國家電網公司在2009年制定了“堅強智能電網”發展規劃，根據智能電網建設的要求，保證智能電網建設規范有序推進，實現電力用戶用電信息采集系統建設“全覆蓋、全采集、全預付費的總體目標[1]。集中器在智能電網自動抄表系統中處于主站服務器與電表之間，具有承上啟下的作用。根據國家電網發布的Q/GDW 374.2-2009《集中抄表終端技術規范》中對集中器的要求，應用戶要求開發了一種基于ARM的符合國家電網要求的集中器。
1 集中器的系統構成
　本集中器采用成都英創信息技術有限公司ARM9內核的工業級主板EM9160為核心，軟件采用EVC(Embedded Visual C++)編制,運行在Windows CE 5.0嵌入式操作系統上。集中器系統框圖1所示。

2 主要電路介紹
2.1  計量電路
    計量電路部分采用專用電能計量芯片ATT7022CU的電路設計，主要包括電壓通道電路、電流通道電路、計量芯片電路和高速光耦隔離電路。ATT7022CU是一款多功能防竊電三相電能計量專用芯片，該芯片適用于三相三線和三相四線的應用。它集成了7路二階slgma-deatl ADC，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數的采樣[2]。其電壓采集電路采用電阻分壓電路來實現，具體電路如圖2所示。

    電流采樣通過電流互感器來實現，這里選用河北申科電子股份有限公司的產品，規格型號：1.5（12）A/5 mA(電流互感器允許接入的最大電流為12 A)，精度0.1級，負載阻抗20 Ω，電流采樣電路如圖3所示。
    由于計量芯片ATT7022CU及其外圍電路采用熱底板設計，故計量電路與核心板之間的數據交換采用高速光電耦合器6N137來實現信號的光電隔離，ATT7022CU的外圍電路如圖4所示。

2.2 上行遠程通信的實現
    集中器與主站之間的遠程通信采用GPRS方式實現，采用基于西門子公司MC37i的外掛式GPRS擴展單元，直接通過插座與EM9160相連。GPRS擴展單元的電路如圖5所示。
2.3 下行數據采集的實現
    在電量數據采集系統中電表數據的采集采用電力線載波方式進行通信，采用青島鼎信公司提供的電力線載波路由模塊，通過外掛的形式通過串行接口與核心板相連，從而實現電表數據的采集。
2.4 直流模擬量的采集
    根據Q/GDW 374.2-2009《集中抄表終端技術規范》規定，集中器可以采集一些直流模擬量，如溫度、壓力等，直流模擬量測量精度要求在1%范圍內[3]。在設計中采用了飛思卡爾的MPL115A2大氣壓力傳感器來采集大氣壓力和環境溫度這兩個直流量,它內置了信號調理集成電路、模數轉換器,可輸出精確的溫度和壓力數據[4]。MPL115A2采用I2C總線接口,十分方便與ARM核心板的連接。
2.5 紅外接口電路
　紅外通信接口主要用于集中器從手持抄表器接收其采集的電表數據。由于核心板I/O口比較緊張，自帶的PWM發生器引腳被占用，因此采用串口來完成紅外信號的發送和接收。紅外發送信號連接串口的發送端，接收信號連接串口的接收端，這樣設計方便程序的編寫。具體電路如圖6所示。

    紅外接收部分采用一體化設計的AT138RV3紅外接收頭，其內部包括紅外檢測二極管、放大器、限幅器、帶通濾波器、積分電路、比較器等。發送紅外信號的38 kHz載波由38 kHz石英晶振和CMOS數字集成電路SN74HC04組成，信號的調制由串口發送信號和三極管Q301實現，調制后的紅外信號通過紅外發光二極管AT205B發出。IrTXD信號為低時，Q301導通，發射管AT205B工作，發送一串38 kHz信號調制的紅外光；當IrTXD信號為高時，Q301截止，發射管AT205B停止工作，則沒有紅外光發出。
2.6 串口的擴展電路
　集中器在管理GPRS通信模塊時,需要使用AT命令查詢模塊狀態，實時檢測GPRS在線情況和通信信號強度。使用的基于MC37i的遠程通信GPRS模塊提供了雙串口通信功能，另一個串口處理數據，一個串口接收AT指令。由于核心板自身的串口數量有限，考慮到實際應用中紅外接口使用的頻度較低，故將GPRS模塊接收AT命令與紅外接口共用一個串口，進而設計了串口擴展電路。串口擴展利用多路模擬開關CD4052BC芯片，實現了AT命令通信和紅外通信共用一個串口。
2.7 電源監測電路
    集中器的電源采用了AC65V～AC500V寬電壓設計，一般的波動對系統沒有影響。但是如果出現突然斷電，為了保證數據的安全性和保護系統再次啟動的延續性，需要設計電源監測電路。當電源低于閾值時，監測電路產生中斷，處理器保存重要數據，記錄掉電事件。
    在這里采用了MAX708電源監控芯片，它可以同時輸出高電平有效和低電平有效的復位信號。MAX708的PFI閾值為1.25 V，當監測電源低于閾值時，MAX708產生復位信號。本設計的電源模塊輸出5 V，精度±1%，用數字存儲示波器觀測電源從4.90 V開始下降到4.7 V用時6~9 ms，足夠用來保存掉電數據。核心板EM9160供電電壓為5 V，精度要求±5%，最低工作電壓為4.7 V，其中斷響應時間為30 ns~100 ns。當核心板供電電源的電壓下降到4.9 V時，MAX708的PFI管腳電壓1.25 V。若電壓繼續下降則觸發AX708的REST管腳產生中斷請求信號，處理器響應該中斷后，快速記錄掉電事件、保存運行數據和運行狀態，在電源低至4.7 V前，處理器將完成所有掉電保護工作，進入掉電狀態。
    本項目開發歷時3年時間，其間申請專利5項，已獲授權實用新型專利2項。實現了《Q/GDW 374.2-2009集中抄表終端技術規范》中定義的必備功能和部分選配功能，如：在線自動升級更新、自動抄讀電能表數據、定時上報電能表數據、集中器權限管理、集中器電量數據輪顯、集中器功能菜單實現、直流量采集等，樣機經過進一步優化后就可上市。本集中器解決了委托企業從外部采購集中器的問題，對提高企業在國家電網采購招標中的竟爭力具有積極意義。
參考文獻
[1] Q/GDW 378.3-2009,電力用戶用電信息采集系統設計導則：技術方案設計導則[S].2009.
[2] 尹維春.基于ATT7022B電能表及其抄表方式的研究[D].吉林：東北電力大學，2007.
[3] Q/GDW 374.2-2009,集中抄表終端技術規范[S].2009.
[4] Freescale. MPL115A Datesheet[Z]. 2013.