电力远程抄表系统设计

1、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；I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

2、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53.1 CPU模块电路设计53.1.1 NAND FLASH电路原理图53.1.2 振荡电路设计63.1.3 复位电路设计73.2 LED 触摸屏模块电路设计73.2.1 触摸屏控制电路设计83.2.2 LED液晶接口电路设计83.3 RS232与RS485模块93.3.1 RS232接口的介绍93.3.2 RS485接口的介绍93.4 电源电路设计10第四章 PCB板设计114.1 PCB板设计步骤114.1.1 PCB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135.2 STM32F103ZET6芯片测试135.2.1 复位管脚、晶振管脚、串口通信管脚测试135.2.2 I/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

3、，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。

4、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

5、，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。

6、(2) LCD触摸屏显示电路：利用TSC2200IRHB芯片。(3) 控制模块:由STM32F103ZET6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）NAND FLASH存储模块：NAND FLASH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ARM JTAG。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“

7、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

8、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STM32F103ZET6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3.1.1 NANDFLASH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T

9、AP（Test Acces sPort，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3.1.2 JTAG电路原理图3.1.2振荡电路设计STM32F103FZET6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STM32F103ZET6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

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