专利名称：基于因特网的单相电能表的利记博彩app
技术领域：
本发明属于电力系统领域，涉及到网络电能表(也称电度表)，特别涉及到有因特 网卡接口和通讯协议的数字式电子计量表。
技术背景当前国内电能表市场正在步入平稳发展期，居民新增表、网改以及对外出口的推动 使电能表市场仍有巨大的市场容量。同时，电能表设计也从普通功能型向长寿命、高精' 度、多功能、网络化的方向发展。传统电能表的通信方式一般选择红外抄表、485串口传输等通信方式进行抄表。红 外通信距离很近， 一般不超过20米；而485通信需要另外铺设电缆。这些传统通信方式 计费时、费力且不可靠。互联网的广泛应用，计算机和网络技术迅速发展，促使其相关技术逐渐走向成熟。 因特网技术广泛用于各种计算机网络，实现不同网络设备的互联。基于因特网技术的设 备控制发展也越来越迅速，已经深深影响到仪器仪表行业。网络化仪表的发展出现了强 大势头。目前已经有部分论文进行对网络电能表的相关技术进行研究，探讨其实现的途径，见刘琳霞，沈安文，李自成所作的《基于外部存储芯片的网络化电能表设计》；黎枭,熊芝耀所作的《基于嵌入式系统的网络电能表》；公茂法，闫银发，汤元信，吴建所作的《基于以太网的网络自动抄表系统设计》。但其基本上集中在实验室网络通信技术实现的可能性上，对电能表在实际应用中成本的限制、抗干扰能力以及整个系统方案的选择尚未进行深入研究，欠缺实际意义。首先网络化通信的要求，使得以前作为主流的8位单片机功能上捉襟见肘，还需要扩展外部存储芯片(RAM)和只读存储器(ROM)。虽然这种方案应用起来不是很困难，但所用外部元件数量较多，系统开销较大，稳定性很难保证，并且由于传统8位单片机本身资源的限制，以后进一步升级的空间很小。现在市场上比较常用的如32位微处理等，网络化功能十分强大，完全可以满足网络化仪表的要求，但是其作为商用芯片，考虑到市场的原因，集成了许多片内外设，如以太网口、 Intel公司开发的通用串行总线架构(USB)接口、液晶显示器(LCD)、控制器、键盘接口、实时时钟模块(RTC)、模数转换模块(ADC)和数模转换模块(DAC)、数字信号处理(DSP)协处理器、Intel集成电路 总线(IIC)接口、通用串行通讯接口 (USART)接口等。这其中过多不必要的成本都要 加载到消费者身上，这显然是不合理的。另外在进行因特网通信时可能还需要外接因特 网物理层(PHY)/媒体接入控制层(MAC)控制芯片、网络电磁隔离变压器以及连接器(RJ45)等相关器件，造成系统成本进一步提高，。 发明内容本发明的主要目的在于面向己经实现因特网网络接入的运行环境，提出了一个完整 的基于因特网的单相电能表控制系统，实现电能表的网络化，从而实现自动化收费和在 线管理，以减少人为的电费"跑、冒、滴、漏"，提高服务质量，提高工作效率。同时，省去了另行建立有线通信网络的过程，实现了网络资源共享，大大节省了资源成本。本发明的特征在于所述的单相电能表基于飞思卡尔的16位单片机(MC9S12NE64) 的系统，在硬件设计上对电能计量芯片与电网的接法以及系统软件设计中相应的模块加 以调整。其中所述基于因特网的电能表含有硬件控制系统装置和网络协议。 所述的硬件系统中含有-16位单片机(MC9S12NE64。)、红外通信芯片、电磁隔离变压器、时钟芯片 (PCF8563)、 EEPR0M芯片(AT24C16)、电源芯片、电压/电流互感器、电能计量芯片 (CS5460A),继电器、显示器及基于TCP/IP协议的因特网互连的连接器，其中 电压/电流互感器，输入端与外部电网相连；电能计量芯片，差分电压/电流输入管脚连接该电压/电流互感器的输出端； 电源芯片，电源输出端连接该电能计量芯片的电源输入端； 继电器，其输出端与该外部电网的电压/电流输入端相连； 显示器，与所述继电器互连；电磁隔离变压器，与因特网互连的连接器互连； 16位单片机，该单片机的总线管脚SCL、 SDA分别与EEPROM和时钟芯片互连，该单片机的红外接口与所述红外通信芯片互连，该单片机的因特网媒体接入控制层/因特网物 理层与所述电磁隔离变压器互连，该单片机的通用管脚分别与所述继电器和所述显示器 互连，该单片机的串行外设接口管脚SCLK、 SD0、 SDI分别与所述电能计量芯片的接口管 脚SCK、 MIS0、 M0SI相连，该单片机的电压转换器的输入端与所述电源芯片的输出端相连。所述硬件装置中的红外通信芯片至少由红外发射管和红外接收管组成。 所述硬件装置通过以太网与上位机通信。本发明所述的电能计量表装在用电用户端，即应用在居民、工矿、企业、机关、事 业等单位的用电计量上。以上各用电单位使用此表，用电管理部门可以通过因特网实现 对用电客户的电能表在线实时抄表，监督每块电能表的运行，达到及时发现电能表计量 是否故障，用户是否窃电，克服人工抄表造成的不准不实及抄表例日不同期而产生的电 量发行误差；实现网络在线实时结算电费和停、送电控制功能。克服目前应用的电卡表 离线运行带来的表、帐电费不一致；电价调整表内电价不能及时更新以及在恶劣环境下 运行的电能表卡口经常发生故障的问题。本发明可以实现自动化收费和在线管理，可以 减少人为的电费"跑、冒、滴、漏"，提高服务质量，从而提高了工作效率。
图l、本发明的硬件系统图；图2、本发明使用的内部EMAC和EPHY模块实现的因特网通信的外部硬件电路原理图；图3、本发明运用的TCP/IP协议栈结构图；图4、本发明中主程序对因特网通信数据的处理流程图。
具体实施方式
本发明在实际中要完成硬件装置和因特网通信。下面结合附图进一步详细说明本发明， (1)、硬件装置 如附图l所示，装置中以单片机(MC9S12NE64)作为系统的中央处理器(CPU)，负责对系统的控制 和对信息的处理。电源芯片包含两个芯片(LM7805和LM1086),其中LM7805来稳定变 压器产生的5V直流电压，提供给电能计量芯片(CS5460A)以及作为芯片(LM1086)的 输入，由芯片(LM1086)转换成3.3V直流电压提供给单片机(MC9S12NE64)作为工作电 压。电能计量芯片(CS5460A)通过差分电压输入管脚VIN+、 VIN-和差分电流输入管脚IIN-、 IIN+分别连接电压互感器(SPT204E)和电流互感器(SCT254FK),从电网上采集 到电流和电压的小信号，通过计算得到电流有效值、电压有效值、功率值及电量等各种 参数。通过串行外设接口 (SPI)管脚SCLK、 SDO、 SDI和单片机(MC9S薩64)的SPI 接口管脚SCK、 MIS0、 M0SI通信，单片机(MC9S12NE64)通过SPI接口读取电能计量芯 片(CS5460A)计算得到的所有电能参数，并通过软件程序进行信息处理。其中通过I2C 总线管脚SCL、 SDA存储到电可擦除只读存储器芯片(AT24C160)中，通过通用管脚(GPIO) 输出到显示器电能表专用数码管(SD420381)显示(也可使用LCD)，并根据条件决定是 否通过继电器(HHC67F)断电或者送电。实时时钟芯片(PCF8563)也通过I2C总线管脚 SCL、 SDA连接到I2C总线上为系统提供参考时间。系统主要通过因特网通信方式经因特 网与上位机通信，当该通信方式无法进行时，则可由工作人员利用红外通信方式实施现 场抄表及检査恢复因特网通信。其中红外通信模块主要由红外发射管(SE303)和红外接 收管(PIC12043)组成。由于我们利用单片机(MC9S12NE64)内部含有独立的因特网媒体接入控制层(EMAC) 模块和因特网物理层(EPHY)模块[见飞思卡尔半导体(MC9S12NE64)数据手册]，所以其 因特网接口外部只需要接电磁隔离变压器(E2023)、电阻和电容就可以了。也可以不使 用内部的EPHY模块，而选择外部接PHY芯片，但这样不仅会增加系统的成本，增大印刷电路板的面积，而且可能会影响到系统的稳定性。其中单片机使用内部芯片(EMAC和EPHY)来实现因特网通信的外部硬件电路，如附 图2所示。图中PHY一RXP、 PHY一RXN分别为单片机(MC9S12NE64)和因特网之间通信中发 送差分信号的正、负电平管脚，PHY一TXP、 PHY一TXN分别为单片机(MC9S12NE64)在因特 网通信中接收差分信号的正、负电平管脚；PHY—RXP、 PHY—RXN、 PHY—TXP、 PHY—TXN通过 电阻分压网络与市售RJ45的控制器侧相连，内置电磁隔离变压器的连接器(RJ45)电缆 侧共有J1…J8等8个信号线，其中J1、 J2分别为发送差分信号的正、负引脚，J3、 J6 分别为接收差分信号的正、负引脚，其余4根信号线未用。因特网通信中，单片机(MC9S12NE64)发送数据变换成差分电平信号，由PHY—TXP 和PHY一TXN发送出去，经过连接器(RJ45)内部的电磁隔离变压器后由Jl、 J2发送到网 络上；接收数据时，网络上的数据以差分信号形式进入连接器(RJ45)的J3、 J6，经过 电磁隔离变压器后传送到单片机(MC9S12NE64)的PHY_RXP和PHY—RXN管脚，由单片机 (MC9S12NE64)的因特网物理层(EPHY)完成数据的接收。(2)如图3、图4所示I、 方法应答网络上位机的Ping请求，以通知上位机网络连接正常；完成与上位机的通信， 包括上位机的校时请求、用户各种用电参数数据发送请求以及断电请求等等。根据上述系统需求，因特网通信只需要实现TCP/IP协议栈的一部分，即ARP协议、 IP协议、ICMP协议以及UDP协议就足够了。之所以不选择TCP协议是因为其协议实现要 比UDP协议复杂的多，占用太多的系统资源。相比之下，UDP协议就简单得多，所需资 源也少得多，虽然不像TCP协议保证发送数据的可靠性，但可以从上层软件设计中加以 保证。并且考虑到整个系统功能以及硬件资源的限制，也不采用嵌入式操作系统的移植 方案。系统初始化时，完成因特网通信必须的初始化工作。这其中包括控制芯片 (EMAC/EPHY)的地址、接收发送缓冲大小、通信数据类型、工作模式选择、中断方式使 能等等初始化配置。初始化结束后，系统进入接收等待状态。当系统接到接收中断时，程序对因特网传输过来的数据进行判断处理。当接收数据 正确时，则开始进行数据分析。如果是ARP帧，则判断对方是否在寻找自己，是则建立ARP应答标志，退出中断； 否则丢弃该帧，退出中断。如果是IP帧，则继续判断是ICMP数据报还是UDP数据。如果是ICMP数据报，则判断是否是Ping请求，如果不是则丢弃该帧(本系统只需 要实现简单的Ping功能以测试网络连接情况)，退出中断；如果是则校验正确后，建立 Ping应答标志，如果校验不正确，则建立错误标志，退出中断。如果是UDP数据报，则进行校验，若校验错误，建立错误标志，退出中断；校验正 确则读取数据到内存。建立相应标志位，供主程序处理，退出中断。系统的因特网通信的发送数据放在主程序中执行。当主程序读到相应的标志位建立 时，根据标志位进行相应的处理。如果是ARP应答标志，则将相应的数据帧通过控制芯 片(EMAC/EPHY)发送出去；如果是Ping应答标志，则将发送一个应答帧；如果是UDP 数据报通知时，则根据发送过来的时间修改时钟芯片(PCF8563)内的寄存器设置；如果 是UDP数据报通知将本地用户的用电参数数据发送到网络的上位机时，系统则将相应的 数据如本月用电量、上月用电量、电压峰值、电流峰值等等发送出去。发送出去的数据需要根据各种协议帧的格式进行封装，并根据需要添加填充字节， 以及CRC校验等。II、 数据处理
电能表终端接收到因特网通信中断后，在主程序中以査询各标志位来完成上位机的 请求，实现网络通信连接测试的应答、校时、费率调整、向上位机传输用户用电参数(用 电量、电压峰值、电流峰值等等)以及断电等功能。主程序循环读取因特网通信产生的标志位(EtherFlag),该位为0表示没有接收到 上位机的因特网通信请求，则主程序跳过其它由因特网通信内容产生的标志位；若该位 被置1,表明接收到请求。则主程顺序判断是否是Ping请求(标志位PingFlag)、 ARP 请求(标志位ArpFlag)、系统校时请求(标志位TimeFlag)、传输用电参数请求(标志 位ElecFlag)、送/断电请求(标志位RelayFlag / RelaylFlag)等。如果其中某个标志 位被置1，表示上位机产生该请求，则主程序调用相应的函数完成上述的请求并将标志 位清0，然后将应答数据封装成相应的数据帧格式，通过因特网口发送出去，然后将 EtherFlag标志位清0，准备接收上位机下一次因特网通信的请求。当完成此次因特网通信后，主程序继续执行其它标志位的査询，或者完成系统的显 示等功能。为了防止因特网通信故障的产生，保证系统的正常通信，系统还实现了红外通信。 当工作人员无法通过因特网与电能表通信时，可及时到现场进行数据采集以及完成因特 网通信网络的恢复。
权利要求
1、 基于因特网的单相电能表，其特征在于，其含有16位单片机、红外通信芯片、电磁隔离变压器、时钟芯片、EEPR0M芯片、电源芯片、电压/电流互感器、电能计量芯 片，继电器、显示器及基于TCP/IP协议的因特网互连的连接器，其中 电压/电流互感器，输入端与外部电网相连；电能计量芯片，差分电压/电流输入管脚连接所述电压/电流互感器的输出端；电源芯片，电源输出端连接所述电能计量芯片的电源输入端；继电器，输出端与所述外部电网的电压/电流输入端相连； 显示器，与所述继电器互连；电磁隔离变压器，与因特网互连的连接器互连；16位单片机，该单片机的总线管脚SCL、 SDA分别与EEPR0M芯片和时钟芯片互连， 该单片机的红外接口与所述红外通信芯片互连，该单片机的因特网媒体接入控制层/ 因特网物理层与所述电磁隔离变压器互连，该单片机的通用管脚分别与所述继电器 和所述显示器互连，该单片机的串行外设接口管脚SCLK、 SD0、 SDI分别与所述电能 计量芯片的接口管脚SCK、 MIS0、 M0SI相连，该单片机的电压转换器的输入端与所 述电源芯片的输出端相连。
2、 如权利要求1所述的基于因特网的单向电能表，其特征在于所述红外通信芯片至 少由红外发射管和红外接收管组成。
3、 如权利要求1所述的基于因特网的单向电能表，其特征在于所述电能计量芯片的 型号为CS5460A。
4、 如权利要求1所述的基于因特网的单向电能表，其特征在于所述时钟芯片的型号 为PCF8563。
5、 如权利要求l所述的基于因特网的单向电能表，其特征在于所述EEPROM芯片的型 号为AT24C16。
6、 如权利要求1所述的基于因特网的单向电能表，其特征在于所述单片机的型号为 MC9S12NE64。
全文摘要
本发明涉及到一种基于因特网的单相电能表，属于电力系统领域。其特征在于通过电源芯片给单片机与电能计量芯片提供电源，时钟芯片为存储芯片与所述单片机提供时钟脉冲，电能计量芯片和电压互感器从外部电网上采集信号，通过所述单片机读取并处理信息，并通过所述单片机总线存储，然后通过所述单片机通用管脚输出到继电器和显示器，最后所述单片机通过电磁隔离变压器与连接有上位机的因特网通过连接器相连。当电能表无法工作时通过红外通信芯片检测恢复通信。本电能表可以提高服务质量，实现在线管理，提高工作效率。
文档编号G01R11/00GK101144832SQ200610112999
公开日2008年3月19日 申请日期2006年9月14日 优先权日2006年9月14日
发明者胡晓光, 袁慧梅 申请人:北京航空航天大学