嵌入式以太网通信的智能电表设计
郑安平，罗丹羽，娄 艺，王瑞花，闫艳梅
(郑州轻工业学院，河南郑州450003)
摘要：基于嵌入式以太网通信的三相智能电表系统，采用单片机ST C89C51RD +，能实现电量的 精确测量、参数设置、LCD 液晶显示、数据异常报警和以太网通信等功能。文章简要介绍了总体设计方案和主要芯片的选型，并对系统电路模块的设计以及嵌入式以太网技术在系统中应用的可行性等进行了较为详细的阐述。 关键词:ST C89C51RD +；三相智能电表；嵌入式以太网
中图分类号:T N915.85;TP393.11
文献标识码:B 文章编号:1005-7641(2007)11-0015-03
河南省杰出人才创新基金资助项目(0321000300)收稿日期:2007-06-09；修回日期:2007-07-24
0 引言
随着科学技术的发展，仪器仪表也发生了很大的变化，从简单集成到高度集成，从功能单一到多功能、智能化等，并能把现代电力电子技术、微电子技术、控制技术、计算机技术等融合在一起。电表的发展也是如此，电表广泛应用于电站、电厂及作为大用户的关口表，是电能结算与推动电力系统自动化的关键设备。随着电网的不断扩大以及用户对供电性能的要求越来越高，电表具有广阔的发展空间和市场前景，正朝着高精度、多功能、低功耗等方向发展。
本文旨在设计一种基于单片机方案的高精度、高可靠性、高性价比、多功能的智能电表，并满足DL /T 645-1997标准的要求，最后可以通过以太网将数据上传到上位机，并能按不同需求改变相应的参数设置。
1 系统组成
1.1 系统总体设计方案
本系统采用单片机+电能计量专用芯片的结构。在这种结构中，单片机只需对计量芯片的控制寄存器写入适当的控制字，就可以对采集到的大量复杂数据进行处理，控制电表的各种动作和显示。三相电压、电流经过信号采集电路后，将得到的电压信号送入主要由测量芯片ADE7758组成的处理部分，可得到电量、设置、校准等数据，并对其进行预处
微型压力传感器芯片理、打包和存储，然后再通过RT L8019AS 网卡芯片
发送到以太网上，从而实现对电力系统的监测[1]
。
微处理器芯片作为系统的核心控制单元，要实现一定的以太网通信,MCU 除了要处理测量数据外，最重要的是要运行TCP /I P 协议栈。为了确保整个嵌入式系统的可靠运行，首先必须有大容量的ROM 、RAM 资源，其次运行速度要足够快。本设计采用增强型51系列单片机ST C89C516RD+作为控制器，其采用双倍速8051内核，可将处理速度提高到6个时钟周期为1个指令周期，最高支持80M 的晶振频率，具有高速、低功耗、在系统或在应用中编程(I A P,I SP )等功能。
本设计综合系统的需求和以太网的通信特点，从T CP /I P 协议u I P 中选取移植了5个最重要的协议(ARP,I P,I C MP,T CP 和UDP )，这5个协议实现了本系统融入Ethernet 的需要，并采用单片机驱动以太网接口芯片的电路，开发了相应的程序，将T CP /I P 协议嵌入到电表设计模块中。1.2 硬件电路模块设计
系统的硬件电路主要由单片机、信号采集电路、测量芯片、LCD 及键盘接口模块、以太网通信模块电路等部分组成，结构如图1所示。
三相电压、电流首先通过信号采集电路(包括互感器和信号调理电路)，将一次侧的高电压和大电流转换为低电压和小电流，再由调理电路把其调
理成适当的双极性小电压信号[2]
。
系统可实现三相四线(或三相三线)的实时交流数据采集，电压、电流取自一次电流互感器的二次侧，额定电流5A (本设计可与多种规格的一次电流互感器配合使用，但输入电流最大为5A )。
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51・第28卷第181期 电 力 系 统 通 信 Vol .28No .181
2007年11月10日 Telecommunicati ons for Electric Power Syste m Nov.10,2007
图1 系统硬件电路
F i g.1 Syste m hardware c i rcu it
电压和电流的测量精度都为0.5级，功率测量精度1级，频率测量精度为0.1Hz，时钟精度为±60s/月，断电后也可以保证10年的走时。
其次，把信号采集电路采集的大量复杂电量数据由ADE7758芯片及其辅助相应的外围电路组成的电量测量模块进行处理。ADE7758是美国AD 公司为三相电参数测量而研制的专用ASI C，它将6个模拟通道、16位A/D转换器和专用于计算的DSP集成于一体，完成周期电压、电流有效值、有功和无功的累积值(功率、电能)，通过外部辅助的数字计算可完成电网全部电参数的测量。ADE7758的测量精度等级可达到0.1%精度，片内集成高精度的基准电压和温度测量单元。采用标准的SP I 完成同外围MCU接口，通过SP I可实现对ADE7758的编程配置、电量数据的采集、校准等多种功能[3]。
再次，存储采集到的数据信息采用外部扩展的铁电RAM来完成，可实现电量数据的频繁写操作和掉电不丢失性，且数据存储采用冗余备份方式，满足了数据操作的可靠性要求。
最后，由网卡芯片、网络变压器、外扩RAM以及锁存器及一些驱动电路组成的通信模块，可实现将下位机的数据信息通过以太网传送到上位机。网络接口采用UTP(无屏蔽双绞线)RJ-45接口，采用跳线方式，即JP脚接高电平。各引脚的状态设置分别如下:
1)I/O地址由引脚85,84,82,81(I O S3～
I O S0)决定，将其全部接地，得到的I/O基地址为300H;
2)芯片的中断请求线由引脚80,79,78(I RQS2～
I RQS0)决定，将其全部接地使得I N T0被选择为中断请求输出(亦即主机的中断输入)，其他中断线为高阻态;
3)网络接口类型由引脚74,77(P L0,P L1)决定，其选择功能见表1所列。
表1 传输介质与P L0、P L1的数值
Table1 Nu m ber of m ed i u m,P L0and P L1 P L1P L0介质类型
00
TPCX自动检测
(允许10Base T连通测试) 0110Base T，禁止连通测试
1010Base5
1110Base2装饰扣
RS-485串口通信功能用于参数设置和数据抄表，电表所有的参数及数据均可通过此接口设置和读出[4]。
2 系统软件实现
系统所用的软件是采用C语言编写的，采用模块化设计，主要包括主程序、定时及通信中断服务子程序和可供调用的功能模块等，可实现数据处理、通信控制、人机界面等任务。定时中断为最高中断，主要完成测量芯片内部寄存器数据的读取、转换及显示刷新等任务。
系统通信软件设计主要是以太网卡的程序设计。RT L8019AS的驱动程序主要包括3部分:init_ 8019()函数完成网卡芯片RT L8019AS的上电初始化;send_fra me()函数完成以太网数据包的发送; rcve_fra me()函数完成以太网数据包的接收。以太网通信主程序流程如图2所示
。
图2 以太网通信主程序流程
F i g.2 M a i n flow of Ethernet co mm un i ca ti on
本设计中,RT L8019AS复位采用的是冷复位。某些特殊情况下，为了保证能够完全复位，可以使用下面的热复位代码。对NE_RESET地址的读操作，或者写入任何数，都引起网卡的复位。f or语句实现的时延是为了保证电源稳定和网卡自身的上
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・ 电 力 系 统 通 信 2007,28(181)
电完成。
f or(i=0;i<250;i++);
te mp=innic(NE_RESET);
f or(i=0;i<250;i++);
outnic(NE_RESET,te mp);
设置RT L8019AS的工作模式:
Page_Select(3,baseaddr);
outnic(reg01,(innic(reg01)|0xc0));/3 modify t o make8019int o write mode3/
outnic(reg06,0x80);/3clear power do wn mode3/
折叠桶
outnic(reg04,(innic(reg04)|0x80));/3 set I RQEN3/
完成了RT L8019AS的复位和工作模式的设置之后，需要对工作参数进行设置，使其开始工作。设置工作主要包括：收/发缓冲区的大小、写指针的位置、读指针的位置、发送配置寄存器、数据配置寄存器、中断屏蔽寄存器、多点播送的参数以及MAC 地址的设置等。
通过程序功能模块设定，可对时间、波特率、变比及电压、电流的上下限通过按键进行设定，并通过显示屏显示出来。当检测到的数据越过限定值时，系统能自动报警，发光二极管也随之亮起。操作人员只有在正确输入密码(可修改)后，才可进行设置的有关操作，否则，只能进行翻阅查看显示数据。
3 实验结果及系统误差分析
在系统整体调试完成之后，参考国家标准和电力行业的相关要求(见参考文献[2])，对它进行了一系列测试，结果如下:
(1)电压输入范围为0～400V(AC)，精度为0.5%;
(2)电流输入范围为0～5A，精度为0.5%;
(3)有功功率，最大功率为30M W，精度为1%;
(4)无功功率，最大值为30M W，精度为1%;
(5)频率，测量范围为45～55Hz，精度为0.1Hz。
通过分析查询大量资料及考虑电表实际运行中遇到的情况，系统误差主要来源于硬件电路和软件算法所产生的误差。
硬件电路的误差主要是电压互感器、电流互感器以及计量芯片ADE7758。互感器采用的是0.1级精度的互感器,AD E7758的有效误差小于0.1%。综合上述误差，硬件电路所产生的总误差为1.001×1.001-1=0.2001%。
软件算法误差主要是微处理器完成计量芯片ADE7758内部寄存器数值转换产生的，这部分误差主要取决于处理器的字长、采用频率能否跟踪电力系统频率的微小变化等因素。本装置选用8位微处理器，通过调整计量芯片的采样时间，可以将这一部分的误差大幅度减小。
综合软硬件误差，监测终端对电压和电流的测量可以实现0.5%，即0.5级的精度。
4 结束语
在实际运行过程中，本系统存在的关键问题是电量信号的采集、存储和处理以及把处理过的数据通过以太网的形式传输到上位机。为提高精度，对输入信号要做一定的处理；而对于通信部分，则对T CP/I P协议做了精简，避免了由于其过于庞大而造成的信息堵塞或传输延迟。本系统已通过测试，实际使用表明，此系统人机界面友好，测量精度高并且性能稳定，能实现以太网通信，总的运行效果较好。(ZH)
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郑安平(1964-)，男，河北承德人，副教授，主要研究方向为测控技术及电气传动。
罗丹羽(1981-)，女，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为电能测量与分析。
娄 艺(1983-)，女，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为电机故障检测。
pvc绝缘材料王瑞花(1982-)，女，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为无线网络。
闫艳梅(1978-)，女，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向为温度补偿算法。(下转第21页)
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・自动抄表・ 郑安平，等 嵌入式以太网通信的智能电表设计
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郭恩磊(1978-)，男，山东冠县人，硕士研究生，主要研究方向为电力系统运行与控制、计算机在电力系统监控中的应用。
徐建政(1956-)，男，山东淄博人，教授，主要研究方向为电力系统运行与控制、计算机在电力系统监控中的应用。
M odern comm un i ca ti on technology i n rem ote automa ti c
m eter read i n g system
G UO En 2lei,XU J ian 2zheng
(School of Electrical Engineering,Shandong University,J inan 250061,China )活动顶尖
Abstract:This paper summarizes the characteristics of vari ous communicati on technol ogies at p resent,points out the i m portance of selecting the reas onable communicati on modes f or aut omatic meter reading system.Some communicati on sche mes f or different AMR syste m are als o p resented in the paper .
ito粉
Key words:remote aut omatic meter reading;modern communicati on technol ogy;sche me
(上接第17页)
D esi gn of i n telli gen t electr i c power m eter ba sed on
em bedded Ethernet comm un i ca ti on
ZHEN G A n 2ping,LUO D an 2yu,LOU Y i,WAN G Rui 2hua,YAN Yan 2m ei
(Zhengzhou I nstitute of L ight I ndustry,Zhengzhou 450003,China )
Abstract:The three 2phase intelligent electric power meter syste m based on e mbedded Ethernet communicati on and ST C89C51RD +single chi p can realize the functi ons of p recise measure ment,para meters setting,LCD dis p lay,aut omatic alar m and Ethernet com 2municati on .This paper intr oduces the integral design sche me and the selecti on of the key chi p set,describes the design of the circuit modules and the feasibility of e mbedded Ethernet technol ogy app lied t o the syste m.Key words:STC89C51RD +;three 2phase intelligent electric meter;e mbedded Ethernet
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12・ ・自动抄表・ 郭恩磊，等 远程自动抄表系统中的现代通信技术
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