一种基于MCF5208的电力负荷管理系统的硬件设计

一种基于MCF5208的电力负荷管理系统的硬件设计
作者：梁军波
来源：《数字技术与应用》2012年第11期
摘要：本文介绍了一种电力负荷管理系统，该系统主要由数据采集通信以及处理分析等部分组成。

该系统利用GPRS的通信功能实现数据传输，系统接口严格按照电力部门的相关通信规定，可方便嵌入电力网络中。

该系统可采集各相电压、电流、功率、功率因数、电压越上、下限时间以及累计电量等，并具有开关量状态监测、控制、电压越限报警、电流越限报警等功能。

关键词：电力负荷 GPRS
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0152-02
随着经济的不断发展，中国目前的信息化和电气化程度也在不断提高，电力供应作为国民经济的重要基石，其自动化程度就显得极其重要。

因此，电力管理部门对电力设备集成化、综合化、自动化的需求极为迫切，特备希望能将管理配电系统用上科学的手段。

这也是目前全球电力产业发展的新趋势。

另外，随着信息及数字技术的进步，特别是对因特网以及多媒体通信需求的不断增长，目前通信技术的发展主要集中在宽带通信网络以及无线通信等领域。

而GPRS技术可以方便的将宽带数据网络与无线通信网络连接在一起，可以在嵌入式系统中担当比较重要的角色。

1、硬件设计
鉴于本系统的复杂行和可靠性要求，本项目中选择了工业级32位MCU外挂SDRAM和FLASH的系统方案，电量信号的采集和测量使用ADI公司的ADE7758，它是一种功能强大的专用三相电能测量芯片。

电力终端的主要组成部分可分为以下几个功能模块：电参数采集及测量功能模块，显示功能模块，存储器功能模块，通信功能模块和中央控制功能模块，具体结构如图：
系统结构图
控制器选用了FREESCALE的MCF5208，其工作频率达到166MHz，足以满足现场应用的性能要求。

它内部集成了多个必需的模块，简化了系统设计，提高了系统的稳定性。

本系统中采用ADI公司的专用芯片ADE7758芯片实现所需的电信号采集及计算。

AD7758是一种ADI公司研制的专用ASIC，它专门为三相电能表设计，它将多路模拟通道、
高精度ADC转换器以及专用的DSP集成为一体，可以帮助用户完成电压以及电流有效值、功率及电能的累积值测量，并可以通过外部的辅助计算完成全部电量参数的测量；在测量精度方面，ADE7758的可以达到1000：1的0.1%精度；ADE7758的片内集成了精度比较高的基准及温度测量部分；它采用标准的SPI完成与外围MCU的接口，通过SPI，用户可实现对
ADE7758芯片的编程配置以及电量数据的采集校准等多种功能。

由于常用集成字库和行列驱动的液晶的EMC并不是很好，本系统采用了分离的液晶驱动芯片和液晶显示屏，保证了液晶在恶劣情况下的正常显示。

采用分离的液晶驱动控制器后，也为更换液晶显示屏提高了方便，不需为不同的屏提供不同的程序。

液晶驱动芯片采用EPSON的S1D13305，它支持文本，图形或两者混合的显示模式，最多640x256x象素分辨率；最多支持3个图层，层之间可进行多种逻辑运算后显示出来；支持两种控制逻辑接口（8080/6800）。

本系统采用了160x160象素的液晶屏。

该驱动芯片需外挂RAM，用于存放显示内容，其在屏上的显示内容映射到显存中的一片区域，该区域可通过设置寄存器实现，这样就可以实现写入缓冲和显示区域的分离，避免抖动。

由于其不带字库，故需软件将汉字“画”到屏上，这部分在系统驱动中实现，对上层软件编写透明。

本系统的通讯部分，通信接口主要包括以下几部分：无线通信接口利用GPRS和因特网进行数据传输。

（1）抄表接口采用RS485接口，主要用于数据的采集和抄收，对多功能三相电表或其他电力装置的数据读取。

（2）红外接口进行红外数据传输，主要对用在手持设备与近距离与电力终端间。

调试接口采用RS232接口，是在调试连接终端时采用的接口，它主要用于终端校表以及通信规则测试。

无线通信接口部分，系统采用SIM300C，它是一种工业级GPRS模块。

除RF接口外，它的主要接口通过40针的连接器引出。

在这40个引脚中，主要包括了小功率电源输出引脚VDD，电源接口，紧急关闭接口，SYNC LED控制引脚，IGT模块激活引脚，SIM卡接口，一个串口。

SIM300系列产品的射频阻抗为50欧姆，连接器为GSC，用户可以使用合适的射频同轴电缆与相应的发送或接收天线相联接。

SIM300与其他SIMCOM模块一样，都提供了引脚VDD。

当模块工作时，VDD引脚就会输出2.9V的电压。

所以，只需要判别VDD的电平，就可以判定是模块关机还是其他的原因造成“死机”。

如果VDD已经的电平已经变低，说明该模块已经关机了，VDD引脚如果是高电平，那么说明模块正处于正常状态。

MIGT/MEMERGY与主控制器相连，提供3v供电。

分别用于开机和紧急关机，SIM卡由其它引脚和主控器连接。

抄表接口用来读取三相多功能电表。

考虑到瞬态浪涌电压的影响，必须选择合适的通讯芯片。

瞬态浪涌电压的产生原因较多，主要由大电容充放电，外界瞬态高电压感应等因素造成。

可以使用瞬变抑制diode或者通过选择一个带有集成瞬变抑制功能的收发模块对总线进行保护。

在本系统中，我们选用ISL81487EIP，通过光耦TLP421进行电气隔离。

红外线是红外通讯技术的通讯载体，通过红外发射器和接收器来实现成信号的收发。

数据存储器由S29GL032M90TAIR4构成，它是一种大容量的FLASH存储器，工作电压为3V左右，对其的访问可采用SPI模式或并口；它的页面数为8192，每页的字节数为1056，它的总容量为64Mbit；内部集成两个数据缓存SRAM，支持连续换页；最高时钟频率为
20MHz；工作电流小于4mA，静态电流约为2uA左右。

2、终端软件设计
系统的程序采用分层结构。

底层和上层透明，各个模块和各个任务之间耦合性小，可尽量保证各个模块的通用性及可移植性。

软件的开发环境采用了uClinux的操作系统，需要采用交叉式的开发编译环境。

在一台开发用主机上装载linux系统，RedHat，Fedra等，然后将编写的程序连同uClinux的内核一起在主机上编译，在这我们采用的编译工具是make和gcc，最后生成一个.bin格式的文件，最后通过网口烧写到目标机中运行。

我们采用嵌入式操作系统的好处很多，比如可以如支持任务自动调度，让用户不需再考虑任何任务的执行顺序，高优先级任务可优先取得CPU控制权等。

在我们的开发过程中，采用了系统提供的两个比较有用的工具，一是信号机制，另一个是fifo通信机制，程序的多个进程之间即使耦合度再低，也不可能完全没有公用，相通的地方，这时信号和fifo就起到了重要的作用，进程之间可以通过向目标进程发送某一信号来通知对方某个事件的发生，uClinux系统提供给用户使用的信号只有两个，但是其余的信号中有许多是我们目标系统中用不到的，比如说我们的终端没有键盘，那么系统中与键盘有关的系统信号不会发生，这样我们便可以重新定义这些信号，为我们所用。

应用程序按功能划分为了5个部分，加上一个后台看护进程，共6个进程。

其中后台看护进程主要负责检查其他进程的运行情况，正常情况下，其余5个进程每隔固定的时间会通过fifo向看护进程发送注册信息，表明自己运行状态，如果超过固定时间仍然没有收到某一进程的注册信息，则认为该进程已处于僵死状态，看护进程会将其重启。

其他各进程分别为上行进程，负责控制gprs模块并通过gprs网络接受主站下达的各种命令，并将其按照内部格式解析；下行进程主要负责抄读多功能表，内嵌可扩展式协议库，可以根据现场不同规约的多功能
表添加协议，支持多种多功能表，抄读回的数据统一转换成内部数据类型float型；数据库进程主要负责保存下行抄回的数据，提供上行主站下发的各种抄读类指令的数据；显示进程主要控制液晶的显示内容，及时地将报警信息显示给用户；负荷控制进程主要根据下行抄读回的数据分析计算当前的功率，电量等重要计量信息，并根据这些信息控制报警，跳闸等重要动作。

GPRS模块数据接口采用波特率一定的AT指令进行各种操作控制。

GPRS业务提供的是点对点的PPP链路，因此GPRS拨号上网的过程必须严格按照PPP的网络建立相关协议。

拨号完成后，我们就可以建立起一条物理上的GPRS通道。

在这时，服务器端会发起相关配置请求。

由于通信是双向的，并且每帧有自己对应的编号，因此用户也可以发出请求报文，以便加快配置过程。

3、结语
电力负荷管理系统是电力部门实现自动监控的趋势，它可借助GPRS网络等构建远程电力自动监控系统，是电力监控系统的一种新颖的方式，可产生可观的社会及经济效益，具有较为广阔的应用与发展前景。