毕业设计（论文）-基于ARM和载波通信的远程用电采集集中器硬件设计.doc

- - 基于 ARM 和载波通信的远程用电采集集中器硬件设计 摘 要 由于我国智能电网的发展十分迅速，旧的抄表收费管理方式己经落后。本文在查 阅了大量国内外相关资料后、结合实际工作，提出了一种运用低压电力线载波通信的 新型远程用电采集系统。该系统分为 3 个层次，即主机、集中器和载波智能表表，本 文重点分析研究了集中器硬件组成以及通信。 本文首先分析了远程用电采集系统的通信方式；重点讨论了无线通信和载波通信 的应用；深入研究了 ARM(Acorn RISC Machine)微处理器各模块以及载波模块和无线 通信模块的设计。在此基础上，采用 ARM 微处理器和载波模块实现了远程用电采集系 统中集中器与终端载波智能表之间可靠的数据传输，而无线通讯模块则保证了主站与 集中器之间的双向通讯。集中器是连接主机与载波智能表之间的关键，起着上下联系 的作用。根据国家电网公司标准规定的集中器的主要功能及性能指标要求，本文重点 研究设计了集中器的硬件组成。其中硬件组成主要包括主控制器、存储器模块、时钟 模块、电源模块、LCD 显示模块、载波通信模块、无线通信模块等。 关键词：ARM，电力线载波，集中器，远程用电采集系统 - I - I Hardware Design of the Concentrator based on Power Line Communication and ARM ABSTRACT With the rapid development of Smart Grid of our country, the traditional ways of meter reading can not satisfy the demand any more. Based on the vast collecting and consulting of the concerned information of the electricity information collection system of inland and abroad ，also and the experience in the work, a new electricity information collection system adopting carrier communication technology of the low-voltage power line communication (PLC) had been proposed in this paper. It had network structure of three layers，i.e. the computer administrative system，the concentrator and the carrier meter. Especially I analyses the structure of the concentrator and the communication between them. First of all, First of all, the communication mode of the electricity information collection system was analyzed. Secondly, the wireless communication technology and the PLC were emphatically discussed. Thirdly， the modules of the ARM(Acorn RISC Machine) and the wireless module and the PLC module were deeply studied. Based on this，the reliable data transmission between the concentrator and the terminal signal carrier ammeter was realized by ARM and the PLC module. Being the heart of the automatic meter reading system，the concentrator connected the computer with the terminal carrier meter. The hardware system of the concentrator was emphatically designed according to the main functions and the demands for performance targets of the concentrator stated in the power trade standard of PRC. It was mainly composed of MCU，external expanded RAM，clock module, power module，LCD module，the computer communication interface circuit and the PLC communication circuit together with its peripheral circuits KEYWORDS：ARM, carrier power line, concentrator, electricity information collection system - - 目 录 摘 要.III ABSTRACT .IV 第 1 章 绪论.5 1.1 课题的提出和意义.5 1.2 国内外研究现状和动态.5 1.3 课题的可行性分析.5 1.4 本文的主要任务.6 第 2 章 用电采集系统总体设计.7 2.1 用电采集系统总体结构设计.7 2.2 集中器上下通讯的选择.7 2.2.1 通讯方式对比.7 2.2.2 载波若干种技术对比.9 2.2.3 无线若干种技术对比.11 2.3 通讯规约.12 2.3.1 电力载波居民集抄系统集中器上行通信规约.12 2.3.2 多功能电能表与终端通信的协议.17 2.3.3GPRS 集中器通讯规约.19 2.4 系统总体方案确定.19 25 本章小结.21 第 3 章 用电采集系统远程抄表系统各功能模块设计.22 3.1 用电采集系统远程抄表系统集中器的硬件设计.22 3.1.1 集中器的功能及技术指标.22 3.1.2 集中器的结构框图.22 3.2 集中器各功能模块设计.23 3.2.1 主控器的选型.23 3.2.2 时钟模快电路设计.26 3.2.3 复位模块电路设计.26 3.2.4 电源电路模块设计.27 3.2.5 存储器电路设计.28 3.2.6 LCD 接口电路设计.31 - I - I 3.2.7 电能计量模块.33 3.2.7 其他电路的设计.37 3.2.2 集中器电力线载波通信模块设计.40 3.2.3 GPRS 通信模块.51 3.4 本章小结.52 第 4 章集中器各种功能流程的简单介绍.54 4.1GPRS 通讯任务的建立.54 4.2 自动抄表任务的实现.55 4.3 载波抄表任务的实现.55 4.4 本章小结.57 结论.58 致 谢.59 个人简历.60 参 考 文 献.61 - 2 - 2 第 1 章 绪论 1.1 课题的提出和意义 随着中国城镇化建设和智能电网的建设，传统的抄表收费方式已经不能满 足供电企业信息化的要求，主要表现在一下几方面： 1、智能表的推广和高楼层的建设，使得抄表员的劳动强度大幅提高。 2、抄表工作中，人为干预的因素明显，存在估抄、漏抄和错抄现象，供电 企业不能了解用户用电的实际情况，给供电企业的电费核算和用电稽查增 加困难。 3、随着阶梯电价和峰谷电价的执行，供电企业对用电信息（如电能需量、 分时电量和负荷曲线等）的掌握变得极其重要。 远程用电采集系统是指采用先进的通信和计算机网络技术自动获取和处理 电能表数据的系统。发展用电采集系统远程自动抄表技术是提高供电企业管理 水平的需要，也是科技迅速发展的必然需要。采用自动抄表技术，不仅能节约 人力资源，而且是提高抄表的准确性，减少人为估抄、漏抄和错抄的有效手段， 使供电企业能及时准确获得数据信息，快速出账，实现对线损、设备和用户的 实时监控。自动抄表为实现上述需求提供了切实可行的技术手段。 1.2 国内外研究现状和动态 近年来，智能电网已经成为全球电力能源发展的新趋势，包括美、日在内 的许多发达国家把智能电网战略提升到了国家战略的高度。作为智能电网的重 要组成部分，智能抄表技术的研究工作已经取得了很大的成果。以色列尤尼克 （Unique）技术公司开发了collector集中抄表系统，利用现有的电网和电表，以 电力线作为信息传递媒介，建立数据采集通信系统，通过线载波技术将信息远 距离传送。而由英国自动化仪表公司本部策划，组织杭州沃制电力有限公司研 制的IC 系列电表，可按用户需要接上通迅接口，利用RS485 接口，零电压 脉冲继电器输出或420MA 线性进行远程监测。德DTech 公司则此专门开发 了SMI 专用模块，用于电子式电能表的数据采集，以400 脉冲/度或800 脉冲/ 度向外输出数据1。在国内，虽然我国对智能抄表技术的研究起步较晚，但是 发展速度很快。目前，国内生产智能抄表的厂家超过150 家。通过电力工业部 电力设备及仪表检测中心检测的厂家接近100 家，受理的专利超过165 项。据 不完全统计，安装的智能抄表用户超过250 万户，抄表技术多样公：总线、载 波、红外、工频、超窄带（UNB） 。抄表方式多样化：单表、多表。系统功能 逐步完善，除抄表外，还具有线损统计、用电考核、远程控制、自动收费并与 银行联网等。 1.3 课题的可行性分析 本课题所设计的用电采集系统主要的难点是设计 ARM 电路以及解决集中 - 3 - 3 器与主站和智能表的通讯技术，随着载波调制和解调技术被应用到在低压电力 线载波通讯中，在一定的通信距离内，抄表的成功率可以达到 99%以上， ；而无 线通讯技术的发展，己经日新月异，基本上不存在任何问题。因此，本文设计 的用电采集系统在技术层面来讲是可行的。在经济实用性方面，本课题设计的 用电采集系统的优势十分明显，本系统在设计中所采用处理器为功能强大、扩 展丰富的 ARM 微处理器，通讯媒介是天然的低压电力线网络和通讯商的无线 网络，即节省了通讯设施的铺设成本，又降低了维护成本。综合以上两个方面， 可见本课题所设计的用电采集系统是完全切实可行的。 1.4 本文的主要任务 本课题是在总结前人的用电采集系统的基础上，结合实际工作情况，设计 出一种经济实用的用电采集系统。该系统的核心设备便是集中器，集中器即可 以当做关口的电能表使用，采用交流采样方式；又可以通过安装可插拔式的载 波模块，实现对台区的低压智能表的抄取，载波芯片使用青岛东软公司的 PLCI38IV 芯片；上层通讯采用无线公网。本文中首先对集中器的各功能模块 进行电路设计，然后对载波模块和无线通信模块进行设计，最后对模块的工作 流程进行了简单的介绍。 - 4 - 4 第 2 章 用电采集系统总体设计 2.1 用电采集系统总体结构设计 用电采集系统是一个集抄表、传输以及通讯监测等功能的完整的控制体系， 最上层的大脑即主站，由各种服务器组成，配备管理软件，实现数据的读取、 用电情况的统计等功能。 中间层应该有一个中转站即“集中器” ，集中器的配置应该综合考虑台区 中变压器的个数，最关键的技术就是集中器如何实现与上层和下层的数据传输 和通讯。 最底层为智能表，随着国家智能电网战略的实施，智能表的推广为远程用 电采集创造了条件。 2.2 集中器上下通讯的选择 2.2.1 通讯方式对比 表 2-1 有线通讯的主要方式 序号通讯方法成本优点缺点 1485 终端成本最低 集中器和采集器成本不高 布线成本高 综合成本：高 通讯实时性好 需布线 易接错线 线长时易受雷击影响 日常维护工作量大 2M-Bus 终端成本中等 集中器和采集器成本不高 布线成本高 综合成本：高 通讯实时性好 需布线 成本比 485 高 日常维护工作量大 3 公用网例如各种宽 带接入(ADSL 等) 终端成本较高 网络及集中器投入一般， 无通讯网络成本建设 需日常维护费用 综合成本：高 通讯稳定 日常维护费高 终端成本较高 需布线 4 载波 终端成本中等 集中器和采集器成本不高 无布线 综合成本：中下 免布线 成本适中 通讯效果不稳定，实时性 差 表 2-2 无线通讯的方法 序号通讯方法成本优点缺点 1 公用网例如移动，终端成本较高通讯稳定日常维护费高 - 5 - 5 联通等网络及集中器投入一般， 无通讯网络成本建设 需日常维护费用 无布线 综合成本：高 终端成本较高 2 带基站的企业网 终端成本较高 有通讯网络成本建设 日常维护费用低廉 无布线 综合成本：高 通讯稳定 日常维护无需交费 需一次性基础建设投入 终端成本较高 3 Zigbee 等不带基站 的无线自组网 终端成本中等 无通讯网络费用 无布线 综合成本：中等 成本中等 日常维护不需要交费 通讯效果不稳定，实时性 差 由于 485 和 M-Bus 组较远距离网络存在施工复杂，易受气候以及环境影响 等问题，使得这 2 种通讯方式独立组网的方式已经几乎被排除在终极解决方案 以外。目前国内外技术研发的重点都集中在载波和无线通讯 2 个领域。以上图 表中成本和性能之间存在对应关系，较低成本的网络性能也会差一些， 为了更 仔细地探讨哪种方式更适合电力 AMR 项目， 我们在下两个部分对这 2 个领域的 技术做仔细的分类。 - 6 - 6 2.2.2 载波若干种技术对比 电力线作为一种通信传输介质，具有可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声 以及等幅振荡波干扰等不利于数据传输的特性。 从使用的带宽角度来说，电力线载波通信分为宽带电力线载波通信和窄带 电力线载波通信。所谓电力线宽带 （Broadband over Power Line，BPL）通信 技术就是指带宽限定在 230MHz 之间、通信速率通常在 1Mbits 以上的电力 线载波通信技术，它多采用各种扩频通信技术，是目前研究“四网（宽带数据 网、电话网、有线电视网和低压配电网）融合”的关键技术之一。所谓窄带电 力线载波通信技术就是指带宽限定在 3500kHz、通信速率小于 1Mbits 的电 力线载波通信技术，它多采用普通的 PSK 技术、DSSS 技术和线性调频 Chirp 技术等。 从技术发展的角度来说，电力线载波通信分为传统的频带传输技术和目前 流行的扩频通信（Spread Spectrum Communication，SSC）技术：所谓频带传输 就是用载波调制的方法将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上。 其基本的调制方式分为幅值键控（ASK） 、频率键控（PSK）和相位键控 （PSK）以及相关派生调制技术。传统的载波通信原理的最大的弱点就是去噪 能力有限；所谓扩展频谱通信是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度 远大于所传信息必需的最小带宽，频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现 的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩 及恢复所传信息数据。目前电力线载波通信常用的扩频技术主要有：直接序列 扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS） 、线性调频（Chirp）和正交频 分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等。此外，跳频 （Frequency Hopping，FH） ，跳时（Time Hopping，TH）以及上述各种方式的 组合扩频技术也较为常用。 通过以下图表 2-3 对照，我们可以了解到：成本较高，网络技术完善的载 波抄表技术，实时通讯的抄收成功率会好一些，通讯速率也更快速。 - 7 - 7 表 2-3 载波抄表技术比较 厂家 1厂家 2厂家 3厂家 4厂家 5 载波方式 PSK 相位调制技术 加直序扩频 PSK 相位调制 技术加直序扩 频 FSK 频率调制 技术加直序扩 频 BPSK 加智能跳 频技术 MCM 多载波技术，每 个码元四个频点 频点 270Khz120Khz 67.2-87.1 150KHZ 60-90khz 110- 140khz 15khz-150khz 载波速率 300BPS500BPS600/1200BPS5400BPS2400BPS 自动上报功能无无无有有 抗干同频干扰性一般一般一般较好好 路由技术简单简单简单完善简单 网络技术 支持网络通讯 3 层协议 支持网络通讯 3 层协议 支持网络通讯 3 层协议 支持网络通讯 7 层协议 支持网络通讯 3 层协 议 推广度大大大国外多欧洲采用 成本低低中高高 优点成本成本成本实时性抗干扰 缺点速度，抗干扰能力成本 通讯效果 网络负载重的情况下很难抄回，每天一次的抄到率尚 可。 可以满足 24 小时一次的抄表要求。不能完成实 时控制 抗干扰能力强。实时性好一些。可以满 足 20 分钟内的抄表要求。实时控制能 力不确定。 - 8 - 8 2.2.3 无线若干种技术对比 本部分只罗列被广泛研究的无线通讯技术。 带基站的技术的好处一定是功率大，穿透能力强，通讯稳定。 表 2-4 通讯技术 序号通讯技术频点覆盖范围典型应用优点缺点 300-500m 1PHS1.9G 1km 小灵通 没有合适的频段 终端成本和设备成本都较高 300m 2Wifi 2.4G 5.8G500m 无线上网 卡 公用频段 成本高 覆盖范围太少 3GSM 450M 900M 1800M 1900M 10km 移动 通讯稳定 设备供应 商众多 频点需要申请 4CDMA870M10km 联通通讯效果没有 GSM 好 1880M 2010M 10-30km3G 通讯稳定 成本高 5SCDMA 450M30km 大灵通 覆盖范围 最宽 设备供应商太少 通过上表 2-4 与下表 2-5 比较，我们可以发现，带基站的通讯技术，特别 是 GPRS/CDMA 等成熟的通讯技术，可以完成实时通讯和远程控制，但是如果 是自己建设网络，一次性的投入比较大。如果是采取公网，日常维护的费用比 较大。其中还有另外一个很大的缺点是频点需要事先申请 在日本，目前在讨论，被电信废弃的 PHS(小灵通)网络是否可以被转为自 动抄表应用。在美国，最大的抄表公司 Itron 也是采用的带基站的无线抄表模式。 而不带基站的通讯技术，特别是其中的佼佼者 Zigbee 或者 ISM 技术，采取 的是公共频段，设备成本也低廉。 但是由于传送信号弱，目前阶段不能有效解 决穿墙问题，抗干扰能力也很差，所以通讯效果和载波差不多，都存在不能实 现时时通讯以及远程控制的问题。 由于无线通讯技术已经被广泛使用，所以在终端方面，成本并不高昂，只 是如果要达到较好的通讯效果，网络的建设需要进一步的投入，摊到每个表上， 成本就会高一些。 - 9 - 9 表 2-5 不带基站的无线通讯技术 序号通讯技术覆盖范围联网能力典型应用优点缺点 1 红外技术 (IR) 视距以内， 中间无障碍 物 无遥控器成本通讯距离 2433M RF 自由空间 200m 无 汽车门锁 对讲 成本 联网能力 公共频段，易受干扰 3 蓝牙 10 到 100 米 间 非网状耳机快速覆盖距离 4Wi-Fi 困难无线上网极高数据率 功耗 覆盖距离 比较昂贵 5UWB 小于 10 米无 视频和高速 数据(USB) 解决方案 速度极高覆盖距离 6Zigbee 户外最大覆 盖距离为 400 米,室内 最大覆盖距 离在 30 米。 网状家庭自动化 成本低 低功耗 穿墙问题，最多只能穿透 一堵墙 2.3 通讯规约 2.3.1 电力载波居民集抄系统集中器上行通信规约 电力载波居民集抄系统集中器上行通信规约为 DLT/698 规约。 （1）帧格式 1）帧格式定义 本标准采用 GB/T18657.1 的 6.2.4 条 FT1.2 异步式传输帧格式，定义见表 2-6： 表 2-6 帧格式 起始字符（68H） 长度 L固定长度 长度 L的报文头 - 10 - 10 起始字符（68H） 控制域 C控制域 地址域 A地址域 链路用户数据 链路用户数据 （应用层） 用户 数据区 校验和 CS帧校验和 结束字符（16H） 帧格式 2)传输规则 一般情况下线路在闲暇状态时会采用二进制。 另外帧的字符之间也有一定的间隔，同时两帧之间在闲暇时期会有最低 33 位。 如果出现了错误，那么两帧之间就会有将近 33 位线路。 帧校验一般情况下会和（CS）使用同一种八位八组的算法来进行，不会对 过多的进位。 一般情况下会采用效验的方法来进行： 在每一个字符中，都会进行启动位以及定位的效验。 对于每帧： 在效验帧中，固定的文头都会和所规定的字符达成相应的协议，并进行标 识； 对两个长度的 L 进行识别； 每个帧的接收长度数据都为 L1+8； 帧校验和； 字符的结束； 当效验出现一定差错时，效验线路都会有一定的空闲间隔； 如果这些效验出现差错，那么久应该对此舍弃；如果没有差错，那么这种 帧的数据还是有效的。 (2)链路层 1)长度 L 长度 L 包括协议.标识和用户数据长度，由 2 字节组成，如表 2-7： 表 2-7 D7D6D5D4D3D2D1D0 D15D14D13D12D11D10D9D8 长度的定义 - 11 - 11 在这些协议标识中，D0D1 两位编码都是有自身定义的： 这种形式主要为禁用状态； 主要是为电力负荷的系统数据； 在本协议的使用过程中； D0=1、D1=1，主要为保留状态。 在这些数据的长度中，主要为 L1：这些主要由 D2D15 来进行组合，在采 用 BIN 编码的过程中，主要是对地址以及所用的数据来进行对字节的划分。 主要运用了无线信道，一般情况下其长度会不大于 225； 另外还采用了网络上的传输，其值一般小于 16383。 2)控制域 C 控制域 C 表示报文传输方向和所提供的传输服务类型的信息，定义表 2- 8： 表 2-8 控制字定义 D7D6D5D4D3D0 下行方向帧计数位 FCB帧计数有效位 FCV 上行方向 传输方向位 DIR 启动标志位 PRM 要求访问位 ACD保留 功能码 a）传输的方位 DIR=0：这类帧主要包括了报文的行情，主要是对下行报文进行传输。 b)标志位的启动 PRM =1：这种帧主要是通过报文来进行输送。PRM =0：是指从动站。 c) 在帧计数中，帧计数的有效位主要是用来运输的。一般情况下，FCB 表 示连续性的发送，同时还可以确认出服务是否响应。FCB 主要是防止信息运输 的主要状况和重复情况。 从一个从东站向另一个启动站输送响应时，将会使 FCB 取相反值。在启动 站中，FCB 值会根据启动站来进行调配。但是长时间没有收到相应的报文，同 时在接收中也出现了一些差错。启动站这种不改变的状态也会直接影响到原来 的发送以及相应的服务。 在复位命令中，一般会进行 FCB=0 的状态。 d) 在请求访问中，CAD 会出现一些错位。 在上行响应文件中，主要会用到 ACD=1，它主要表示的是一个相对比较重 要的采访形式，另外在信息域中也会带有相应的计数器；ACD=0 的主要应用是 从无事件数据来进行划分。 ACD 主要还设有“1”和置“0”的状态： 在上次的报文中，新的重要事件是比较重要的一个形式，其位置为 - 12 - 12 1； 在这些主站请求过程中，还要针对报文来进行执行。 e) 帧数的有效位还应该在 FCV 中来实现。 FCV=1：在表示一些 FCB 应用中，还要对此施行有效 或者无效的确定。 f) 功能码 在启动标识中，还要对定义进行体现。 表 2-9 功能码定义（PRM=1） 功能码帧类型服务功能 0 备用 1 发送确认复位命令 23 备用 4 发送无回答用户数据 58 备用 9 请求响应帧链路测试 10 请求响应帧请求 1 级数据 11 请求响应帧请求 2 级数据 1215 备用 当启动标志位 PRM =0 时，功能码定义见表 2-10： 表 2-10 功能码定义（PRM=0） 功能码帧类型服务功能 0 确认认可 17 备用 8 响应帧用户数据 9 响应帧否认：无所召唤的数据 10 备用 11 响应帧链路状态 1215 备用 本标准规定： 启动站功能码 10（请求 1 级数据）用于应用层请求确认（CON=1）的 链路传输，应用层请求确认标志见本标准。 启动站功能码 11（请求 2 级数据）用于应用层请求数据的链路传输。 3)地址域 A a)地址域格式 地址域由行政区划码 A1、终端地址 A2、主站地址和组地址标志 A3 组成， - 13 - 13 格式见表 2-11： 表 2-11 地址域格式 地址域数据格式字节数 行政区划码 A1 BCD2 终端地址 A2 BIN2 主站地址和组地址标志 A3 BIN1 b) 行政区划码 A1 行政区划码按 GB2260-91 的规定执行。 c) 终端地址 A2 在终端地址的分类中，其 A2 的选址范围主要在 1 到 65535。在无效的地址 中，A3 的定位还会出现一些偏差。也可以用 1 来进行标识。 d) 在主站地址中，主要是地址标识 A3 的 D0 位中，主要为地址的标志，D0=0 终端地址为 A2,因此这一组数据 为 0127 个主站。 在这些主站中，一定呀发送帧来对 MSA 进行设置，并让其一直处于非零 值的状态来发送正确的 MSA。 在终端启动中，还要对 MSA 进行一定的校准。 e) 帧校验和 帧校验在用户区域中，还要对算术产生一定的数据分析和链路的变化。 (3)应用层 表 2-12 应用层（链路用户数据）格式 应用层功能码 AFN 帧序列域 SEQ 数据单元标识 1 数据单元 1 数据单元标识 n 数据单元 n 附加信息域 AUX 应用层定义 应用层功能码 AFN 应用层功能码 AFN 由一字节组成，采用二进制编码表示，具体定义见表 2- 13： 表 2-13 应用层功能码定义 - 14 - 14 应用功能码 AFN应用功能定义 00H 确认否认 01H 复位 02H 链路接口检测 03H 中继站命令 04H 设置参数 05H 控制命令 06H 身份认证及密钥协商 07H 备用 08H 请求被级联终端主动上报 09H 请求终端配置 0AH 查询参数 0BH 请求任务数据 0CH 请求 1 类数据（实时数据） 0DH 请求 2 类数据（历史数据） 0EH 请求 3 类数据（事件数据） 0FH 文件传输 10H 数据转发 11HFFH 备用 帧序列域 SEQ 在帧序列中，还要根据传输的变化来进行有规则的传输，由于这些长度的 限制。一些具体的数据将无法进行传输和分类，在每帧数据中，还要建立相应 的处理变化表现形式。 表 2-14 SEQ 定义 D7D6D5D4D3-D0 TpVFIRFINCONPSEQRSEQ 2.3.2 多功能电能表与终端通信的协议 多功能电能表与终端通信的协议为 DL/45-07 规约。帧地址如图所示，下面 对该协议进行简要说明。 （1）应用功能 645-07 协议是多功能电能表与终端通信的协议，与 97 规约 相似但不是对 97 规约的扩充与升级，很多内容并不与 97 规约相兼容。 表 2-15 帧格式 起始字符（68H） 地址域 A 起始字符（68H） 控制域 C 长度 L - 15 - 15 链路用户数据 校验和 CS 结束字符（16H） （2）地址域 A 为 6 字节 BCD 码的表地址 （3）控制码 C 图 2-1 控制码 C （4）数据长度 L 读数据时 L 小于等于 200，写数据时 L 小于等于 50，L=0 表示无数据域。 （5）数据域 DATA 数据域中的数据结构随着控制码的不同而改变。传输时发送方对每字节 进行加 33H 处理，接收方进行减 33H 处理(余 3 码)。 （6）校验码 CS 从起始符到校验码之前的所有数据的二进制算术和。 （7）一般在发送帧数据之前先发送 4 个字节的 FEH，以唤醒接收方。 （8）数据域的重要成员：数据标识 数据标识用四个字节 DI3DI2DI1DI0 区分不同数据项目，协议中规定了 - 16 - 16 各种数据标识码对应的电表操作功能，终端通过下发不同数据表示的帧来实现 对电表的不同操作。 （9）数据类型分为七类：电能量、最大需量及发生时间、变量、事件记录、 参变量、冻结量、负荷记录。 2.3.3GPRS 集中器通讯规约 一般用于与主站远程通信，通过 GPRS 模块采用 AT 指令集实现通信 AT 指令集是从终端设备或数据终端设备向终端适配器发送的。 AT 指令以 AT 开头，后面是命令，还可以搭配参数，指令会有返回值。 例如：网络同步信号灯控制： 命令：AT$MYSOCKETLED=1 返回值：OK 2.4 系统总体方案确定 在我们确定了通信标准之后，就可以对整个系统进行设计了。图 2-1 是用 电采集系统的结构示意图，系统以供电局的计算机抄表中心为主站，以电力变 压器 10KV/380V 供电的每个小区为相对独立的子系统，在这些子系统中，集中 器又相当于主站，电能表为从站。多个用户的电表数据，通过载波模块的调制 解调，并经 22OV 低压电力网用载波方式送到集中器，集中器再通过无线公网把 数据传送到供电局的主站。 由系统结构示意图可知，用电采集系统是将电表数据从下而上逐级传送完 成，也可以根据实际情况的需要进行数据双向传输，该系统可分为四个主要组 成部分： (1) 智能电能表； (2) 载波模块； (3) 集中器； (4) 主站。 - 17 - 17 图 2-2 抄表系统各组成 抄表系统各组成部分的功能是: (1) 智能电能表 为实现电能表的远程采集，智能电能表除了能够保存符合采集需要的各种 数据，还应具有将各种数据进行调制的载波模块。 (2)载波模块 载波模块实际上是智能表和数据集中器中间的一个桥梁，它的主要功能在 于同时对多个用户电能表的数据，并进行调制和解调，送到集中器上。 (4)集中器 集中器是安装在小区的配电站区的，它的功能是向采集器发出命令，抄收 计费终端的数据，然后再通过无线传送给远方的主站；集中器能够接收的主站 的命令，并把相关命令再转发给辖区内的智能表。此外，集中器还可以定时抄 收计费终端的数据，并把抄收到的数据存储到数据存储器中。 (5) 主站 通过通信网对集中器送来的电量数据进行分类和储存、校对抄录时间、设 置用户编号和抄表时间、发布抄录命令以及统计和计价、为收取电费、线损计 - 18 - 18 算、负荷控制提供服务。 25本章小结 本章阐述了用电采集系统的功能目标和设计原则，提出采集系统的总体结 构图，并分别阐述了智能电能表、载波模块、集中器、主站在系统中的位置、 功能以及设计构想。 第 3 章 用电采集系统远程抄表系统各功能模块设计 3.1 用电采集系统远程抄表系统集中器的硬件设计 集中器是安装在小区供电变压器低压侧，作为载波抄表系统的中心环节， 是整个系统的核心，是主站与用户电表之间的枢纽。 3.1.1 集中器的功能及技术指标 集中器作为电力线载波抄表的一部分，起着上传下达的作用。集中器的主 要功能有： (1) 采集功能 集中器可根据主站发出的抄表任务进行历史数据和实时数据的召测。 (2) 参数设置功能 - 19 - 19 可通过主战对集中器进行参数设置，包括小区所有电能表的端口号、波特 率以及表地址等。 (3) 通信功能 集中器通过无线公网实现和主战的双向通讯，实现数据的上传，任务的接 收。 (4) 数据处理 对电能表的数据（包括电压、电流、功率、表码等）进行整点冻结和储存。 (5) 校时功能 集中器可通过主机的标准时钟源进行系统校时，调整时间误差。 3.1.2 集中器的结构框图 集中器本身是由主控单元、数据库存储单元、时钟单元、载波通信单元、 数据传送通信单元等部分组成。集中器既要做主站的从机，又是载波智能表的 主机，其软、硬件的设计要求从根本上保证系统可靠、稳定。 主控器是集中器的核心，数据的采集、处理与传送都是在主控器的控制下 进行的，外部扩展存储模块和时钟模块。存储器主要用于存储参数、变量、集 中器自身的参数、所负责电表的参数以及电表电量等；实时时钟为集中器定时 抄表提供时间标准；集中器与主站之间通过通信模块进行通讯；集中器与载波 智能表之间通过载波模块进行数据的采集。集中器的组成结构框图如图 3-1 所 示。 - 20 - 20 图 3-l 集中器组成结构框图 3.2 集中器各功能模块设计 3.2.1 主控器的选型 随着科技的不断发展，微电子技术也在不断的更新，其电子技术已经相应 成熟。出现了一些性能更强，体积更小的的处理器，这些控制中，还会有一定 的标准形态和产品意识。在对性能的介绍中，储存形式以及控制手法都有一定 的依赖性，分布形式也有所