隨著國民經濟的飛速發展和人民物質文化生活水平的不斷提高，人們對電力的需求愈來愈大，對供電質量和供電可靠性的要求也越來越高。另外，在工業系統中，對電子設備運行過程中的電參數進行實時檢測與控制的要求也十分迫切。在這種趨勢下，供電單位要向用戶提供安全、優質的電力，但依靠傳統的技術和管理手段已經無法實現。針對這些問題，根據社會發展的需要，依據電力工業部南京自動化研究所提出的要求，從實用化的角度出發，研制了一種電能信息自動采集終端。該系統具有結構簡單，安裝方便，易維護性強，經濟性好等特點，并可通過低壓載波和采集站進行數據傳輸，從而實現了電能信息的自動采集。因此電能信息自動采集終端對用電管理、配電管理實現智能化、自動化和科學化具有非常重要的意義，對國民經濟的發展將起到不可估量的推動作用。
1 自動采集終端的設計
1．1 自動采集終端的功能和組成
終端站系統采用以89C51單片機為核心的系統，可實現對1～16塊電度表信息的采集、存儲、傳輸及工作狀態的顯示等功能。其具體功能如下：對脈沖式電度表或經過改造的機械式電度表送來的脈沖進行計數，并把它轉換為對應的電能量，實現對有功電能的計量；設置初值(地址號、表常數、電表底度等參數)，保存1年內各用戶各月的電能信息，分時計費；以電力載波方式和采集站通信；對各電度表的工作狀態進行顯示。
整個自動采集終端由脈沖計數模塊、通信模塊、時鐘電路模塊、工作狀態顯示模塊和鍵盤操作模塊五部分組成，其系統組成如圖1所示。
1．2 采用雙CPU共用數據存儲器AT24C32和雙RS 232通信接口
按照脈沖式電度表標準，電度表的輸出脈沖寬度為80 ms，脈沖周期的最小值為100 ms。如果CPU在這個時間內對脈沖不進行處理，將會出現脈沖的丟失，從而造成脈沖計數的不準確。采用雙CPU共用數據存儲器技術可以避免這一現象的發生。脈沖計數模塊和通信模塊分別采用各自的CPU進行控制，兩者之間通過公共數據存儲器AT24C32、通信協議和握手線進行信息交換。為了防止兩者對存儲器操作的阻塞而出現故障，在設計中采用兩根握手線進行硬件握手，當一個模塊不對存儲器操作時，其握手線輸出端輸出“O”；當需要對存儲器進行操作時，其握手線輸入端輸入“0”，其握手線輸出端輸出“1”，然后進行操作，否則處于等待狀態。
該電能信息自動采集終端設計了兩個RS 232通信接口，其中一個為AT89C51-1的RS 232通信口，用于與電度表或設備之間傳輸數據；另一個是AT89C51-2的RS 232通信口，用于與上位機之間的通信。這樣就減輕了主CPU AT89C51-2的負擔，且可對于不同數據格式的RS 232電度表靈活修改程序代碼。
1．3 脈沖計數模塊
脈沖計數模塊由電度表、兩片控制芯片AT89C51、脈沖處理電路、存儲器AT24C32等電路組成，利用單片機編程對采集的數據進行一系列處理，完成對數據的采集、有效存儲及傳輸功能。
各功能的具體實現過程為：首先將電度表輸出的脈沖信號經由光電耦合器、施密特觸發器等組成的脈沖處理電路進行濾波、整形等處理后，再送入緩沖器進行緩存；然后根據控制電路的命令進行相應的操作。當進行信息存儲操作時，AT89C51-1工作，AT89C51-2處于等待狀態，AT89C51-1向存儲器發送起始信號，AT89C51-1收到存儲器的低電平應答信號后，向存儲器發送字節地址，AT89C51-1收到存儲器的另一個低電平應答信號后，再發送數據到被尋址的存儲單元，存儲器再次應答，并在AT89C51-1發送停止信號后開始內部數據的擦寫，在擦寫的過程中，存儲器不再相應任何請求。當進行讀信息操作時，AT89C51-l處于等待狀態，AT89C51-2工作，AT89C51-2向存儲器發送起始信號和被尋址的字節地址，存儲器產生低電平應答信號并發送相應字節地址的內容，接收完數據后，AT89C51-2發送一個停止信號。
時鐘線保持高電平期間，數據線從高到低的跳變被看作為起始信號，對AT24C32的任何操作命令，都必須從啟動信號開始，時鐘線保持高電平期間，數據線從低到高的跳變被看作為停止信號。外部存儲器采用結構簡單的二線制E2PROM和具有掉電保護的AT24C32存儲信息，掉電后數據可保存十年，遠遠高于實際要求。為了延長存儲器的使用時間，采用循環存儲方式，保證了采集數據的準確性和可靠性。
1．4 通信模塊
通信模塊由控制芯片AT89C51-2、電力線載波芯片ST7538及其外圍電路組成。ST7538是采用FSK調制技術的高集成度、功能強大的電力載波芯片，內部采取了多種抗干擾措施，它可以在噪聲頻帶很寬的信道環境下實現可靠的通信。內部集成了發送和接收數據的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接。內部具有電壓自動控制和電流自動控制，只要通過耦合變壓器等少量外圍器件即可連接到電力網中。ST7538除了實現電力線載波通信功能外，還具有看門狗、過零檢測、運算放大器、時鐘輸出、超時溢出輸出、+5 V電源和+5 V電源輸出等功能，大大減少了ST7538應用電路的外圍器件數量。該芯片符合歐洲CENELEC(EN50065-1)和美國ECC標準。
1．5 時鐘電路模塊
時鐘電路模塊由AT89C51-1和時鐘芯片DS12887組成。CPU通過讀DS12887的內部時標寄存器即可通過選擇二進制碼或BCD碼初始化芯片的10個時標寄存器得到當前的時間和日歷，其內部14 b非易失性靜態RAM可供用戶使用。對于沒有RAM的單片機應用系統，可在主機掉電時保存一些重要數據。DS12887的4個狀態寄存器用來控制和指出DS12887模塊的當前工作狀態，除數據更新外，程序可隨時讀寫這4個寄存器。利用單片機對DS12887進行編程，可方便地實現讀數，完成定期抄表等功能。
1．6 工作狀態顯示模塊
工作狀態顯示模塊主要由發光二極管、放大器、AT89C51-2等元件組成。用不同顏色的發光二極管來分別顯示電源的通斷、鏈路的連接以及數據的發送等狀態。該電路模塊具有響應速度快，使用溫度范圍較大，功耗小，使用壽命長等優點。
1．7 操作鍵盤模塊
操作鍵盤模塊由鍵盤和AT89C51-2組成。通過操作鍵盤，可設置一些參數，如終端的地址、各用戶的電度表常數等，也可以對單片機發出簡單的指令，如顯示各項參數、手動需量等。
2 軟件設計
結合自動采集終端硬件來設計軟件，通過分析要實現的功能，整個程序可分為主程序和中斷服務程序模塊。系統主程序對系統進行初始化設置，完成上電后對上次停電后的信息處理，采集電能量并進行相應的處理，處于待機狀態接收收集站下達的指令，并做分析處理，控制數據傳輸、鏈路檢查和校對時鐘等任務的執行，流程如圖2所示。其中，電能量的采集使用定時中斷；采樣間隔可根據用戶電度表容量設置，樣機中采樣間隔設置為100μm，程序流程見圖3。中斷服務程序模塊有定時中斷、通信中斷等實時性處理的功能模塊。通過各功能模塊之間的調用，一層一層地實現程序功能。
3 自動采集終端的抗干擾措施
為了保證采集數據的準確性和數據傳輸的可靠性，系統必須具有較強的抗干擾性。在系統設計的過程中，采取以下措施來增強系統的抗干擾能力：
(1)采用施密特觸發器和積分處理等對脈沖信號進行多次濾波和整形操作，以去除窄干擾脈沖的干擾。
(2)采用光電措施實現主板電路和電度表的隔離以及軟件的防干擾處理。
(3)用D觸發器對脈沖進行鎖存，累加計數后清除。
(4)存儲芯片采用具有掉電保護功能的AT24C32，防止因掉電造成數據丟失，電力線調制解調芯片采用具有掉電保護、看門狗等多種功能的ST7538，以防止程序跑飛。
(5)在所有環節中，對傳輸的數據進行CRC校驗，以保證數據的可靠接收。
(6)在軟件中對脈沖的邊沿抖動進行處理，以防止因“毛刺”現象引起誤差。
(7)在CPU處于空閑時，用軟件使之進入待機狀態，這時CPU不執行任何操作，只有系統中斷可以喚醒它，所以相應地對干擾也不敏感。
4 結語
利用硬件和軟件防干擾相結合的方法，采用雙CPU共用數據存儲器技術、脈沖硬處理電路、先進的調制解調和CRC循環冗余編碼解碼技術，實現了高可靠的脈沖采集，防止了脈沖的漏記和多記，解決了脈沖計數和電力線載波通信的實時性和引腳不足等問題，實現了低成本、高可靠性、高穩定性的電能信息自動采集終端的脈沖計數、分時計費和電力線載波通信功能，形成了功能強大，易維護性強，可擴展性好，安全性高的電能信息自動采集終端系統。這種技術可應用于電子信息、電力、環保、自來水、煤氣等行業的檢測儀器設備中。隨著供電、用電管理系統的不斷完善與發展，該系統無疑具有廣闊的發展空間和使用價值。