基于ARM 技术的电能采集终端设计

曲 霏，伏冬红，刘 丹，陈德宏

（1.国网葫芦岛供电公司，葫芦岛 125000；2.国网营口供电公司，营口 115000；3.国网朝阳供电公司，朝阳 122000）

0 引言

传统人工抄表工作存在劳动强度大，工作效率低，并且不能及时对历史数据进行快速查询等缺点，严重的阻碍了电力事业的发展。利用电子通信技术实现自动抄录用户电表数据是电管理未来发展趋势，设计电能采集终端能够增强用电管理部门的工作效率，增加配电管理的科学性。同时还能实现自动传输和记录电表数据，一旦出现关于电费纠纷问题，采集终端可以提供历史用电数据，从而有效的解决电费纠纷问题。通过以ARM硬件为核心的硬件设计，依托设计的485数据通道抄表流程完成了能采集终端的软件设计，然后通过对设计的终端进行校正，实现了基于ARM技术的电能采集终端设计。基于ARM 技术的电能采集终端设计，必将会给电力公司带来一定的经济效益。

1 基于ARM技术的电能采集终端硬件设计

通过以ARM硬件为核心，搭载485数据通道以及Linux操作系统，完成了基于ARM技术的电能采集终端的硬件主体结构设计，然后依托电能采集终端检测装置的设计，实现了基于ARM技术的电能采集终端硬件设计。

1.1 基于ARM 技术的电能采集终端硬件主体结构设计

以ARM硬件为核心的电能采集终端选用A191SAM9260作为电能采集终端的电源电路，应用Linux操作系统来对其进行操控。ARM技术的电能采集终端共使用两组电源，其中电能采集的终端I/O端口供电电源为3.3V，内设供电电源为1.8V[1]。电能采集终端搭载485数据通道模块以及Linux操作系统，485数据通道模块需要5V的电源来供电，所以整个电能采集终端需要3.3V、1.8V以及5V，共三种直流稳压电源。

在电能采集终端的电源进行嵌入式设计，嵌入式设计除了可以保证电能采集终端的电压稳定，还能防止其被外部电网干扰，从而避免被破坏。为了提高电能采集终端电源电路的供电质量和安全性，在电源电路中进行电源滤波，同时接入保护电路。首先将电能采集终端接入居民用电系统，经过变压器、整流桥将220V交流电转变为15V直流电。利用开关稳压电源芯片将15V直流电转变为12V直流电，再利用LM 2576S开关电源将12V直流电转变为5V直流电，最后5V直流电经过AMS1I17—3.3和AMS1I17—1.8转换后，分别转换成3.3V和1.8V直流电。利用电容器对电流进行滤波，其中C35（0.1uf）电容用来滤除高频纹波，电解电容C33（10000uf）用来滤除低频纹波，进行滤波后的电源，其电源波纹更小，稳定性更高[2]。

通过以ARM硬件为核心，搭载485数据通道以及Linux操作系统，完成基于ARM技术的电能采集终端的主体结构设计后，还要对电能采集终端检测装置进行设计，检测装置可以确保设计的电能采集终端的规范性以及安全性。

1.2 基于ARM技术的电能采集终端检测装置设计

基于ARM技术的电能采集终端检测装置包括：标准表、功率源、信号源、载波通信系统以及检测单元。其中标准表、功率源、信号源为常规的具有校验功能的表，基于ARM技术的电能采集终端的每一个检测单元配备1个标准表、1个功率源、1个信号源，标准表、功率源、信号源的主要功能是对跳闸信号进行终端测试，然后将终端测试产生的脉冲进行集中记录，同时对测试终端产生的遥信信号进行通信扩展，使得电能采集终端不但可以完成数据采集，还能对历史采集的数据进行储存。

电能采集终端可以在不同用电现场的用电环境进行监控，所以基于ARM技术的电能采集终端检测装置需要适应各种用电环境，因此在对检测装置进行设计时，需要模拟不同的用电环境，在不同的用电环境下，检测装置都可以独立调节的电压电流及相位[3]。利用DSP信号控制技术来实现三相信号源的独立调节，使得输出电流及相位量值之间相互独立。为了满足不同用电情况下的检测装置使用性，利用了数字调制装置来进行检测装置的功率转变，其工作原理图如图1所示。

图1 数字调制装置工作原理图

为了防止电能采集终端在工作过程中出现不可控的振荡情况，需要在电能采集终端检测装置增加高频反馈电路和高频保护电路。当电能采集终端输入的电流出现过流现象时，检测装置会自动进行调整，将输出限流。当电能采集终端输出的电流出现级幅值异常时，检测装置中的开（短）路保护装置会对能采集终端进行保护。由于电能采集终端在采集电能时需要大量的通信串口，常规串口服务器模式是通过串口扩展来实现通信，该方法造成电能采集终端接线复杂、成本高，常常出现接线松动以及通信部件损坏等情况[4]。因此本文设计的基于ARM技术的电能采集终端检测装置，采用新型的信扩展模式，通信接口采用互联型ARM芯片，可以实现检测装置良好的扩展性能。检测装置搭载两路485通信接口，一路用于完成本地维护串口的通信，另一路用于直流量测量。

依托电能采集终端检测装置的设计，结合基于ARM技术的电能采集终端硬件主体结构设计，实现了基于ARM技术的电能采集终端硬件设计。在硬件设计的基础上，对基于ARM技术的电能采集终端进行软件设计，从而完成电能采集终端的整体设计。

2 基于ARM技术的电能采集终端软件设计

基于ARM技术的电能采集终端以ARM硬件为核心，搭载485数据通道以及Linux操作系统，通过对485数据通道进行工作流程设计，以及对采集的数据进行校对完成基于ARM技术的电能采集终端软件设计。

2.1 基于ARM技术的电能采集终端工作流程设计

由于原有的485数据通道的工作流程是通过异步执行来完成的，因此对485数据通道的工作流程进行重新设计，设计简化程序逻辑。将485数据通道的工作流程分成两个模块，分别是：485数据通道的通信发送过程，根据用户要求设计通信发送过程，根据制定的逻辑设计自动化控制程序，从而实现业务逻辑控制层；485数据通道的通信接收过程，根据抄表控制线程的工作进度，对采集到的电能数据进行数据解析，同时对解析后的数据进行储存，从而实现485数据通道的电能采集工作。

485数据通道的通信发送过程：基于ARM技术的电能采集终端按照与用户之间的通信规约，将消息组帧通过数据链路传输到串口[5]。接下来将接收到消息组帧以数据包的形式发送出去，发送过程以总线仲裁机制为基础。485数据通道先写出地址请求，在电能采集终端接收到请求后，与485数据通道地址相符的端口自动打开，其他端口全部自动关闭，从而实现了电能采集终端的点对点通信。485数据通道的通信发送过程不但保证了电能采集终端正常通信，还提高了电能采集终端的工作效率。

485数据通道的通信接收过程：基于ARM技术的电能采集终端要保证接收到的数据的实时性，因此在通信接收过程采用中断方式[6]。利用搭载的Linux操作系统中的select 函数，有串口中的消息组帧进入到电能采集装置后，装置会立刻自动响应，这样可以确保接收数据的实时性。

通过设计485数据通道的通信发送过程和485数据通道的通信接收过程，完成了基于ARM技术的电能采集终端软件设计。依托电能采集终端检测装置的设计，结合基于ARM技术的电能采集终端硬件主体结构设计，实现了基于ARM技术的电能采集终端设计。完成电能采集终端设计后，需要对其电能采集数据的准确性进行校对，从而确保所设计的电能采集终端具有准确性、有效性。

2.2 基于ARM技术的电能采集终端的数据校对

完成基于ARM技术的电能采集终端设计之后，还有对其进行校对。完成控制任务的子设备还需进行控制任务量校对，对基于ARM技术的电能采集终端所分配的调度任务进行合理性检查。只有通过合理性检查，才能确保母设备的调度任务能够调度子设备进入正常控制状态[7]。为了确保校核的合理性，引入“适应度”，适应度是指大型机械设备中自动化控制设备完成控制工作的能力，适应度的公式如下：

式中，T代表电力公司中电能采集终端完成任务所用的总调度时间，dai表示子设备的调度时间，适应度f（t）数值与电能采集终端完成工作的能力成反比例关系，适应度 f（t）数值越小，电能采集终端的能力就越强。

通常，如果电力公司的电能采集终端任务较多，那么每个子设备的适应度相差并不多。因此，在基于数学计算的自动化控制模型进行校对过程中，如果出现某个电能采集终端子设备与其他电能采集终端子设备有较大差异的适应度，那么，则证明该电能采集终端无法完成其自身的任务[8]。此时，电能采集终端母设备应重新为出现问题的电能采集终端子设备分配控制任务，然后再次计算其适应度，反复循环，直至该电能采集终端子设备的适应度在合理范围内。

经由式(1)对电能采集终端子设备的适应度进行计算后，然后通过计算式(2)，能够获取调度时间Tn，如下所示：

式中，Tai表示子设备从接受到母设备命令到动作时所用的时间，Wai表示母设备开始动作时间，通过计算，完成基于ARM技术的电能采集终端的校对，确定所设计的电能采集终端具有可行性。

3 仿真试验

为了保证本文提出的基于ARM技术的电能采集终端设计的有效性，进行仿真试验分析。以电力公司的人工抄表模式作为对照试验对象，对基于ARM技术的电能采集终端的有效性进行仿真模拟实验，来确定本文设计的于ARM技术的电能采集终端是否具有有效的可行性。

3.1 试验准备

由于设置的原始数据不同，得到基于ARM技术的电能采集终端的通信性能、有效性也是不同的，并且对试验结果造成影响。因此，试验过程中需要保证原始数据是一致的。使用2台型号、规格相同的虚拟实验设备，在虚拟实验设备中分别写入人工抄表模式以及ARM技术的电能采集终端抄表模式，然后对同一电力用户进行电能采集。仿真试验前，将虚拟实验设备的两个通信接口分别设置带宽范围，带宽范围分别设为[0 Mb/s，2.5Mb/s]和[2.5Mb/s，5Mb/s]。最后进行8h的仿真试验，从而获取基于ARM技术的电能采集终端有效性试验结果。

3.2 试验结果分析

在对同一电力用户进行电能采集时，基于ARM技术的电能采集终端其有效性不容易受到外界干扰，相反人工抄表模式很容易受到外界干扰，因此在固定情况下获取仿真实验结果。将仿真实验的结果汇总，实验结果汇总如表1所示。

表1 实验结果汇总表

为了将实验记过更加形象生动的展现出来，将表1的结果绘制成准确性和工作效率对比图，如图2、图3所示。工作效率为采集数据与总电能数据之比（%），准确率为准确数据与采集数据之比（%），图形中横坐标为均为对比项目，纵坐标为工作效率和准确率的百分比。

图2 人工抄表模式与基于ARM 技术的电能采集终端工作效率对比表

图3 人工抄表模式与基于ARM技术的电能采集终端准确性对比表

由仿真实验结果可知，基于ARM技术的电能采集终端工作效率、准确性均高于人工抄表模式。设计基于ARM技术的电能采集终端可以减轻员工劳动强度，提高工作效率，同时还确保了电能采集数据的准确性，使得用电管理部门能够准确的掌握电网供电状况，为以后电网改造提供有效性数据，提高配电网管理水平。

4 结束语

传统人工抄表工作的劳动强度大，工作效率低，利用电子通信技术来完成抄表工作是用电管理未来发展趋势，通过对基于ARM技术的电能采集终端进行以ARM硬件为核心，搭载485数据通道以及Linux操作系统的硬件设计，然后进行了整个抄表流程软件设计，最后对设计的电能采集终端进行校对，完成了基于ARM技术的电能采集终端设计。通过仿真实验证明，本文设计的电能采集终端具有较高的有效性，能够减轻员工劳动强度，提高工作效率，同时还能确保了电能采集数据的准确性，希望本文能为电能采集终端设计提供参考依据。