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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 communic
2、ationJiangTao 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-p
3、hase remote 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
4、 meter, embedded 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
5、芯片 STM32100VCT6 为控制核心，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。电压采样调理电流采样调理计量单元电源管理单元主电源数据管理单元双路R S 4 8 5通讯单元存储单元时钟单元按键 / 显示单元全失压检测单元看门狗温度传感U a、U b、U cI a、I b、I c采样信号调理单元红
6、外通讯单元掉电检测单元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 1.25DMIPS/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
7、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
8、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
9、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 232 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
10、 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，整体架构如图 2。硬 件 驱 动 层应用接口操作系统 （ u C / O S - I I ）主 任 务键 盘 扫 描上 行 启 动下 行 启 动系 统 时 间复 位上 行 任
11、务协 议 解 析数 据 收 发链 路 维 护应 用 层下 行 任 务定 时 抄 表数 据 处 理数 据 存 储数 据 转 发模 拟 串 口管 理 任 务调 试 接 口红 外 接 口控 制 处 理任 务消 息 处 理控 制 执 行事 件 处 理任 务消 息 处 理事 件 记 录抄 表 接 口消 息 处 理消 息 处 理消 息 处 理消 息 处 理图 2 总 体 架 构 框 图系统软件包括：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
12、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
13、，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 1INT16U wPara; /消息参数 2INT32U lPara; /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
14、，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。开始硬件参数及变量初始化初始化消息队列和信号量初始化创建上行 、 下行 、 控制 、 事件 、 模拟串口等任务等待消息是否有定时消息是否有掉电消息2 5 m s 定时 ？ 5 0 0 m s 定时 ？键盘扫描处理 L E D 指示灯处理掉电处理是是是是是 是否是否有复位消息是否有秒定时消息复位处理秒定时处理图 3 主任务流程图3.2.2 GPRS 链路维护
15、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图 4 所示。G P R S 模块开机或复位发 A T r返回 O K 否否延时到否 ？开始否是S I M 卡正常 ？否延时到否 ？否查询信号强度返回正确 ？否延时到否 ？否网络已注册 ？否延时到否 ？否设置 A P N 成功 ？否延时到否 ？否T C P 连接成功 ？否延时到否 ？否查链路状态正常 ？否延时到否 ？否发心跳或数据帧是是是是是是图 4 G P R S 链路维护 流程图在 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
16、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
