基于單片機的采集模塊研究

脈沖電表是目前電力系統(tǒng)用戶側(cè)較為常見的一種電子電量表計。對于遠程電子抄表系統(tǒng)，要實現(xiàn)對脈沖表輸出脈沖的可靠、精確計量。本文研究探討了對于脈沖表可靠脈沖捕捉、脈沖計量，特別研究了脈沖電表信號輸出線路的斷線報警、掉電數(shù)據(jù)存儲等關(guān)鍵問題，并對區(qū)域脈沖表群抄表需要的現(xiàn)場總線進行了研究，提出用CAN總線為數(shù)據(jù)通信的脈沖電表群的模塊化解決方案。

2. 脈沖采集模塊設(shè)計

CH1脈沖采集的主要任務(wù)是對CH2 CH3脈沖電表輸出脈沖的實時、準確計數(shù)，CH4是所有電量統(tǒng)計的基礎(chǔ)。脈沖采集模塊CH5的好壞直接影響整個系統(tǒng)的可靠性和CH6準確性，因此在整個抄表系統(tǒng)中占據(jù)著CH7重要的地位。

2.1 脈沖采集板的結(jié)構(gòu)

采集板的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要以單片機P87C591為核心，設(shè)計對8路電表進行數(shù)據(jù)采集，并可以將數(shù)據(jù)存入SEEROM中，另外帶有掉電保護及通信接口等模塊。

采集模塊配有電源斷電監(jiān)視、數(shù)據(jù)保護功能，當監(jiān)測到掉電情況時，及時在掉電前進行數(shù)據(jù)備份，防止突發(fā)斷電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

2.2 脈沖采集模塊的硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，每個采集模塊完成8個電表的采集任務(wù)，需要占用單片機的8個I/O接口。單個經(jīng)過光電隔離的脈沖數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。

圖中D0為VCC保護二極管，R0為限流電阻，來保護光耦中的發(fā)光二極管。C10和R10組成RC低通濾波器，D10為鉗位二極管，處理尖峰類的干擾信號。R4和R5為分壓電阻。R3為上拉電阻，起限流作用。

電表輸出的脈沖信號采用的是5V直流電。經(jīng)濾波后，進入光耦，然后電阻分壓到4V的電平信號進入單片機。通過單片機P87C591的P2口來對脈沖信號進行采集，在圖2中還可以看到由于是上接上拉電阻，所以使得光耦輸出脈沖波形與電表輸出脈沖波形剛好反向。

2.3 脈沖采集模塊的軟件設(shè)計

脈沖采集的軟件設(shè)計主要處理脈沖的準確采樣，對當前時段的數(shù)據(jù)做累計處理。并且軟件設(shè)計中包括了重復(fù)檢測及防抖動的抗干擾設(shè)計。軟件流程圖如圖3。

2.4 脈沖采集抗干擾措施

脈沖采集電路的抗干擾能力決定著系統(tǒng)的精度和所采集數(shù)據(jù)的可靠性，需要從多方面提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.4.1 硬件抗干擾措施

從圖2中可以看到，硬件設(shè)計中主要采取了光電隔離技術(shù)、低通濾波技術(shù)。光電耦合器的輸入阻抗小，只有電流信號才能驅(qū)動發(fā)光管，因此，可以隔離來自市電系統(tǒng)的感應(yīng)電壓及其過電壓。圖2中RC低通濾波器，濾掉高頻信號的干擾。因為電容的電壓非突變性，結(jié)合穩(wěn)壓二極管，可以將電壓鉗于一個比較穩(wěn)定的值，可以抑制尖峰類的干擾，可以吸收對來自空間電磁輻射對系統(tǒng)輸入的干擾，也確保進入單片機的信號脈沖有完好的波形。

2.4.2 軟件抗干擾措施

對輸入的脈沖進行捕捉、采集是抄表系統(tǒng)重要計量環(huán)節(jié)，模塊除了在硬件上采取了相應(yīng)的隔離和濾波措施，在軟件設(shè)計上也采取了重復(fù)檢測和防抖動的措施，提高脈沖捕捉的準確、可靠。

數(shù)據(jù)采集在中斷程序中進行，設(shè)定定時中斷周期為2ms，在中斷服務(wù)程序中判別8路電表電平的狀態(tài)。對于每一路輸入信號，在收到高電平后，如連續(xù)采樣10次均為低電平，則認為是一個有效的低電平，這時記錄該路信號的累加器加1。如在中間出現(xiàn)一個干擾信號，不予計數(shù)，用這種方法可以有效干擾的抑制抖動類的干擾。如圖4所示。

3. CAN總線通訊模塊

電表作為千家萬戶的分布群系統(tǒng)，實現(xiàn)多個模塊的級聯(lián)，對于遠程脈沖電表抄表系統(tǒng)十分必要。采集模塊選擇合適的總線，能夠在一棟樓的范圍內(nèi)將所有脈沖電表的數(shù)據(jù)均可在最近處與采集模塊接口，對于應(yīng)用和提高系統(tǒng)的實用性，可靠性和便于維護都十分重要。

CAN(controller area network) 即控制器局域網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對數(shù)據(jù)通信塊編碼，因此可以以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可主動向其它節(jié)點發(fā)送信息；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可按系統(tǒng)實時性的要求分成不同的優(yōu)先級，一旦發(fā)生總線沖突，可減少總線仲裁時間，實現(xiàn)非破壞性優(yōu)先權(quán)仲裁；CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個字節(jié)，并采用了位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、CRC檢驗等功能，數(shù)據(jù)出錯率較低。在自動抄表系統(tǒng)中，采用CAN總線可以確保高可靠性，遠通信距(5Km)和高的性價比的特點。CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8個字節(jié)，第一個字節(jié)表示主模板號，第二字節(jié)表示該總板下的具體脈沖采集模塊號，第三個字節(jié)表示該模塊號下的通道號，后面四個字表示該通道電表的脈沖數(shù)值。

4. 掉電保護

掉電保護分為電源監(jiān)視模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊。為了實現(xiàn)對掉電的過程控制，系統(tǒng)必須有監(jiān)視電源變化的能力。在本系統(tǒng)中采用芯片MAX690A，做電源低電壓檢測。具體如圖5所示。

MAX690A內(nèi)部有一個獨立的掉電比較器。當PFI低于1.25V時，R1/PFO輸出低電平，通過外部中斷INT0產(chǎn)生電源掉電中斷。

合理選擇R1和R2的值，使得+5V電壓跌落到某個電壓值(一般大于4.5V)，PFI輸入電壓低于1.25V，則/PFO輸出低電平，產(chǎn)生中斷。在系統(tǒng)中，當電源電壓Vcc＜4.65V時，/PFO輸出低電平，引起掉電中斷，處理完保護數(shù)據(jù)后，等待掉電。

5. 數(shù)據(jù)存儲模塊

在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲是通過I2C總線來實現(xiàn)的。用SE2PROM來保存數(shù)據(jù)。首先電源監(jiān)視電路來監(jiān)視電源電壓的變化，一旦發(fā)生掉電，CPU P87C591通過 I2C總線將數(shù)據(jù)保存到SE2PROM中，以免掉電時丟失。數(shù)據(jù)存儲的流程是中斷入口——關(guān)閉總中斷——對外部SE2ROM操作—置停電表志——記錄停電時刻——數(shù)據(jù)保存——掉電。通過掉電保護電路的低電壓觸發(fā)保護中斷程序，完成掉電時的數(shù)據(jù)保護和準備，待恢復(fù)供電后繼續(xù)進行脈沖計量。

6. 結(jié)論

本課題通過研究分析脈沖電表的應(yīng)用環(huán)境、輸出特性和大量現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，將硬件、軟件抗干擾技術(shù)應(yīng)用在電磁環(huán)境惡劣的電力脈沖電表的數(shù)據(jù)捕捉和計量中。經(jīng)過在湖北武昌供電局長達兩年的現(xiàn)場應(yīng)用證明，該系統(tǒng)在信息傳輸?shù)陌踩?、準確性和實時性、可靠性方面都達到了較高要求，沒有出現(xiàn)脈沖丟失、干擾誤差現(xiàn)象。