电能计量带电核查仪系统该怎么设计？

随着我国经济的迅速发展，大规模工业用电和商业用电需求快速增长。我国城乡普遍使用的国家电压标准10 kV及以上的高压供电系统，出于对供电可靠性及变损的考虑，10KV及以上的工业供电多数采用高压供电高压计量(简称高供高计)的计量方式。但是对现有的计量装置核查时，为了保障现场操作人员的安全，需要断电后才能对高供高计进行检查和数据读取，这给用户的正常用电造成了很大不便。由于受高供高计设备带高压电的特殊性和困难性的影响，目前国内对高供高计设备的检测设备还很少，但市场很需要。

廉雁捷

2019-8-30 16:57:36

电能计量带电核查仪系统主要用于对10 kV及10 kV以上带电设备的核查、探伤和数据采集。具有采集高供高计电力设备的各方位外观图像信息，可以很方便在计算机或笔记本电脑上观测高压设备的具体情况，为设备探伤和识别提供依据;具有电力设备信息条码的扫描阅读功能，能在任意方向读取高供高计设备的条码信息，为设备识别验证提供依据;具有红外通信模块，可快捷、可靠的采集高供高计电能表的数据信息电能，完成电能计量的数据统计和分析等工作。
1 系统总体设计
电能计量带电核查仪系统是根据对高供高计设备现场检测的需求设计的，主要由电能计量带电核查仪和电脑后台支持软件构成。其中电能计量带电核查仪具有图像视频采集压缩、条码信息采集、电表红外通讯数据采集和无线传输的功能。电脑后台支持软件经无线传输接收模块接收数据完成视频解压与呈现、条码身份的判别、电表数据的纪录和分析等工作。系统结构图如图1所示。

2 电能计量带电核查仪硬件实现
由于电能计量带电核查仪在功能上要集成图像的采集、条码扫描、远红外通讯和无线的传输功能，在结构设计上要求各部件按功能要求安装合理、结构紧凑，还要充分考虑在外壳的绝缘性和密封性的基础上减小设备的整体体积和重量等因素，特别是在图像的采集和压缩上的处理，图像无线传输处理要占用大量的时间。这些因素要求电能计量带电核查仪处理器的速度和无线传输速度要快，硬件架构相对简单，软件的实时性能好。因此，电能计量带电核查仪在设计时选用以S3C2440处理器为核心的硬件系统、以Windows CE嵌入式系统下的软件系统和采用Wi—Fi无线通讯方式。
电能计量带电核查仪的总体设计如图2所示。S3C2440ARM处理器、时钟电路、电源管理电路和MCP电路构成最小系统，使Windows CE嵌入式系统能够正常启动、运行，自动装载运行本系统应用程序。系统程序运行后初始化摄像头模块、条码扫描模块、红外通讯模块和Wi—Fi通讯模块，并通过Wi—Fi通讯模块与电脑后台支持软件建立连接。在收到执行命令后与各功能模块通讯，使各功能模块实时进行数据采集和传输，最后将采集的数据传送到后台支持软件中，供后台支持软件对数据分析和处理。

2.1 嵌入式处理器
S3C2440处理器芯片是Samsung公司开发的一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，其高性能、低功耗、接口丰富的特点能满足嵌入式系统的要求。
其主频400 MHz，处理器核心实现了MMU、AMBA、BUS、Harvard高速缓冲体系结构，具有独立的16  lB的指令Cache和数据Cache。集成SDR  AM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART接口、I2C总线接口、I2S总线接口、SD和MMC接口、触摸屏接口、8通道10位A/D控制器、2端口USB主机/1端口USB设备、4通道PWM定时器、1通道内部定时器/看门口定时器、最大支持4096x4096像素的像机接口、130个通用的I/O口、24通道的外部中断等功能，非常适合系统开发和手持设备的应用。
2.2 MCP存储模块
MCP(Multi-Chip-Package即多制层封装芯片)模块采用Hynix公司的H8ACOEHOBCR芯片，内部集成128MBNandFlash存储和64MB  SDRAM存储，协助处理器加快运行速度，更高效地完成多任务。Flash模块用来存放系统引导程序、操作系统程序、本系统应用程序和其它在系统掉电后需要存储的用户数据和软件参数设置。SDRAM存储模块是系统的内存，用来存放系统及系统平台上运行软件执行的代码和变量，是系统启动后进行存取操作的存储器，具有读取和写入速度快的特点。
2.3 电源管理模块
电源管理模块将由USB口来的5 V电源(或锂电池提供的3.7电源)降压至3.3 V(系统供电)、2.8 V(摄像头模块供电)、1.8  V(基准电源供电)、1.3V(ARM处理器核心工作频率400 MHz供电)、1.2 V(ARM处理器核心工作频率300  MHz供电)，监控锂电池的电量，管理锂电池充电。为了延长待机时间，智能管理对摄像头模块、条码扫描模块、红外通讯模块和Wi—Fi通讯模块的供电。
2.4 红外通讯电路模块
红外通讯模块功能实现与数字式电能表的通讯，采集电能表电能信息，通过串口通讯方式与处理器连接。按照DL/T645-1997DL/T645-1997多功能电能表通信规约，处理器将通讯的命令发送到红外通讯模块，由红外通讯模块进行调制后发射，传递给电能表，电能表将数据以红外的方式传递给红外通讯模块，再经红外通讯模块解调，将数据送到处理器进行处理。
2.5 条码扫描模块
条码扫描模块实现对高供高计设备自身条码信息的采集，为管理者进行高供高计设备辨别唯一性提供依据。采用霍尼韦尔公司的58XX系列条码扫描模块，支持5  V或3.3  V电源供电，有待机模式，可识别标准的一维和二维的条码，能快速捕捉数字影像、360度全向的读取条码，体积小巧，适合工业应用，通过串口通讯方式与处理器连接。处理器对条码扫描模块发出条码扫描的触发指令，条码扫描模块开始条码扫描处理，当识别成功后将条码信息经串口发送给处理器处理，并进入等待命令状态，处理器可启用待机模式实现延长电池的工作时间。

2.6 摄像头模块
摄像头模块实现对高供高计设备及其他设备的外观图像、视频信息的采集。采用SIV100B摄像头模组，它是一款1/7英寸，最大640 x  480分辨率的CMOS摄像头，具有高质量的视频采集和低噪声的特性，通过内部集成的一个10位ADC转换电路，将图像信息传输到内嵌的图像处理器。实现图像自动曝光、白平衡补偿、黑电平补偿、5*5矩阵的插补、假彩色的矫正等等处理。支持多样的尺寸输出格式如VGA和CIF，数据输出格式如RGB和YCbCr。嵌入式处理器可通过8位并口读取SIV100B摄像头模组图像信息，通过I2C接口可设置模组中彩色效果X、Y轴图像转动。
2.7 Wi—Fi通讯模块
Wi—Fi(Wireless Fidelity)是IEEE所定义的无线通信标准IEEE  802.11。在有线局域网的基础上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。无线接入和高速传输是Wi—Fi的主要技术优点。其中IEEE  802.11b最高速度为11 Mb/s，IEEE 802.11 n/g最高速度为54 Mb/s。
本系统中Wi—Fi通讯模块实现与电脑后台支持软件的通讯，将后台软件发送的查询、设置等命令下发到本系统，或将本系统采集到的各种数据(如图像视频信息、条码信息、电能表数据信息等)上传到后台中，供后台进行数据采样、对比和分析。采用环隆电气公司的MR09  Wi—Fi通讯模块支持IEEE 802.11n/g/b协议，3.3 V供电，SDIO/SPI接口通讯，最大传输速度300 Mb/s工作在2.4  GHz频段，覆盖范围最远100 m(由环境决定)。

电能计量带电核查仪系统主要用于对10 kV及10 kV以上带电设备的核查、探伤和数据采集。具有采集高供高计电力设备的各方位外观图像信息，可以很方便在计算机或笔记本电脑上观测高压设备的具体情况，为设备探伤和识别提供依据;具有电力设备信息条码的扫描阅读功能，能在任意方向读取高供高计设备的条码信息，为设备识别验证提供依据;具有红外通信模块，可快捷、可靠的采集高供高计电能表的数据信息电能，完成电能计量的数据统计和分析等工作。
1 系统总体设计
电能计量带电核查仪系统是根据对高供高计设备现场检测的需求设计的，主要由电能计量带电核查仪和电脑后台支持软件构成。其中电能计量带电核查仪具有图像视频采集压缩、条码信息采集、电表红外通讯数据采集和无线传输的功能。电脑后台支持软件经无线传输接收模块接收数据完成视频解压与呈现、条码身份的判别、电表数据的纪录和分析等工作。系统结构图如图1所示。

2 电能计量带电核查仪硬件实现
由于电能计量带电核查仪在功能上要集成图像的采集、条码扫描、远红外通讯和无线的传输功能，在结构设计上要求各部件按功能要求安装合理、结构紧凑，还要充分考虑在外壳的绝缘性和密封性的基础上减小设备的整体体积和重量等因素，特别是在图像的采集和压缩上的处理，图像无线传输处理要占用大量的时间。这些因素要求电能计量带电核查仪处理器的速度和无线传输速度要快，硬件架构相对简单，软件的实时性能好。因此，电能计量带电核查仪在设计时选用以S3C2440处理器为核心的硬件系统、以Windows CE嵌入式系统下的软件系统和采用Wi—Fi无线通讯方式。
电能计量带电核查仪的总体设计如图2所示。S3C2440ARM处理器、时钟电路、电源管理电路和MCP电路构成最小系统，使Windows CE嵌入式系统能够正常启动、运行，自动装载运行本系统应用程序。系统程序运行后初始化摄像头模块、条码扫描模块、红外通讯模块和Wi—Fi通讯模块，并通过Wi—Fi通讯模块与电脑后台支持软件建立连接。在收到执行命令后与各功能模块通讯，使各功能模块实时进行数据采集和传输，最后将采集的数据传送到后台支持软件中，供后台支持软件对数据分析和处理。

2.1 嵌入式处理器
S3C2440处理器芯片是Samsung公司开发的一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，其高性能、低功耗、接口丰富的特点能满足嵌入式系统的要求。
其主频400 MHz，处理器核心实现了MMU、AMBA、BUS、Harvard高速缓冲体系结构，具有独立的16  lB的指令Cache和数据Cache。集成SDR  AM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART接口、I2C总线接口、I2S总线接口、SD和MMC接口、触摸屏接口、8通道10位A/D控制器、2端口USB主机/1端口USB设备、4通道PWM定时器、1通道内部定时器/看门口定时器、最大支持4096x4096像素的像机接口、130个通用的I/O口、24通道的外部中断等功能，非常适合系统开发和手持设备的应用。
2.2 MCP存储模块
MCP(Multi-Chip-Package即多制层封装芯片)模块采用Hynix公司的H8ACOEHOBCR芯片，内部集成128MBNandFlash存储和64MB  SDRAM存储，协助处理器加快运行速度，更高效地完成多任务。Flash模块用来存放系统引导程序、操作系统程序、本系统应用程序和其它在系统掉电后需要存储的用户数据和软件参数设置。SDRAM存储模块是系统的内存，用来存放系统及系统平台上运行软件执行的代码和变量，是系统启动后进行存取操作的存储器，具有读取和写入速度快的特点。
2.3 电源管理模块
电源管理模块将由USB口来的5 V电源(或锂电池提供的3.7电源)降压至3.3 V(系统供电)、2.8 V(摄像头模块供电)、1.8  V(基准电源供电)、1.3V(ARM处理器核心工作频率400 MHz供电)、1.2 V(ARM处理器核心工作频率300  MHz供电)，监控锂电池的电量，管理锂电池充电。为了延长待机时间，智能管理对摄像头模块、条码扫描模块、红外通讯模块和Wi—Fi通讯模块的供电。
2.4 红外通讯电路模块
红外通讯模块功能实现与数字式电能表的通讯，采集电能表电能信息，通过串口通讯方式与处理器连接。按照DL/T645-1997DL/T645-1997多功能电能表通信规约，处理器将通讯的命令发送到红外通讯模块，由红外通讯模块进行调制后发射，传递给电能表，电能表将数据以红外的方式传递给红外通讯模块，再经红外通讯模块解调，将数据送到处理器进行处理。
2.5 条码扫描模块
条码扫描模块实现对高供高计设备自身条码信息的采集，为管理者进行高供高计设备辨别唯一性提供依据。采用霍尼韦尔公司的58XX系列条码扫描模块，支持5  V或3.3  V电源供电，有待机模式，可识别标准的一维和二维的条码，能快速捕捉数字影像、360度全向的读取条码，体积小巧，适合工业应用，通过串口通讯方式与处理器连接。处理器对条码扫描模块发出条码扫描的触发指令，条码扫描模块开始条码扫描处理，当识别成功后将条码信息经串口发送给处理器处理，并进入等待命令状态，处理器可启用待机模式实现延长电池的工作时间。

2.6 摄像头模块
摄像头模块实现对高供高计设备及其他设备的外观图像、视频信息的采集。采用SIV100B摄像头模组，它是一款1/7英寸，最大640 x  480分辨率的CMOS摄像头，具有高质量的视频采集和低噪声的特性，通过内部集成的一个10位ADC转换电路，将图像信息传输到内嵌的图像处理器。实现图像自动曝光、白平衡补偿、黑电平补偿、5*5矩阵的插补、假彩色的矫正等等处理。支持多样的尺寸输出格式如VGA和CIF，数据输出格式如RGB和YCbCr。嵌入式处理器可通过8位并口读取SIV100B摄像头模组图像信息，通过I2C接口可设置模组中彩色效果X、Y轴图像转动。
2.7 Wi—Fi通讯模块
Wi—Fi(Wireless Fidelity)是IEEE所定义的无线通信标准IEEE  802.11。在有线局域网的基础上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。无线接入和高速传输是Wi—Fi的主要技术优点。其中IEEE  802.11b最高速度为11 Mb/s，IEEE 802.11 n/g最高速度为54 Mb/s。
本系统中Wi—Fi通讯模块实现与电脑后台支持软件的通讯，将后台软件发送的查询、设置等命令下发到本系统，或将本系统采集到的各种数据(如图像视频信息、条码信息、电能表数据信息等)上传到后台中，供后台进行数据采样、对比和分析。采用环隆电气公司的MR09  Wi—Fi通讯模块支持IEEE 802.11n/g/b协议，3.3 V供电，SDIO/SPI接口通讯，最大传输速度300 Mb/s工作在2.4  GHz频段，覆盖范围最远100 m(由环境决定)。

孙秀英

2019-8-30 16:57:41

3 系统的软件设计
电能计量带电核查仪系统软件分为电能计量带电核查仪软件和后台应用软件两部分。
3.1 电能计量带电核查仪软件设计
电能计量带电核查仪软件设计包括嵌入式操作系统的移植和应用软件的设计。
3.1.1 嵌入式操作系统的介绍
本系统采用的是Windows  CE的操作系统，它是Microsoft公司针对嵌入式产品领域开发的嵌入式操作系统，是一种紧凑、高效、可伸缩的32位操作系统。其具有精简的模块化操作系统、多硬件平台支持、支持有线和无线的网络连接、稳健的实时性支持、丰富的多媒体和多语言支持、提供了强大的开发工具等特点，非常适合消费类电子、手持类电子设备、专用工业控制设备和嵌入式通信设备的开发。
3.1. 2 嵌入式操作系统的移植
Platform Builder是一个定制Windows CE操作系统的嵌入式平台集成开发环境，在Platform  Builder软件中可对系统部分硬件驱动进行更改(如Wi—Fi、摄像头等)，最后经Platform Builder编译生成Windows  CE的操作系统及Bootloader的镜像文件，将镜像文件下载到MCP的Flash存储器中，并配置操作系统启动文件boot.ini。
3.1.3 应用软件的设计
电能计量带电核查仪应用软件是本系统的核心，在Visual C++2005开发环境下完成设计。本应用软件在Windows  CE操作系统启动后，自动装载并运行。主要包括读电表单元、条码扫描单元、图像采集单元和Wi—Fi通讯单元等。

电能计量带电核查仪应用软件工作流程如图3所示。应用软件启动后，先对各模块单元进行初始化，然后开始启动Wi—Fi通讯单元模块，并与后台Wi—Fi通讯单元建立点对点的设备连接.通过TCP/IP协议进行数据通讯，通过判断网络通讯状况保持与后台的实时连接。当有TCP /IP时间发生后，根据接收到的命令进行程序执行，如执行读电表命令，将启动红外通讯模块，发送读电表数据命令，接收电表根据电表数命令返回的数据，并将数据返回到后台;如执行读设备条码信息，将启动和触发条码扫描模块，等待接收条码模块返回所读到的条码信息，并将数据返回到后台;如执行图像采集命令，将启动摄像机进行连续的图像采集，并将图像信息压缩返回到后台。
3.2 后台应用软件设计
后台应用软件设计包括接口程序设计、数据库设计和控制程序设计3部分。
接口程序完成通过Wi—Fi无线通讯的方式与电能计量带电核查仪建立点对点的连接，并将由控制程序下发命令传送到电能计量带电核查仪，将从电能计量带电核查仪获得的数据信息进行缓冲预处理，翻译成后台处理系统可识别数据，然后传送到控制程序。
控制程序完成客户信息的录入(客户名称、地址、电表信息、高供高计装置数量、位置和自身条码信息等等，并将信息存入到数据库中)根据操作员的需要下发命令(如读电表、条码扫描和图像采集等)，控制电能计量带电核查仪的个模块工作、将由电能计量带电核查仪读回来的电表数据传输到数据库存储、将电能计量带电核查仪传回来的高供高计装置条码信息与数据库内存储的条码信息对比，做出身份判断等等。
数据库程序主要完成将客户固定信息按数据类型进行存储，将客户使用的电量信息按照时间索引的进行存储。

刘锦

2019-8-30 16:57:44

4 结论
文中设计了一种便携式的电能计量带电核查仪设备，详细介绍了由S3C2440处理器为核心的系统硬件构成和在Windows CE的操作系统基础上应用软件工作流程实现。它在电力核查部门的使用将会减少电力员工使用工具数量，提高了劳动效率，保证工作质量，减少人身伤害的事故率率，促进电力核查工具的自动化水平。

李英灿

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廉雁捷

孙秀英

刘锦

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