CN113238081A - 一种智能电表终端 - Google Patents

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史洪玮
施连敏
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Abstract

本发明提供了一种智能电表终端，包括：核心板、扩展板和外接传感器；其中，扩展板通过GEC接口连接核心板，扩展板通过通用接口连接外接传感器；所述核心板包括MCU及与所述MCU通过固定接口连接的通讯模组；所述扩展板包括光敏、热敏传感器、程序下载接口、电源接口、工作指示灯；外接传感器包括LCD显示器和电网数据采样传感器。本发明对嵌入式硬件设计思想进行研究，最终设计出基于AHL NB‑IoT的电表终端。本发明电表终端采用硬件电路模块化设计思想，硬件电路可快速复用。硬件实体采用构件化设计思路，硬件终端可快速升级。

Description

一种智能电表终端
技术领域
本发明属于智能电表领域，具体涉及一种基于AHL NB-IoT的智能电表终端。
背景技术
我国电能表技术发展至今，已有70多年的历史。1952年上海和成电器厂开始专业生产电能表，当时以仿制国外感应系电能表为主。60年代初，我国开始自行设计电能表。70年代中后期，开始引进国外先进电能表的制造技术。90年代初，国产电子式电能表研制成功。近些年，电网资产和业务不断数据化，物联网技术正逐渐与电力设备感知技术深度融合，电网设备物联网***开始出现，信息开始互联互通。
智能电表是智能电网的智能终端，智能电表除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用还具有双向多种费率计量功能、用户端控制功能、多种数据传输模式的双向数据通信功能、防窃电功能等智能化的功能，智能电表代表着未来节能型智能电网最终用户智能化终端的发展方向。现有网络发展逐渐完善，但现有的一体式设计思路终端，在进行局部电路升级时，需要重新制板，因此设计速度慢、成本高。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明提供了一种智能电表终端，包括：
核心板、扩展板和外接传感器；其中，扩展板通过GEC接口连接核心板，扩展板通过通用接口连接外接传感器；
所述核心板包括MCU及与所述MCU通过固定接口连接的通讯模组；
所述扩展板包括光敏传感器、热敏传感器、程序下载接口、电源接口、和工作指示灯；
外接传感器包括LCD显示器和电网数据采样传感器。
进一步地，所述电网数据采样传感器采用HT7036计量芯片。
进一步地，所述MCU采用STM32L431芯片。
进一步地，所述通讯模组采用ME3616通讯模组。
进一步地，所述MCU通过SPI模块与外接传感器进行通信，获取采集到的数据，再将该数据通过串口发送给通讯模组，通讯模组通过窄带传输将数据上传到云服务器。
进一步地，所述MCU与上位机校准程序通过串口通信，校准MCU内部存储的增益参数，并通过SPI通信将校准后的增益参数写入到所述计量芯片中。
进一步地，所述计量芯片的复位引脚外接高电平，计量芯片的休眠模式控制引脚保持低电平，计量芯片外部晶振的连接引脚与5.5296MHz晶振相连。
进一步地，所述智能电表终端进一步包括校准电路，所述校准电路包括两个电流互感器。
进一步地，所述SPI模块为SPI低通滤波电路。
进一步地，所述智能电表终端进一步包括浪涌保护电路。
本发明的优点在于：本发明对嵌入式硬件设计思想进行研究，最终设计出基于AHLNB-IoT的电表终端。本发明电表终端采用硬件电路模块化设计思想，硬件电路可快速复用。硬件实体采用构件化设计思路，硬件终端可快速升级。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了根据本发明实施方式的终端硬件构成及基本功能示意图。
附图2示出了根据本发明实施方式的校准电路图。
附图3示出了根据本发明实施方式的电压采样电路图。
附图4示出了根据本发明实施方式的电流采样电路图。
附图5示出了根据本发明实施方式的SPI低通滤波电路图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
1.1嵌入式硬件设计分析
针对具体硬件引脚的电路设计，适用于当前硬件实体；针对硬件功能的设计，硬件电路可以进行快速移植，符合嵌入式硬件模块化设计思路。嵌入式终端制板费用，以面积为单位进行计算。采用小面积、拼接思路设计的硬件终端与一体式、大面积终端相比，成本更低。终端受具体安装环境的限制，体积、最大面面积应小规模化，小面积、拼接设计能够适应多种安装环境。一体式设计思路终端，在进行局部电路升级时，需要重新制板；而拼接式终端，只需对升级部分重新制板。小面积、拼接式电路合理规划，便可使每一部分硬件成为独立的、具有最小功能模块、不可分割的硬件构件，硬件构件通过多种组合方式，即可搭建具有不同功能的终端。
以HT7036电能计量芯片为主的外接传感器使用外部接线，通过SPI功能引脚与MCU进行通信，且共享MCU的电源。更换传感器时，只需改变接线，无需重新制板。若当前SPI模块出现问题，也可连接MCU其他SPI模块。电表终端后期升级MCU时，只需改变核心板电路设计，无需改变通讯引脚电路设计。
1.2终端硬件结构组成
终端主要通过SPI协议控制LCD显示，与计量芯片进行通信，获取计量芯片采集到的电压、电流、功率等电网数据，并通过UART协议与校准程序配合实现无源校准，与窄带通信模组通信实现数据上传。电能质量采集终端主要由MCU最小***及扩展板接口电路、以HT7036计量芯片为主的外接传感器电路、通讯模组电路等组成，终端硬件构件构成如下图1所示，包括：核心板、扩展板和外接传感器；其中，扩展板通过GEC接口连接核心板，扩展板通过通用接口连接外接传感器；核心板包括MCU及与所述MCU通过固定接口连接的通讯模组；扩展板包括光敏、热敏传感器、程序下载接口、电源接口、工作指示灯；外接传感器包括LCD显示器和电网数据采样传感器。
所述电网数据采样传感器采用HT7036计量芯片。所述MCU采用STM32L431芯片。以HT7036计量芯片为主的外接传感器负责电网数据的采集，STM32L431芯片则通过SPI模块与外接传感器进行通信，获取采集到的数据。然后，再将该数据通过串口发送给ME3616通讯模组，通讯模组通过窄带传输将数据上传到云服务器。通讯模组收到云服务器回发的数据，再反馈给STM32L431主控芯片。在开始测量数据前，STM32L431主控芯片还需要与上位机校准程序通过串口通信，校准主控芯片内部存储的增益参数，并通过SPI通信将校准后的增益参数写入到计量芯片中。
电表终端核心板采用双面设计，反面为MCU最小***，正面为通讯模组。将MCU和通讯模组布置在核心板上正反面，减少硬件耦合，可以有效减少MCU、通讯模组迭代的成本。
扩展板上主要为光敏电阻、热敏电阻、磁阻及各类传感器接口。
电能质量监测外接传感器均为SPI通讯类型，包括用于显示终端信息的液晶屏，用于采集电能数据的外接传感器，外接传感器实物图如下图3-5所示。外接传感器通过传感器接口与扩展板连接。外接传感器作为硬件构件，按接口外接，有利于电表终端的硬件升级。
终端LCD显示界面被分为五部分，终端统一名称区域，内容为“AHL NB-IoT PQM”。终端基本信息区域，包含IMSI号、芯片温度、终端程序版本信息。发送配置信息区域，包含云服务器IP地址、端口号、信号强度、发送频率等。电能数据信息区域，包含电流电压功率。终端运行状态提示区域，提示校准结果、数据发送的结果等。
1.3终端电路设计
终端电路主要包含校准电路、电压电流采样电路、MCU与计量芯片通讯电路和终端保护电路。后三者是终端工作电路必不可缺的部分，校准电路负责对终端进行测试、校准，以保证终端测量数据的精度。
1.3.1校准电路设计
校准电路包括两个电流互感器。无源校准时，分别对A、B、C三相数据进行校准。使用交流稳压源为计量芯片接入220V的稳定电压，使用负载区端子为纯电阻负载供电，并将电流互感器接入到同相电流端子上。根据终端屏幕显示的电流、电压、功率数据，使用程序进行校准。在进行电压、电流、功率校准时，将负载换成功率因子为1的滑动变阻器，以便校准成功后，改变入板电流、电压，确定电网数据的误差。校准电路如下图2所示。
1.3.2采样电路设计
电压、电流采样电路藉由HT7036片内的19位ADC模块实现，采用双端差分信号输入。
1.电压采样电路
采用串联分压原理实现电压测量。以A相测量电路为例，R213～R219作为分压电阻，R220两端电压与计量芯片A通道的输入电压相同。UA引脚通过电压端子连接A相火线，另一端与A相电压通道正、负模拟输入引脚(V2P、V2N)相连，电压通道的输入有效值为0.22V左右。校准时，电压通道输入值约为0.114V，通过设置ADC增益配置寄存器bit9、bit8为01，可将电压通道增益倍数设置为2，达到目标输入电压。ADC通道满量程有效值为0.5V，2倍增益模式下，入板电压范围为0～481.5V。电压采样电路设计如下图3所示。
2.电流采样电路
电流采样藉由ZHT103U型电流互感器实现，电流互感器变比为1000:1，入板电流为实际电路1/1000。电流通道ADC输入有效值为0.05V左右，使用100Ω的滑动变阻器，阻值设置为69Ω，市电供电时，可产生3.2A左右的电流。电流经由互感器接入计量芯片，将计量芯片增益系数设置为2，电流采样通道输入电压达到49.76mV，在此模式下进行校准，易获得正确的电流增益值。电流采样电路展示如下图4所示。
1.3.3MCU与计量芯片通讯电路设计
计量芯片以外接传感器的形式，通过杜邦线与扩展板引脚相连。计量芯片的通讯引脚与STM32L431的SPI模块功能引脚相连，实现MCU与计量芯片之间的通信。采样电路和通讯电路通过引入低通滤波电路实现了对高频信号的过滤，滤波电路可以通过的最大频率的计算公式为：
Figure BDA0003080109020000061
计量芯片SPI通信接口速率可达10Mbps，使用100R、100PF的电阻、电容组合可以滤除远高于10MHz的高频噪声，MCU与计量芯片1通讯电路如下图5所示。
1.3.4浪涌保护电路设计
电流采样电路使用电流互感器，产生的电流为mA级，远低于额定值，不易产生浪涌现象。电压采样电路引入限压型浪涌保护器，形成的浪涌保护电路，电压采样电路需并联MYN23-681K型压敏电阻，当出现浪涌电压时，压敏电阻阻抗不断减小，吸收浪涌电压，保护终端设备。为了防止终端电路出现过流现象，在火线上串联PTC型热敏电阻。PTC型热敏电阻具有低温导通的特性，其阻值随温度升高急速增大，可起到过载保护作用。
1.3.5计量芯片最小***电路设计
计量芯片最小***是计量芯片能够正常运行的最小电路单元，本发明使用HT7036计量芯片实现电网数据的采集。计量芯片的复位引脚(1号，RESET引脚)必须外接高电平(3.3V)，才能保证计量芯片的正常工作。计量芯片的休眠模式控制引脚(22号，SLEEP引脚)必须保持低电平，才能保证芯片处于正常工作模式。计量芯片外部晶振的连接引脚(30号，OSCI引脚；31号，OSCO引脚)必须与5.5296MHz晶振相连，才能最大程度的保证计量芯片的测量精度。
本发明主要对电能质量监测***中所涉及到的校准电路、外接传感器电路进行了详细的说明。正确的硬件电路设计是嵌入式软件***开发的基础，合理的硬件架构为***的升级提供便利，减少***开发的硬件成本。基于AHL NB-IoT架构的硬件***，为嵌入式硬件构件化设计提供了理论支持。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种智能电表终端，其特征在于，包括：
核心板、扩展板和外接传感器；其中，扩展板通过GEC接口连接核心板，扩展板通过通用接口连接外接传感器；
所述核心板包括MCU及与所述MCU通过固定接口连接的通讯模组；
所述扩展板包括光敏传感器、热敏传感器、程序下载接口、电源接口、和工作指示灯；
外接传感器包括LCD显示器和电网数据采样传感器。
2.根据权利要求1所述的一种智能电表终端，其特征在于，
所述电网数据采样传感器采用HT7036计量芯片。
3.根据权利要求1所述的一种智能电表终端，其特征在于，
所述MCU采用STM32L431芯片。
4.根据权利要求1所述的一种智能电表终端，其特征在于，
所述通讯模组采用ME3616通讯模组。
5.根据权利要求1所述的一种智能电表终端，其特征在于，
所述MCU通过SPI模块与外接传感器进行通信，获取采集到的数据，再将该数据通过串口发送给通讯模组，通讯模组通过窄带传输将数据上传到云服务器。
6.根据权利要求2所述的一种智能电表终端，其特征在于，
所述MCU与上位机校准程序通过串口通信，校准MCU内部存储的增益参数，并通过SPI通信将校准后的增益参数写入到所述计量芯片中。
7.根据权利要求6所述的一种智能电表终端，其特征在于，
所述计量芯片的复位引脚外接高电平，计量芯片的休眠模式控制引脚保持低电平，计量芯片外部晶振的连接引脚与5.5296MHz晶振相连。
8.根据权利要求1所述的一种智能电表终端，其特征在于，
所述智能电表终端进一步包括校准电路，所述校准电路包括两个电流互感器。
9.根据权利要求5所述的一种智能电表终端，其特征在于，
所述SPI模块为SPI低通滤波电路。
10.根据权利要求1所述的一种智能电表终端，其特征在于，
所述智能电表终端进一步包括浪涌保护电路。
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