计量自动化终端

技术领域

本申请涉及电力用户用电信息采集系统技术领域，尤其涉及一种计量自动化终端。

背景技术

目前国内数据采集终端结构分为两大类，一类是壁挂式，如国网集中器I型、国网专变III型专变终端；另一类是机架式，如关口终端。壁挂式终端密封性好，通信功能、负控功能实现了模块化，适合于户外有遮蔽运行环境；机架式终端采用标准机架尺寸机箱，板件完全模块化，便于扩展功能。但这类机箱密封型性不好，不适合户外运行环境。

国家电网公司分别于2009年与2013年颁布了《电力用户用电信息采集系统功能规范》，其中就包括结构型式规范。该型式规范规定终端结构外型尺寸，模块尺寸，及模块与本体之间接口定义以及终端功能。随着该规范的实施，国网各省的终端功能及结构都按该规范实施。但是，对于各省网的差异需求，就无法得到满足。并且，该规范不利于功能扩展及新技术应用。

另外，通信技术更新快，现有的产品跟不上更新速度。例如终端的下行通信：早期的RS-232、RS-485通信作为有线连接通信的代表；现阶段通信技术以窄带载波为主，以微功率无线、宽带载波为辅，窄带载波厂家技术方案较复杂且不能互相兼容，造成旧产品的浪费。

发明内容

本申请提供一种计量自动化终端，以解决现有技术中数据采集终端功能扩展率低、新技术与旧产品不兼容的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种计量自动化终端，包括：底座，设置有若干插接位置；模块单元，至少包括主控模块和电源模块，主控模块和电源模块安装在预设的插接位置；其中，模块单元还包括其他功能模块，其他功能模块安装在任意的插接位置，以使计量自动化终端执行相应的功能。

可选地，模块单元还包括：5G模块，包括4根5G天线和1根GPS天线；通信模块，用于多种通信方式的下行数据采集和上行数据传输；控制模块，用于控制外部负荷开关的关断。

可选地，其他功能模块的外观、接口相同，其他功能模块对应的插接位置尺寸相同。

可选地，通信模块包括遥信通信模块、RS-485通信模块、以太网模块、USB模块、备用模块、GSM、GPRS模块、3G模块、4G模块和微功率无线模块的至少一种。

可选地，控制模块包括继电输出控制单元。

可选地，主控模块包括液晶模块、按键模块、核心板和接口电路。

可选地，液晶模块包括1个160×160点阵式LCD，按键模块包括6个独立按键及1个总线扩展芯片74LV245。

可选地，计量自动化终端为分层、分模块式布局。

可选地，底座设置于最底层，电源模块设置在底座上，主控模块设置在电源模块上；其中，主控模块的液晶模块、按键模块和指示灯设置在最外层；其他功能模块排列在计量自动化终端的中部。

可选地，电源模块采用三相四线或者三相三线的交流输入，为计量自动化终端提供12V直流电压。

本申请提出一种计量自动化终端，包括：底座，设置有若干插接位置；模块单元，至少包括主控模块和电源模块，主控模块和电源模块安装在预设的插接位置；其中，模块单元还包括其他功能模块，其他功能模块安装在任意的插接位置，以使计量自动化终端执行相应的功能。通过上述方式，本申请的模块单元可拆可组，能够实现灵活的功能搭配，以应对特殊需求和技术进步。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请计量自动化终端一实施例的结构示意图；

图2是本申请计量自动化终端一实施例的系统结构框图；

图3是本申请计量自动化终端一实施例的系统接口框图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供一种计量自动化终端进一步详细描述。

发明人认为，终端模块化设计是下一代终端的发展趋势，模块功能单一可拆可组，可独立升级、更换可减少长期投资；在终端设备出故障时可单独对模块进行现场更换，减少故障处理时间，提升设备可用率；对于关键节点设备可采用模块热备方式，提升终端整体可靠性；全模块化设计有利于采用模块单独招标方式，降低采购成本。

基于此，本申请提出一种计量自动化终端，请参阅图1，图1是本申请计量自动化终端一实施例的结构示意图。在本实施例中，计量自动化终端100可以包括底座110和模块单元120。

底座110可以设置有若干插接位置。模块单元120可以至少包括主控模块121和电源模块122，主控模块121和电源模块122可以安装在预设的插接位置。

底座110可以包括底座外壳和底座背板单元，底座110可以为模块单元120的共同载体，具有电气连接和物理连接两个功能。

其中，模块单元120还可以包括其他功能模块123，其他功能模块123可以安装在任意的插接位置，以使计量自动化终端执行相应的功能。其他功能模块123的外观、接口可以相同，其他功能模块123对应的插接位置尺寸相同。因此，其他功能模块123可以互相调换位置，位置的改变不影响其工作性能。

在底座110上插接某几个模块单元后，组成的设备可按照插接的模块单元的情况实现对应的功能，并且在拔除其他功能模块后，剩余的模块单元也能正常工作。

模块单元之间可以自由组合，自由增减，自由进行硬软升级。任一模块出现故障，都可灵活替换，方便进行故障定位，任意更换模块后终端均能稳定运行，即本实施例的计量自动化终端可以快速诊断定位，缩短故障时间，降低维护成本。

当有更先进、可靠性更高的技术产生时，可以灵活升级，从而保护投资。例如，本地下行载波或无线，远程GPRS等；电网公司可以根据设备使用的环境，灵活选择下行、上行方案。

另外，当有特殊需求时，可以使用定制的模块实现。例如：实现停电上报功能，由于电池电路设计问题而不可靠实现，可以采用“超级电容”(法拉电容)的方式。

采用模块化终端的方案可以任意组装模块达到想要实现的功能，如专变I有8路遥信8路脉冲4路遥控在这基础上分别去掉2路遥信2路脉冲2路遥控，则变成了专变III的功能。在专变III型的基础上去掉遥信、脉冲、遥控，新增加载波模块则变成了低压集中器。

需要说明的是，通过主控模块可以实现对软件功能的定制化：通过接口的定义，完成硬件的互联互通，并最终约束主控单元的具体实现，形成可靠的软件策略，避免软件风险。

在一些实施例中，主控模块121可以包括液晶模块、按键模块、核心板和接口电路。

主控模块121是整个设备的控制核心，主要功能可以包括数据采集与统计分析、任务上报、规约解析、本地操作、负荷控制、异常监测处理、人机交互。

核心板设计有总线LCD接口、RMII接口外接PHY接口、按键接口、模块在位识别电路。液晶模块可以包括1个160×160点阵式LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)，按键模块可以包括6个独立按键及1个总线扩展芯片74LV245。

在一些实施例中，主控模块可以包括以32位高性能处理器AT91SAM9260为核心的系统板，其功能主要完成对测量数据的记录、存储、分析，上传，控制人机界面，通过通信端口和外部进行数据交互。AT91SAM9260基于ARM926EJ-S处理器，具备8KB指令以及8KB数据缓存。在190MHz时钟频率下运行时性能可达210MIPS。

此外，AT91SAM9260包含了8KB SRAM以及32KB ROM，在最高处理器或总线速度下可实现单周期访问。AT91SAM9260还具备外部总线接口，这些外部总线接口中包含了诸多控制器，用于控制SDRAM以及包括NAND Flash和CompactFlash在内的静态存储器。

AT91SAM9260广泛的外围设备集可以包括USB全速主机和设备接口、10/100Base T以太网MAC、图像传感器接口、多媒体卡接口(MCI)、同步串行控制器(SSC)、USART、主/从串行外围设备接口(SPI)、一个三通道16位定时计数器(TC)、一个双线接口(TWI)以及四通道10位模数转换器。三个32位并行输入/输出控制器可以与这些外围设备实现多路复用。

AT91SAM9260拥有可实现高效系统管理的全功能系统控制器，其中包含了一个复位控制器、关机控制器、时钟管理、高级中断控制器(AIC)、调试单元(DBGU)、周期间隔定时器、看门狗定时器以及实时定时器。

主控模块121上还设计有基于74LV245的总线扩展电路、液晶接口、欧式插座接口、基于R3111H421A的外部电池切换及充电电路、基于74LVC1G32的看门狗电路、基于TPS54331的2V转5V供电电源、基于RX-8025T的时钟电路、ESAM加密电路、基于KZ8041的以太网接口电路。

电源模块122可以为计量自动化终端提供稳定可靠的工作电源，可以采用三相四线或者三相三线的交流输入，为计量自动化终端提供12V直流电压。可选地，工作电源可以采用自适应宽电源设计，守候状态下，终端消耗功率不大于10VA，输出2路隔离的12V直流电压。电源模块通过插座和底座连接，可自由拆卸，方便维护及升级。

电源模块的损坏率相对其他功能失效率较高，如果采用模块化的电源则可以有更多的散热空间，电源的辐射减少影响终端的其它功能，提高了产品的可靠性。关键节点功能模块很容易采用模块热备方式，提升终端整体可靠性。

在一些实施例中，电源模块为单相LN交流65V～500V，双DC 12V 0.4A隔离输出,一路12V给主电路供电,一路12V给通信模块组供电。电源模块具备过压、欠压、过电流、短路等多种保护功能。

计量自动化终端100可以为分层、分模块式布局。底座110可以设置于最底层，底座外壳可以包括有电压、电流接线端子排、通信端子排、遥信遥控端子排，另外还包括有5个并行排列的其他功能模块的插座接口，1个电源模块的插座接口，1个主控模块的插座接口；底座背板单元设计除包括有以上模块的电气连接接口外，还包括有3个PT电压互感器、3个CT电流互感器、1个6515计量模块单元、1个USB HUB 2514模块，以及主控模块、电源模块、通信与控制模块相互之前的电气连接线。

USB HUB 2514是USB25lxi-temp系列中的一款，具有1个USB上行端口、4个USB下行端口的工业级USB2.0HUB器件，每个下行端口最大工作电流可为500mA，最高速率为480Mb/s，并可在全速USB1.1(传输速率为12Mb/s)和低速USB1.0(传输速率为1.5Mb/s)下运行。

在一些实施例中，上行USB通道和AT91SAM9260相连，下行4路USB通道连接4个功能模块。芯片异常时可通过RESET复位脚受AT91SAM9260控制复位重启。6515计量模块单元位于背板PCB的背面，功能是对采到的电压、电流信号进行分析处理，计算电能量。

电源模块122设置在底座110上，通过插座和底座110相连，主控模块121设置在电源模块122上；其中，主控模块的液晶模块、按键模块和指示灯设置在最外层；其他功能模块123可以排列在计量自动化终端的中下部，如图1所示。

可选地，其他功能模块123可以包括：5G模块、通信模块和控制模块。

5G模块的主要功能为上行通信及定位、对时功能，与能源控制器本体之间采用USB通信，支持USB2.0，并向下兼容。5G模块可以包括4根5G天线和1根GPS天线，根据模组出线位置来控制天线分布，右上为GPS天线，其他天线均为5G天线。

高速通信的5G技术支持可以实现DTU(Data Transfer unit，数据传输单元)的快速本地决策，DTU间需要实现直接的5G通信，才能达到100ms级别的网络通信延迟，才能满足电力用户用电信息采集系统主站与采集系统之间远程通信，使得DTU的快速本地决策响应速度提高1个数量级。

5G模块采用移远RG500Q，与能源控制器本体之间采用USB通信，支持USB2.0，并向下兼容。模组电源采用LDO输出，由5V转为4V，4V直接供给模组基带及射频部分；为覆盖多个频段的收发，模组采用4G跟5G天线用来覆盖多个频段的收发，并增加GPS天线来满足GPS定位功能。

通信模块可以用于多种通信方式的下行数据采集和上行数据传输；控制模块可以用于控制外部负荷开关的关断。

控制模块可以包括继电输出控制单元。控制模块和通信模块组共用插座槽，外观、接口和通信模块完全一致，内部均设计有USB口和主控模块通信，设计有模块自识别电路，可自由的插装于任意位置，方便模块的升级和维护。

具体地，底座上预置5个完全一致的插座槽，用于插装不同功能的通信模块和控制模块，通信模块可以包括但不限于遥信通信模块、RS-485通信模块、以太网模块、USB模块、备用模块、GSM、GPRS模块、3G模块、4G模块和微功率无线模块的至少一种。每种模块的外观、接口完全一致，内部均设计有USB口和主控模块通信，设计有模块自识别电路，可自由的插装于任意位置，方便模块的升级和维护。

例如，遥信通信模块包括基于74LV245的总线扩展电路、基于TLP781的遥信输入电路。4路外部事件遥信信号先通过π型滤波器电路，再通过TLP781做信号隔离，然后通过74LV245转换成总线信号传给MCU，完成外部事件的信号输入。

RS-485通信模块功能很强大，具有抄表、数据上传、B码对时等多种功能。设计有基于XR21V1412的USB转串口芯片、串口通信指示灯、TLP781光耦隔离芯片、AZRS485芯片、基于TVS管、静电管、热敏电阻的保护电路。信号从MCU以USB协议形式发送到485单元板上，经XR21V1412转换成串口信号，再通过光耦隔离，通过AZRS485芯片转换成485信号和外部进行通信。

控制模块包括输出控制信号、输入遥控检查回路功能，其功能主要可以由一块R5F100FE单片机系统来完成。MCU和R5F100FE单片机通过串口联系，单片机输出4路控制信号，3路控制继电器输出，1路控制通信模块组上的隔离12V电源通断。其中1路继电器输出信号控制外部电压回路是否正常，再通过遥控检查回路信号输入外部电压回路的状态信号。从而实现遥控检查外部电压回路功能。

在本实施例中，计量自动化终端采用的是分层、分模块式的布局，底座处于整个设备的最底层，是所有模块的承载体、连接体，中间层是电源模块，电源模块上面是主控模块，主控模块的液晶模块、按键模块、指示灯在最外层，方便进行人机交互。功能模块的外观完全一致，排列在设备的中部，可自由的安装与拆卸，不同的组合可以完成终端、采集器、集中器等多种设备的功能；并且，功能完整、性能优异，并通过各类电磁兼容测试，各技术参数稳定可靠、各项数据指标均可满足终端设计规范要求。

请参阅图2和图3，图2是本申请计量自动化终端一实施例的系统结构框图；

图3是本申请计量自动化终端一实施例的系统接口框图。

如图2所示，系统具体由六单元组成，分别是：电源模块、主控模块(以核心板为代表)、底板模块、功能单板模块(含485、载波、远程通信、遥控告警、遥信、脉冲输入)、人机界面模块(LCD显示、按键)。

系统的核心为基于AT91SAM9260架构的ARM9高性能处理器系统，通过接口扩展板和底板相连，再通过底板和功能单板模块进行数据和指令交互。接口扩展板设计有电源/USB/时钟/看门狗/串口/MAC+PHY/总线/GPIO，接口扩展板和底板的接口设计有5组UART信号/4组USB/1组以太网电口/5位模块在位信号，外部接口包括以上所述的上行、下行通信通道。

如图2所示，在最小系统中采用1片32M的SDRAM接提供数据的运行、操作空间，采用1片128M的FLASH提供程序的存储空间。内置实时时钟提供年月日时钟信号，采用74LVC1G32+74HC4060芯片给系统提供硬件复位信号。实时时钟RTC引脚外接1颗32.768的无源晶振。系统晶振引脚外接1颗24M的贴片有源晶振，通过总线复用连接外部液晶模块和按键模块，1个USB口连接底板单元上的USB HUB 2514芯片，通过2514芯片扩展出多路USB通道与外部的功能模块联系。

系统的通道部分均采用模块化设计，有上行通道：GPRS/CDMA模块；下行通道：抄表485-1和抄表485-2；新的AT91SAM9260设计平台具有多个独立的串口单元，所以本设计对红外、GPRS/CDMA、抄表485-1、抄表485-2、CS抄表以及维护232单独分配了一个串口通道，进一步简化了电路设计。整个系统由五个单元组成，分别是：电源板单元、通信单元、遥控遥信单元、接口板单元、核心板单元。通信单元分为2个模块：GPRS模块、CDMA模块，4个指示灯；遥控遥信单元：4路遥控输出、4路遥信输入(如果不需要4路遥控输出，则最多扩展到8路遥信输入)，8个指示灯；接口板单元：6个指示灯、红外通信回路、2路抄表485、1路CS抄表、1路维护232、6路遥信输入(其中预留入与尾盖检测单元复用)、电池供电电路、看门狗电路。

此外，如图3所述，本实施例的计量自动化终端还可以包括远传模块、高精度时钟、双路电源模板、键盘、网络接口和USB扩展，具体连接方式可参阅图3。

本申请公开一种计量自动化终端，能实现用电信息的RS232、RS485、微功率无线、宽带载波，窄带载波的多种通信方式的下行数据采集；能实现用电信息的5G、GSM、GPRS、3G、4G、微功率无线、宽带载波，窄带载波、以太网的多种通信方式的上行数据传输；具备人机界面功能；具备计量功能；具备用电负荷管理控制功能。其功能模块化、结构模块化，各模块功能单一，可拆可组，可独立升级、更换；在计量自动化终端出故障时可单独对模块进行现场更换，减少故障处理时间，提升设备可用率；对于关键节点设备可采用模块热备方式，提升终端整体可靠性；全模块化设计有利于采用模块单独招标方式，降低采购成本。

可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。文中所使用的步骤编号也仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。