基于S3C2410的低壓電力線載波抄表系統(tǒng)的集中器設計與實現

1、年月內蒙古大學學報（自然科學版）第卷第期文章編號：一（）基于￥的低壓電力線載波抄表系統(tǒng)的集中器設計與實現。劉志強，王曉強（內蒙古工業(yè)大學信息工程學院，呼和浩特）摘要：集中器是整個抄表系統(tǒng)的重要組成部分，其工作情況決定了抄表系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文分析了集中器的功能，詳細介紹了集中器的設計過程，包括集中器總體設計、集中器硬件設計和集中器軟件設計等通過引入嵌入式處理器芯片￥，嵌入式操作系統(tǒng)和載波芯片，使集中器成為具有多線程工作，多頻點傳輸多種方案互補的穩(wěn)定的抄表系統(tǒng)核心通過小范圍測試，數據在單相電力線上的發(fā)送接收效果良好關鍵詞：電力線載波；集中器；嵌入式系統(tǒng)；擴頻技術中圖分類號：文獻標識碼：低壓電力線作

2、為數據傳輸通道，存在各種干擾問題，例如多徑衰落、阻抗失配、多種噪聲干擾、串擾等，但由于其具有實施方便、組網線路機械強度高、抗破壞力強、無需另外架設通信媒介等優(yōu)點，所以得到越來越廣泛的關注“電力線載波通信的應用主要集中在遠程自動抄表、智能家居等領域目前，隨著載波技術的發(fā)展，越來越多的自動集中抄表系統(tǒng)進入了試用期階段在載波抄表系統(tǒng)中，集中器的是整個抄表系統(tǒng)的重要組成部分，其工作情況一定程度決定了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性本文針對載波通信環(huán)境的多變性，設計并實現了一個適用性較強的，多種通信方式互補的基于嵌入式系統(tǒng)的低壓電力線載波抄表的集中器此設備使用公司的位處理器￥為主控芯片，使用。為嵌人式實時操作系統(tǒng)，

3、使用上海彌亞公司的芯片完成低壓電力線的載波通信本文將介紹遠程抄表系統(tǒng)的結構和工作原理、集中器設備的整體設計、硬件系統(tǒng)的建立、基于￥嵌入式軟件的設計、最后給出測試結果和結論遠程抄表系統(tǒng)的結構和工作原理系統(tǒng)結構如圖所示：用戶水電氣表采集器集中器物業(yè)管理主機遠程控制軟件電力線網絡平臺，構成了完整的電力線載波抄表系統(tǒng)該遠程智能化管理系統(tǒng)可以對水、電、氣表數據進行自動采集、傳輸和處理，它從根本上克服了傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊端，為抄表的自動化提供了有力的工具工作原理電力線載波抄表系統(tǒng)的通訊傳輸采用分布式體系結構，這種體系結構分上下兩層：物業(yè)管理中心與集中器構成上層，上層數據的采集采用星型結構，即一個物業(yè)管

4、理中心對多個集中器，通訊方式采用公用電話網絡或者，技術成熟，通訊可靠；集中器、采集器和電表構成下層，下層數據的采集采用網狀結構，即一個集中器對多個采集器，而采集器之間也可以相互讀數下層數據的采集采用低收稿日期：基金項目：內蒙古工業(yè)大學校基金資助作者簡介：劉志強（），男，內蒙古涼城縣人。講師萬方數據第期劉志強，王曉強基于￥的低壓電力線載波抄表系統(tǒng)的集中器設計與實現壓電力線的雙向傳輸，它具有安裝便利、可靠性高、安全性好、可維護性強的優(yōu)點臺變以乙刊目吧，士訂南、。彳相焉晶卜“。”“?！蔽飿I(yè)管理集中器相、彳，三相電廠小區(qū)、采三：辛器器宇采，采辛器！器辛采：采千器圖系統(tǒng)結構由鹵鹵由由鹵由由凼由鹵鹵由由由

5、由鹵自集中器的總體設計集中器是整個系統(tǒng)的通信控制樞紐，一方面收集各采集器終端或多功能電表的數據，并進行處理存儲（下行通信），另一方面和管理中心進行數據交換（上行通信），執(zhí)行上位機的命令集中器一般安裝在臺變的低壓側，與、三相電力線相聯(lián)嵌人式集中器系統(tǒng)如框圖所示它主要由主控系統(tǒng)、上行通信子系統(tǒng)、下行通信子系統(tǒng)和顯示控制子系統(tǒng)構成公司￥嵌入式芯片是基于內核的位嵌入式處理器，最高工作頻率可達，資源豐富，非常便于外圍設備擴展因此，系統(tǒng)選擇￥為主控中心，利用位總線外擴的。和的其中。用于存儲系統(tǒng)軟件和應用軟件，待系統(tǒng)啟動后加載到中運行，選擇開源穩(wěn)定的作為嵌入式操作系統(tǒng)；上行通信子系統(tǒng)選擇公用電話網或者作為和

6、上位機通信的媒介，進行數據交換，執(zhí)行上位機的指令，并且擴展串口作為開發(fā)調試用的控制臺；下行通信子系統(tǒng)根據通信環(huán)境，選擇電力線或者總線作為與采集器通信的媒介，對采集器進行采數、設置、處理和存儲，其中載波通信是￥控制器通過口對載波芯片進行控制來收發(fā)載波數據流，總線通信是通過擴展一個串口實現；顯示控制子系統(tǒng)根據鍵盤的值對集中器進行設置并且把通信情況顯示在和指示燈上集中器主要工作如下：能和上位機通信，接收上位機的指令，根據上位機指令，設置集中器，如校正系統(tǒng)時鐘、設置巡檢時間等對從采集器接收的數據能進行存儲、設置、控制，例如對不交電費的用戶進行斷電處理等能根據設置，定期對采集器進行結算數據的讀取，存儲，

7、能根據上位機指令，成批發(fā)回數據，供管理人員分析數據，收費使用能根據上位機的設置，定時對所有的采集器進行巡檢，把最優(yōu)路徑保存在存儲器中，供上位機讀取備用電池，保證斷電后時鐘的正常工作和數據存儲萬方數據內蒙古大學學報（自然科學版）下行通信設計電力線是為傳輸大能量的工頻電力信號設計的，其高頻情況下的阻抗、噪聲和衰減是頻變和時變的，而且不同位置的信道傳輸特性也不一樣因此，要想在這種干擾嚴重的傳輸信道上可靠的傳輸高頻小能量的載波信號需要有多種通信方法在這里，我們采用了兩種下行通信方式相互配合：電力載波通信和總線方式通信歧汁一遠程撥號設計通信設計上行通信部分廣一一一一一一一一一一一一廣電力載波通信設計（剖

8、通信設計下行通信部分：一一一一一一一一一一一在載波通信方面，我們使用上海彌亞科技有限公司的功能強大的電力線載波芯片，高度集成電力線網絡接口控制芯片，使用了很多先進的通信技術：能自動檢測電網信道情況，能根據不同的載波通道環(huán)境，改變通信頻率、實現了多頻點傳輸（有三個傳輸頻率、和）、能實現數據的超前糾錯和內部數據校驗等提供了接，￥提供了兩個接口，在這里我們選用了￥第個口，有三根線（。，）和相連，另外選三鏊一控制鍵盤設計顯示；娃示控制部分圖集中器硬件框圖用，的普通功能連接的片選和復位端口由于電力線傳輸的特殊性，可能會出現個別死區(qū)現象（載波通訊無法通信的區(qū)域），因此我們又設計了專線抄收采集器的方式和藍牙

9、手持采集器方式作為備選方式，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性總線方式是使用￥的串口和相連，把。電平轉換成的差分信號，通過雙絞線與采集器終端相連，組成一個網絡這種方式的優(yōu)點是數據傳輸可靠性高，組傳輸距離可達米缺點是明顯的，由于用雙絞線組成網絡，系統(tǒng)需要布線上行通信設計上行通信設計是采用了三種方式：串口設計、方式和公用電話網方式其中串口方式是為調試使用的，方式和公用電話網方式都是非常成熟的遠程通信方式，根據情況選擇一種我們采用具有串口現成的通訊芯片和主板串口相連，使用指令集就能驅動通訊板完成和上位機通信還有存儲器的設計、液晶設計和電源設計等，由于篇幅所限就不再贅述集中器的軟件設計集中器的任務較多，既要完成和上位機

10、通信，也要和下位機交換數據，同時要控制、。顯示等多項任務為了提高工作效率，我們?yōu)椋みx擇了流行的操作系統(tǒng)作為片上操作系統(tǒng)，在這個操作系統(tǒng)上很容易就能編出多任務的應用程序基于￥嵌入式系統(tǒng)軟件的建立）建立交叉編譯環(huán)境主機上配置交叉開發(fā)環(huán)境交叉開發(fā)是指在開發(fā)主機上安裝開發(fā)工具萬方數據第期劉志強王曉強基于￥的低壓電力線載波抄表系統(tǒng)的集中器設計與實現在主機上編輯、編譯、鏈接引導程序、內核、文件系統(tǒng)和應用程序成可執(zhí)行的二進制代碼，最終下載到目標板上運行本文使用的交叉編譯器為，為了方便下載燒寫，可讓主機支持和服務，也可以選擇別的燒寫工具）編譯下載程序程序是嵌入式系統(tǒng)的引導程序，通過這段小程序，可以初始化硬件設

11、備、建立內存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便最終為調用操作系統(tǒng)內核和用戶的應用程序準備好正確的環(huán)境在這里我們選擇了功能強大的德國小組的引導程序，經過一些必要的修改后，下載到目標板的相應位置）內核的修改、配置、編譯和下載首先，下載發(fā)布的內核版本一，修改內核源碼下的文件，指定目標代碼類型與編譯器，修改內核中分區(qū)信息然后，在命令下輸人命令，內核包允許用戶對其功能逐項配置，在配置菜單中導入內核對的默認配置，在此基礎上選擇所需的功能選擇處理器類型、選擇板級支持、選擇對支持、對設備驅動的支持以及對文件系統(tǒng)的支持等，在配置工作完成后，保存退出，生成文件，它保存了這個配置信息最后，

12、在終端輸入編譯命令“”，成了壓縮的內核映像，這種壓縮方式編譯出來的內核映像文件小，非常適合嵌入式系統(tǒng)使用內核映像文件先被燒寫到內；啟動時由引導程序將內核從里加載到中解壓運行）建立根文件系統(tǒng)，系統(tǒng)中的文件和設備是通過文件系統(tǒng)來組織的，一個的最簡根文件系統(tǒng)應該包括支持系統(tǒng)正常運行的基本內容，包括系統(tǒng)使用的軟件和庫，以及所有用來為用戶提供基本支持的架構和指令首先，從：下載一，解壓，并且用命令生成和工具，然后在自己的根文件目錄下建立、等目錄，把所需的文件和庫放到對應的目錄中，例如在目錄下要復制庫和內核模塊，在目錄下建立一些系統(tǒng)配置文件，在目錄下放置常用的命令工具等這時采用工具，運行進行配置，配置結束修

13、改源代碼根目錄下的文件，編譯、安裝后，將會在目錄下生成、和四個目錄及目錄下的文件，把這四個目錄下的文件復制到我們構建的對應目錄中，最后用工具制作根文件系統(tǒng)映象，并用工具把根文件系統(tǒng)映象下載到開發(fā)板上這樣我們的嵌入式系統(tǒng)軟件環(huán)境就搭建好了應用程序設計應用程序主要包括：主程序、系統(tǒng)初始化程序、上行通信程序、下行抄讀采集器程序和找路徑程序等，程序流程圖如圖所示其中，找路徑程序是從存儲器中尋找最優(yōu)路徑，通過路徑去操作采集器路徑是通過下面的方法產生的：集中器上有一片存儲器，分成五個區(qū)，分為無路徑區(qū)、一級路徑區(qū)、二級路徑區(qū)、三級路徑區(qū)和死區(qū)無路徑區(qū)用來存放集中器可以直接抄到的表號；一級路徑區(qū)用來存放不能直

14、接抄到，能通過無路徑區(qū)的表抄到的表號；二級路徑區(qū)用來存放可通過一級路徑區(qū)的表抄到的表號；三級路徑區(qū)存放可通過二級路徑區(qū)的表抄到的表號；死區(qū)存放三級路徑也無法抄到的表號集中器可定時通過遍歷臺區(qū)的表，把表號實時地存到各個路徑區(qū)中應用情況和實驗數據低壓電力線載波抄表系統(tǒng)是和北京華運電力載波技術有限公司合作開發(fā)的，先后在山東省鄒平市周喬小區(qū)、北京市海淀區(qū)永豐鄉(xiāng)東玉河村試裝，通過中繼、手持抄表器等技術補充，基本能完成抄表功能本文對抄表系統(tǒng)做了一些改進，如：載波芯片用代替了，集中器嵌入了操作系統(tǒng)等根據本文設計開發(fā)了塊實驗板，都可以設置成發(fā)送或者接收狀態(tài)，在學生西苑小區(qū)宿舍進行實驗一塊板作為電力線發(fā)射板，放

15、在一個宿舍中，其余作為接收板，在個樓內變動位置，接收發(fā)萬方數據內蒙古大學學報（自然科學版）射板發(fā)出的載波信號從：整小時發(fā)射一次，每次連續(xù)發(fā)射個載波信號，查看接收板接收信號的次數，接收率接收到的次數發(fā)射次數實驗結果如圖所示：從實驗數據看出實驗的接收率都在以上，實驗效果偏好，原因是保證了發(fā)送板和接收板都在同一相電力線上，距離較近，并且學生宿舍用電設備簡單，各種干擾較弱圖主程序流程圖永瓣螽“西署霉罵署咼高時間（）圖小時的實驗數據結束語本文介紹了一種基于￥的低壓電力線載波抄表集中器的設計過程，該系統(tǒng)通過引入強大的嵌入式處理器芯片￥，嵌入式操作系統(tǒng)，多頻點傳輸的載波芯片，使集中器成為具有多線程工作，多頻

16、點傳輸，多種方案互補的穩(wěn)定的抄表系統(tǒng)核心從以上實驗數據可看出，在同相的電力線數據傳輸中，數據的直接傳輸接收率較高，通信效果良好，但實際應用電力線情況相當復雜，各種干擾會非常嚴重，所以本系統(tǒng)還需要在實際的應用場合做進一步的測試萬方數據第期劉志強，王曉強基于￥的低壓電力線載波抄表系統(tǒng)的集中器設計與實現參考文獻：趙宇明，郭靜波，王贊基，等多導體電力電纜載波通信中的頻譜優(yōu)化方法口中國電機工程學報，（）：宋佳，王祁，王翥一種有效的用于低壓電力載波通信的技術微計算機信息，（）：范書瑞，于明，劉劍飛，等基于芯片￥異常中斷程序設計微計算機信息，（）：（責任編委劉永信）￥，（，），：，￥，：；萬方數據基于S3C

17、2410的低壓電力線載波抄表系統(tǒng)的集中器設計與實現作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數：劉志強， 王曉強， LIU Zhi-qiang， WANG Xiao-qiang內蒙古工業(yè)大學信息工程學院,呼和浩特,010051內蒙古大學學報（自然科學版）ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS NEIMONGOL2009,40(1)1次參考文獻(3條)1.趙宇明;郭靜波;王贊基 多導體電力電纜載波通信中的頻譜優(yōu)化方法期刊論文-中國電機工程學報 2007(13)2.宋佳;王祁;王翥 一種有效的用于低壓電力載波通信的技術期刊論文-微計算機信息

18、2007(03)3.范書瑞;于明;劉劍飛 基于ARM9芯片S3C2410異常中斷程序設計期刊論文-微計算機信息 2007(02)本文讀者也讀過(10條)1. 馬麗娜 一種基于SH7145的電力線通信數據集中器的設計期刊論文-價值工程2010,29(9)2. 樊建學.盛新富.FAN Jian-xue.SHENG Xin-fu 低壓電力線載波集中抄表系統(tǒng)的研究期刊論文-繼電器2005,33(17)3. 閻浩.葉崧.YAN Hao.YE Song 遠程抄表系統(tǒng)中集中器軟件的模塊化設計與實現期刊論文-現代電子技術2011,34(4)4. 任工昌.王黨席.郭軍.黃龍云 基于GPRS的遠程抄表系統(tǒng)集中器設計與研究期刊論文-機械設計與制造2009(11)5. 劉友旗.LIU You-qi 智能電力抄表系統(tǒng)集中器的設計與實現期刊論文-貴州大學學報（自然科學版）2010,27(6)6. 呂錦柏.黃梅.鄭三立 電力載波抄表系統(tǒng)中集中器的設計與實現期刊論文-電氣應用2008,27(20)7. 任子真.WANG Xiang-yang.REN Zi-zhen.WANG Xiang-yang 遠程抄表系統(tǒng)中集中器的設計期刊論文-微計算機信息2008,24(