基于LonWorks的电能表智能抄表系统设计

关键字: 远程抄表;电能表;LonWorks

Abstract: The LonWorks fieldbus technology is becoming one of the most popular fieldbus technologies due to its short period, low cost, high communication efficiency and high reliability. The author gives every functional circuit‘s designing method of power meter intelligent reading system based on LonWorks in detail, the author gives a detailed hardware designing project of collection device, based on which the author expounds designing project of intelligent nodes‘ applying software Neuron C and singlechip program.

Keywords: Remote Reading; Power Meter; LonWorks

1 引言

　　LonWorks技术的优势是将通信协议固化于Neuron（神经元）芯片中，并且提供一套完整的开发与建网工具-LonBuilder和 Nodebuilder及LNS。这样，用户可以较少关心网络的通信，而集中于节点的具体应用开发。在智能抄表系统中，低层电表信号的采样及相应的数据传输是抄表系统性能的最为重要的保证。本系统中作者选择LonWorks总线解决通信这一目前在智能抄表系统的瓶颈问题。

2 系统组成

图1 系统结构示意图

　　表头采样模块主处理器选用AT89C51单片机，完成电表脉冲信号采样、度数计算和反馈连动。抄表采集器由AT89C51作为主处理器与MC143150Neuron芯片构成的Host-based节点作为系统的次站，与LON网络连接。

　　本设计将Neuron芯片工作方式配置为在从B方式，具体为I/O0～I/O7与AT89C51的P0口相连，经此通道AT89C51的管理信息和实时数据通过LON网可上传至工控机和生产管理计算机以及其它LON节点。系统结构，如图1所示。反向通道，工控机和生产管理计算机以及其它LON节点的管理信息和实时数据也可经此通道送入AT89C51控制器中。图1中的黑框中部分为电表采集器模块。

3 抄表模块硬件详细设计与实现

　　3.1 表头采样模块

　　电表表头采样模块的主处理器选用AT89C51单片机，表头采集模块主要负责采集能源对应的数字量（脉冲信号），由主CPU进行处理，将相应的数据信号保存，分时发送给抄表采集器，通过收发器，将相应电表的信号送到LON总线。

　　（1） 信号采样

　　目前，市场上的电表基本上为脉冲电表，即输出标准脉冲信号。以本系统调试采用的单相电子式电能表为例，该表电气特性为:220V-1.5（6） A- 3200imp/kWH，表明每输出3200个脉冲信号耗电能为1千瓦时，脉冲占空比为50%。电表输出的脉冲信号送到采集模块，经过光电耦合器开关（如图2），进行信号隔离，再通过74LS14加以整形，然后送到单片机的外部中断INT0（P3.2）脚，引起CPU产生一次外部中断。采用中断方式实现实时计数，排除了漏计的可能。光电耦合器选用TLP521-1，采用单路信号采样。

图2 信号采样

　　（2） 数据保存

　　当有采样信号引起中断，计数器工作，当脉冲计数到3200时，产生一次写操作，将前一地址单元值加一保存到当前地址。存储器采用可在线电擦除的 EEPROM28C17，在读时将28C17当作程序存储器，写时当作外部RAM，工作性能非常稳定，读写操作从未出现差错。本系统中定义28C17的地址编码为7800H-7FFFH, 2K寻址。

　　（3） 日历时钟电路

　　采样模块需要对系统能进行分时计数功能，所以需要实时时钟，以完成定时产生中断、分时显示、获取时间和日期等功能，具体选用美国Dallas公司生产的实时时钟芯片DS 12887。DS 12887是一个实时时钟的完整子系统，其集成度高，内部包含有一个铿电池、一个石英晶振和一个写保护电路。本系统采用DS12887作为实时时钟芯片。

　　（4） 断电处理

　　当出现费用超支时，系统能进行自动断电处理。基本原理图如图3所示。当上位机端发现某用户费用超支时，发出断电指令给89C51, 89C51通过给端口置零，经反相后，送至8050的B极，引起继电器动作，开关吸和，此时相当于送往电表的开关处于截止状态，系统断电。图中Q1, Q2构成达凌顿管。

图3 断路开关电路

　　（5） 显示模块

　　另外系统还可以提供液晶显示器（使用12232点阵液晶屏，提供汉显），做到实时显示功能，能在抄录某时期内、某用户电能表计数器窗口累计的全位示数。众所周知，手工抄表时代，记录的读数值是表头累计值，计费是运行后的累计示数与原始示数之差才是表计电量，所以说，抄表得到的示数并非表计电量。另外，除去居民生活用电的直通式电能表之外，用户的实际用电量还与其表计倍率、计量方式（计量点的设定、表计的套数）等有很大关系。因此说，表计电量也并不是用户的实际用电量。作者认为，同时抄录表计序号和表计示数这两个数据，能更直观地校对抄表数据与抄表对象的一致性，而且还为计算表计电量和实际用电量提供了必要条件，从而使得用户能清楚地知道表计数总量和当前使用量。

　　3.2 抄表采集器的硬件设计

　　抄表采集器的硬件设计主要包括处理器电路、AT89C51与MC143150Neuron芯片之间的通信接口、LON总线网络接口3部分。

　　（1） 主CPU及其外围扩展电路

　　主CPU采用常规单片机89C51，接有一片28C64EEPROM作为在线可电擦除存储器，保存各采样模块送来的数据信号。还包括复位电路、时钟电路、外部RAM扩展、232串口通信电路、电源电路等。

　　（2） 主CPU和MC143150Neuron芯片之间的通信接口的设计

　　本抄表采集模块采用HOST BASED结构，主CPUAT89C51和从处理器MC143150Neuron芯片之间的通信实现采用从B方式。一般来说，并行接口可配置成Neuron芯片工作在主、从A或从B方式，两个Neuron芯片以主、从A方式接口;而Neuron芯片同非Neuron芯片以从B方式接口，非Neuron芯片充当主机，Neuron芯片工作在从B方式，进行握手联络来控制指令的执行。主从机交换数据期间Neuron芯片暂停应用程序的执行过程。每次最多可交换255个字节数据。这种并行I/O接口对象方式用在快速交换数据的场合是非常有用的。Neuron芯片能充当外部处理器的协处理器，产生一个网桥、网关或路由器。说明了Neuron芯片在并行接口对象时的典型应用。从B方式属于并行I/O对象，本系统使用 MC 143150Neuron芯片的所有11只脚，其中MC143150的I/O0～I/O7是8位双向数据线，I/O8～I/O 10是3位控制信号线。借助令牌传递/握手协议，实现MC143150Neuron芯片与主处理器之间的双向数据传输。相对主CPU而言，MC143150Neuron芯片相当于一个有着8位数据线、3位控制线的并行I/O设备，系统接口图如图4所示。

图4 单片机与3150的接口

　　（3） Lon网络接口

　　作者采用了支持FTT-10A自由拓补双绞线收发器的Control Module作为采集器与LON总线的接口。FTT-10A收发器主体是一个隔离变压器，该变压器集成了一个78Kbps差分曼彻斯特编码通信收发器。FTT-10A收发器能自动检测5M, 10M或20M三种时钟频率，它在未加电时呈现高阻状态，不会影响网络通信，是常用的收发器之一。FTT-10A收发器提供了与神经元通信芯片接口和网络接口的引脚。接口如图5所示。

图5 收发器接口电路

4 抄表模块的软件设计

　　抄表模块分为表头模块和抄表表采集器两个部分，但两个部分低层驱动软件设计一是单片机部分程序设计，另一部分是NODEBUILDER的 NEURON C部分程序设计，上层监控则主要使用Echelon公司提供的LonMaker, NodeBuilder, LNS结合其他开发工具。

　　表头模块每隔24小时将采集到的数据通过串行通信的方式将实时数据发送给采集器，采集器在接受到各个用户分时段的电表数据后，将之保存在28C64 中，同时还将接受到的数据送到LON总线。LON节点的软件开发采用专用的NERON C程序设计语言。NEURON C主要完成单片机部分和LON总线网络的数据交换及通信实现功能。根据系统的任务，软件的主要功能是从AT89C51获得数据，然后将获得的数据送到LON总线网络。Neuron C程序总体结构源程序一般是首先定义变量、函数以及I/O口的使用情况，然后编写子程序及when（）语句调度程序。

　　在采集器节点的调试过程中，作者利用LONMAKER创建一个网络YTY，利用VISIO为LonMaker网络中添加一个开发目标设备 Development Target Device,启动NODEBUILDER，同时创建一个工程项目YTY; 在NodeBuilder中，进行 Neuron C编程，并且编译下载该设备模板程序，同时获得设备模板YTY; 设备模块使用NodeBuilder编译产生的模板YTY。

　　本文作者创新点:本文完成了抄表模块的软、硬件设计，实现单片机与神经元芯片的并行通信;同时，在进行抄表采集器设计的基础之上，还对LonWorks技术进行了探索与研究，利用LON的开发工具完成了抄表系统的软件设计。

参考文献:

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　　[2] 颜廷勇，邵如平，林锦国，刘定球.基于LON总线技术的智能节点研究与开发[J]，淮阴工学院学报，2002，5，52-55

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　　[4] 高群,李大兴,郑强. USB-HOST技术在远程抄表系统中的应用[J]. 微计算机信息, 2007, 8-2: 277-278
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