基于STM32的三相远程费控智能电能表的设计

1、基于STM32的三相远程费控智能电能表的设计姜涛 周志辉 （许继仪表公司 河南许昌 461000）摘要：本文介绍了以意法半导体（STMicroelectronics，简称ST）推出新款电能表芯片STM32100VCT6为控制核心，采用三相专用计量芯片ADE7878来实现三相远程费控智能电能表，给出了电能表系统总体功能框图、部分电路硬件原理图以及软件流程图。所设计的电能表具有高精度、低功耗、成本低、功能强的特点。关键词：STM32，智能电能表，消息，远程费控。Design of the network watt-hour meter based on GPRS communicationJian

2、gTao Zhou ZhiHui (XuJi Electric Energy Meter Company Henna Xuchang 461000, China)abstract: This paper introduces the ST (STMicroelectronics, referred to as ST) introduced a new energy meter chip STM32100VCT6 for the control of the core, three-phase metering IC ADE7878 to achieve the three-phase remo

3、te control smart meter costs, gives the overall system functional block diagram of the meter , part of the circuit schematic hardware and software flow chart. The design of the power meter with high accuracy, low power, low cost, high functionality features.Keywords: GPRS, network watt-hour meter, e

4、mbedded operation system, multi-task, message, link maintenance.0. 引言：随着国家电网公司对坚强智能电网建设的推动和电能表行业标准的发布，行业内已经也出现了各种类型的智能电能表。目前国内的三相智能电能表设计较多的是采用ARM7 TDMI作为控制核心，但是ARM7 TDMI性能以及资源上的不尽人意和较高的成本极大的影响了电能表厂家的发展，因此选择一款资源丰富且低成本的微处理器日益成为电能表行业的关注焦点。1. 设计方案根据三相远程费控智能电能表的功能和误差精度的需求，我们选用了ST公司推出的新款电能表芯片STM32100VCT6为

5、控制核心，由计量单元、采样信号调理单元、通信单元、存储单元、时钟单元、显示单元、电源管理单元、掉电检测单元等部分组成，具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能。在程序设计上除了完成数据快速处理工作以外，还针对系统非线性失真进行了修正和补偿。2. 硬件设计2.1. 系统结构框图三相远程费控智能电能表的系统框图如图1所示。2.2. 主要单元模块功能2.2.1 数据管理单元采用基于ARM Cortex-M3内核的32位微处理器STM32F100VCT6。Cortex-M3特别针对功耗和价格敏感的嵌入应用领域，同时具备高性能，它采用高效的哈佛结构三级流水线，达到1.25DMI

6、PS/MHz，在功耗上更是达0.06mW/MHz。Cortex-M3使用Thumb-2指令集，自动16/32位混合排列，具有很高的代码密度。STM32F100VCT6是ST公司在业界最先推出的基于ARM Cortex-M3内核产品，继承了Cortex-M3内核的优良血统，同时增加了ST高性能的外设资源，FLASH、SRAM存储器，丰富的串行通信接口，如IIC、SPI、USART、CAN、USB等，以及12位的ADC和DAC模块，支持外部存储器访问的灵活的静态存储器控制器FSMC，具有可嵌套的向量中断控制器可嵌套的向量中断控制器(NVIC)和60个可屏蔽中断且有个可屏蔽中断且有16个可编程优先级

7、程优先级。数据管理单元功能：综合各个单元返送的数据，生成用户需要的电能数据、需量数据、瞬时测量数据，完成对分时计费管理、用电事件管理、用户数据显示管理、历史数据管理、用户数据通讯管理等功能。2.2.2 采样计量单元AD7878芯片是ADI公司生产的一种高精度的三相电能测量专用芯片, 其设计指标超过了IEC1036规定的准确度要求。芯片的内部只有在A /D转换电路和基准源采用了模拟电路, 其它的电路设计都采用数字电路,使得其具有很强的抗干扰能力,在恶劣环境下仍能实现高精度和长期稳定的电能测量。电能计量单元对计量信号采样值进行处理，通过对采样值的积分和软件滤波运算获得电压、电流值，通过对采样值的乘

8、积运算获得对应的瞬时功率，然后通过对瞬时功率的积分，得到一段时间内的能量，通过傅立叶变换计算出基波电能及电压电流221次谐波含量数据。2.2.3 存储器由于与主站的上行通信应满足电力用户用电信息采集系统通信协议，需要存储规约要求的一类数据（实时数据）、二类数据（曲线数据、统计数据）和三类数据（事件），特别是曲线数据要求存储的数据量大，因此采用大容量的flash存储器来存储二类和三类数据，铁电存储器由于可无限制的擦写，所以用来存储需要经常更新的实时数据和设置参数。存储器与MPU的接口为SPI接口。2.2.4 串行接口和JTAG仿真端口232串行口、红外通信口可实现模块参数的本地设置和维护，其中2

9、32串口可实现对啊GPRS模块状态的监测，通过485串行口可抄读满足电力用户用电信息采集系统通信协议的数据；JTAG仿真端口可对ARM处理器进行仿真和程序烧写。2.2.5 LED指示LED指示灯用来指示模块的电源状态、模块登陆状态、网络通信状态及保电状态等。2.2.6 三相电能表三相电能表实现电能量及电压电流等数据的采集与计算。它与MPU通过一个串行口连接，通信规约满足DT/L645协议，模块定时抄读三相表数据，包括电量、需量、电压、电流等实时数据，并将抄读到的数据进行转换和存储，以满足主站对模块的访问要求。3. 软件设计 3.1. 总体架构：软件设计基于uCOS嵌入式操作系统的多任务设计，整

10、体架构如图2。系统软件包括：主任务、上行任务、下行任务、模拟串口任务、事件处理任务和控制处理任务。3.1.1 主任务实现全局变量初始化，硬件环境初始化，信号量和消息队列的建立，其他任务的创建和启动、键盘扫描、系统时间和定时处理、复位处理等功能。3.1.2 上行任务上行任务实现GPRS通信链路的建立、维护及与主站的数据交换，包括链路维护、数据收发、协议解析等功能。3.1.3 下行任务实现对基表数据的定时抄读、数据处理、数据存储、数据的转发等功能。3.1.4 模拟串口管理任务由于系统须实现上行通信端口、下行通信端口、485通信端口、232通信端口和红外通信端口五个串行通信口，而LPC2138内部只

11、有两个串行口，所以必须要对串口进行扩展，在此用软件来模拟串口通信实现串口的扩展，因此建立一个模拟串口管理任务，专门管理下行抄表模拟串口、红外通信模拟串口和调试模拟串口。3.1.5 事件处理任务事件处理任务处理系统发生的各类事件，包括事件记录、事件上报等。3.1.6 控制任务控制任务执行一些控制操作，包括预购电控制、保电控制、告警控制等。3.1.7 任务间的通讯任务与任务之间数据传递通过消息发送和接收来实现，消息结构为：typedef struct INT8U type; /消息类型 INT8U bPara; /消息参数1 INT16U wPara; /消息参数2 INT32U lPara; /

12、消息附加信息MSG;消息传递函数定义为：MSG* getTaskMessage(void); /获得消息void msgToTask(uint8 taskID, MSG *msg) ;/往任务发送消息，askID：_目的任务标识，msg_：消息指针。3.2. 软件模块实现流程软件采用模块化设计，每个任务包含不同的功能模块，由于系统包含模块较多，在此只给出主任务模块流程图及上行任务中的GPRS链路维护模块流程图。3.2.1 主任务流程主任务程序流程如图3所示。3.2.2 GPRS链路维护流程上行任务中的链路维护模块包括：GPRS网络登陆、链路状态检测以及心跳维护等，其中GPRS网络登陆程序流程如

13、图4所示。在GPRS通信链路建立后，如果长时间无数据传输，则GPRS网络连接将被断开，所以必须在一定时间间隔内发一个心跳帧至主站，确认主站应答后说明链路状态正常。不同品牌GPRS模块的AT指令集不同，因此在编程之前必须熟悉相关GPRS模块的指令集，以实现链路的建立和维护。4. 结语本文介绍了基于STM32F100VCT6的三相远程费控智能电能表的软硬件设计。所设计电能表功能完善、成本较低、维护方便，已在国家电网公司成功应用，运行稳定，应用效果良好。参考文献1 国家电网公司. 电力用户用电信息采集系统通信协议S 国家电网公司：Q / GDW 376.1 20092 郑仲明. GPRS网络表需求说

14、明书R. 河南：许继仪表公司，2009.3 周志辉. GPRS网络表软件系统设计R 河南：许继仪表公司，2009.4 周立功等. ARM微控制器基础与实践M. 北京：航空航天大学出版社， 2003.5 吴永忠. 嵌入式实时操作系统uC/OS-II教程M. 西安：西安电子科技大学出版社，2007. 6 杜娟; 凌玉华; 廖力清. 基于GPRS无线通信的配变自动化系统研究J. 电子设计工程,2006，233.7 常云,许庆洲,刘萍. GPRS在电能计量远抄系统中的应用J 电测与仪表 2005.18 张海蓉. GPRS网络电能表及其在配变远程监控系统中的应用J. 青海电力，2008，27(1).9 陈壮奕. 基于GPRS的电能远程抄表系统的设计与实现J. 广东电力，2006.19(1)10 褚世涛. 基于GPRS无线通信技术的电力自动抄表系统EB/OL. 中国工控网，2010.7.20，11 罗 文,王莉娜,肖 鲲. 基于GPRS的嵌入式系统远程监控和升级EB/OL. 飞象网，2010