电力远程抄表系统设计远程抄表系统方案.docx

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电力远程抄表系统设计远程抄表系统方案

[电力远程抄表系统设计]远程抄表系统方案

电力远程抄表系统设计摘要随着国民经济和电力事业的迅速发展，一户一表制已基本普及，企业级的电力负荷监测、控制系统已在一些地区投入使用，取得了较好的效果。

但低压电力用户由于数量多，地域分布广，电力公司的抄表工作量相当大。

因此采用新的技术手段，利用本地和远程自动抄表技术，完成自动抄表并达到实时监控电能表计的目的，同时减少人工上门抄表、数据输入等繁杂又容易出错的劳动，提高工作效率，真正做到用电管理自动化，远程电力抄表系统就成为电力公司解决抄表问题的一种选择。

本文旨在提供一种低成本、高可靠地实现公共事业收费自动化和小区物业管理智能化的技术应用。

本文讨论了数据集中器的硬件设计，并对其各模块进行了设计与分析。

详细地介绍了远程电力抄表系统——集中器硬件设计的具体实现方案。

通过查阅相关资料和近几年的研究成果，此系统基本上可以实现远程电力抄表系统对用户电能表的远程数据采集、记录和实时监测的功能。

关键词：

硬件；

抄表系统；

集中器；

远程抄表；

目录摘要I第一章绪论11.自动抄表系统的研究背景及意义11.1研究背景11.2研究意义12.国内外远程自动抄表系统的发展及现状1第二章远程电力抄表系统的构成及功能22.1远程抄表系统的构成22.2.集中器工作原理22.2.1集中器原理图22.2.2．集中器各部分组成3第三章集中器硬件电路设计53.1CPU模块电路设计53.1.1NANDFLASH电路原理图53.1.2振荡电路设计63.1.3复位电路设计73.2LED触摸屏模块电路设计73.2.1触摸屏控制电路设计83.2.2LED液晶接口电路设计83.3RS232与RS485模块93.3.1RS232接口的介绍93.3.2RS485接口的介绍93.4电源电路设计10第四章PCB板设计114.1PCB板设计步骤114.1.1PCB板设计图124.2本章小结12第五章硬件调试及分析135.1整板电路测试135.2xxxx03ZET6芯片测试135.2.1复位管脚、晶振管脚、串口通信管脚测试135.2.2I/O口功能测试程序设计135.3串口电路测试14第六章总结与展望15参考文献16致谢17第一章绪论1.自动抄表系统的研究背景及意义1.1研究背景在如今这个自然能源严重短缺的社会，我们必须进行合理的电力利用，我们之前的查收电费的方式是人工上门查收，由查收员将数据收集整理，进行收费。

随着我国的飞速发展我国的电力事业也飞速发展，又出台了分用电方式计费，和分时间计费，用电规模日益加大，所以之前的人工抄表的方式所带来的弊端也越来越严重。

这些问题严重困扰电力部门，并成为制约有关部门的一个大难题，所以研究远程自动抄表系统也成为一个切实可行的方案。

1.2研究意义随着现在实一个单独的电表一家一户一个电表，以及对农村电表的改造，发展远程自动抄表技术是提高用户用电的管理水平，也是当今计算机发展的一个必经之路，计算机具有速度快精度高等的特点，而这些特点可以运用到远程抄表系统的设计中，降低抄表人员的工作强度，减少劳动力损耗，而且还可以降低容差率，减少漏电，远程自动抄表系统从根本上克服了传统的人工超表的各种弊端，远程自动抄表具有很多优势，比如:

1.使用电力远程抄表系统，不用再打扰居民，可以直接读取数据足不出户，就可以掌握居民的用电情况，方便用户，方便管理人员。

2.也随着每户一个电表和农村电网的改造，电表的数量在短时间内迅速增加，如果3.使用远程电力抄表系统可以加强对用电的管理，也能加强对不法份子窃电的整治，也能杜绝之前收电费难，整治一些钉子户，也能防止一些政府官员贪污腐败。

2.国内外远程自动抄表系统的发展及现状在100多年前，国家为了商业收费就已经开始了抄表工作，只不过在早期是有专门的抄表员挨家挨户进行抄表收费，来进行统计数据，分段计费解决了家庭用电和工业用电的差异，并且自动抄表系统可以使用手持终端抄表等无线全自动抄表，从古至今最常见的抄表方式有这几种：

人工抄表，手持终端人工抄表:

手持终端自动抄表:

自动抄表。

第二章远程电力抄表系统的构成及功能本章节主要介绍了远程自动超表系统的主要组成和原理，和集中器的工作原理和各个模块的主要功能。

2.1远程抄表系统的构成图2-1远程电力抄表系统框图如系统构成框图所示，使用用户载波表加载载波终端，就可以使用电力载波通信的使用以达到使用电量,电压和使用功率，用来记录数据，集中器捆绑在同一台配变器的电力线上，根据设计的数据进行分时记录数据，并且及时保存计算，主站计算机还可以通过电话网或者其他的通信对集中期发布指令，还可以远程更改设置，对集中器进行综合的抄收数据和整理，也可以对集中器下的任意一台电表进行断电控制。

从而可以实现自动远程抄表的目的，这一发展加强了国家对电网的控制，提高了社会经济效益，很大程度上减少了劳动力的使用，降低了成本，为以后电力管理和走向现代化水平打下了坚实的基础。

2.2.集中器工作原理2.2.1集中器原理图集中器在远程自动抄表系统中代表着人的脑子，电脑的cpu处于核心的地位，是整个通信抄表系统的核心，用来完成中心服务器与集中器通讯功能的串行通讯模块，可以实现集中器与采集器通讯功能的基于RS232接口，RS485接口两个接口电路模块，用来存储采集器传送过来的数据的Flash存储器，LCD和键盘用来对集巾器初始化和参数设置。

工作原理如图2-2所示。

图2-2集中器工作原理框图集中器根据已设置好的不同的抄表方案对各载波电表实现双向数据传送，具有内部硬时钟可与系统进行广播校时，并实施定时抄表命令，存储抄表数据，可通过各种网络媒介与主站完成数据交换。

集中器的作用是将配变台区载波电能表连成本地网络，能自动抄录数据采集终端及载波单表的数据，集中并存储。

通过抄表器或电话线将数据传输给电力局的计算机中心。

2.2.2．集中器各部分组成数据集中器是由CPU,RAM、直流电源、指示电路及接口组成，是通过载波接口及RS232接口与外面通信的单片机系统通。

下面各组成部分:

（1）直流电源:

利用5V直流电压。

（2）LCD触摸屏显示电路：

利用xxxxIRHB芯片。

（3）控制模块:

由xxxx03ZET6芯片控制。

（4）接口电路:

具有RS232接口、RS485接口两个接口电路。

其中RS232接口和RS485接口是通过电缆进行抄表器通信、计算机通信。

（5）NANDFLASH存储模块：

NANDFLASH存储器用来存储采集器传输过来的用户使用数据。

（6）仿真器接口:

与电脑连接进行调试，利用芯片ARMJTAG。

工作原理，CPU与RAM的工作原理与一般的计算机系统类似，这里主要介绍接口的工作原理。

RS232接口RS232接口有DB25接口和DB9接口两种我们这用9脚D型插座与外部设备进行数据传输，而在TXD和RSD上，“1”=-3v~-15v“0”=+3~+15v，在RTS,CTS,DSR,DTR和DCD等控制线上：

信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V~+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V~-15VD型插座上所有脚上的电平信号都是EIA电平:

“1”=-3v~-15v“0”=+3~+15v。

EIA电平经过上百米导线传输在经过导线的消耗衰减之后，仍然可以区分“1”或者“0”所以只要是数据集中器传输至D型插座的信号就需要把其他信号转换成D型信号，而由D型插座的信号传输到其他信号，需要由EIA电平转换成其他电平，而进行电平转换功能是RS232的第一个功能，以至于信号一致，进行完美通信。

（2）RS485接口RS485所采用的是差分信号负逻辑，+2V～+6V表示“1”，-6V～-2V表示“0”。

RS485有两种接线方式，是两线制和四线制。

全双工通讯方式的是四线制，半双工通讯方式是两线制。

连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。

而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：

（1）共模干扰问题：

RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。

但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。

当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。

（2）EMI问题：

发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。

第三章集中器硬件电路设计3.1CPU模块电路设计3.1.1NANDFLASH电路原理图Nand-flash内存是flash内存的一种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。

Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储。

而由于抄表系统将产生大量的数据，必须要有个内存较大的存储器才能够存储大量的数据，经过筛选比较最后决定用K9F2G08U0M-Y,P芯片，在上一章对其的管脚以及作用进行了详细的介绍。

NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。

应用NAND的困难在于FLASH需要特殊的系统接口，而xxxx03ZET6为其提供了标准化接口使困难迎刃而解。

图3.1.1为NANDFLASH电路原理图。

图3.1.1NANDFLASH电路原理图。

设计ARMJTAG的目的是用于芯片内部测试及对系统进行仿真与调试。

JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP（TestAccessPort，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。

标准的JTAG接口是4线：

TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。

在设计JTAG与ARM的接口时，需按IEEE1149.1标准连接，其中ARM_TCK管脚通过为TAP提供了一个独立的、基本的时钟信号来驱动TAP；

ARM_TMS在标准中是强制要求的，其信号用来控制TAP状态机的转换；

ARM_TDI为数据输入接口，所有要输入到特定寄存器的数据都是通过TDI接口一位一位串行输入的；

ARM_TDO为数据输出接口，作用与TDI接口相反；

ARM_TEST接口可用来对TAPController进行复位。

其电路原理图如图3.1.2所示。

图3.1.2JTAG电路原理图3.1.2振荡电路设计xxxx03FZET6采用双时钟振荡方式：

实时时钟（RTCClock）以及系统时钟（SYSClock）。

两时钟均采用外置晶振设置，在引脚OSC32_IN、OSC32_OUT外接32KHz晶体振荡器构成实时时钟，其具有校准功能；

在引脚OSC_IN、OSC_OUT外接8MHz晶体振荡器构成系统时钟。

图4.4中的电容均为稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。

图4实时时钟图5系统时钟3.1.3复位电路设计xxxx03ZET6芯片具有异步复位脚NRST，芯片内部电源为复位电路充电，上拉电阻亦在芯片内部。

复位电路的基本功能：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

xxxx03ZET6为低电平复位有效。

为了防止外部干扰，STM32数据手册上建议外接一个对地电容。

当按下复位键后，复位管脚接收复位信号，xxxx03ZET6执行复位指令，由于按下复位键后电路相当于直接接地，按照低电平复位有效，即可实现xxxx03ZET6的上电复位。

复位电路如图3.1.3所示图3.1.3复位电路图3.2LED触摸屏模块电路设计触摸屏在集中器系统中既是输入设备也是输出设备。

触摸屏是通过串口与集中器联系的，其主要应用的芯片是：

xxxxIRHB，充当触摸屏控制器。

（1）触摸屏介绍触摸屏（touchscreen）又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。

触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。

主要应用于公共信息的查询、领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。

本课题设计的集中器需要显示某个电表的数据，与上位机服务器连状态，数据传输状态，信号传输状态，电源开关状态等。

所以显示系统需要选择大屏幕细点阵液晶，细点阵液晶可以提供良好的波形显示效果。

3.2.1触摸屏控制电路设计由于本次设计要是集中器能够显示某个电表的数据，与上位机服务器连状态，数据传输状态，信号传输状态，电源开关状态等，触摸屏起着键盘的作用，需要进行初始化设置，此设计主要做五个方面的设置，可以设置数据中心服务器的IP和端口号，并把设置值传送给集中器模块和数据传输模块，以便GPRS与服务器相连。

xxxxIRHB芯片能实现这些设置。

在双端工作模式下,由于由VREF端引入外部参考电压,所以要在VREF端和VDD端同时并联1uF左右的电容来提供电源的旁路,以减少xxxxIRHB的功耗。

图3.2.1为触摸屏控制电路图，图3.2.2为触摸屏接口电路图。

图3.2.1触摸屏控制电路图图3.2.2触摸屏接口电路图3.2.2LED液晶接口电路设计U405为点阵型为320×240的液晶模块,+5V供电；

液晶数据传输方式为16位并行方式,液晶模块的8根I/O口线分别接液晶模块的8个并行接口。

Backlight为亮度驱动控制输入,经8050三极管放大后作为液晶背光。

图3.2.2LCD液晶接口电路。

3.3RS232与RS485模块3.3.1RS232接口的介绍

（1）主要特性RS-232是现在主流的串行通信接口之一。

由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；

因此在“南方的老树51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。

3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。

3.3.2RS485接口的介绍

（1）主要特性1）RS-485的电气特性：

逻辑“1”以两线间的电压差为+（0.2~6）V表示；

逻辑“0”以两线间的电压差为-（0.2~6）V表示。

接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。

2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。

4）RS-485最大的通信。

距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。

RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

3.4电源电路设计电源设计是远程电力抄表系统——集中器硬件设计中的一项非常重要的工作。

系统中除了液晶接口电路需要5V供电，触摸屏控制电路、RS232&RS485通信电路、xxxx03ZET6等电路均需要3.3V供电。

所以系统需要实现5V电压到3.3V电压的转换。

如图4.5外接+5V直流电源经xxxx稳压器稳压后,输出+3.3V电压。

xxxx的特点是输出电流大（800mA）,输出电压精度在1%以内,具有电流限制和热保护功能,稳定性好。

C613、C614、C615、C616均为电源滤波电容。

图4.51电压转换电路。

第四章PCB板设计PCB板设计是集中器硬件设计的最后一项工作，也是极其重要的环节，没有这个重要步骤就不会生成PCB板，这个设计也就没法投入生产，这个设计将会失去实际意义，所以PCB板设计是硬件设计中不可或缺的重要步骤。

下文将对具体怎么设计PCB板进行详细的阐述。

4.1PCB板设计步骤设计印刷电路板可以按照以下七个步骤完成原理图的设计：

1、绘制电路原理图：

Protel99SE绘制图表来生成网表。

当设计的电路图非常简单时，不需要绘制原理图并规划电路板网表的生成，并且直接执行PCB设计，即有时可以跳过此步骤。

2、规划电路板：

在绘制印刷电路板之前，用户还必须具有板的初步计划，例如板的物理尺寸有多大，使用多层电路板（单面板，双面板或多层），每种组件的包装及其安装位置。

这是一项非常重要的任务。

3、设置参数：

设置参数主要是指设置组件布局参数，层数参数和接线参数。

有些参数用其默认值即可。

4、装入网络表及元件封装：

该步是将已生成的网络表装入，此时元件的封装会自动放置在印制电路板图的电气边界之外，但这些元件封装是叠放在一起没有布局的。

若没有生成网络表，则可以用手工的方法放置元件。

5、元件的布局：

可以利用自动布局和手工布局两种方式，将元件封装放置在电路板边框内的适当位置，适当位置包含两个意思：

一是元件所放置的位置能使整个电路板看上去整齐美观，二是元件所放置的位置有利于布线。

6、布线：

完成元件之间的电路连接.有两种方式：

自动布线和手工布线。

若在PCB设计系统中装入了网络表，则在该步中就可以采用自动布线方式。

7、文件保存及输出：

保存PCB图，然后根据需要利用各种图形输出设备，如打印机、绘图仪等输出电路板的布线图。

4.1.1PCB板设计图图4.12为最终的集中器PCB板设计图：

图4.12集中器PCB板设计图：

4.2本章小结利用单片机xxxx03ZET6等，融合CPU、LCD与触摸屏、RS232&RS485以及输入与输出四个模块，组成集中器系统，这样的设计比较简单易行，xxxx03ZET6系列的芯片编程相对容易实现，论文中给出了详细的引脚功能。

也详细的介绍了各个模块中起着举足轻重的各个芯片的特性与功能。

第五章硬件调试及分析测试是电路设计成功与否的重要环节，测试不到位重则会引起整个系统烧毁，轻则导致系统工作不正常。

测试时，主要测试电路的焊接问题，其中包括芯片焊接方位是否正确，是否有短路、虚焊，元件正负极性是否正确等问题。

5.1整板电路测试整个电路板测试主要是芯片焊接测试。

整个电路板焊完后，首先观察整个电路板是否短路，焊接或焊接。

接下来，将万用表放置在测试二极管上，检查电路是否短路或焊接。

测试系统正极和负极是否短路。

系统电源是系统运行的能源。

5.2xxxx03ZET6芯片测试经过上一整板电路测试环节的测试xxxx03ZET6芯片是否有短路、虚焊，元件焊反等问题，检查测试完后，便要重点对芯片各个管脚的测试以及I/O口功能测试。

用万用表测试核心元件xxxx03ZET6，检查是否有相邻管脚短路或管脚与PCB线之间虚焊。

若有短路将会引起芯片毁坏，有虚焊会导致芯片工作不正常。

经过测试，xxxx03ZET6无短路和虚焊。

上电测试系统电源电压为±5V，xxxx03ZET6所有接电源的管脚均为3.3V，一切正常。

5.2.1复位管脚、晶振管脚、串口通信管脚测试复位管脚：

系统上电后，NRST（25管脚）为高电平，按下RESET键后，NRST（25管脚）变为低电平，由此判断，复位电路工作正常。

晶振管脚：

用示波器观察xxxx03ZET6的晶振（8、9及23、24）管脚，能够观察到与晶体频率（32.768KHz）吻合的正弦波，幅值大约1V，说明晶振电路工作正常。

串口通信管脚：

在KEIL里编写一段简单的程序，让某一管脚输出方波信号，编译、下载到xxxx03ZET6，用示波器能在该管脚观察到方波信号，说明下载电路和串口通信管脚工作正常。

5.2.2I/O口功能测试程序设计I/O口是xxxx03ZET6与外部元件交换数据的通道，I/O口有两种工作模式，一种是总线模式，一种是I/O模式。

由于系统外围器件众多，且多数以位控方式为主，因此使用I/O模式。

I/O模式有三种工作方式：

字节输出方式、位输出方式、字节读方式。

（1）测试字节输出方式xxxx03ZET6有七组I/O口，分别为PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG。

字节输出方式是xxxx103ZET6的一组I/O口输出一个字节，测试时只要能xxxx103ZET6的任一组I/O口按照程序输出一个字节就说明字节输出方式正常。

分别在PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG口输出一个字节，例如在PD口输出0x08，用万用表测得PD口的高低电平与程序的设置相同，说明PD口输出字节工作方式正常。

经过测试，所有端口的字节输出方式正常。

（2）测试位输出方式xxxx03ZET6的每组I/O口有8位，位输出方式是使每组的任一位输出0或1。

测试时只要能xxxx103ZET6其中每一组的8位都能按照程序输出0或1就说明位输出方式正常。

经过测试，所有端口的所有位输出方式正常。

（3）测试字节读方式字节读方式是从xxxx03ZET6的一组I/O口读入一个字节，测试时只要能xxxx103ZET6的任一组I/O口按照程序读入一个字节就说明字节读方式正常。

分别在PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG口读取一个字节。

5.3串口电路测试串口是xxxx03ZET6与PC通信的重要通道。

系统将通讯波特率设置为9600bps，数据8位，停止位1位和无奇偶校验。

初始化xxxx03ZET6时，请将波特率设置为9600bps，将数据位设置为8位，将位停止为1位，并且不设置奇偶校验。

PC使用串口调试助手来接收和发送数据。

波特率为9600，无校验位，数据位8，停止位1。

xxxx03ZET6通过串口接收或发送数据到PC，所以串口接收或发送数据正常，串口测试通过。

由于xxxx03ZET6发送可预测的数据，因此它通过查询发送;接收数据是不可预知的，因此使用中断方法。

首先初始化串口，开串口中断。

将串口接收功能放入串口中断功能，用串口调试助手向STM32F103ZET6发送“abcdef”，发送完成后，您可以在串口调试助手中观察abcdef。

说明STM32F103ZET6串口正常接收和发送数据。

第六章总结与展望智能抄表系统是现代微机技术，数字通信技术和计量技术的完美结合，集能耗测量，数据采集和数据处理于一体。

将城市居民能源消费信息与综合治理相结合的体系。

该系统使公用事业和物业管理部门能够从根本上减少手动门到门抄表的繁重工作。

准确方便的收费系统不仅可以节省人力，还可以减少相关业务部门与客户之间的纠纷。

它不仅可以提高管理部门的工作效率，还可以满足现代用户付款的新需求。

该系统技术水平高，可靠性好，数据准确，适应性强，功能齐全，模块尺寸小，功耗低，系统操作界面易于理解，安装维护方便。

对于目前的方案，远程集中抄表采用自动控制技术，通信技术，程序设计和数据库技术。

远程自动抄表系统具有远程自动采集，数据集中，支付管理，电量统计分析，复合监测和综合查询等功能。

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