(fā)成本。μC/OS?Ⅱ?qū)崿F(xiàn)的對應(yīng)事件從上到下依次為：AF（MeterAPP_ProcessEvent）、ZDO（ZDApp_event_loop， APS_event_loop loop）、網(wǎng)絡(luò)層（nwk_event_loop）、MAC（MacEvent_loop）、物理層（Hal_ProcessEvent）。對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)步驟依次為：

（1） 創(chuàng)建系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境；

（2） 生成交叉編譯環(huán)境；

（3） 加載引導程序；

（4） 內(nèi)核裁剪并移植；

（5） 制作根文件系統(tǒng)[11]。

3 系統(tǒng)實驗

系統(tǒng)實驗框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)實驗框圖

圖5中，三相程控精密測試電源采用HT3050，可輸出工頻50 Hz，相位及幅度可調(diào)的高精度電壓或電流。電壓選220 V檔，電流選10 A檔，電流大小選擇值依次分別為0.1[Ib]，0.5[Ib]，[Ib]，[Imax]。疊加10次諧波分量，基本實驗結(jié)果見表1。

表1 智能電表參數(shù)測試誤差 %

從表1中可以看出各個參數(shù)的最大誤差值。說明了所設(shè)計的電表準確度等級已達到0.2級電表的要求，達到了實際使用的精度。

4 結(jié) 語

采用專門適合我國智能電表需要的高性價比低功耗Si4438無線收發(fā)模塊結(jié)合高性價比的單片機AT89C51及電能計量芯片ADE7758設(shè)計實現(xiàn)的無線智能電度表，功能上符合AMI的要求且滿足DL/T645?1997規(guī)程。經(jīng)實驗測試：系統(tǒng)具有精度高、實時性好、運行穩(wěn)定、功能完善等特點，是一套功能多、性能好、成本低的無線智能電表解決方案，對于促進智能電度表的推廣應(yīng)用具有重要價值。

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