【本科優(yōu)秀畢業(yè)設計】遠程自動抄表系統(tǒng)系統(tǒng)設計

遠程自動抄表系統(tǒng)設計摘要自動抄表是指采用計算機技術和通信技術自動讀取和處理表具數(shù)據(jù)的一種手段，是提高能耗管理部門自動化水平的需要，也是計算機技術和通信技術迅速發(fā)展的必然。它不僅可以緩解抄表人員的勞動強度，降低人為因素造成的抄表差錯，而且具有抄收速度快，抄表實時性好等優(yōu)點。本課題通過方案對比以及系統(tǒng)的需求和功能分析，選擇了在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務通用分組無線業(yè)務GPRS。本文構成的自動抄表系統(tǒng)采用點對多點的結(jié)構形式，設計了帶GPRS功能的數(shù)據(jù)采集終端，該終端向下通過RS485方式與智能電表連接，向上通過接入INTERNET，利用GPRS通信方式與監(jiān)測中心服務器通信。重點介紹了電子式電能表和數(shù)據(jù)采集終端的軟硬件結(jié)構，以他們?yōu)橐劳袠嫿ㄕ麄€系統(tǒng)，并以此實現(xiàn)多功能的遠程抄表系統(tǒng)。通過查閱相關資料和近幾年的研究成果，此系統(tǒng)基本上可以實現(xiàn)遠程自動抄表系統(tǒng)對用戶電能表的遠程數(shù)據(jù)采集、記錄和實時監(jiān)測的功能。關鍵詞自動抄表；硬件；軟件；數(shù)據(jù)采集終端目錄摘要I第一章緒論111自動抄表系統(tǒng)概述112自動抄表系統(tǒng)的研究背景及意義1121研究背景1122研究意義113國內(nèi)外遠程自動抄表系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀214主要內(nèi)容及安排2第二章電能遠程自動抄表系統(tǒng)整體構建321系統(tǒng)方案的選擇3211自動抄表系統(tǒng)構建3212數(shù)據(jù)傳輸形式的選擇4213組網(wǎng)方式的選擇5214GPRS系統(tǒng)原理522系統(tǒng)整體方案的設計623系統(tǒng)的功能和特點724本章小結(jié)8第三章電能遠程自動抄表系統(tǒng)的硬件設計931電能表的概述9311電能表的選擇9312電子式電能表的簡介10313電子式電能表的硬件設計1032RS485總線11321什么是RS48512322RS485串行接口標準1233終端主控制器與外圍電路的設計13331AT89C51芯片基本結(jié)構和特點13332微控制器外圍電路的設計1534終端通信模塊硬件設計16341通信模塊的比較選擇16342SIM100簡介17343GPRS模塊SIM100與外圍電路設計1835本章小結(jié)20第四章電能遠程自動抄表系統(tǒng)的軟件設計2141主程序設計2142系統(tǒng)軟件特點2243子程序設計23431電能表的軟件設計23432RS485串行通信子程序24433串口通信子程序2644本章小結(jié)27第五章總結(jié)與展望2851總結(jié)2852展望28參考文獻29致謝30第一章緒論11自動抄表系統(tǒng)概述遠程自動抄表系統(tǒng)AMR，AUTOMATIONMETERREADING一種可以自動采集和記錄電力系統(tǒng)客戶負荷的用電情況，并且通過一定的通信方式，自動將記錄的數(shù)據(jù)和客戶信息通過信道傳回電力用電管理中心，并由系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，自動完成電力系統(tǒng)用電客戶的電能量計費和管理功能的系統(tǒng)1。作為自動化系統(tǒng)中的重要組成部分，自動抄表技術從根本上克服了傳統(tǒng)人工抄表模式的弊端，給水、電、氣管理的自動化帶來了方便。在電力系統(tǒng)中，對廣大的電力客戶實現(xiàn)自動抄表，就是將智能化電表通過通信網(wǎng)絡與控制中心的計算機聯(lián)絡，實現(xiàn)對電量的自動、集中、定時抄錄，并進行統(tǒng)計和分析。電力客戶抄表自動化是配電自動化的一個基本功能，是用電營業(yè)管理自動化的一個重要手段和組成部分。低壓客戶自動抄表系統(tǒng)主要是面向大量的低壓客戶，量多面廣，整個系統(tǒng)的設備數(shù)量多，投資巨大。自動抄表是信息時代發(fā)展的總趨勢，自動信息交換為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鲙砹藰O大的方便，節(jié)約了大量的人力和時間，快捷、準確的信息傳遞提高了現(xiàn)代數(shù)據(jù)管理的科學性、先進性。12自動抄表系統(tǒng)的研究背景及意義121研究背景在能源緊缺而又不可或缺的今天，科學、及時、有效的能源管理和電力調(diào)度已經(jīng)至關重要了。我國電力系統(tǒng)長期以來的查收方式是人工抄表，由查表人員入戶查表計費，再由收費人員入戶收費或?qū)⑹召M單送到用戶通過銀行進行結(jié)算。隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)兩網(wǎng)改造工作的逐漸推進，廠網(wǎng)分離、同網(wǎng)同價和分時計費等政策的出臺，用電網(wǎng)絡規(guī)模急劇膨脹，使得供電企業(yè)對用電網(wǎng)絡的管理任務日益加劇。傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊病越來越突出，主要表現(xiàn)在1查表收費人員工作入戶難，條件差，效率低，勞動強度大；2錯抄、漏抄、估抄的現(xiàn)象嚴重，影響電供應部門的經(jīng)濟效益和社會形象；3竊電問題嚴重，尤其是工業(yè)大用戶的竊電問題，由于數(shù)額較大，嚴重地損壞了電力企業(yè)的利益，擾亂了供用電秩序。以上這些問題一直困擾著電力部門，并成為制約電力部門提高效益、實現(xiàn)電網(wǎng)自動化的瓶頸。國家如何把龐大且分散的用電量及其它數(shù)據(jù)及時有效并且準確無誤地收集、統(tǒng)計及分析，成為供電企業(yè)一個迫切需要解決的問題。122研究意義隨著一戶一表的推廣及城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)的改造，以及國家打破電力供應壟斷局面、引入競爭政策的逐步深入，發(fā)展遠程自動抄表技術是提高用電管理水平的需要，也是網(wǎng)絡和計算機技術迅速發(fā)展的必然。遠程自動抄表技術具有抄收速度快、計算精度高、抄表實時性好、可直接與營業(yè)計算機聯(lián)網(wǎng)等突出的優(yōu)點。采用遠程自動抄表系統(tǒng)可以緩解抄表人員的勞動強度，降低人為因素造成的抄表誤差，并能迅速地統(tǒng)計實時線損等。它從根本上克服了傳統(tǒng)人工抄表模式的弊端，給電能管理的現(xiàn)代化帶來了新的希望。采用遠程自動抄表系統(tǒng)有如下優(yōu)勢1采用遠程自動抄表，不再需要預約上門抄表時間，居民用電量自動抄收，收費實現(xiàn)自動劃撥，還能迅速查詢賬單，能更好地方便用戶。2隨著一戶一表的推廣及城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)的改造，電表的數(shù)量迅速增大，抄表的工作量越來越大，所需抄表人員越來越多，人力成本大幅度上升。采用遠程自動抄表，能節(jié)約人力資源實現(xiàn)減員增效。3遠程自動抄表，對加強用電管理，防止竊電，電費催收，杜絕貪污腐敗等都有積極的意義。4采用遠程自動抄表，可提高抄表的準確性，減少因估計或抄寫而造成賬單錯誤，使供用電管理部門能及時準確獲得數(shù)據(jù)信息。5電力的發(fā)展，需要從用戶處盡快獲取更多的數(shù)據(jù)信息，如電能需量、配電變壓器的監(jiān)測、線損的準確統(tǒng)計、分時電量和負荷曲線等，遠程自動抄表為實現(xiàn)上述要求提供了切實可行的技術手段。13國內(nèi)外遠程自動抄表系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀目前許多國家和地區(qū)都已廣泛采用自動抄表系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工抄表，主要集中在煤氣表、電量表和水流量表的自動抄表，特別是煤氣抄表已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史。抄表技術的快速發(fā)展得益于80年代計算機技術、超大規(guī)模集成電路和通訊技術的高速發(fā)展，使得抄表系統(tǒng)在向著智能化、低功耗、低成本和通信標準化設計的過程邁出了堅實的一步，達到了可以大規(guī)模推廣的實用性階段。我國內(nèi)所采用的抄表方式大致可以分為三種一是傳統(tǒng)的人工抄表方式，抄表人需到用戶處讀取數(shù)據(jù)，返回總局后將數(shù)據(jù)重新輸入電腦進行處理；二是預付費方式，抄表人無需到用戶處，用戶通過銀行劃撥收費或到儀表管理部門購買磁卡、IC卡等，按購買額提供用量，完成收費工作；三是遠程抄表方式，監(jiān)控中心通過遠程通信系統(tǒng)例如公用電話網(wǎng)、電力線載波、數(shù)據(jù)網(wǎng)等自動獲取遠程儀表數(shù)據(jù)的方式。當前在我國國內(nèi)大量使用的是預付費方式，部分地區(qū)已經(jīng)開始了遠程抄表的試點。14主要內(nèi)容本文以遠程自動抄表系統(tǒng)的設計為研究內(nèi)容，對國內(nèi)外抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行詳細了解后，結(jié)合自己所學知識，以AT89C51為控制芯片，搭建了一個遠程抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的遠程采集，傳送等功能；對硬件電路、軟件流程的設計做了詳細的闡述。第二章電能遠程自動抄表系統(tǒng)整體構建遠程自動抄表系統(tǒng)是近年來發(fā)展較快的一種管理信息系統(tǒng)，從宏觀的角度，它分為硬件平臺和系統(tǒng)軟件兩部分。作為電力配電自動化系統(tǒng)的一個功能模塊，遠程自動抄表系統(tǒng)是用電營業(yè)管理自動化的一個重要手段和組成部分，該系統(tǒng)的實現(xiàn)是邁向配電自動化的第一步，并有助于提高電力系統(tǒng)用電管理的現(xiàn)代化水平。本課題的遠程自動抄表系統(tǒng)硬件平臺采用當今比較新的GPRS技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，對用戶電表數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠程自動采集和實時監(jiān)控的功能。21系統(tǒng)方案的選擇211自動抄表系統(tǒng)構建“一戶一表，集中抄表，銀行聯(lián)網(wǎng)”已成為電能計量計費信息化的長期發(fā)展目標，這就決定了抄表系統(tǒng)的兩個基本特點系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點多，采集點具有分散性，數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)是一個覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡。目前存在的抄表方式各有其適用場合紅外抄表適合于短距離人工手持抄表，小功率無線電波、RS485總線的通信距離較近，適用于居民小區(qū)和樓宇的集中抄表，適合底層數(shù)據(jù)采集。電話交換網(wǎng)、大功率無線電波、低壓電力線載波、以太網(wǎng)、GSM/GPRS通信網(wǎng)的通信距離相對較遠，可以作為上層的數(shù)據(jù)傳輸方式2。本文構建的自動抄表系統(tǒng)整體由四部分組成監(jiān)控中心、集中器、采集器和用戶電表；分為兩層結(jié)構，包括集中器與采集器的底層通信和監(jiān)控中心與集中器的上層通信。系統(tǒng)組成框圖如圖21所示。自動抄表系統(tǒng)的通信信道方案包括集中器與采集器的底層通信信道方案和管理中心與集中器的上層通信信道方案。底層數(shù)據(jù)采集采用RS485總線型通信方式。上層通信系統(tǒng)是以安裝在管理中心的系統(tǒng)工作站為中心點，以發(fā)散的形式分別通過通信信道與分散于各區(qū)域的集中器連接，信道的通信數(shù)據(jù)量大，要求有一定的傳輸速率和帶寬。鑒于GSM/GPRS網(wǎng)絡的成熟度較高、覆蓋面較廣，可很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求，因而選用GSM/GPRS網(wǎng)絡作為上層通信方式。通訊模塊集中器模塊采集模塊1GPRS網(wǎng)絡INTERNET網(wǎng)采集模塊2采集模塊N監(jiān)控中心服務器RS485RS485RS485電能表2電能表1電能表NSIM卡圖21遠程自動抄表系統(tǒng)組成框圖監(jiān)控中心服務器與集中器構成上層通信系統(tǒng)。底層通信系統(tǒng)位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，包括用戶電表、采集器和集中器。采集器的定義非常廣泛，它既可以是標準的采集模塊，也可以是帶有RS485接口的智能型儀表；采集器通過RS485串行總線把采集到的數(shù)據(jù)傳送給集中器。集中器的主要功能就是數(shù)據(jù)的采集、匯總和轉(zhuǎn)發(fā)。本系統(tǒng)中集中器主要由控制器和通信模塊構成。集中器利用RS485總線把比較接近的采集器的數(shù)據(jù)匯總過來，對它們進行分時存儲，并利用通信模塊通過GSM/GPRS網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)傳送給上位供電部門管理中心。在本文中集中器又稱為抄表數(shù)據(jù)采集終端設備，其設計實現(xiàn)就成為本系統(tǒng)的關鍵部分。下面兩章將對數(shù)據(jù)采集終端的軟硬件設計做詳細介紹。212數(shù)據(jù)傳輸形式的選擇GSM/GPRS網(wǎng)絡被選為上層通信方案的通信基礎?；贕SM/GPRS網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸通常有四種方式，第一種是基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸，第二種是基于DATA方式一種以電路交換為基礎的傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸，第三種是通過語音方式進行數(shù)據(jù)傳輸，最后就是通過IPINTERNETPROTOCOL方式的數(shù)據(jù)傳輸。下面對四種基于GSM/GPRS網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸方式的各自特點作簡單介紹3。基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸是通過短消息作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，利用AT指令對通信模塊控制，然后將數(shù)據(jù)按照短消息的格式發(fā)送給目標機。目標機接收到短消息后，利用AT指令將短消息讀出并將信息還原，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)通信?；诙滔⒌臄?shù)據(jù)傳輸方式的特點是資費較低01元/條，組網(wǎng)使用方便，但實時性較差，數(shù)據(jù)容量較低140字節(jié)。短消息數(shù)據(jù)傳輸方式適合小數(shù)據(jù)量，中低采集頻率的無線采集系統(tǒng)使用?；贒ATA方式的數(shù)據(jù)傳輸是利用GSM的DATA與傳真同傳輸方式，通過AT指令來進行數(shù)據(jù)撥號，等待數(shù)據(jù)連接建立后，只需將ASCII碼數(shù)據(jù)送入通信模塊即可。通信模塊會按照設定好的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳出，目標機接到數(shù)據(jù)呼叫后，送出應答信號，然后便可按照相同的協(xié)議接收ASCII碼信息?；贒ATA的數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸安全、實時性好、數(shù)據(jù)傳輸量大，但成本較高，適合于可靠、少次、海量數(shù)據(jù)傳輸。通過語音方式進行數(shù)據(jù)傳輸，主要是利用話音通道將數(shù)據(jù)調(diào)制到話音頻率傳輸出去，目標機將數(shù)據(jù)解調(diào)出來。該方案還可以通過語音通道傳輸雙音多頻DTMFDOUBLETONEMULTIPLEFREQUENCY編碼進行數(shù)據(jù)傳輸，通信方式與語音方式一樣。該方案主要的優(yōu)點是可以用來傳輸音頻模擬數(shù)據(jù)，實時性很好電路交換方式，但由于GSM系統(tǒng)的語音編碼方式的局限，對數(shù)據(jù)的壓縮還原會造成數(shù)據(jù)的失真。該方案基本不被采用，但可以作為備選方案用于無線安防系統(tǒng)中?；贗P的數(shù)據(jù)傳輸方式是GPRS系統(tǒng)獨有的，因為GPRS是在GSM網(wǎng)絡基礎之上新增兩個節(jié)點SGSN和GGSN而形成的移動分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。由于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A是TCP/IP協(xié)議，因此基于IP的數(shù)據(jù)傳輸方式核心的內(nèi)容是TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。基于IP的數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀颈容^低，實時性較好，但缺點是GPRS終端開發(fā)成本高，使用復雜度較高，因為涉及復雜的組網(wǎng)方案。鑒于以上四種數(shù)據(jù)傳輸方式，本系統(tǒng)將采用第一種基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸方式，把GPRS作為上層通信信道進行無線數(shù)據(jù)傳輸。同時GPRS又具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集終端的通信模塊也將相應的選擇GPRS模塊。213組網(wǎng)方式的選擇GPRS是目前較好的無線傳輸方式，利用單片機實現(xiàn)GPRS的遠程通信接口的設計，需要解決的一個關鍵問題是GPRS終端如何自動附著到GPRS網(wǎng)絡上，對于這個問題，實際上也就是選擇GPRS遠程通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。利用GPRS通信方式組網(wǎng)有三種方式，下面分別進行介紹3。1專線接入方式，從移動公司到用戶的遠程監(jiān)控中心的服務器端接一條DDN專線，通過數(shù)據(jù)專線將數(shù)據(jù)由GPRS網(wǎng)關服務器GGSN傳送到監(jiān)控中心，移動公司在GGSN上為用戶配一個專門的APN節(jié)點，從而在GPRS終端和監(jiān)控中心之間構成一條無線虛擬專網(wǎng)VPN通道。2GPRS接入方式，用戶的遠程監(jiān)控中心向移動公司申請APN服務，獲得GPRS內(nèi)部網(wǎng)固定IP，所有的GPRS終端在撥號上網(wǎng)后將獲得的動態(tài)IP向監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件進行注冊，以便監(jiān)控中心至終端的下行通信。3INTERNET接入方式，用戶的遠程監(jiān)控中心采用ADSL等與INTERNET建立連接，申請一個公網(wǎng)IP地址，通過INTERNET將數(shù)據(jù)由GPRS網(wǎng)關服務器傳送到監(jiān)控中心，也可采用以下方式遠程監(jiān)控中心在連接INTERNET時向域名服務器注冊動態(tài)IP地址，而GPRS終端撥號上網(wǎng)向域名服務器索取監(jiān)控中心的動態(tài)IP地址。比較三種組網(wǎng)方式，第一種方式適合于實時通信或數(shù)據(jù)量特別大的場所，安全性較高，但成本也高。第二種方式的數(shù)據(jù)傳輸全部在GPRS網(wǎng)內(nèi)進行，安全性高，遠程的GPRS接口終端通過GPRS方式，將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，但是該方案要求由移動公司提供網(wǎng)內(nèi)IP，而該類IP很難申請到。第三種方式要求遠程監(jiān)控中心用有一臺連接INTERNET的服務器和公網(wǎng)IP地址，用戶通過INTERNET，利用監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)服務器和前端軟件，運行相應的程序，可以查詢到對應遠程接口終端的數(shù)據(jù)。這種方式資費低，前期投資小，實施方便，適于儀器的遠程通信系統(tǒng)選用。本系統(tǒng)正是采用第三種組網(wǎng)方案，通過GPRS接入INTERNET實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。214GPRS系統(tǒng)原理MS與GSM基站通信，但與電路交換數(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到SGSN，而不是通過移動交換中心MSC連接到語音網(wǎng)絡上。SGSN與GGSN進行通信GGSN對分組進行相應的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡。來自INTERNET標識有移動臺地址的IP包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到MS。SGSN通過幀中繼與BTS相連，是GSM網(wǎng)絡與MS之間的接口。SGSN的主要作用是記錄MS的當前位置信息，并在MS和GGSN之間完成移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN通過基于EP協(xié)議的GPRS骨干網(wǎng)連接到SGSN，將GSM網(wǎng)絡中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)換，并傳送到遠端的外部分組交換網(wǎng)。GGSN是連接GSM網(wǎng)絡和外部分組交換網(wǎng)INTERNET和INTRANET的網(wǎng)關。其原理圖結(jié)構如圖22所示BTSBSCPCUMSCSGSNGGSNPSINISDNPLMNPDNINTERNET圖22GPRS系統(tǒng)原理圖22系統(tǒng)整體方案的設計系統(tǒng)主要是由電度表、帶GPRS模塊的采集終端、帶系統(tǒng)軟件的主站組成。1監(jiān)控中心服務器GPRS通訊模塊是以浮動IP地址的方式連接到INTERNET的,其IP地址每次連接時都不一樣。監(jiān)控中心的服務器本身必須綁定了一個固定的IP地址,并且以此IP地址接入INTERNET,便于GPRS模塊與服務器連接。這樣監(jiān)控中心服務器就可以從綁定的IP地址上接收每個GPRS通訊模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。接收到電能表數(shù)據(jù)后,監(jiān)控中心軟件對電力數(shù)據(jù)進行校驗、計算、存儲、分析、管理等,并對異常情況進行報警,同時對用戶使用情況實現(xiàn)實時監(jiān)控。2電能表數(shù)據(jù)采集終端GPRS模塊是嵌入到數(shù)據(jù)采集終端中的,與采集終端MCU的串行口連接,進行RS232通訊。采集終端通過RS485采集智能電能表的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行簡單的分類存儲,然后按照與監(jiān)控服務器的通訊協(xié)議,把數(shù)據(jù)進行封裝處理,利用短消息的方式發(fā)送到監(jiān)控服務器。3智能電能表智能電能表的功能是計量用電量的大小,監(jiān)控用戶的用電情況，并把這些數(shù)據(jù)用RS485的方式傳送給數(shù)據(jù)采集終端?？梢酝瑫r計量正/反向有功電能、正/反向無功電能、四象限無功電能，還具有多費率控制，負荷曲線記錄，各相失壓、過壓、頻率超限記錄，數(shù)據(jù)LCD顯示等多種功能。主站可以通過RS485總線或手持紅外抄表器對該電表進行查表、設表、抄表等操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髟砣缦陆K端通過RS232/485接口接收用戶電表的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打包成IP協(xié)議包，通過GPRS模塊內(nèi)置的SIM卡搜索GPRS網(wǎng)絡后接入，處理后以GPRS分組的形式發(fā)送到GSM基站，分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRSIP骨干網(wǎng)，然后將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到外部INTERNET網(wǎng)絡，再通過GPRS服務器，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。其數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖23所示電表數(shù)據(jù)執(zhí)行指令接收、控制采集、發(fā)送異常報警調(diào)度指令匯總分析接收處理報警信息智能電表數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心服務器RS485GPRS圖23自動抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖23系統(tǒng)的功能和特點由于系統(tǒng)中采用GPRS作為傳輸方式，并采用智能電能表，因此該系統(tǒng)具有以下功能1定時抄表功能對系統(tǒng)所有電能表進行定時抄表，抄表時間及抄表次數(shù)可設置，如存儲兩個抄表周期電量（月末或抄表日零點數(shù)據(jù)）正向電量有功總、尖、峰、谷、平、需量；無功感性無功（I）、容性無功（IV）。反向電量有功總、尖、峰、谷、平、需量；無功感性無功（III）、容性無功（II）。2實時抄表功能實時抄收任一時間數(shù)據(jù)及狀態(tài)，如正向電量有功總、尖、峰、谷、平、需量；無功感性無功（I）、容性無功（IV）。反向電量有功總、尖、峰、谷、平、需量；無功感性無功（III）、容性無功（II）。其它數(shù)據(jù)電壓（UA、UB、UC）、電流（IA、IB、IC）、費率、時段等，抄表數(shù)據(jù)可以任意打包。3預付費控制功能當用戶發(fā)生欠費或違章用電時可切斷電源。4電能表監(jiān)測功能當電能表或脈沖線發(fā)生故障時，系統(tǒng)能自動提示。5系統(tǒng)管理功能對通信、費率等參數(shù)進行設置，對回收數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、查詢、備份、報表等?；贕PRS的無線網(wǎng)絡的抄表系統(tǒng)結(jié)構簡單，控制容易，不需要重新組網(wǎng)，可方便的推廣到不同地域使用。GPRS網(wǎng)絡技術，由于引入分組概念，為設備無線接入INTERNET提供了一種先進的有效的手段。使用GPRS的電能遠程抄表系統(tǒng)具有以下特點1、實時性強由于GPRS具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個/所有數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)?？珊芎玫臐M足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。2、可對電表設備進行遠程控制通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對電表設備進行遠程控制，進行參數(shù)調(diào)整、開關等控制操作。3、建設成本少低由于采用GPRS的無線公網(wǎng)平臺，只需安裝好設備就可以，不需要為遠程抄表進行專門布線，前期投資少、見效快，后期升級、維護成本低；4、集抄范圍廣GPRS覆蓋范圍廣，在無線GSM/GPRS網(wǎng)絡的覆蓋范圍之內(nèi)，都可以完成對集抄的控制和管理。而且，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。5、系統(tǒng)的傳輸容量大配電數(shù)據(jù)中心要和每個電表數(shù)據(jù)采集點保持實時連接。由于電表數(shù)據(jù)采集點數(shù)量多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。6、數(shù)據(jù)傳送速率高每個電表數(shù)據(jù)采集點每次數(shù)據(jù)傳輸量在10KBPS之內(nèi)。GPRS網(wǎng)絡傳送速率理論上可達1712KBIT/S，目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在40KBPS左右，完全能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（10KBPS）的需求。7、通信費用低采用包月計費方式，運營成本低。8、方便抄表工作遠程自動抄表提供了電能表數(shù)據(jù)抄錄的計算機管理，抄表人員足不出戶就可以對電能表的數(shù)據(jù)及時準確地進行抄錄，極大地方便了抄表工作。24本章小結(jié)本章通過對比自動抄表系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，構建了一種底層通信基于RS485總線，上層通信基于移動通信系統(tǒng)的復合式自動抄表系統(tǒng)。分析了基于GSM/GPRS的四種數(shù)據(jù)傳輸方式，基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸方式適用于本系統(tǒng)。分析了GPRS通信的三種組網(wǎng)方式，INTERNET接入方式資費低，前期投資小，實施方便，適于遠程通信系統(tǒng)選用。簡單介紹了GPRS的原理及遠程抄表系統(tǒng)的優(yōu)點。從而在系統(tǒng)構建數(shù)據(jù)傳輸和組網(wǎng)方式上完成了復合式自動抄表系統(tǒng)的構建。第三章電能遠程自動抄表系統(tǒng)的硬件設計任何一個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)都離不開硬件的支持，它是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的物質(zhì)基礎。硬件的設計要根據(jù)功能的要求和系統(tǒng)的工作原理來進行。上一章介紹了基于GPRS的自動抄表方案的整體系統(tǒng)構建，對于該系統(tǒng)來說，最關鍵的部分是集中器即數(shù)據(jù)采集終端的實現(xiàn)，它連接上位監(jiān)控中心服務器與下端抄表采集器。本章將主要介紹數(shù)據(jù)采集終端的硬件系統(tǒng)設計。31電能表的概述電能表也稱電度表是記錄電能累積值的專用儀表，是所有電氣測量儀表中使用量最多的儀表。在發(fā)電、供電、用電過程中，其發(fā)電量、供電量、用電量的多少離不開電能表的計量。電能表的種類型號很多，但它們的基本結(jié)構大同小異。由驅(qū)動元件、轉(zhuǎn)動元件、制動元件、積算機構記度器、調(diào)整裝置及輔助部分組成4。311電能表的選擇目前我國的電能表按其用途可分為以下幾類1單相電能表單相電能表廣泛應用于計量居民、機關、商店等的照明、家電等用電量，這是應用最多的一種電能表。2三相有功電能表三相有功電能表應用于計量發(fā)電廠發(fā)出的、供電部門供出的、用電戶使用的有功電量，這是最重要的一種電能表。3三相無功電能表三相無功電能表應用于計量發(fā)電廠發(fā)出的、供電部門供出的、用電戶使用的無功電量，安裝后可用來反應無功電量，間促使用戶提高功率因素。4最大需量表最大需量表應用于計量工廠企業(yè)使用有功電量，同時還能指示出在指定時間間隔內(nèi)平均最大功率的電能表。5復費率電能表復費率電能表又叫分時計費電能表，它是將晝夜里指定幾個時段進行累計每個時段的用電量。根據(jù)系統(tǒng)的設計需求，本設計選用屬于復費率電能表一類的電子式電能表，它能夠很好的實現(xiàn)自動抄表系統(tǒng)所需要的各種功能。電子式電能表的框圖如下圖31所示圖31電子式電能表硬件結(jié)構圖312電子式電能表的簡介這是一款智能型高科技電能計量產(chǎn)品，該表可以同時計量正/反向有功電能、正/反向無功電能、四象限無功電能，還具有多費率控制，負荷曲線記錄，各相失壓、過壓、頻率超限記錄，數(shù)據(jù)LCD顯示等多種功能。主站可以通過RS485總線對該電表進行查表、設表、抄表等操作。軟件代碼采用C/C語言編寫，編碼效率高，可維護性好，便于實現(xiàn)模塊化設計，可據(jù)用戶的需求對功能模塊進行裁剪。313電子式電能表的硬件設計多功能表總體結(jié)構電子式多功能電能表硬件的核心MCU主控制器，它負責按鍵輸入掃描、工作狀態(tài)檢測、計量數(shù)據(jù)的讀入、計算和存儲、電表參數(shù)的現(xiàn)場配置以及與外界的通信控制等。其主要功能單元包括MCU主控制器單元、電量計量模塊、紅外和RS485通信模塊、校表模塊、EEPROM存儲陣列等；其他輔助模塊主要有時鐘日歷電路、工作異常報警電路、按鍵輸入電路、復位和看門狗電路、開關電源模塊和后備電池電路、大屏幕液晶顯示模塊和LED顯示模塊。多功能表總體結(jié)構框圖如圖31所示。高性能主控制器單元主控制器采用NEC公司8位單片機中的高檔產(chǎn)品PD78F0338。該款單片機為120腳QFP封裝，單片集成有60KBFLASH、一個異步通信串行口、404段LCD驅(qū)動器、高達10MHZ的總線時鐘和10路10位精度的ADC，并可通過簡單的接口進行在系統(tǒng)編程，極大地方便在線調(diào)試和軟件升級。并且支持高級語言，較好地滿足了多功能表任務繁多、數(shù)據(jù)量龐大、算法較復雜的功能要求。串口復用通信單元本電能表設有紅外本地抄表和RS485集中抄表兩種串行抄表方式，因為PD78F0338僅有一個串口，故通信電路設計時采用串口復用技術。由9012、9014和若干電阻等器件組成互補開關，由MCU的一個I/O口來控制紅外和RS485通信方式的切換，如圖32所示。圖32通信串行口復用電路高精度電量計量模塊計量模塊由高精度專用電能計量芯片SA9904、電流互感器和其他外圍電路元件組成。SA9904是SAMES公司生產(chǎn)的一款三相雙向功率/電能計量芯片，可以計量有功/無功功率、電壓、頻率、相序異常等，可以單獨計量每一相的用電信息，符合IEC521/1036標準，可達到1級交流電能表的精度要求，各數(shù)據(jù)寄存器具有24位精度，可通過三線SPI接口與CPU交換數(shù)據(jù)。從而可以較好地適應多功能表需要計量多種電量數(shù)據(jù)的要求。SA9904引腳及其外圍電路圖如圖33所示。圖33SA9904引腳及其外圍電路圖其中，CLK、DO、DI構成與MCU控制器的接口,用于傳輸控制命令和測得的電量數(shù)據(jù)，IIPS、IIPT、IIPR用來對電流取樣，IVP1、IVP2、IVP3用來對電壓取樣。32RS485總線RS485的接口是TLA/EIA485所描述的接口。RS485總線抄表系統(tǒng)結(jié)構如圖34所示。RS485總線抄表一般使用雙絞線作為網(wǎng)絡總線，對要求較高的系統(tǒng)可考慮選用帶光電隔離的、抗雷電及抗靜電放電沖擊的收發(fā)器，直接使用RS485驅(qū)動芯片即可構成通信網(wǎng)絡。RS485總線抄表方式技術簡單、成熟，易于實現(xiàn)，且總線傳輸速率高，可靠性好。485節(jié)點（電能表1）485節(jié)點（電能表2）485節(jié)點（電能表N）數(shù)據(jù)采集器485總線圖34485總線結(jié)構321什么是RS485典型的串行通訊標準是RS232和RS485它們定義了電壓,阻抗等但不對軟件協(xié)議給予定義區(qū)別于RS232,RS485的特性包括1RS485的電氣特性邏輯“1”以兩線間的電壓差為（26）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為（26）V表示。接口信號電平比RS232C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。2RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10MBPS3RS485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。4RS485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS232C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS485接口方便地建立起設備網(wǎng)絡。因RS485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB9（針）。322RS485串行接口標準（1）平衡傳輸RS422、RS485與RS232不一樣，數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動器A、B之間的正電平在26V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在2V6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C，在RS485中還有一“使能”端，而在RS422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發(fā)送驅(qū)動器與傳輸線的切斷與連接。當“使能”端起作用時，發(fā)送驅(qū)動器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。（2）RS485電氣規(guī)定RS485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS485串行總線標準。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200MV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS485可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。RS485最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10MBPS。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100KBPS速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1MBPS。33終端主控制器與外圍電路的設計用單片機作為智能系統(tǒng)的核心部件，是目前作為智能儀表設計的一般方法，在工業(yè)測控現(xiàn)場，占主導地位的還是8位機和16位機，對本課題涉及的帶有GPRS模塊功能的數(shù)據(jù)采集終端的設計，運用單片機的主要目的是構成一個既能與GPRS模塊進行交換數(shù)據(jù)，又能與電能表交換數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)，它所處理的信息量和復雜程度用8位機己經(jīng)足夠了，對單片機主要的要求是帶有串行通信功能即可滿足要求，本課題選用ATMEL公司的AT89C51芯片主控制器，其結(jié)構特點介紹如下。331AT89C51芯片基本結(jié)構和特點本設計中選用的單片機芯片AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機。AT89C51單片機可提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域，主要性能參數(shù)如下5AT89C51提供以下標準功能4K字節(jié)FLASH閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O線，兩個16位定時計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。其芯片引腳如圖35所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19MAY2008SHEETOFFILEG亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYP101P112P123P134P145P156P167P178RST9P30RXD10P31TXD11P32INT012P33INT113P34T014VCC40P00AD039P01AD138P02AD237P03AD336P04AD435P05AD534P06AD633P07AD732EA/VPP31ALE/PROG30PSEN29P27A1528P26A1427P35T115P36WR16P37RD17XTAL218XTAL119GND20P25A1326P24A1225P23A1124P22A1023P21A922P20A821AT89C51圖35AT89C51芯片引腳圖時鐘振蕩器AT89C51中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTALL和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖36外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容C1，C2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1，C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30PFL0PF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40PF10F。也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖37所示。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTALL端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE22JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYC130PFC230PFY1110592MHZXTAL2XTAL1GND123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE22JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYNC亢亢亢亢TEXTTEXTTEXT亢亢圖36自激振蕩電路圖37外部時鐘電路51單片機內(nèi)部的基本功能模塊如圖38所示，它可以劃分為CPU、存儲器RAM和ROM、并行口、串行口、定時器/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)等部分。時鐘電路ROMRAM定時器/計數(shù)器并行I/O口串行接口中斷系統(tǒng)CPUP0P1P2P3TXDRXDINT0INT1圖3851單片機的內(nèi)部基本功能模塊332微控制器外圍電路的設計通信接口電路由兩部分組成，一個通過MAX485和有RS485總線標準的采集器相連接，負責采集采集器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關協(xié)議，發(fā)出相應的命令，使采集器上傳相應的數(shù)據(jù)。另外一個通過MAX232和留有RS232標準接口的GPRS模塊相連接，從而實現(xiàn)對GPRS模塊的控制，并把采集所得的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳送到INTERNET網(wǎng)絡，實現(xiàn)與用電管理中心的通信。下面對兩部分電路進行具體的介紹。RS485接口部分示意圖如39所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE14JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYABVCC8B7A6GND5RO1RE2DE3DI4U1MAX485亢亢亢亢亢R2120R320KR120KVCCC1001UFP10RXDTXD圖39RS485接口電路圖本接口部分通過RS485總線實現(xiàn)控制器（終端）和采集器的連接，每一個主控制器通過RS485總線可以最多掛接多達128個采集器，可以實現(xiàn)一片控制器對多個點數(shù)據(jù)量的測量與傳輸。在總線末端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應該與總線的特性阻抗相當120歐。網(wǎng)絡接口均采用MAXIM公司的半雙工485總線收發(fā)器MAX485。其控制十分簡單，RE為接收控制端，DE為發(fā)送控制端。用AT89C51的一個串行口與兩個控制端相連，平時置P10為低，使控制器串口處于偵聽狀態(tài)，當要發(fā)送數(shù)據(jù)時使P10為高。GPRS控制接口電路為RS232標準接口，如圖310所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE17JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYC11V2C13C24C25V6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U5MAX232VCCC91UFC71UFC81UFC101UFRXDTXDP30P31亢GPRS亢亢圖310RS232接口電路通過標準RS232接口可以把相應的設置命令，以及需要傳遞的標準數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，從而使GPRS模塊完成相應的動作。網(wǎng)絡接口采用了MAXIM公司的MAX232總線接口芯片，該芯片可以把一側(cè)的TTL電平轉(zhuǎn)換為另一側(cè)的RS232電平，也可以把RS232電平信號轉(zhuǎn)換為TTL電平的信號，從而實現(xiàn)GPRS模塊和單片控制器的通信。34終端通信模塊硬件設計341通信模塊的比較選擇通信控制單元是數(shù)據(jù)采集、傳輸子系統(tǒng)的核心部分，它通過AT指令實現(xiàn)對短信收發(fā)模塊的控制，把電能數(shù)據(jù)以短消息的形式送至管理端，并通過接收到的控制字符采取相應的控制動作。目前，用于工業(yè)系統(tǒng)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊比較多，主要有西門子公司的MC系列、摩托羅拉的G18和G20、WAVECOM公司的產(chǎn)品以及SIMCOM公司的SIM系列等。下面對這些產(chǎn)品進行一下對比表31各通信模塊的優(yōu)缺點比較優(yōu)點缺點MC35I體積小，使用廣泛不集成TCP/IP協(xié)議G20采用三頻，適用性高，有多種配置可選體積略大、價格高Q2406使用廣泛，價格適中不集成TCP/IP協(xié)議SIM100集成TCP/IP協(xié)議，價格便宜，功能完善使用不是很廣泛，但由于是國內(nèi)生產(chǎn)，所以有較好的技術支持鑒于普通的GPRS模塊在使用時有很大的局限性，另外考慮到價格方面的原因，我們選擇了SIMCOM公司的SIM100模塊作為本設計的GPRS模塊。342SIM100簡介SIM100芯片具有以下特點61單面高集成度精巧結(jié)構設計53MM33MM30MM；2GPRSCLASS10多時隙功能，CLASSB操作模式；3支持GSM900D/CS1800雙頻；4電路交換數(shù)據(jù)傳輸最高14400KBPS，電路交換傳真最高9600KBPS；5短消息業(yè)務，電路交換語音EFR/FR/HR；6GSM0707，GSM0705和增強型AT命令集；7電源電壓范圍33V到46V直流，待機電流4MA；8外部SIM卡，外部天線；960針外部系統(tǒng)連接器；10工作溫度3575。SIM100管腳封裝如圖311所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19MAY2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYPWR1PWR3PWR5PWR7GND9GND11GND13GND/VRTC15VDD_EXT/VEXT17SIM_VDD19SIM_I/O21SIM_CLK23SIM_RST25KBC0/GPO227KBC1/GPO329KBC2/GPO431KBC3/GPO533KBC4/GPO635KBR0/GPI737KBR1/GPI839KBR2/GPI941KBR3/GPI1043KBR4/GPI1145DBGRX47DBGTX49AGND51MIC1P53MIC1N55MIC2P57PWR2PWR4PWR6PWR8GND10GND12GND14GND/VANA16SPI_DATA18SPI_CLK20SPI_CS22SPI_D/C24SPI_RST26DCD/GPIO028LED/GPIO130BUZZER/GPIO1232ON/OFF34RESET36DTR38RXD40TXD42RTS44CTS46RI48AGND50ADC052SPK1P54SPK1N56SPK2P58SPK2N60MIC2N59SIM100圖311SIM100引腳圖SIM100模塊共有60個引腳，這60個引腳分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入和輸出、音頻接口、控制接口。第117腳為電源部分，其中18腳均為電源電壓輸入端，914腳接地，16腳VANA為模擬電壓輸出，17腳為數(shù)字電壓輸出。1925腳為SIM卡引腳，2746腳中奇數(shù)腳為鍵盤輸入引腳，偶數(shù)腳為接RS232輸入輸出引腳，5360腳為音頻接口，即麥克風和受話器輸入腳，20腳為SPI時鐘。34腳為模塊啟動開關，36腳為模塊復位信號。343GPRS模塊SIM100與外圍電路設計1電源電路SIM100工作時共有三組電源，一是SIM100模塊使用電源PWR，其范圍33V46V，電源應該具有至少2A的峰值電流輸出能力；二是用于保證模塊與外部數(shù)字接口的電平匹配的電壓VDD_EXT，其范圍27V35V，該電源具有50MA的輸出能力；三是用于給音頻電路提供電源VANA，其電壓為25V，且該電源具有50MA的輸出能力。顯然對于我們只傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)，用于模擬信號系統(tǒng)的VANA電壓是不再需要的。本設計根據(jù)相關資料提供的參考電路設計了如圖312所示的電源變換電路。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE14JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYIN1OUT3GND2U6MIC29300BT33IN2EN1OUT4ADJ5GND3U5MIC29302BT5VGNDE2100UFR18100KR20470E3100UFR1943KE447UF圖312電源參考電路圖2工作狀態(tài)電路的設計SIM100的30腳提供網(wǎng)絡狀態(tài)指示燈輸出信號。網(wǎng)絡狀態(tài)指示燈電路設計如圖313所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE12JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYR1322KR15100KR14300Q1NPND3LED/GPIO1PWR圖313網(wǎng)絡指示燈電路圖根據(jù)SIM100的文檔說明，可以從網(wǎng)絡指示燈上的亮熄信息來判斷SIM100的工作情況。狀態(tài)指示燈的亮熄情況與工作狀態(tài)關系見表32。表32狀態(tài)指示燈亮熄與工作狀態(tài)關系表LED運行狀態(tài)工作狀態(tài)OFF模塊未啟動64MSON/1SOFF模塊已經(jīng)啟動，但未完成網(wǎng)絡位置登記64MSON/3SOFF完成網(wǎng)絡位置登記64MSON/300MSOFF正在進行GPRS數(shù)據(jù)傳輸64MSON/1500SOFF移動場景PDPCONTEXT已經(jīng)激活，未進行數(shù)據(jù)傳輸3卡座電路的設計SIM卡是GPRS模塊工作不可缺少的一個部分，它是連接GSM網(wǎng)絡和GPRS模塊電路的一個橋梁。由于SIM100模塊支持外部SIM卡，可以直接與30VSIM卡或者18VSIM卡連接。SIM100模塊能自動監(jiān)測和適應SIM卡類型。設計的卡座部分的電路如圖314所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYR1022R922D1D3D2D4R1210KC6220NFR1122VCC6RESET5CLK4GND1VPP2I/O3U4X202SIM_VDDSIM_I/OSIM_CLKSIM_RST圖314卡座設計電路圖圖中R9R11是限流電阻，其值較小，主要起保護作用，在SIM卡座各引腳的位置放置瞬變電壓抑制二極管TVS管是為了防止靜電損壞。4復位電路在應用設計中只要將/RESET腳連接到一個接地的47UF電容即可實現(xiàn)電路的復位作用。在實際應用中，RESET和ON/OFF可由MCU控制，MCU通過對ON/OFF和RESET的控制可以實現(xiàn)模塊的關機，具體程序為MCU先發(fā)命令ATCFUN0，1，模塊開始注銷網(wǎng)絡登記，然后使ON/OFF信號為反向有效0FF有效，再使RESET有效低電平維持100MS以上，這樣就可以關掉模塊。模塊關機后的電流為50UA。關機的時序如圖315所示ON/OFFRESET200MS100MS圖315模塊關機時序圖35本章小結(jié)本章系統(tǒng)構建了自動抄表數(shù)據(jù)采集終端的硬件平臺，通過性能分析選擇了適合本系統(tǒng)的電子式電能表，并介紹了電子式電能表的組成及工作原理；分析了目前市場上的無線GPRS通信模塊，選擇了一款性價比較高的SIM100模塊，微控制器采用8位的單片機芯片AT89C51，并對單片機和通信模塊做了簡要介紹，包括AT89C51的外圍接口電路設計、與GPRS模塊SIM100的串口接口電路和GPRS模塊的外圍電路設計硬件設計；在硬件設備上基本實現(xiàn)了遠程自動抄表系統(tǒng)的功能。第四章電能遠程自動抄表系統(tǒng)的軟