CN2730000Y - 电力负荷管理系统终端用交采模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电力负荷管理系统终端用交采模块，该模块设置在电力负荷管理系统终端内，其包括微处理器、与微处理器连接的看门狗电路、周波检测电路、数据存储电路、A/D采样电路、与A/D采样电路输入端连接的信号调理电路、与信号调理电路输入端连接的信号输入模块、CAN接口及与交采模块中各电路连接的电源电路；CAN接口通过数据线和控制线与微处理器双向连接，CAN接口的差分信号端并接在终端内部的控制器局域网的电缆上，交采模块通过CAN总线可与终端中的主控模块及各与功能模块间高速，可靠的数据通信，能有效提高终端采集电能数据的效率和可靠性，从而提高终端监控的正确性，确保电网正常运行。

Description

电力负荷管理系统终端用交采模块

技术领域

本实用新型涉及一种用于电力负荷管理系统采集用户侧的电量数据的一个交采模块，具体涉及一种电力负荷管理系统终端用交采模块。

背景技术

目前电力行业负荷监控管理系统终端中的现有技术交采模块采用RS485通讯接口与主控模块进行通信，由微处理器控制着交采模块的工作。请参见图1所示，现有技术的交采模块，包括：微处理器D1、看门狗电路D9、数据存储电路2、信号输入模块3、信号调理电路4、A/D采样电路5、周波检测电路6、RS485通讯接口及内部电源电路7。

为了确保程序可靠运行，增设了看门狗电路D9，微处理器D1通过控制线C1和复位线R与看门狗电路D9连接；看门狗电路D9的控制端在程序运行过程中定期产生脉冲，清除看门狗电路D9的计数器，使看门狗电路D9没有复位信号R输出；如果程序由于意外的情况进入一个死循环，在规定的时间内，控制线C1没有产生脉冲，看门狗电路D9将输出复位信号R，微处理器D1复位，使程序重新执行。

交采模块为了保存采集到的电流、电压信号以及交采模块的运算数据而设置了数据存储电路2，微处理器D1通过数据总线AD0-AD7和地址总线A8-A14及写信号WR线、读信号RD线、片选信号CS2线与数据存储电路2连接，由微处理器D1单向输出控制信号给数据存储电路2写、读、片选信号及地址信号；并与数据存储电路2双向交换数据。

信号输入模块3的输入端通过导线分别与外部输入设备W1的三相交流电压端Ua、Ub、Uc和三相交流电流信号端Ia、Ib、Ic连接；信号调理电路4串接在信号输入模块3与A/D采样电路5之间，信号调理电路4的输入端与信号输入模块3的输出端连接，信号调理电路4的输出端与A/D采样电路5的输入端连接，三相交流电压和三相交流电流通过信号输入模块3对交流信号进行防过流、过压、雷击等保护，并将输入的高电压、大电流信号变换成弱电信号，该弱电信号^*Ua、^*Ub、^*Uc、^*Ia、^*Ib、^*Ic输出到信号调理电路4；信号调理电路4将信号输入模块3输入的弱电压Ua、^*Ub、^*Uc、电流信号Ia、^*Ib、^*Ic进行滤波、放大处理，处理过的信号U1、U2、U3、I1、I2、I3输出给A/D采样电路5。

微处理器D1通过数据总线AD0-AD7、写信号WR线、读信号RD线、片选信号CS1线、开始转换信号CONV线与A/D采样电路5连接；A/D采样电路5在微处理器D 1的控制下对信号调理电路4输入的模拟信号U1、U2、U3、I1、I2、I3进行实时采集，转换成数字信号。A/D采样电路将上述的模拟信号转换成数字信号通过数据总线AD0-AD7输出给微处理器D1，微处理器D1通过写信号WR线、读信号RD线、片选信号CS1线、开始转换信号CONV线输出写信号WR、读信号RD、片选信号CS1、开始转换信号CONV输入到A/D采样电路5，A/D转换结束后，A/D采样电路5输出一个中断信号INT给微处理器D1，通知微处理器D1转换结束，微处理器D1可以读取转换数据。

微处理器D1通过D1线与周波检测电路6连接；周波检测电路6的输入端与信号输入模块3的输出端连接，从信号输入模块3输入A相电压信号Ua1，周波检测电路6把Ua1正弦波信号变换成同频率的方波信号，通过D1线输出方波信号给微处理器D1，为微处理器D1提供检测周波频率信号。

485通信接口通过数据发送TXD线、数据接收RXD线及接收与发送的控制信号C3线与微处理器D1连接；485通信接口通过TXD线接受微处理器D1的数据485通信接口通过数据发送RXD线发送数据给微处理器D1数据。485通信接口通过485A线、485B线连接到485总线，双向传送差分电压信号。C3是微处理器D1输出到485通信接口的接收与发送的控制信号，该信号控制485通信接口的数据发送与接收，485通信接口平时默认数据为接收。

内部电源电路与交采模块中各功能电路连接，通过“POWER”线提供工作电源。

485通信接口由于485通信接口芯片内部没有寄存器，也没有仲裁机构，所以485接口存在以下缺陷：虽然是两线制通信，但由于通信速率较低，无法提供数据传送率高的模块间通信；RS485通信方式不支持多主通信相邻两个模块之间的通信只能通过主节点转发，占用总线的时间较长；当数据流量高，影响运行速度；并不支持总线仲裁，不支持总线检错；使发送节点不知道通信的正确性，如果有一个节点出故障会使整个系统瘫痪；不支持总线网络内模块的优先级。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种电力负荷管理系统终端用交采模块，在该交采模块中设有CAN接口，并接在终端的控制器局域网上，它能使得交采模块具有相对独立性，从而实现模块间的高速，多主，实时，抗干扰，高可靠的数据通信，能有效提高终端采集电能数据的效率和可靠性。

本实用新型的目的是这样实现的：电力负荷管理系统终端用交采模块，该模块设置在电力负荷管理系统终端内，其包括微处理器、与微处理器连接的看门狗电路、周波检测电路、数据存储电路、A/D采样电路、与A/D采样电路输入端连接的信号调理电路、与信号调理电路输入端连接的信号输入模块及与交采模块中各电路连接的电源电路；其特点是，还包括一CAN接口，所述的CAN接口通过数据线和控制线与微处理器双向连接，CAN接口的差分信号端并接在终端内部的控制器局域网的电缆上，微处理器通过CAN接口与终端的主控板双向传送数据和控制命令。

上述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其中，所述的CAN接口由CAN控制器与CAN收发器组成；在CAN控制器的时钟信号端连接时钟电路，CAN控制器与CAN收发器之间通过接收信号线和发送信号线连接，并双向传送接收信号和发送信号；CAN控制器通过数据总线和控制信号线与微处理器连接，CAN收发器的差分信号端并接在电力负荷监控管理系统终端内部的控制器局域网上，通过控制器局域网双向传输差分信号。

上述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其中，所述的CAN接口由微处理器与CAN收发器组成；微处理器与CAN收发器之间通过接收信号线和发送信号线连接，并双向传送接收信号和发送信号；CAN收发器的差分信号端并接在电力负荷监控管理系统终端内部的控制器局域网上，通过控制器局域网双向传输差分信号。

上述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其中，所述的数据存储电路包括：锁存器和数据存储器；锁存器的输出端通过地址总线与数据存储器相连接，锁存器的输入端与微处理器的低位地址数据端连接；数据存储器通过数据线和控制线分别与微处理器的数据端和控制端连接。

上述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其中，所述的信号调理电路由六组信号调理单元电路、基准电源组成；六组信号调理单元电路的输入端分别与信号输入电路的输出端连接，六组信号调理单元电路的输出端分别与A/D采样电路三相交流电压UA、UB、UC、三相交流电流IA、IB、IC输入端连接；基准电源47与六组信号调理单元电路并接。

上述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其中，所述的A/D采样电路由A/D转换器、时钟电路、基准源组成；A/D转换器的时钟信号端连接一时钟电路，A/D转换器D4的基准电源输入端连接基准电源。

上述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其中，所述的周波检测电路由滤波电路、放大器及整形电路组成；滤波电路的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与整形电路的输入端连接。

本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、高速、远距离数据传输速率：当传输速率为1Mbit/S，其传输距离可达40m；当传输距离为10Km时，传输速率仍可高达5Kbit/S。

2、极高的总线利用率：其报文的接收判断，帧的组织、收发及校验等工作均由CAN控制器和收发器自动完成，不需CPU介入，大大提高了数据的处理速率。

3、多主，每个模块均可主动发起通信，任意两个模块之间可以直接通信。

4、总线仲裁：而且由于帧结构的巧妙设计，总线仲裁是根据优先级(ID号越小优先级越高)自动进行的，不需占用额外的总线仲裁时间，不会发生总线竞争。

5、实时，因单帧报文极短，实际报文的长度为8个字节，便于处理，因此其实时性很高；因其无竞争不需重发，可节省大量总线冲突后的重发时间。

6、简洁，电路结构较为简单，仅需两根线即可通信，甚至在模块共地的情况下，仅存一根线时还能通信。

7、高抗干扰，CAN接口采用抗干扰性最好的差分工作方式，因此可以达到很强的抗干扰性。

8、高可靠性，CAN接口如在一个节点检测到不可恢复性错误时，其CAN控制器可使该节点自动退出总线活动，不影响其它节点的正常通信；使用总线隔离技术可提高可靠性。

9、交采模块由于设有数据存储电路、信号输入模块、信号调理电路、A/D采样电路、周波检测电路能有效提高终端采集电能数据的效率和可靠性，从而提高终端监控的正确性，确保电网正常运行。

附图说明

通过以下对本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本实用新型的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是现有技术交采模块的电路框图。

图2是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的电路框图。

图3是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的部分电路原理图。

图4是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的信号输入模块和信号调理电路原理图。

图5是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的A/D采样电路原理图。

图6是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的周波检测电路原理图。

图7是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的工作流程图。

图8是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的CAN总线的标准帧图表。

图9是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的CAN总线的扩展帧图表。

图10是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的CAN总线的总体流程图。

图11是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的CAN总线初始化流程图。

图12是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的CAN控制器发送报文流程图。

图13是本实用新型电力负荷管理系统终端用交采模块的CAN控制器接收报文流程图。

具体实施方式

本实用新型交采模块是用于电力负荷管理系统采集电量数据的一个模块，负责该系统内用户侧的数据采集任务。在该交采模块中设有CAN接口，并联在电力负荷管理系统的控制器局域(Controller Area Network简称CAN总线)上，使得交采模块具有相对独立性，CAN网络的配置非常灵活，从而实现模块间的高速，多主，实时，抗干扰，高可靠的数据通信。

请参见图2所示，用于电力负荷管理系统交采模块包括微处理器D1、看门狗电路D9、CAN接口1、数据存储电路2、信号输入模块3、信号调理电路4、A/D采样电路5、周波检测电路6及内部电源电路7。

为了确保程序可靠运行，增设了看门狗电路D9，微处理器D1通过控制线C1和复位线R与看门狗电路D9连接；看门狗电路D9的控制端在程序运行过程中定期产生脉冲，清除看门狗电路D9的计数器，使看门狗电路D9没有复位信号R输出；如果程序由于意外的情况进入一个死循环，在规定的时间内，控制线C1没有产生脉冲，看门狗电路D9将输出复位信号R，微处理器D1复位，使程序重新执行。

交采模块为了保存采集到的电流、电压信号以及交采模块的运算数据而设置了数据存储电路2，微处理器D1通过数据总线AD0-AD7和地址总线A8-A14及写信号WR线、读信号RD线、片选信号CS2线与数据存储电路2连接，由微处理器D1单向输出控制信号给数据存储电路2写、读、片选信号及地址信号；并与数据存储电路2双向交换数据。

信号输入模块3的输入端通过导线分别与外部输入设备W1的三相交流电压端Ua、Ub、Uc和三相交流电流信号端Ia、Ib、Ic连接；信号调理电路4串接在信号输入模块3与A/D采样电路5之间，信号调理电路4的输入端与信号输入模块3的输出端连接，信号调理电路4的输出端与A/D采样电路5的输入端连接，三相交流电压和三相交流电流通过信号输入模块3对交流信号进行防过流、过压、雷击等保护，并将输入的高电压、大电流信号变换成弱电信号，该弱电信号^*Ua、^*Ub、^*Uc、^*Ia、^*Ib、^*Ic输出到信号调理电路4；信号调理电路4将信号输入模块3输入的弱电压Ua、^*Ub、^*Uc、电流信号Ia、^*Ib、^*Ic进行滤波、放大处理，处理过的信号U1、U2、U3、I1、I2、I3输出给A/D采样电路5。

微处理器D1通过数据总线AD0-AD7、写信号WR线、读信号RD线、片选信号CS1线、开始转换信号CONV线与A/D采样电路5连接；A/D采样电路5在微处理器D1的控制下对信号调理电路4输入的模拟信号U1、U2、U3、I1、I2、I3进行实时采集，转换成数字信号。A/D采样电路将上述的模拟信号转换成数字信号通过数据总线AD0-AD7输出给微处理器D1，微处理器D1通过写信号WR线、读信号RD线、片选信号CS1线、开始转换信号CONV线输出写信号WR、读信号RD、片选信号CS1、开始转换信号CONV输入到A/D采样电路5，A/D转换结束后，A/D采样电路5输出一个中断信号INT给微处理器D1，通知微处理器D1转换结束，微处理器D1可以读取转换数据。

微处理器D1通过D1线与周波检测电路6连接；周波检测电路6的输入端与信号输入模块3的输出端连接，从信号输入模块3输入A相电压信号Ua1，周波检测电路6把Ua1正弦波信号变换成同频率的方波信号，通过D1线输出方波信号给微处理器D1，为微处理器D1提供检测周波频率信号。

CAN接口1由CAN控制器D2与CAN收发器D3组成；CAN控制器D2与CAN收发器D3之间通过接收信号TX线和发送信号RX线连接，并双向传送接收信号和发送信号；CAN控制器D2通过数据/地址总线AD0-AD7、片选信号CS线、读允许信号RD线、写允许信号WR线、复位信号CANRST线、发送或接收报文完成的中断信号INT线及ALE线与微处理器D1连接，CAN收发器D3的差分信号端并接在电力负荷监控管理系统的控制器局域网上，通过控制器局域网双向传输差分信号CANH、CANL。微处理器D1与CAN控制器D2通过数据/地址总线AD7-0，双向传输数据；微处理器D1输出片选信号CS到CAN控制器D2；微处理器D1输出读允许信号RD到CAN控制器D2；微处理器D1输出写允许信号WR到CAN控制器D2；微处理器D1输出复位信号CANRST到CAN控制器D2；CAN控制器D2输出发送或接收报文完成的中断信号INT给微处理器D1。

还有一种CAN接口由微处理器与CAN收发器组成(未提供附图)；微处理器与CAN收发器之间通过接收信号线和发送信号线连接，并双向传送接收信号和发送信号；CAN收发器的差分信号端并接在电力负荷监控管理系统终端内部的控制器局域网上，通过控制器局域网双向传输差分信号。

内部电源电路通过POWER线向交采模块内的各电路提供电源。

请参见图3、图4、图5、图6所示，在本实施例中，用于电力负荷管理系统交采模块包括用于电力负荷管理系统交采模块包括微处理器D1(型号为AT89C58)、看门狗电路D9(型号为MAX706)、由CAN控制器D2(型号为SJA1000)与CAN收发器D3(型号为P82C250)组成CAN接口1、数据存储电路2、信号输入模块3、信号调理电路4、A/D采样电路5、周波检测电路6、及内部电源电路7。内部电源电路通过“VCC”和“GND”线给交采模块中各电路提供电源。

微处理器D1可以采用任何公司的8位、16位、32位的单片微处理器，并控制交采模块内所有功能电路的运行。

请配合参见图3，为了确保程序在运行过程中正常执行，增设了看门狗电路D9，微处理器D1的2P与看门狗电路D9的6P连接，由微处理器D1向看门狗电路D9输出控制信号WDI；看门狗电路D9的7P与微处理器D1的10P连接，由看门狗电路D9的10P输出复位信号RESET到D1的10P。微处理器D1的控制线WDI在程序运行过程中定期产生脉冲，清除看门狗电路的计数器，使看门狗电路没有复位信号RESET输出；如果程序由于意外的情况进入一个死循环，在规定的时间内，控制线WDI没有产生脉冲，看门狗电路将输出复位信号RESET，使微处理器D1复位RESET，使程序重新执行。

数据存储电路2包括：地址锁存器D5(74HC373)和数据存储器D6(型号为62256)；为了把数据与地址复用总线分离，分离之后的数据总线与地址总线是相互独立，采用锁存器D5，锁存器D5的输入端3P、4P、7P、8P、13P、14P、17P、18P分别与微处理器D1的43P、42P、41P、40P、39P、38P、37P、36P对应连接；由微处理器D1向锁存器D5输出AD7-AD0数据/地址信号；锁存器电路D5的输出端2P、5P、6P、9P、12P、15P、16P、19P分别与数据存储器D6的输入端10P、9P、8P、7P、6P、5P、4P、3P对应连接；由锁存器D5向数据存储器D6输出地址总线的低八位A7-A0地址数据信号。微处理器D1的33P通过ALE线与D5的11P连接；微处理器D1输出地址锁存信号到D5的11P。

数据存储器D6用来临时保存数据，数据存储器D6的低字节地址数据是由锁存器电路D5通过A0-A7线输入到数据存储器D6的地址输入端10P、9P、8P、7P、6P、5P、4P、3P；微处理器D1的24P-31P分别与存储器电路D6的高字节地址输入端25P、24P、21P、23P、2P、26P、1P连接，由微处理器D1通过A8-A14地址总线向数据存储器D6输入高字节地址数据；微处理器D1的43P-36P分别与数据存储器D6的11P-19P对应连接；微处理器D1通过数据总线AD0-AD7输出数据到数据存储器D6的11P-19P；微处理器D1的18P、19P、31P分别与数据存储器D6的27P、22P、20P对应连接；由微处理器D1向数据存储器D6输出写信号WR、读信号RD、片选信号A15。

请配合参见图4，信号输入模块3是由变压器B1构成，变压器B1的初级线圈LUA、LUB、LUC、LIA、LIB、LIC分别与外部输入设备的三相交流电压UA、UB、UC、三相交流电流IA、IB、IC输出端连接，变压器B1的各次级线圈分别输出三相交流电压UA、UB、UC、三相交流电IA、IB、IC。

信号调理电路4由六组信号调理单元电路41、42、43、44、45、46、基准电源47组成；六组信号调理单元电路41、42、43、44、45、46的输入端分别与变压器B1的各次级线圈的输出端连接，六组信号调理单元电路41、42、43、44、45、46的输出端分别与A/D采样电路三相交流电压UA、UB、UC、三相交流电流IA、IB、IC输入端连接；基准电源47与六组信号调理单元电路并接。

信号调理电路4由流扼流线圈L1-L12、可调电阻R6至R11、分压电阻R14-19、滤波电容C1-C6、保护二极管V1-V6组成。

其中：信号调理单元电路41由扼流线圈L1、L2一端分别与变压器B1的UA次级线圈两端连接，扼流线圈L1的另一端以次串接可调电阻R6和电阻R14，电阻R14的另一端与扼流线圈L2另一端、滤波电容C1一端及基准电源47输出端并接，滤波电容C1的另一端与可调电阻R6的可调端与保护二极管V1的负端并接，该二极管V1由两只二极管串联连接在电源VCC与地之间。

信号调理单元电路42由扼流线圈L3、L4一端分别与变压器B1的UB次级线圈两端连接，扼流线圈L3的另一端以次串接可调电阻R7和电阻R15，电阻R15的另一端与扼流线圈L4另一端、滤波电容C2一端及基准电源47输出端并接，滤波电容C2的另一端与可调电阻R7的可调端、保护二极管V2的负端并接，该二极管V2由两只二极管串联连接在电源VCC与地之间。

信号调理单元电路43由扼流线圈L5、L6一端分别与变压器B1的UC次级线圈两端连接，扼流线圈L5的另一端以次串接可调电阻R8和电阻R16，电阻R16的另一端与扼流线圈L6另一端、滤波电容C3一端及基准电源47输出端并接，滤波电容C3的另一端与可调电阻R8的可调端、保护二极管V3的负端并接，该二极管V3由两只二极管串联连接在电源VCC与地之间。

信号调理单元电路44由扼流线圈L7、L8一端分别与变压器B1的IA次级线圈两端连接，扼流线圈L7的另一端以次串接可调电阻R9和电阻R17，电阻R1两端分别与扼流线圈L7、L8另一端连接，电阻R17的另一端与扼流线圈L8另一端、滤波电容C4一端及基准电源47输出端并接，滤波电容C4的另一端与可调电阻R9的可调端、保护二极管V4的负端并接，该二极管V4由两只二极管串联连接在电源VCC与地之间。

信号调理单元电路45由扼流线圈L9、L10一端分别与变压器B1的IB次级线圈两端连接，扼流线圈L9的另一端以次串接可调电阻R10和电阻R18，电阻R2两端分别与扼流线圈L9、L10的另一端连接，电阻R18的另一端与扼流线圈L10另一端、滤波电容C5一端及基准电源47输出端并接，滤波电容C5的另一端与可调电阻R10的可调端、保护二极管V5的负端并接，该二极管V5由两只二极管串联连接在电源VCC与地之间。

信号调理单元电路46由扼流线圈L11、L12一端分别与变压器B1的IC次级线圈两端连接，扼流线圈L11的另一端以次串接可调电阻R11和电阻R19，电阻R3两端分别与扼流线圈L11、L12的另一端连接，电阻R19的另一端与扼流线圈L12另一端、滤波电容C6一端及基准电源47输出端并接，滤波电容C6的另一端与可调电阻R11的可调端、保护二极管V6的负端并接，该二极管V6由两只二极管串联连接在电源VCC与地之间。

为了配合A/D采样电路，在信号调理电路中连接2.5V的基准电源，该基准电源47由稳压电路V8、二极管V7、可调电阻R12、电阻R20、电解电容C7、电容C8、组成；稳压电路V8的5P与可调电阻R12的可调端连接，电解电容C7、电容C8并接在稳压电路V8的8P与可调电阻R12的接地端，电阻R20一端与稳压电路V8的8P连接，电阻R20另一端与VEE连接，二极管V7由两个二极管串联连接在VCC与地之间。稳压电路V8的8P与信号调理电路4的另一输出端连接，输出一个2.5V的基准电压提供信号调理电路作基准比较电压。

三相交流电压Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic输入到信号输入模块3经过变压器B1后，变成弱电信号；该弱电信号^*Ua、^*Ub、^*Uc、^*Ia、^*Ib、^*Ic分别输出到信号调理单元电路41、42、43、44、45、46；信号调理单元电路41、42、43、44、45、46分别将弱电压Ua、^*Ub、^*Uc、电流信号Ia、^*Ib、^*Ic进行滤波、放大处理，处理过的信号U1、U2、U3、I1、I2、I3输出给A/D采样电路。

请配合参见图5所示，A/D采样电路5是由A/D转换器D4(ADS7864Y)、时钟电路51、基准电源52组成；A/D转换器D4的时钟信号端连接一时钟电路51，A/D转换器D4的基准电源输入端连接基准电源52。

微处理器D1的36P-43P通过数据总线AD7-AD0分别与A/D转换器D4(型号为ADS7864Y)的11P-18P连接，通过数据总线AD7-AD0双向传输数据信息；信号调理电路4的输出端IC+、IB+、IA+、UA+、UB+、UC+分别与A/D转换器D4的48P、46P、44P、37P、39P、41P连接；微处理D1的5P与A/D转换器的24P连接，微处理器D1输出片选信号“AD_CS”给A/D转换器D4的24P；微处理器D1的17P与A/D转换器D4的25P、26P、27P连接，微处理器D1通过转换信号CONV线，向A/D转换器D4输出启动转换信号CONV给A/D转换器D4的25P、26P、27P，以启动A/D采样电路的采样；微处理器D1的4P与A/D转换器D4的32P连接，微处理器D1向A/D转换器D4输出复位信号RST，复位A/D采样电路；微处理器D1的19P与A/D转换器D4的23P连接，微处理器D1向A/D转换器D4输出读信号RD，微处理器D1读取A/D转换的数据；微处理器D1的14P与A/D转换器D4的19P连接，A/D转换器D4模数转换结束后，通过“EOC”线向微处理器D1输出一个转换结束信号，表示A/D模数转换结束，微处理器D1可以读取新的数据。

A/D采样电路5的时钟电路51由晶振G1、放大器D7A、D7B(型号为7404)、电阻R31、R32、电容C20、C21组成；晶振G1的一端与放大器D7A的输入端1P、电容C20一端、电阻R31一端连接，晶振G1的另一端与电阻R32一端、电容C21一端连接，放大器D7A的输出端与D7B的输入端连接，电阻R31的两端分别与放大器D7A的输入、输出端连接，电容C20、C21的另一端与地连接，放大器D7B的输出端4P与A/D转换器D4的22P连接，向A/D转换器D4提供时钟信号。

A/D采样电路5的基准电压52由稳压集成块V9(型号为LMB36-2.5)可调电阻R27、电阻R30、电解电容C18、电容C19、二极管V10组成；稳压集成块V9的5P与可调电阻R27的可调端连接，电解电容C18、电容C19并接在稳压集成块V9的8P与可调电阻R27的接地端，电阻R30一端与稳压集成块V9的8P连接，电阻R30另一端与VEE连接，二极管V10由两个二极管串联连接在VCC与地之间。稳压集成块V9的8P与A/D转换器D4的1P和36P连接，向A/D转换器D4输出一个2.5V的基准电压。

请配合参见图6，周波检测电路6由滤波电路61、放大器D13A及整形电路62组成；滤波电路61的输出端与放大器D13A的输入端连接，放大器D13A的输出端与整形电路的输入端连接。滤波整形电路由电阻R5、二极管V11、V12、滤波电容C15、C16、放大器D13A组成，电阻R5的一端与信号输入模块的UA+输出端连接，电阻R5的另一端、二极管V11的负端、二极管V12的正端、滤波电容C15、C16的一端与运算放大器D13A的负端并接，二极管V11的正端、二极管V12的负端、滤波电容C15、C16的另一端与运算放大器D13A的正端并接。调节电路由二极管V13、三极管V14、电阻R23、R25、R26、电容C17组成；在三极管V14的基极依次串联连接电阻R25、二极管V13的负端，二极管V13的正端与放大器D13A输出端连接，在三极管V14的极电极与放大器D13A输出端之间串联连接电阻R23、R26，在三极管V14的基极与三极管V14的发射极之间并接电容C17。

信号输入模块输出的UA+是交流正弦波信号，从电阻R5的一端输入到周波检测电路，经滤波整形电路的电阻R5、V11、C15、V12、C16对输入信号进行滤波和限流处理，再经开环的运算放大器D13输出方波信号；再经整形电路是把方波信号调节成适用于微处理器D1的方波信号。该方波信号通过三极管V14的极电极“F0”输出给微处理器D1。

请继续参见图3所示，CAN接口1由CAN控制器D2(型号为SJA1000)与CAN收发器D3(型号为P82C250)组成，实现CAN接口的控制及收发。在CAN控制器D2的时钟信号9P、10P之间连接时钟电路，该时钟电路由晶振G2及晶振G2两端分别连接电容C3、C4构成；CAN控制器D2的13P与CAN收发器D3的1P相连接，由CAN控制器D2向CAN收发器D3发送数据TX0；CAN控制器D2的19P与CAN收发器D3的4P相连接，由CAN收发器D3输出数据RX0到CAN控制器D2。

微处理器D1的43P至36P与CAN控制器D2的23P至28P及1P、2P之间通过数据/地址总线AD0至AD8相连接，并双向传送相数据信号；微处理器D1的P6、33P、19P、18P、15P、8P通过片选线CS、地址锁存线ALE、读允许线RD、写允许线WR、和中断允许线INT及复位信号CANRST线分别与CAN控制器D2的4P、3P、5P、6P、16P、17P对应连接；由微处理器D1向CAN控制器D2分别输出片选信号CS、地址锁存信号ALE、读允许信号RD、写允许信号WR、复位信号CANRST。由CAN控制器D2向微处理器D1输出中断允许信号INT；CAN收发器的6P差分信号CANL端、CAN收发器的7P差分信号CANH端并接在电力负荷监控管理系统终端的控制器局域网的电缆上，通过控制器局域网双向传输差分信号CANH和CANL。

CAN接口1的结构较为简单，如果为了安全，可使用隔离总线，只需添加适当的隔离电路即可。当CAN控制器D2发送或接收了一帧报文后，CAN控制器D2会产生一个INT中断信号输出给微处理器D1，微处理器D1执行中断处理程序。CAN控制器D2通过TX0线输出数据给CAN收发器D3；收发器D3通过RX0线接收信号后传送给CAN控制器D2。CAN收发器D3的差分信号输出端口CANH和CANL通过CAN总线双向传输分信号。当微处理器D1写入一帧信息后，再写入发送允许命令后，CAN控制器D2立即发送该帧信息；当CAN控制器D2产生一个接收中断后，微处理器D1读取CAN控制器D2的接收缓冲器的内容。

CAN接口1的CAN数据帧的格式有两种，一种CAN标准帧在CAN协议的2.0A版本规定CAN控制器必须有11位字节的标志符；另一种CAN扩展帧在CAN协议的2.0B版本规定CAN控制器可以有11位或29字节的标志符。

请参见CAN标准帧图表8所示，CAN标准帧信息为11个字节，包括两部分：信息和数据部分。前3个字节为信息部分。字节1为帧信息。第7位(FF)表示帧格式，在标准帧中，FF＝0；第6位(RTR)表示帧的类型，RTR＝0表示为数据帧，RTR＝1表示为远程帧；DLC表示在数据帧时实际的数据长度。字节2、3为报文识别码，11位有效。字节4～11为数据帧的实际数据，远程帧时无效。

请参见CAN扩展帧图表9所示，CAN扩展帧格式是CAN的标志符长度可达29位。在本实施例中，CAN控制器D2支持CAN2.0B协议，即支持29位标识符的扩展格式报文结构。CAN扩展帧信息为13个字节，包括两部分，信息和数据部分。前5个字节为信息部分。字节1为帧信息。第7位(FF)表示帧格式，在扩展帧中，FF＝1；第6位(RTR)表示帧的类型，RTR＝0表示为数据帧，RTR＝1表示为远程帧；DLC表示在数据帧时实际数据长度。字节2～5为报文识别码，其高29位有效。字节6～13为数据帧的实际数据，远程帧时无效。

CAN总线的仲裁机制，CSMA/CD是“载波侦听多路访问/冲突检测”(CarrierSense Multiple Access with Collision Detect)的缩写。当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的的报文优先发送。在CAN总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个11位或29位数字的ID。CAN总线状态取决于二进制数‘0’而不是‘1’，所以ID号越小，则该报文拥有越高的优先权。因此一个为全‘0’标志符的报文具有总线上的最高级优先权。既在消息冲突的位置，第一个节点发送0而另外的节点发送1，那么发送0的节点将取得总线的控制权，并且能够成功的发送出它的信息。利用CSMA访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法，交采模块通过CAN接口并接到CAN总线上，可与终端的主控板直接双向传送信息。

CAN传输线可使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。本实施例中采用的是双绞线，信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显性”，此时，通常电压值为：CAN_H＝3.5V和CAN_L＝1.5V。

本实用新型交采模块通过CAN接口并接到终端的控制器局域网上，具有高速、远距离数据传输速率：当传输速率为1Mbit/S，其传输距离可达40m；当传输距离为10Km时，传输速率仍可高达5Kbit/S；其报文的接收判断，帧的组织、收发及校验等工作均由CAN控制器和收发器自动完成，不需微处理器介入，大大提高了数据的交换速率，并提高了总线利用率；交采模块可主动发起通信，即可在某一时间段内成为主节点，实现多主通信；总线仲裁是根据优先级(ID号越小优先级越高)自动进行的，可节省大量总线冲突后的重发时间；因CAN单帧报文长度为8个字节，便于处理；线路简洁，采用差分工作方式，达到很强的抗干扰性；当在一个节点检测到不可恢复性错误时，其控制器可使该节点自动退出总线活动(这点很重要)，不影响其它节点的正常通信，提高了系统运行的可靠性。

请参见图7所示，交采模块工作流程包括：微处理器内部初始化、A/D采样芯片初始化、启动A/D转换，读取A/D采样数据、A/D采样结果分析、周波频率计算、数据结果异常判断、CAN接口接收、发送及报文处理等程序。

交采模块上电后，微处理器先对其内部的定时器、I/O口、CAN总线接口以及其他的相关寄存器进行初始化，并对相应的中断寄存器进行设置，使微处理器进入所需的初始运行状态，接下来对A/D采样电路进行初始化，这样就完成了程序的初始化，进入程序的主循环运行。

在主循环程序中，启动A/D采样电路，对电压电流的瞬时波形进行采样，读取若干次A/D采样的结果，对采样结果进行数学运算和分析，得到相应的电压电流值，然后根据中断程序中的结果计算周波频率，对以上结果进行进一步的分析，从而得到有无功功率、有无功电量、功率因素、相位角、谐波分量等数据。在记录数据结果前，先要对这些数据的合理性进行分析，判断是否有失压、断相、电流反接等异常情况发生。如果发生这些情况，则需要对这些异常事件进行记录，以备主控模块查询时将这些情况上报。如果未发生这些情况，则对本次数据结果进行保存记录。当主控模块下发命令对这些数据进行召测时，交流采样模块就把异常情况以及最新的数据结果上报，然后再开始下一次采样，如此周而复始。

请配合参见图10所示，在本实用新型中交采模块的CAN软件总体流程，有CAN控制器D2的复位处理、CAN控制器的硬件配置、CAN寄存器初始化、发送CAN报文，接收CAN报文和报文的处理程序组成。

请配合参见图11所示，是CAN控制器D2的初始化流程图，CAN控制器D2清除复位模式请求标志进入工作模式之前，必须先检查标志是否确实被清除，是否进入了工作模式，才能进行下一步的操作，这通过循环读标志来实现，这个循环是不断尝试清除标志和检查是否成功离开复位模式。

请配合参见图12所示，报文的发送由交采模块的CAN控制器D2独立完成，微处理器D1必须将要发送的报文信息写到发送缓冲器，然后将命令寄存器里的发送请求标志置位。正在发送报文时，发送缓冲器被写锁定，交采模块向主控板发送采集外部电能表的数据，完成后可由CAN控制器D2的中断请求或主程序通过查询发送成功标志位的方式确认报文的发送结果。

请配合参见图13所示，交采模块接收主控板的命令时，由CAN控制器D2独立完成报文的接收，CAN控制器D2收到的报文放在接收缓冲器，CAN控制器在这种接收类型下接收中断禁能(这里用查询的方式)，微处理器D1常读CAN控制器D2的状态寄存器，检查接收缓冲状态标志RBS，看是否收到一个报文；微处理器D1继续当前的任务，直到收到检查接收缓冲器状态的新请求，接收缓冲器状态标志表示满也就是说收到一个或多个报文。CAN控制器D2从接收得到第一个报文后，通过置位命令寄存器的相应位发送一个释放接收缓冲器命令，微出理器D1在检查更多信息报文前，可以处理每个收到的报文。

综上所述，本实用新型用控制器局域网通信的交采模块通过CAN接口并接到终端的控制器局域网上，通过CAN总线可与终端中的主控模块及各与功能模块间高速，多主，实时，抗干扰，高可靠的数据通信；交采模块由于设有数据存储电路、信号输入模块、信号调理电路、A/D采样电路、周波检测电路能有效提高终端采集电能数据的效率和可靠性，从而提高终端监控的正确性，确保电网正常运行。

Claims (7)

1、一种电力负荷管理系统终端用交采模块，该模块设置在电力负荷管理系统终端内，其包括微处理器、与微处理器连接的看门狗电路、周波检测电路、数据存储电路、A/D采样电路、与A/D采样电路输入端连接的信号调理电路、与信号调理电路输入端连接的信号输入模块及与交采模块中各电路连接的电源电路；其特征在于：还包括一CAN接口，所述的CAN接口通过数据线和控制线与微处理器双向连接，CAN接口的差分信号端并接在终端内部的控制器局域网的电缆上，微处理器通过CAN接口与终端的主控板双向传送数据和控制命令。

2、根据权利要求1所述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其特征在于：所述的CAN接口由CAN控制器与CAN收发器组成；在CAN控制器的时钟信号端连接时钟电路，CAN控制器与CAN收发器之间通过接收信号线和发送信号线连接，并双向传送接收信号和发送信号；CAN控制器通过数据总线和控制信号线与微处理器连接，CAN收发器的差分信号端并接在电力负荷监控管理系统终端内部的控制器局域网上，通过控制器局域网双向传输差分信号。

3、根据权利要求1所述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其特征在于：所述的CAN接口由微处理器与CAN收发器组成；微处理器与CAN收发器之间通过接收信号线和发送信号线连接，并双向传送接收信号和发送信号；CAN收发器的差分信号端并接在电力负荷监控管理系统终端内部的控制器局域网上，通过控制器局域网双向传输差分信号。

4、根据权利要求1所述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其特征在于：所述的数据存储电路包括：锁存器和数据存储器；锁存器的输出端通过地址总线与数据存储器相连接，锁存器的输入端与微处理器的低位地址数据端连接；数据存储器通过数据线和控制线分别与微处理器的数据端和控制端连接。

5、根据权利要求1所述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其特征在于：所述的信号调理电路由六组信号调理单元电路、基准电源组成；六组信号调理单元电路的输入端分别与信号输入电路的输出端连接，六组信号调理单元电路的输出端分别与A/D采样电路三相交流电压UA、UB、UC、三相交流电流IA、IB、IC输入端连接；基准电源47与六组信号调理单元电路并接。

6、根据权利要求1所述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其特征在于：所述的A/D采样电路由A/D转换器、时钟电路、基准源组成；A/D转换器的时钟信号端连接一时钟电路，A/D转换器D4的基准电源输入端连接基准电源。

7、根据权利要求1所述的一种电力负荷管理系统终端用交采模块，其特征在于：所述的周波检测电路由滤波电路、放大器及整形电路组成；滤波电路的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与整形电路的输入端连接。

Images