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摘 要：目前很多电子式电能表不具备通信功能，因此该仪器在远程抄表中会出现一些问题。本文在分析电子式电能表的过程中主要是站在PIC单片机基础上，对电力线载波通信与DL/T645通信协议两个模块进行整合，并设计出能够实现现场维护与远程通信功能的电能表脉冲采集器。在对采集器的测试中发现，该采集器具有良好的可靠性与稳定性，并能有效实现电能计量和远程通信功能。本文在PIC单片机基础上对电能表脉冲采集器的设计进行研究，希望为相关工作人员提供一些参考意见。
关键词：PIC单片机；电能表；脉冲采集器；载波通信
这些年在计算机技术与信息科学技术的快速发展下，电网优化改造的步伐在不断加快，这就使得我国电能计量抄表系统逐渐向自动化远程抄表系统的方式前进，并且已经取得很大成效。在智能电表与传统电表共存的方式下，基于PIC单片机的电能表脉冲采集器设计具有重要意义，能够将传统的电表向数字化电表进行合理转换，并且在实践中能够取得良好的效果。因此对PIC单片机基础上的电能表脉冲采集器设计进行研究具有重要价值。
1.PIC单片机概述
PIC单片机是一种用来开发和控制外围设备的集成电路，在应用中具有良好的分散作用，在多任务功能的CPU作用下，能够实现信息共享。PIC共享其实可以类比为人的神经系统，CPU则可类比为人的大脑。PIC单片机包括集成电路、小计算、程序容量等多种功能，在电能表脉冲采集器设计中发挥着重要作用。
2.硬件设计
在PIC单片机基础上设计电能表脉冲采集器，首先就要对硬件进行设计，总体设计图纸如图1所示。在现有电力线资源的充分利用下，低压电力载波通信技术在应用中，不但能够对远程通信线路布置中存在的问题进行合理解决，还能降低成本支出，提升企业的经济效益，该技术在电力集抄系统中的广泛应用，已经逐步成为一种主流方式，并且具有广泛的市场前景。在RISC指令集的指挥下，PIC单片机能够实现高效的命令执行，并且具有灵活的编程方式。本文的PIC单片机为PIC16F73，FLASH存储器具有4K×14位，RAM存储器具有192节，具有较多的GPIO，在使用中具有加强的抗干扰能力，并且温度较宽，十分适合目前工业现场使用的PIC16F73单片机。在电能计量设计中，一般将范围控制在100imp/kWh以上与960imp/kWh以下，并且在应用中能支持DL/T645规约的脉冲采集器。这样不但能够满足传统的电能表远程采集需求，还能实现其数字化需求。
图1：电能表脉冲采集器设計图
选择PIC16F73-I/SP为脉冲采集器，在设计中，一共有TTL电平的UART、光耦隔离的电能脉冲采集输入接口、模拟的红外收发串口各为1个，同时也有PWM方波发生器脉冲采集器为38KHz。在设计中，电能计量外扩的E2PROM存储器为24C02。输入口的设计为PIC16F73的PB7，并将其作为电能表计量脉冲的输入端；将PB0引脚与PB1引脚进行合理配合，并将其作为红外收发的模拟串口；PWM方波的输出端口配置为PC1；为合理布置外扩的I2c总线，就要预留PC2-PC4。图2为脉冲采集器MCU电路图：
图2：脉冲采集器MCU电路图
在设计过程中为实现DL/T645更好的实现预定的功能，就要将AT138M3V集成器件设计为红外接收电路，并对红外通信功能严格控制在38±1khz，这样就能在实际应用中对红外通信信号进行有效捕获。
PIC16F73单片机中红外接收的中断触发端口和数据串行输入端口，要确定PB0中断引脚作为端口。在PIC单片机定时器的溢出标志位有效结合下，为更好的接受到AT138M3V的解调数据，就要将非缓冲功能的UART在采集器软件中进行合理模拟。红外收发电路设计中，PIC的PWM模块产生38kHz的能量，并且“或非”运算是建立在串行发送引脚信号上的，然后为驱动EL-1L7红外发射二极管，就要再将9014组成的放大结构进行使用。
脉冲采集输入电路设计过程中，校表脉冲输出信号为电能表待采集的内容，并且需要驱动PS2501隔离光耦需要在J1/J2端口进行驱动，这样能够就能将光电隔离进行输入。为更好的进行远程抄表，在设计过程中将电力载波通信电路36G-III应用到脉冲采集器中，这样就能确保载波通信在低压电力线中。在UART与载波通信模块的串口互联，PIC16F73单片机的通信协议能够遵守相关规约。电能脉冲信号的滤波、载波通信等都以为后台软件主要包括的内容[1]。
3.软件设计
3.1 前后台系统软件结构
PIC16F73单片机在应用中具有快速高效的运行效率，并且指令单周期为200ns，同时单片机在设计过程中存储器并不大，堆栈深度有限，所以在设计过程中需要在汇编语言的方式下实现脉冲采集器的前后台结构。脉冲采集器前台程序在设计中是一个无限的轮训循环。具体运行方式为：
开始→初始化终端控制器→初始化GPIO口→初始化定时器、UART与PWM→读取和恢复电能计量的存储数据→查询PB7输入IO电平状态→出现高电平（否，PB7低电平记录）
出现高电平→上次PB7低电平（否，仍为高电平）→上升沿到来，进行脉冲信号滤波、计量计算和存储处理→返回到查询PB7输入IO电平状态
3.2 电能脉冲信号的采集流程
采集器计量脉冲读取是的可靠性与稳定性十分重要，因此为提升其可靠性与稳定性，就要在轮询方式的基础上对PB7输入的上升沿进行有效控制，并且对可能或者出现的噪声利用滤波进行干扰[2]。较为典型的计量芯片为AD7755，在该芯片的CF脉冲信号中，将高电平宽度为18μs的高频模式作为基础，并且在脉冲扫描设计过程中需要遵循以下流程：
开始→设循环次数i=5，低电平标记jk=0→读取IO口，当低电平时，累积jk++→等待3μs定时器延时周期到达μs→循环（i--）>0（是，则返回到读取IO口，当低电平时，累积jk++）→提前对应jk值→jk>3（否）→对应输入端口为低电平→结束 jk>3（是）→对应输入端口为高电平→执行采集脉冲的计量和安全存储流程→结束
3.3 脉冲采集器的DL/T645协议帧
DL/T645规约是一个应用层报文传输协议，在应用中能够对功能码规定的服务进行提供。DL/T645协议在实际的运行中，如果没有出现差错，在处理过程中如下所示：
采集设备启动请求（功能码与数据请求）→执行操作相应（操作码与数据响应）→接受相应（功能码与数据请求）
为实现电能计量装置的参数配置命令与电能数据的抄收就要通过以下方式实现：第一，在主机的抄表终端对请求进行发起，并且应答是由电能计量装置接受的。如果电能计量装置做出及时的应答，这时就可以在正常应答功能的使用下，对无差错响应进行指示。如果在应答时出现差错，这时就要在答协议帧控制字Bit6位的指示下对异常响应进行操作，并且协议帧也要将错误信息的字节带回[3]。同时也要保证协议帧在应用中具有超时管理能力，并且在规定的时间内退出不会出现的应答。
3.4电能数据帧的发送流程
在波在通信与本地红外接口在运行中。脉冲采集器均会使用DL/T645规约的方式进行串联通信。该方式下的开始位、数据位、停止位、偶校验、设计载波、通信波特与红外通信波特率分别为1bit、8 bit、1bit、1bit、2400B/s与1200B/s。采集器发送流程在运行中如下所示：
开始→帧地址指针FSR帧长度TEMP_i→读出帧字节转移如USRT发送寄存器→执行PB7電能脉冲采集器处理流程→USRT发送标志空闲（否）→回到上一层→数据帧指针FSR++帧长度TEMP_i--→帧长度TEMP_i为0？→（否）回到读出帧字节转移如USRT发送寄存器→（是）结束
4.测试与验证
脉冲采集器的计量常数在设置过程中一般为1600IMP/kWh，在采集器的脉冲输入端口接入脉冲发生装置，并且将每次测试发出的脉冲控制在15×105个。在实验中总共选取30组进行测试，在测试中发现数据每次能够递增1000，这样就发现采集器均未丢失测试脉冲。为更好的检验采集效果，就要在下图的连接方式下进行连接。通过测试发现脉冲采集器和干燥机在运行48h之后，脉冲采集器的有功度数偏差为0[4]。
5.结语
为更好的提升电子式电能表的实际使用功能，尤其是有效发挥其远程抄表能力，就要确定PIC16F73为核心，进而设计出在DL/T645基础上的通信协议，并且对脉冲采集器的相关模块进行整合。并对基于PIC单片机的电能表脉冲采集器进行测试验证，通过验证发现采集器具有狼嚎的应用效果。在多从机远程部署的情况下载波通信模块能够起到良好的作用，并且能够确保通信在低压供电线方式下进行。同时也希望通过本文的探究，能够为我国电力行业的可持续发展提供一些帮助。
参考文献：
[1]朱学莉， 董博. 一种抑制脉冲干扰的DMX512网络中继器应用研究[J]. 吉林建筑大学学报， 2018， v.35；No.135（2）：77-81.
[2]高英杰， 陈婕， 刘飞，等. 基于FPGA和单片机的实时脉冲信号参数测量仪[J]. 金陵科技学院学报， 2018， v.34；No.115（1）：12-15.
[3]刘康. 一种基于PIC18单片机的数字控制直流变换器的设计[J]. 计算机与数字工程， 2017， 45（12）：2524-2529.
[4]袁月峰， 郭斌， 胡淑女，等. 基于HAL880的电子油门踏板编程校准系统设计[J]. 现代电子技术， 2018， v.41；No.515（12）：123-127.
关键词：PIC单片机；电能表；脉冲采集器；载波通信
这些年在计算机技术与信息科学技术的快速发展下，电网优化改造的步伐在不断加快，这就使得我国电能计量抄表系统逐渐向自动化远程抄表系统的方式前进，并且已经取得很大成效。在智能电表与传统电表共存的方式下，基于PIC单片机的电能表脉冲采集器设计具有重要意义，能够将传统的电表向数字化电表进行合理转换，并且在实践中能够取得良好的效果。因此对PIC单片机基础上的电能表脉冲采集器设计进行研究具有重要价值。
1.PIC单片机概述
PIC单片机是一种用来开发和控制外围设备的集成电路，在应用中具有良好的分散作用，在多任务功能的CPU作用下，能够实现信息共享。PIC共享其实可以类比为人的神经系统，CPU则可类比为人的大脑。PIC单片机包括集成电路、小计算、程序容量等多种功能，在电能表脉冲采集器设计中发挥着重要作用。
2.硬件设计
在PIC单片机基础上设计电能表脉冲采集器，首先就要对硬件进行设计，总体设计图纸如图1所示。在现有电力线资源的充分利用下，低压电力载波通信技术在应用中，不但能够对远程通信线路布置中存在的问题进行合理解决，还能降低成本支出，提升企业的经济效益，该技术在电力集抄系统中的广泛应用，已经逐步成为一种主流方式，并且具有广泛的市场前景。在RISC指令集的指挥下，PIC单片机能够实现高效的命令执行，并且具有灵活的编程方式。本文的PIC单片机为PIC16F73，FLASH存储器具有4K×14位，RAM存储器具有192节，具有较多的GPIO，在使用中具有加强的抗干扰能力，并且温度较宽，十分适合目前工业现场使用的PIC16F73单片机。在电能计量设计中，一般将范围控制在100imp/kWh以上与960imp/kWh以下，并且在应用中能支持DL/T645规约的脉冲采集器。这样不但能够满足传统的电能表远程采集需求，还能实现其数字化需求。
图1：电能表脉冲采集器设計图
选择PIC16F73-I/SP为脉冲采集器，在设计中，一共有TTL电平的UART、光耦隔离的电能脉冲采集输入接口、模拟的红外收发串口各为1个，同时也有PWM方波发生器脉冲采集器为38KHz。在设计中，电能计量外扩的E2PROM存储器为24C02。输入口的设计为PIC16F73的PB7，并将其作为电能表计量脉冲的输入端；将PB0引脚与PB1引脚进行合理配合，并将其作为红外收发的模拟串口；PWM方波的输出端口配置为PC1；为合理布置外扩的I2c总线，就要预留PC2-PC4。图2为脉冲采集器MCU电路图：
图2：脉冲采集器MCU电路图
在设计过程中为实现DL/T645更好的实现预定的功能，就要将AT138M3V集成器件设计为红外接收电路，并对红外通信功能严格控制在38±1khz，这样就能在实际应用中对红外通信信号进行有效捕获。
PIC16F73单片机中红外接收的中断触发端口和数据串行输入端口，要确定PB0中断引脚作为端口。在PIC单片机定时器的溢出标志位有效结合下，为更好的接受到AT138M3V的解调数据，就要将非缓冲功能的UART在采集器软件中进行合理模拟。红外收发电路设计中，PIC的PWM模块产生38kHz的能量，并且“或非”运算是建立在串行发送引脚信号上的，然后为驱动EL-1L7红外发射二极管，就要再将9014组成的放大结构进行使用。
脉冲采集输入电路设计过程中，校表脉冲输出信号为电能表待采集的内容，并且需要驱动PS2501隔离光耦需要在J1/J2端口进行驱动，这样能够就能将光电隔离进行输入。为更好的进行远程抄表，在设计过程中将电力载波通信电路36G-III应用到脉冲采集器中，这样就能确保载波通信在低压电力线中。在UART与载波通信模块的串口互联，PIC16F73单片机的通信协议能够遵守相关规约。电能脉冲信号的滤波、载波通信等都以为后台软件主要包括的内容[1]。
3.软件设计
3.1 前后台系统软件结构
PIC16F73单片机在应用中具有快速高效的运行效率，并且指令单周期为200ns，同时单片机在设计过程中存储器并不大，堆栈深度有限，所以在设计过程中需要在汇编语言的方式下实现脉冲采集器的前后台结构。脉冲采集器前台程序在设计中是一个无限的轮训循环。具体运行方式为：
开始→初始化终端控制器→初始化GPIO口→初始化定时器、UART与PWM→读取和恢复电能计量的存储数据→查询PB7输入IO电平状态→出现高电平（否，PB7低电平记录）
出现高电平→上次PB7低电平（否，仍为高电平）→上升沿到来，进行脉冲信号滤波、计量计算和存储处理→返回到查询PB7输入IO电平状态
3.2 电能脉冲信号的采集流程
采集器计量脉冲读取是的可靠性与稳定性十分重要，因此为提升其可靠性与稳定性，就要在轮询方式的基础上对PB7输入的上升沿进行有效控制，并且对可能或者出现的噪声利用滤波进行干扰[2]。较为典型的计量芯片为AD7755，在该芯片的CF脉冲信号中，将高电平宽度为18μs的高频模式作为基础，并且在脉冲扫描设计过程中需要遵循以下流程：
开始→设循环次数i=5，低电平标记jk=0→读取IO口，当低电平时，累积jk++→等待3μs定时器延时周期到达μs→循环（i--）>0（是，则返回到读取IO口，当低电平时，累积jk++）→提前对应jk值→jk>3（否）→对应输入端口为低电平→结束 jk>3（是）→对应输入端口为高电平→执行采集脉冲的计量和安全存储流程→结束
3.3 脉冲采集器的DL/T645协议帧
DL/T645规约是一个应用层报文传输协议，在应用中能够对功能码规定的服务进行提供。DL/T645协议在实际的运行中，如果没有出现差错，在处理过程中如下所示：
采集设备启动请求（功能码与数据请求）→执行操作相应（操作码与数据响应）→接受相应（功能码与数据请求）
为实现电能计量装置的参数配置命令与电能数据的抄收就要通过以下方式实现：第一，在主机的抄表终端对请求进行发起，并且应答是由电能计量装置接受的。如果电能计量装置做出及时的应答，这时就可以在正常应答功能的使用下，对无差错响应进行指示。如果在应答时出现差错，这时就要在答协议帧控制字Bit6位的指示下对异常响应进行操作，并且协议帧也要将错误信息的字节带回[3]。同时也要保证协议帧在应用中具有超时管理能力，并且在规定的时间内退出不会出现的应答。
3.4电能数据帧的发送流程
在波在通信与本地红外接口在运行中。脉冲采集器均会使用DL/T645规约的方式进行串联通信。该方式下的开始位、数据位、停止位、偶校验、设计载波、通信波特与红外通信波特率分别为1bit、8 bit、1bit、1bit、2400B/s与1200B/s。采集器发送流程在运行中如下所示：
开始→帧地址指针FSR帧长度TEMP_i→读出帧字节转移如USRT发送寄存器→执行PB7電能脉冲采集器处理流程→USRT发送标志空闲（否）→回到上一层→数据帧指针FSR++帧长度TEMP_i--→帧长度TEMP_i为0？→（否）回到读出帧字节转移如USRT发送寄存器→（是）结束
4.测试与验证
脉冲采集器的计量常数在设置过程中一般为1600IMP/kWh，在采集器的脉冲输入端口接入脉冲发生装置，并且将每次测试发出的脉冲控制在15×105个。在实验中总共选取30组进行测试，在测试中发现数据每次能够递增1000，这样就发现采集器均未丢失测试脉冲。为更好的检验采集效果，就要在下图的连接方式下进行连接。通过测试发现脉冲采集器和干燥机在运行48h之后，脉冲采集器的有功度数偏差为0[4]。
5.结语
为更好的提升电子式电能表的实际使用功能，尤其是有效发挥其远程抄表能力，就要确定PIC16F73为核心，进而设计出在DL/T645基础上的通信协议，并且对脉冲采集器的相关模块进行整合。并对基于PIC单片机的电能表脉冲采集器进行测试验证，通过验证发现采集器具有狼嚎的应用效果。在多从机远程部署的情况下载波通信模块能够起到良好的作用，并且能够确保通信在低压供电线方式下进行。同时也希望通过本文的探究，能够为我国电力行业的可持续发展提供一些帮助。
参考文献：
[1]朱学莉， 董博. 一种抑制脉冲干扰的DMX512网络中继器应用研究[J]. 吉林建筑大学学报， 2018， v.35；No.135（2）：77-81.
[2]高英杰， 陈婕， 刘飞，等. 基于FPGA和单片机的实时脉冲信号参数测量仪[J]. 金陵科技学院学报， 2018， v.34；No.115（1）：12-15.
[3]刘康. 一种基于PIC18单片机的数字控制直流变换器的设计[J]. 计算机与数字工程， 2017， 45（12）：2524-2529.
[4]袁月峰， 郭斌， 胡淑女，等. 基于HAL880的电子油门踏板编程校准系统设计[J]. 现代电子技术， 2018， v.41；No.515（12）：123-127.