国家电网公司在2009年制定了“坚强智能电网”发展规划，根据智能电网建设的要求，保证智能电网建设规范有序推进，实现电力用户用电信息采集系统建设“全覆盖、全采集、全预付费的总体目标[1]。集中器在智能电网自动抄表系统中处于主站服务器与电表之间，具有承上启下的作用。根据国家电网发布的Q/GDW 374.2-2009《集中抄表终端技术规范》中对集中器的要求，应用户要求开发了一种基于ARM的符合国家电网要求的集中器。
1 集中器的系统构成
　本集中器采用成都英创信息技术有限公司ARM9内核的工业级主板EM9160为核心，软件采用EVC(Embedded Visual C++)编制,运行在Windows CE 5.0嵌入式操作系统上。集中器系统框图1所示。

2 主要电路介绍
2.1  计量电路
    计量电路部分采用专用电能计量芯片ATT7022CU的电路设计，主要包括电压通道电路、电流通道电路、计量芯片电路和高速光耦隔离电路。ATT7022CU是一款多功能防窃电三相电能计量专用芯片，该芯片适用于三相三线和三相四线的应用。它集成了7路二阶slgma-deatl ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样[2]。其电压采集电路采用电阻分压电路来实现，具体电路如图2所示。

    电流采样通过电流互感器来实现，这里选用河北申科电子股份有限公司的产品，规格型号：1.5（12）A/5 mA(电流互感器允许接入的最大电流为12 A)，精度0.1级，负载阻抗20 Ω，电流采样电路如图3所示。
    由于计量芯片ATT7022CU及其外围电路采用热底板设计，故计量电路与核心板之间的数据交换采用高速光电耦合器6N137来实现信号的光电隔离，ATT7022CU的外围电路如图4所示。

2.2 上行远程通信的实现
    集中器与主站之间的远程通信采用GPRS方式实现，采用基于西门子公司MC37i的外挂式GPRS扩展单元，直接通过插座与EM9160相连。GPRS扩展单元的电路如图5所示。
2.3 下行数据采集的实现
    在电量数据采集系统中电表数据的采集采用电力线载波方式进行通信，采用青岛鼎信公司提供的电力线载波路由模块，通过外挂的形式通过串行接口与核心板相连，从而实现电表数据的采集。
2.4 直流模拟量的采集
    根据Q/GDW 374.2-2009《集中抄表终端技术规范》规定，集中器可以采集一些直流模拟量，如温度、压力等，直流模拟量测量精度要求在1%范围内[3]。在设计中采用了飞思卡尔的MPL115A2大气压力传感器来采集大气压力和环境温度这两个直流量,它内置了信号调理集成电路、模数转换器,可输出精确的温度和压力数据[4]。MPL115A2采用I2C总线接口,十分方便与ARM核心板的连接。
2.5 红外接口电路
　红外通信接口主要用于集中器从手持抄表器接收其采集的电表数据。由于核心板I/O口比较紧张，自带的PWM发生器引脚被占用，因此采用串口来完成红外信号的发送和接收。红外发送信号连接串口的发送端，接收信号连接串口的接收端，这样设计方便程序的编写。具体电路如图6所示。

    红外接收部分采用一体化设计的AT138RV3红外接收头，其内部包括红外检测二极管、放大器、限幅器、带通滤波器、积分电路、比较器等。发送红外信号的38 kHz载波由38 kHz石英晶振和CMOS数字集成电路SN74HC04组成，信号的调制由串口发送信号和三极管Q301实现，调制后的红外信号通过红外发光二极管AT205B发出。IrTXD信号为低时，Q301导通，发射管AT205B工作，发送一串38 kHz信号调制的红外光；当IrTXD信号为高时，Q301截止，发射管AT205B停止工作，则没有红外光发出。
2.6 串口的扩展电路
　集中器在管理GPRS通信模块时,需要使用AT命令查询模块状态，实时检测GPRS在线情况和通信信号强度。使用的基于MC37i的远程通信GPRS模块提供了双串口通信功能，另一个串口处理数据，一个串口接收AT指令。由于核心板自身的串口数量有限，考虑到实际应用中红外接口使用的频度较低，故将GPRS模块接收AT命令与红外接口共用一个串口，进而设计了串口扩展电路。串口扩展利用多路模拟开关CD4052BC芯片，实现了AT命令通信和红外通信共用一个串口。
2.7 电源监测电路
    集中器的电源采用了AC65V～AC500V宽电压设计，一般的波动对系统没有影响。但是如果出现突然断电，为了保证数据的安全性和保护系统再次启动的延续性，需要设计电源监测电路。当电源低于阈值时，监测电路产生中断，处理器保存重要数据，记录掉电事件。
    在这里采用了MAX708电源监控芯片，它可以同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号。MAX708的PFI阈值为1.25 V，当监测电源低于阈值时，MAX708产生复位信号。本设计的电源模块输出5 V，精度±1%，用数字存储示波器观测电源从4.90 V开始下降到4.7 V用时6~9 ms，足够用来保存掉电数据。核心板EM9160供电电压为5 V，精度要求±5%，最低工作电压为4.7 V，其中断响应时间为30 ns~100 ns。当核心板供电电源的电压下降到4.9 V时，MAX708的PFI管脚电压1.25 V。若电压继续下降则触发AX708的REST管脚产生中断请求信号，处理器响应该中断后，快速记录掉电事件、保存运行数据和运行状态，在电源低至4.7 V前，处理器将完成所有掉电保护工作，进入掉电状态。
    本项目开发历时3年时间，其间申请专利5项，已获授权实用新型专利2项。实现了《Q/GDW 374.2-2009集中抄表终端技术规范》中定义的必备功能和部分选配功能，如：在线自动升级更新、自动抄读电能表数据、定时上报电能表数据、集中器权限管理、集中器电量数据轮显、集中器功能菜单实现、直流量采集等，样机经过进一步优化后就可上市。本集中器解决了委托企业从外部采购集中器的问题，对提高企业在国家电网采购招标中的竟争力具有积极意义。
参考文献
[1] Q/GDW 378.3-2009,电力用户用电信息采集系统设计导则：技术方案设计导则[S].2009.
[2] 尹维春.基于ATT7022B电能表及其抄表方式的研究[D].吉林：东北电力大学，2007.
[3] Q/GDW 374.2-2009,集中抄表终端技术规范[S].2009.
[4] Freescale. MPL115A Datesheet[Z]. 2013.