1 GPRS網絡電能表

　　GPRS網絡電能表就是GPRS通信技術和電表技術的結合體，他將三相多功能電能表和GPRS通信模塊相結合，形成具有無線網絡通信能力的電能計量裝置。GPRS網絡電能表由基表和GPRS無線通信模塊兩部分組成。

　　1.1 基表

　　基表可實現普通三相多功能電能表的基本功能，在未接入GPRS通信模塊的情況下，不影響其作為普通多功能電能表的使用。它對交流模擬量進行實時采樣、處理和存儲，實現電能計量、需量測量、復費率、負荷曲線計算和存儲、數據凍結、事件記錄、復費率等，可實現用戶預購電控制、負荷控制、遠程控制等功能。具備RS 485通信接口、紅外通信接口、GPRS通信模塊接口，以實現數據的抄讀和設置;基表還具有本地液晶顯示，可支持本地巡顯和鍵顯功能。

　　1. 2 GPRS通信模塊

　　GPRS通信模塊是GPRS網絡電能表的數據上傳的關鍵節點，作為網絡電能表的一個獨立模塊，在不影響基表計量的情況下，滿足用戶抄表系統的技術要求和傳輸規約，實現數據的可靠傳輸。GPRS通信模塊與基表的下行通信滿足DT/L645多功能電能表通信協議，與主站的上行通信滿足《電力用戶用電信息采集系統通信協議》(Q/GDW 376.1-2009)標準。

　　在此著重描述GPRS通信模塊的軟硬件設計。

　　2 GPRS通信模塊硬件結構

　　2.1 系統框圖

　　GPRS無線通信模塊的系統框圖如圖1所示。系統包括：ARM微處理器(LPC2138)、GPRS模塊、FLASH和鐵電存儲器、紅外收發、RS 232串行調試接口、RS 485通信接口、JTAG仿真接口、LED指示及電源轉換等。

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　　2.2 模塊功能

　　2.2.1 微處理器

　　采用基于ARM7TDMI-S內核的32位微處理器LPC2138，其內嵌了512 KB的高速FLASH存儲器和32 KB的RAM，具有豐富的外設資源，如：2個32位定時器(帶捕獲、比較通道);2個10位8路ADC;1個10位DAC;PWM通道;47路GPIO;9個邊沿或電平觸發的外部中斷;具有獨立電源和時鐘的RTC;多個串行接口(UART，I2C，SPI，SSP);內含向量中斷控制器，可配置中斷優先級和向量地址;片內Boot裝載程序，可以實現在系統/在應用編程(ISP/IAP)，通過片內PLL可實現60 MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并且可通過外部中斷喚醒。

　　2.2.2 GPRS模塊

　　采用深圳有方科技出品的M580z模塊，其內部集成了TCP/IP協議棧，具有兩個通信鏈路，一路標準TTL串行通信端口，精簡的AT指令集，通過AT命令可實現模塊的參數設置和數據發送。M580與CPU通過一個TTL電平的串行口連接。

　　2.2.3 存儲器

　　由于與主站的上行通信應滿足《電力用戶用電信息采集系統通信協議》，需要存儲規約要求的一類數據(實時數據)、二類數據(曲線數據、統計數據)和三類數據(事件)，特別是曲線數據要求存儲的數據量大，因此采用大容量的FLASH存儲器來存儲二類和三類數據。由于鐵電存儲器可無限制的擦寫，所以用來存儲需要經常更新的實時數據和設置參數。存儲器與MPU的接口為SPI接口。

　　2.2.4 串行接口和JTAG仿真端口

　　利用RS 232串行口、紅外通信口可實現模塊參數的本地設置和維護。其中，RS 232串口可實現對GPRS模塊狀態的監測，通過RS 485串行口可抄讀滿足《電力用戶用電信息采集系統通信協議》的數據;JTAG仿真端口可對ARM處理器進行仿真和程序燒寫。

　　2.2.5 LED指示

　　LED指示燈用來指示模塊的電源狀態、模塊登陸狀態、網絡通信狀態及保電狀態等。

　　2.2.6 三相電能表

　　三相電能表實現電能量及電壓電流等數據的采集與計算。它與MPU通過一個串行口連接，通信規約滿足DT/L645協議，模塊定時抄讀三相表數據，包括電量、需量、電壓、電流等實時數據，并將抄讀到的數據進行轉換和存儲，以滿足主站對模塊的訪問要求。

　　3 軟件設計

　　3.1 總體架構

　　軟件設計基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統的多任務設計，整體架構如圖2所示。

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　　系統軟件包括：主任務、上行任務、下行任務、模擬串口任務、事件處理任務和控制處理任務。

　　3.1.1 主任務

　　實現全局變量初始化，硬件環境初始化，信號量和消息隊列的建立、其他任務的創建和啟動、鍵盤掃描、系統時間和定時處理、復位處理等功能。

　　3.1.2 上行任務

　　上行任務實現GPRS通信鏈路的建立、維護及與主站的數據交換，包括鏈路維護、數據收發、協議解析等功能。

　　3.1.3 下行任務

　　實現對基表數據定時抄讀、數據處理、數據存儲、數據的轉發等功能。

　　3.1.4 模擬串口管理任務

　　由于系統必須實現上行通信端口、下行通信端口、RS 485通信端口、RS 232通信端口和紅外通信端口5個串行通信口，而LPC2138內部只有兩個串行口，所以必須對串口進行擴展。在此，用軟件來模擬串口通信，以實現串口擴展。建立一個模擬串口管理任務，專門管理下行抄表模擬串口、紅外通信模擬串口和調試模擬串口。

　　3.1.5 事件處理任務

　　事件處理任務處理系統發生的各類事件，包括事件記錄、事件上報等。

　　3.1.6 控制任務

　　控制任務執行一些控制操作，包括預購電控制、保電控制、告警控制等。

　　3.1.7 任務間的通信

　　任務與任務之間數據傳遞通過消息發送和接收來實現，消息結構為：

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　　消息傳遞函數定義為：

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　　3.2 軟件模塊實現流程

　　軟件采用模塊化設計，每個任務包含不同的功能模塊，由于系統包含模塊較多，在此只給出主任務模塊流程圖及上行任務中的GPRS鏈路維護模塊流程圖。

　　3.2.1 主任務流程

　　主任務程序流程如圖3所示。

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　　3.2.2 GPRS鏈路維護流程

　　上行任務中的鏈路維護模塊包括：GPRS網絡登陸、鏈路狀態檢測以及心跳維護等。其中，GPRS網絡登陸程序流程如圖4所示。在GPRS通信鏈路建立后，如果長時間無數據傳輸，則GPRS網絡連接將被斷開，所以必須在一定時間間隔內發一個心跳幀至主站，確認主站應答后說明鏈路狀態正常。不同品牌GPRS模塊的AT指令集不同，因此在編程前須熟悉相關GPRS模塊的指令集，以實現鏈路的建立和維護。

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　　4 結語

　　介紹了GPRS網絡電能表的功能和GPRS無線通信模塊的軟硬件設計，它是對GPRS網絡電能表開發項目的總結。系統軟件移植了μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統，采用多任務設計，提高了系統的實時性，對實現遠程無線抄表具有積極意義，設計的產品已在國家電網公司成功應用，且運行穩定，應用效果良好。