基于ATMEGA64的电力采集器设计

张高山

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏 南京211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京211106）

1 概述

电力采集器是用户用电信息采集系统里的采集装置，可以实现表计数据的采集、数据管理、数据双向传输以及转发或执行控制命令的功能。

电力采集器功能整体上可分为上行规约处理、下行抄表及数据存储。下行抄表主要完成抄表任务，数据存储可存储所有电能表最近12个月的正反向月有功、无功电量数据（总及各费率）；最近31 天的正反向日有功、无功电量数据（总及各费率）；所有电能表最近24 h 整点正反向有功电能数据（总电量）；实时数据按照抄读间隔抄读数据项，整点数据在每次抄完实时数据后冻结数据，在存储的当前有效位置判断抄读回来的数据有效时间是否与最近一次存储的数据的时间（年月日时）相同，不同存储；日冻结抄读是在每日零点开始抄读，日冻结存储是在成功或在实时数据有效时存储，月冻结（抄表日冻结）数据抄读是在抄表日时发生。

2 总体设计

电力采集器的电路设计由电源电路、RS485 通信电路、载波通信电路、存储电路、MCU电路和红外通信等组成。交流市电经过整流滤波为载波功放电路提供电源，然后经过线性电源降压，给系统提供基本电源，电池电源是用来维持停电后时钟正常运行；载波通道采用模块化处理，提供统一接口，可以更换各种方案；存储电路存储抄读的电能表冻结数据。其原理框架如图1所示。

电源单元。采集器采用开关电源给主处理器和外围电路提供稳定工作电源，市电停电后，由电池维持时钟电路的运行。

图1 原理框架图

MCU 单元。主处理器采用32 位先进的低功耗芯片，该处理器处理性能强，资源丰富，抗干扰能力强，功耗低。

存储单元。存储器主要贮存抄读电表的冻结数据、电表档案、采集器参数等相关数据，停电后数据不会丢失。

载波通信单元。采集器的上行通道采用低压电力线载波通信方式和集中器及其他终端进行通信，载波通信电路集成在仪表内部。

RS485 电路。采集器的下行通道具有RS485 接口，可以和RS485 电能表进行通信。485 芯片内部集成瞬变电压抵制，同时对超出总线终端ESD保护（+30 kV 接触放电；+15 kV 气隙放电；+15 人体模型），能承受峰值为400 W过压瞬变，在电噪声环境中的数据传输速率为250 kbit/s，开路失效保护接收器设计，1/4 单位负载允许128 个器件连接到总线，热关闭保护，低禁止工作电流最大300 μA。

红外电路。采集器具有一路调制红外电路，可以通过手持设备进行设置采集器参数、抄读电能表数据等操作。

3 软件设计

3.1 软件程序运行说明

主芯片接收到来自载波、红外或调试485 的报文后，首先检查报文中的通信地址是否是采集器地址，如果不是采集器地址同时也不是广播地址，那么就把这帧数据原样发送到485抄表口上（同时判断数据帧是2007/645 或1997/645，并按照不同的波特率发送出去，默认2007/645按2400 bit/s发送，1997/645按1200 bit/s发送）；如果是广播地址，同时是广播校时，则对采集器校时，同时会以1200 bit/s 和2400 bit/s发送到485抄表口上；如果是采集器地址，则抄读采集器本身存储的数据，如果没有数据，则抄读对应的485表数据，再返回。

实时数据按照抄读间隔（抄读间隔可设置为30、60 min 等）抄读数据项，采集器在3 天内连续抄表失败后会自动删除该表地址；整点数据在每次抄完实时数据就冻结数据，在存储的当前有效位置判断抄读回来的数据有效时间是否与最近一次存储的数据时间（年月日时）相同，不同则存储；日冻结抄读在每日00:05 开始抄读，如果表不支持日冻结功能，则使用实时数据存储，日冻结存储是在成功或在实时数据有效时存储，与整点数据存储的原理相同；月冻结（抄表日冻结）数据抄读在抄表日指定时刻进行，存储原理与日冻结相同。程序流程图如图2所示。

图2 整体程序流程图

4 存储空间分配

电力采集器有效的存储空间包括2K Byte 的EEPROM，以及2048×264 Byte 的片外Flash，存储内容包括采集器参数、电能表档案参数、电能表数据、远程升级程序备份空间以及采集器事件，其空间占用如下：

采集器参数占用空间大小为64 Byte；电能表档案参数占用空间大小为257 Byte；电能表数据占用空间大小为395328 Byte。

采集器EEPROM存储内容包括采集器参数、电能表档案参数，具体分配如表1所示。

表1 EEPROM存储空间分配

片外FLASH存储内容采集器参数备份、电能表档案参数备份、电能表数据、远程升级以及事件，具体分配如表2所示。

表2 片外Flash存储空间分配

5 结束语

本文设计实现了电力采集器的硬件平台、抄表软件流程。基于ATMEGA64的电力采集器已经批量应用在安徽、江苏、青海等地，并取得了非常好的采集效果。随着电力物联网的不断推进，电力采集器也将具有非常广泛的应用前景。