基于STM32的集中抄表系统采集器的设计与实现

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Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ
ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ
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哈尔滨：哈尔滨理工大学硕士研究生论文。２００５：１１－１４．
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图４所示。
３。２
ＳＴＭ３２单片机的内部ＲＴＣ实时时钟每秒中 断一次，单片机检测到秒中断之后会从ＲＴＣ的寄
考虑到采集器一旦出现电压下降或掉电的状
第５卷
清远职业技术学院学报
２０１２矩
况时，应对采集器中的一些数据和参数加以保护。 故在程序中需要加入对系统电压的监控。当供电 电压降低到某一电压值时，需要系统进入特别保 护状态，执行紧急关闭任务：对系统的一些数据和 参数保存起来，同时设置对外进行相应的保护操 作。通常使用的方法是，使用ＡＤＣ对工作电压进 行监控，单片机每隔一段时间读取ＡＤＣ的转换 值，并进行比较，判别电压是否下降到安全电压以 下。电压正常时程序进行其他任务的运行；电压异 常时程序进入保护模式，对相关寄存器、外设进行 保护操作。这种方法会占用单片机的处理时间，同 时使用ＡＤＣ也增加了系统的功耗。 ＳＴＭ３２内部自带的一个可编程电压监测器 （ＰＶＤ），用于对ＶＤＤ的电压进行监控。对应的电源 控制寄存器中的ＰＬＳ［２：０］位可用来设定监控电压 的阀值，通过与外部电压进行比较来监控电源。当 ＶＤＤ下降到ＰｖＤ阀值以下或上升到ＰＶＤ阀值之 上时，ＳＴＭ３２根据外部中断第１６线的上升或下降 边沿触发设置，就会产生ＰＶＤ中断。在中断处理 程序中执行紧急关闭任务：将采集器的一些数据 和参数保存起来，同时记录下系统掉电的次数。 ４结束语 本文基于ＳＴＭ３２设计实现了一个自动抄表
第５卷第６期 ２０１２年１２月
清远职业技术学院学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｉｎｇｙｕａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ
Ｖ０１．５。Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０１２
基于ＳＴＭ ３２的集中抄表 系统采集器 的设计与实现
张庆辉朱亚峰
（河南工业大学信息科学与工程学院河南郑州４５０００１）
摘要：针对我国居民电表规格杂乱对电网自动化、智能化的发展带来的瓶颈问题。研究开发了一种基于ＳＴＭ３２的适 应性强、运行稳定且通信成功率高的自动抄表系统采集器。介绍了系统硬件的总体设计和各个模块的基本构成，采集器的 原理和工作流程．以及一些重要软件模块的设计和实现。通过大量的实验和现场应用测试，验证采集器运行稳定，适应性 强，可方便运用于小区的自动抄表系统中。 关键字：ＳＴＭ３２；采集器；自动抄表 中图分类号：ＴＭ７６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—４８９６（２０１２）１２—００３４—０４
人身安全，本采集器电路分为内部和外部两部 分。内外通过光电隔离等措施有效进行隔离，内
外不共。
２．３．１红外通信电路 本设计的红外通信分为接收和发送两个部 分。发送部分利用主控芯片自带的ＰＷＭ发生器， 产生频率为３８Ｋ的载波对主控芯片ＵＳＡＲＴ发送 管脚发出的串口信号进行调制，通过红外发光管
３５
如图２所示，２２０Ｖ交流电通过ＬＳ４８５（双输出 变压器）降为１２Ｖ的交流电。１＿Ｓ４８５分上下两路输 出，上面一路经过ＬＬＤ０６（桥式整流器）变为１２Ｖ
１
同组成一个功能齐全的稳定系统。 本次设计的采集器方案框图如图１所示。采 集器通过电力线载波或无线模块接收到上行集中 器发来的命令，并对命令进行解析，根据命令的内 容采取相应的动作。下行集中器通过ＲＳ４８５线与 用户电表进行通信。每个采集器带８个ＲＳ４８５表， 一个集中器带多个这样的采集器，组成树形拓扑 结构，一个采集器出现问题不会影响其它采集器 的正常通信。
３．３采集器对于上行命令的处理 采集器通过专用的无线或载波模块与上行集 中器进行通信。采集器的无线或载波模块在与上 行相应的主模块进行第一次通信时，要进行握手 通信进而建立连接。有些上行主模块还要不断地 进行自学习，得到下面通信模块的地址。采集器从 上行得到命令后，会对命令进行解析，判断是握手 指令还是学习指令，然后进行相应的回复。如果是 其他指令就把命令发到下面的电表。如果电表有 响应，采集器就把电表返回的数据发回给上行的 集中器，完成透传的功能。当然，在解析命令的过 程中，如果遇到错误的帧会直接丢弃。 ３．４ ＳＴＭ３２内部可编程电压监测器（ＰＶＤ）的
１．１采集器方案概述 采用模块化的设计思路，各个模块都相互独立，共
收稿Ｅｌ期：２０１２－０９－１８
作者简介：张庆辉（１９７４－），男。河南南阳人，霭ｆｊ教授，硕士生导师。博士，研究方向：嵌入式系统及应用，电子信息科学。
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向有功电能示值等历史日冻结数据，保存不少于 ３０天的历史日冻结数据，并保存１２个月的历史 月冻结数据以及重点用户电能表的最近２４小时 整点总有功电能数据。 １．２．３参数设置和查询 可远程查询或本地查询采集周期、电能表通 信地址、通信协议等参数，并能自动识别和适应不 同的通信速率。 １．２．４事件记录 采集器能记录参数变更、抄表失败、停／上电 等事件。 １．２．５数据传输
存储芯片采用ＥＮ２５Ｆ８０高速串行ＦＬＡＳＨ芯 片。ＥＮ２５Ｆ８０有８Ｍｂｉｔ（１Ｍｂｙｔｅ）的存储空间，时钟 速度可达１００ＭＨｚ。共分１６个块存储器，每个块有 １６个扇区，每个扇区大小为４Ｋｂｙｔｅ。支持以扇区 为单位的擦除和写入。最少ｌｏ万次的擦写周期， 掉电数据不丢失。工作温度范围一４０。Ｃ至＋８５。Ｃ。 中央处理器通过ＳＰＩ跟存储芯片通信，实现数据 保存和读取的功能。
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技术。２００１（０５）：４１—４５． ＩＳ】杜琼。周－－Ａｔ．电力线栽波通信技术田．华北电力技术．２００５（０２）：
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【９】Ｌｉｕ Ｄ．Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ
ｏｎ
ＡＣ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ
Ｃｈａｎｃｔｅｒｉｚａｄｏｎ田．ＩＥＥＥ Ｔｒａｍ
２．３其它模块
自检自恢复
采集器有自测试、自诊断功能，发现采集器的 部件工作异常会有记录。 采集器可记录每日自恢复次数。 １．２．８终端初始化 采集器接收到主站下发的初始化命令后，分 别对硬件、参数区、数据区进行初始化，参数区置 为缺省值，数据区清零，控制解除。 ２采集器硬件设计
２．１
电源模块 为了避免强电和弱电相互干扰，确保设备和
１．２．７
Ｆｉｇ ２
图２电源电路
Ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ
２．２中央处理器
Leabharlann Baidu
本设计采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢ作为中央处理器， 该芯片使用高性能的ＡＲＭ⑩ＣｏｒｔｅｘＴＭ—Ｍ３ ３２位的 ＲＩＳＣ内核，工作频率为７２ＭＨｚ，内置高速存储器 （高达１２８Ｋ字节的闪存和２０Ｋ字节的ＳＲＡＭ），丰 富的增强Ｉ／Ｏ端口和联接到两条ＡＰＢ总线的外 设。包含３个１２位的ＡＤＣ、４个通用１６位定时器 和２个ＰＷＭ定时器，还包含标准和先进的通信接 口：多达２个１２Ｃ接口、３个ＳＰＩ接口、３个ＵＳＡＲＴ 接口、１个ＵＳＢ接口和１个ＣＡＮ接ＶＩ。可工作于 一４０ｃＣ至＋１０５。Ｃ的温度范围，供电电压２．０Ｖ至 ３．６Ｖ，拥有一系列的省电低功耗模式。 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢ的片上资源和性能既符合本 采集器的要求，又有一定升级和扩展的空间。功能 完善数量众多的可编程的嵌套的向量式可屏蔽内 部中断，保证了程序的有效编写。３个ＵＳＡＲＴ串 口，刚好适合采集器上行、下行和本地通信的需 要。内部ＲＴＣ（实时时钟）的供电可在设备电源和 后备电池之间切换，准确方便地为设备提供了持 续运行的时钟数据。独立看门狗可以在设备死机 或出现其它故障时重启程序。
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ
系统采集器。该采集器完全遵循ＤＬｑ＇６４５— １９９７１２００７通信协议规范，电气特性符合电网系统 的国家标准，可以完成集中抄表任务，并实现了丰 富的功能。连续性的实验表明，该感系统运行稳 定，通信成功率高，可以满足用户需求。
参考文献：
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应用
采集器用２个定时器中断标志来分别判断是 否收到上行发来的命令和是否收到维护４８５或红 外发来的命令（这里维护４８５和红外的命令是通 过同一个串口到达ＭＣＵ，ＭＣＵ根据命令的内容来 识别命令的来源）。而ＭＣＵ的ＲＴＣ实时时钟会在 每秒中断一次，以确保采集器在每秒判断一次是 否要执行自动冻结函数。主函数采用轮询的方式 检测以上３个中断标志位。采集器工作流程图如
姗◆
自动冻结函数的实现
３６
∞驯
２．３．３无线、载波模块 采集器能够兼容多种符合国家标准的无线或 载波模块。通过软件的方式自动识别各个厂家的 模块。目前已经成功实现在一个采集器上兼容青 岛东软和福星晓程的载波模块，以及上海桑锐的 无线模块。 ３采集器软件设计
３．１采集器工作流程
图４采集器工作流程
Ｆｉｇ ４ Ｆｌｏｗｓｈｅｅｔ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ
的直流电，再经过两个稳压模块ＬＭ２９４０和 ＳＰＸ３９４０，分别得到５Ｖ和３．３Ｖ的标准电压供采 集器内部电路使用。下面一路同样的经过桥式整 流器和稳压芯片，为外部电路提供５Ｖ电源。
ＬＩＯ
ＬＭ．州１
数据传输功能内容如下： 可以与集中器进行通信，接收并响应集中器 的命令，向集中器传送数据；中继转发，采集器支 持集中器与其它采集器之间的通信中继转发；通 信转换，采集器可转换上、下信道的通信方式和通 信协议。 １．２．６本地功能 具有电源、工作状态、通信状态等指示。 提供本地维护接口，支持手持设备通过红外 通信口等本地维护接口设置参数和现场抄读电能 量数据。本地参数设置和现场抄表有权限和密码 管理。
引言 传统的电能抄表需要抄表人员定期挨家挨户 抄取数据，这样的抄表方式误差大、工作量大，既 不方便又不安全，也不利于国家电网公司部门对 用户的管理。这个时候，低压集中抄表系统就应运 而生了。低压集中抄表系统是指利用微电子、计算 机网络和传感等技术自动读取和处理表计数据， 将城市或农村居民的用电信息加以综合处理的 系统！湖。 自动抄表系统需要用户安装能进行电力线载 波或无线通信的智能电表，集中器通过电力线或 无线信道对该用户的智能电表进行抄读、监控、通 断电等控制。但是，近十几年来，中国的居民电表 良莠不齐，大部分已安装的电表不带有可进行电 力线载波通信或无线通信的功能。这种状况极大 地制约了我国自动抄表系统的推广和使用［６－９１。 本文针对这种状况，提出了一种在ＲＳ４８５表 的居民小区安装采集器的方法，只需进行小规模 布线即可解决该问题，避免了更换智能电表造成 的社会资源的浪费。
第６期
张庆辉朱亚峰基于ＳＴＭ３２的集中抄表系统采集器的设计与实现
总第２６期
将此调制信号发送出去。接收部分采用红外一体 化接收管对外来的红外信号进行接收。经实际测 试，成功实现了手持设备的收发通信。
２．３．２存储模块
存器读取数据并计算此时的时间，包括时分秒。当 读到的分钟为０时，执行小时冻结函数。然后继续 判断小时，当小时为０时，执行日冻结函数。 采集器在执行冻结函数过程中。在抄读冻结 数据前会判断此数据是否已经在存储芯片中存 放，如果已有，则直接读出此数据并返回，不再进 行抄表。如果没有，则进行抄表，将抄到的数据返 回给上行并存储。
图１采集器方案框图
Ｆｉｇ １ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ
１．２采集器实现功能 １．２．１数据采集 采集器能按集中器设置的采集周期自动采集 电能表数据（单、三相表均可）。 １．２．２数据存储 采集器能分类存储数据，形成总及各费率正
采集器总体方案设计及实现功能 采集器的设计分为硬件和软件两个部分，都