遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總線終端數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

1、天津大學(xué)仁愛學(xué)院08屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)概述本章首先介紹了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)狀，然后對(duì)常用通信系統(tǒng)進(jìn)行了簡單介紹，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)在實(shí)時(shí)通信中的應(yīng)用，引出了在現(xiàn)代化小區(qū)中應(yīng)用的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，最后分析和研究了本論文的主要內(nèi)容及遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)，傳輸?shù)葐栴}。1.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)現(xiàn)狀 人類社會(huì)建立在信息交流的基礎(chǔ)上，通信是推動(dòng)人類社會(huì)文明，進(jìn)步與發(fā)展的巨大動(dòng)力。按照人類通信交流方式與技術(shù)的不同可以把歷史劃分為五個(gè)階段。第一階段的通信方式是語言，人們通過人力，馬力以及烽火臺(tái)等原始通信手段傳遞信息。第二階段從發(fā)明文字以及郵政通信

2、開始。第三階段以發(fā)明印刷術(shù)為標(biāo)志。第四階段從電報(bào)，電話和廣播的發(fā)明開始，從此人們進(jìn)入了電氣通信的時(shí)代，通信技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。第五階段為信息時(shí)代，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)信息傳輸，存儲(chǔ)和處理的要求愈來愈高，信源的種類愈來愈多，不僅有語言，還包括數(shù)據(jù)，圖像和文本等，在第五階段中，通信與計(jì)算機(jī)已經(jīng)而且必將更加有機(jī)地結(jié)合起來?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)是信息時(shí)代的生命線，現(xiàn)代通信網(wǎng)已不再是單一的電話網(wǎng)或電報(bào)文字通信網(wǎng)，而是一個(gè)綜合性的多種信息服務(wù)的通信網(wǎng)。為適應(yīng)世界性的政治與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的需要，人類已經(jīng)迅速建立起世界性的全球通信網(wǎng)。目前，這個(gè)現(xiàn)代通信網(wǎng)連接有數(shù)十億部的電話，還提供了大量的用戶電報(bào)以及

3、數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)?，F(xiàn)代通信已成為最重要的信息技術(shù)服務(wù)。而且信息技術(shù)服務(wù)行業(yè)將會(huì)超過汽車，能源等行業(yè)，成為世界上最大的行業(yè)。1.2 常用通信系統(tǒng)簡介數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要包括發(fā)送設(shè)備，通信媒質(zhì)，接收設(shè)備，即信源，信道和信宿。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)來說，發(fā)送設(shè)備常常又分為信道編碼與信源編碼兩部分。信源編碼是把連續(xù)消息變換為數(shù)字信號(hào)；而信道編碼則是使數(shù)字信號(hào)與傳輸媒介匹配，提高傳輸?shù)目煽啃曰蛴行?。發(fā)送設(shè)備還包括為達(dá)到某些特殊要求所進(jìn)行的各種處理，如多路復(fù)用，保密處理，糾錯(cuò)編碼處理等。從發(fā)送設(shè)備到接收設(shè)備之間信號(hào)傳遞所經(jīng)過的媒介，可以是有線的（包括光纖），也可以是無線的，有線和無線均有多種傳輸媒介。信息在傳輸過程中

4、必然引入干擾，如噪聲，脈沖干擾，衰落等。媒介的固有特性和干擾特性直接關(guān)系到轉(zhuǎn)換方式的選取。接收設(shè)備的基本功能是完成發(fā)送設(shè)備的反轉(zhuǎn)換，即進(jìn)行解調(diào)，譯碼，解密等。它的任務(wù)是從帶有干擾的信號(hào)中正確恢復(fù)出原始消息，對(duì)于多路復(fù)用信號(hào)，還包括解除多路復(fù)用，實(shí)現(xiàn)正確分路。通信系統(tǒng)按照傳遞消息的媒質(zhì)不同可以分成兩大類：一類是有線通信，用導(dǎo)線作為傳輸介質(zhì)來傳遞消息，載荷信息的電磁波是沿導(dǎo)線傳輸?shù)?，其傳輸媒質(zhì)為架空明線，電纜，同軸電纜，波導(dǎo)管，光纜等。常用的有專用線路和公用線路如電話先 ，有線電視信號(hào)線，電力線載波通信，網(wǎng)絡(luò)通信等；另一類是無線通信，電磁波在自由空間傳播，載荷信息的電磁波在自由空間以定向或物定向方

5、式傳遞消息，如中，長，短波通信，微波通信，紅外通信，衛(wèi)星通信等。1.3 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與傳輸在實(shí)時(shí)數(shù)字通信系統(tǒng)中占有重要的地位。在現(xiàn)代化的住宅小區(qū)內(nèi)應(yīng)用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)住宅小區(qū)的智能化管理，包括遠(yuǎn)程抄表，自動(dòng)計(jì)費(fèi)等功能。本論文主要研究和設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的集中器模塊，通過MBUS總線采集、存儲(chǔ)各用戶的用量及費(fèi)用信息；將存儲(chǔ)的信息通過RS-232或RS-485等傳輸給管理層的計(jì)算機(jī)。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各類儀表如水表，電表，煤氣表等數(shù)據(jù)讀取和使用管理，應(yīng)用與居民小區(qū)中，具有讀數(shù)準(zhǔn)確，快速方便的優(yōu)點(diǎn)，又節(jié)省了傳統(tǒng)人工抄表方式的人力物力，還可以防止用戶惡意拖欠付費(fèi)，保證按

6、時(shí)收費(fèi)。進(jìn)一步開發(fā)研究，可實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，煙霧報(bào)警，門窗安全報(bào)警等功能，可用于防火防盜，遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)監(jiān)控等系統(tǒng)中。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)適應(yīng)了住宅小區(qū)智能化建設(shè)和公共事業(yè)管理部門加強(qiáng)管理，改善服務(wù)的需要。傳統(tǒng)的小區(qū)管理采用人工上戶抄表的方式，浪費(fèi)大量人力物力，水電等管理工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，并給用戶帶來不便。我國1994年開發(fā)了磁卡電度表接著出現(xiàn)了IC卡電度表。歷經(jīng)幾年的推廣，直至今天才開始在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用。磁卡電度表可以節(jié)省抄表人員，減少用電管理的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是不能給用戶帶來任何好處，也不能解決用電管理中的關(guān)鍵問題，它還存在造價(jià)高，易被破壞，易被造假卡，不易發(fā)現(xiàn)竊電等弊病。1996年為了解決磁卡電度表所

7、存在的問題，開始出現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，即用計(jì)算機(jī)通過各種通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。當(dāng)時(shí)因?yàn)榧夹g(shù)與設(shè)計(jì)原因，存在造價(jià)高，安裝困難等問題難以推廣。經(jīng)過數(shù)年的努力，現(xiàn)在的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)已經(jīng)具有了價(jià)廉，可靠，方便，開放的特點(diǎn)。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)由系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)采集模塊，集中器，遠(yuǎn)程抄表主站和包括有線無線等各種通信方式的通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成。本論文主要研究各種數(shù)據(jù)總線包括儀表總線Meter-Bus，RS-485總線，電力線載波通信等的原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)；遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總線終端采集器模塊的設(shè)計(jì)，RS-485總線終端電平轉(zhuǎn)換芯片簡介，采集器模塊的微處理器，集中器模塊設(shè)計(jì)包括集中器的微處理器與外圍設(shè)備的電路連接設(shè)計(jì)，集中器的控制器

8、與各類通信方式之間接口芯片的采用和轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，集中器的工作流程設(shè)計(jì)等問題。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中終端數(shù)據(jù)采集模塊與集中器之間的通信采用的是儀表總線，即M-Bus。系統(tǒng)集中器與遠(yuǎn)程抄表主站通信方式有RS232專線通信，內(nèi)置撥號(hào)MODEM通過公用電話網(wǎng)通信，光纖通信，INTETNET網(wǎng)絡(luò)通信，專用網(wǎng)線通信等多種方式，本論文簡要介紹采用RS232專線通信，內(nèi)置MODEM模塊電話撥號(hào)通信 等方式完成集中器與主站之間的通信。1.4 論文的主要內(nèi)容本文分析和研究了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)，傳輸?shù)戎T多問題，尤其是在通信方式方面作了細(xì)致的討論。本論文主要內(nèi)容包括：1.各種數(shù)據(jù)通信方式的原理及應(yīng)用介紹。該部分介

9、紹了系統(tǒng)可采用的各種數(shù)據(jù)通信方式的原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)，包括儀表總線Meter-Bus，RS-485總線，RS-232總線，電力線載波通信，微波無線通信等方式的原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)。2.遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總線終端數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)。包括外圍存儲(chǔ)芯片的設(shè)計(jì)連接；收發(fā)數(shù)據(jù)電路設(shè)計(jì)。3.系統(tǒng)集中器的方案設(shè)計(jì)。包括集中器的微處理器，M-Bus的收發(fā)電路；集中器與主站間通信方案設(shè)計(jì)等內(nèi)容。第二章 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)难芯颗c方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及功能介紹本章是本論文的主體部分，首先介紹了系統(tǒng)的整體的設(shè)計(jì)方案，然后又介紹和研究各類常用數(shù)據(jù)通信方式及其應(yīng)用，最后用大量篇幅詳細(xì)的研究和探討了系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)采集

10、模塊和系統(tǒng)集中器模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。2.1.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)造及特點(diǎn)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)框圖：圖2-2 本論文重點(diǎn)設(shè)計(jì)部分幾點(diǎn)說明：l 每個(gè)集中器平臺(tái)可以管理的終端數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)目根據(jù)總線的通信規(guī)則限制，如每個(gè)終端數(shù)據(jù)采集模塊采用8位地址碼區(qū)分，其數(shù)目“n”為最大256，但據(jù)工程實(shí)際測試，小于200個(gè)效果更好。l 集中器與抄表主站之間可采取MODEM通過電話線通信，RS485口通信，INTERNET網(wǎng)絡(luò)通信，微波無線通信，專用網(wǎng)線通信或者光纖通信等不同方式。l 集中器與終端數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)通信總線一般使用雙絞線作為傳輸線路，通信距離要達(dá)到數(shù)百米至上千米，以滿足同一建筑物內(nèi)表計(jì)數(shù)據(jù)采集

11、與傳輸?shù)木嚯x要求，采用儀表總線Meter-Bus方式。集中器：系統(tǒng)集中器由微處理器，片外擴(kuò)展RAM和連接傳輸線路的轉(zhuǎn)換電路等部分組成。1 通過Meter-Bus與終端數(shù)據(jù)采集模塊通信，讀取表計(jì)數(shù)據(jù)。2 集中器內(nèi)配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，時(shí)鐘可由主站進(jìn)行設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)分時(shí)段存儲(chǔ)。3 可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，具有大容量的存儲(chǔ)體，掉電數(shù)據(jù)不丟失，可長期保存各種數(shù)據(jù)。終端數(shù)據(jù)采集表計(jì)1. 終端裝置的微處理器采用AT89C51單片機(jī)，可以編出高效的程序。2. 具有雙向通信功能，表記內(nèi)具有控制裝置，可在戶外，遠(yuǎn)程操作，靈活方便。2.1.2系統(tǒng)中微處理器芯片概述集中器的微處理器采用AT89C51，它的數(shù)據(jù)總線8位

12、，地址總線16位，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器128B，程序存儲(chǔ)器4MB，有4個(gè)8位并行口和一個(gè)全雙口串行口。2.1.3 系統(tǒng)功能1數(shù)據(jù)采集：指定抄取用電，用水，用氣等數(shù)據(jù)。2費(fèi)用結(jié)算：按指定要求計(jì)算水費(fèi)，電費(fèi)，煤氣費(fèi)等。3數(shù)據(jù)安全：通過口令實(shí)現(xiàn)用戶管理，儀表管理，進(jìn)行權(quán)限設(shè)置。4遠(yuǎn)程表計(jì)監(jiān)控：對(duì)拖欠費(fèi)用的用戶，實(shí)施停水停電，供氣控制，并具有防盜監(jiān)視功能。5信息發(fā)布：網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布，查詢，網(wǎng)上付費(fèi)。6報(bào)表打?。河脩粜畔?，消費(fèi)量，付費(fèi)信息等報(bào)表打印。7圖形分析：水電氣等使用情況圖表分析。2.14 系統(tǒng)的特點(diǎn)本論文所做的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有讀數(shù)準(zhǔn)確，通信可靠，成本費(fèi)用低等特點(diǎn)。1. 采用M-BUS，可靠，方便

13、。2. 表計(jì)可由集中器通過總線供電，也可自帶電池，如用電池供電，配置的電池需保證兩年以上的使用時(shí)間，否則在實(shí)際應(yīng)用上帶來不便。3. 具有對(duì)時(shí)和控制功能，保證及時(shí)收費(fèi)；4. 在設(shè)計(jì)中，充分考慮成本因素，在保證功能和穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)低成本。2.2 各種數(shù)據(jù)通信方式的原理及應(yīng)用研究本節(jié)內(nèi)容包括遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中可采取的各種通信方式，包括終端數(shù)據(jù)采集模塊與集中器之間采取的儀表總線Meter-Bus通信方式，集中器與抄表主站之間采用的RS-232通信，RS-485通信，內(nèi)置MODEM模塊通過撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)通信等方式的介紹。另外對(duì)應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面作了討論和研究。2.2.1 儀表總線的原理及應(yīng)用一、概述儀表總線（M

14、eter-Bus或簡稱M-Bus）是一種儀表國際通用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，可靠性高等特點(diǎn)，采用雙絞線電纜連接，極性無關(guān)，拓?fù)錈o關(guān)，方便管理維護(hù)。雙絞線同時(shí)完成數(shù)據(jù)通信和提供表計(jì)電源，可實(shí)現(xiàn)3009600bps半雙工異步通信。典型的應(yīng)用是將M-Bus用在各類消費(fèi)儀表（如水表，電表，煤氣表）上，可將表頭數(shù)據(jù)收集并傳遞至集中器，再通過相應(yīng)的方式傳送至主站，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表或智能抄表。進(jìn)一步開發(fā)研究，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)監(jiān)控等功能。二OSI模型中的M-Bus M-Bus采用ISO-OSI模型的概念，其目的是實(shí)現(xiàn)一種可使用各種通信協(xié)議的開放式系統(tǒng)。由于M-Bus不是網(wǎng)絡(luò)，所以在OSI模型中

15、它的傳輸層，會(huì)話層，表示層是空的，只有物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的功能定義，如表2-1所示。 表2-1 物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的功能定義層功能標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)類型EN1434-3表示層空會(huì)話層空傳輸層空網(wǎng)絡(luò)層擴(kuò)展地址（可選）數(shù)據(jù)鏈路層傳輸參數(shù)，電報(bào)格式，地址IEC 870物理層線纜，位表示，線路連接，協(xié)議，電平指標(biāo)M-Bus* 數(shù)據(jù)鏈路層M-Bus 數(shù)據(jù)鏈路層傳輸協(xié)議基于國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 870-5，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備和系統(tǒng)的通信協(xié)議進(jìn)行了定義。M-Bus 數(shù)據(jù)鏈路層傳輸協(xié)議源于IEC 870-5 但是沒有使用到其中的全部功能。該協(xié)議采用異步串行傳輸方式，信息幀的同步由

16、起始位和結(jié)束位來實(shí)現(xiàn)，由于總線的靜止?fàn)顟B(tài)為邏輯1（MARK），因此起始為必須是邏輯0（SPACE）而結(jié)束位是1（MARK）。此外M-Bus 數(shù)據(jù)鏈路層還采用IEC 870-5數(shù)據(jù)完整性類別I2 的信息幀格式來處理傳輸過程中可能產(chǎn)生的傳輸故障。* 應(yīng)用層M-Bus 的應(yīng)用層協(xié)議參照數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)EN1434-3 中的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用層協(xié)議。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同樣也適用于其它共用事業(yè)儀表如燃?xì)獗砗退淼取Ｈ欢鳨N1434-3 中僅定義了回應(yīng)方向上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，M-Bus 應(yīng)用層協(xié)議還對(duì)主機(jī)到從機(jī)通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定義。應(yīng)用層協(xié)議可以完成包括數(shù)據(jù)傳輸、制造商識(shí)別碼設(shè)定、從設(shè)備配置，以及應(yīng)用層的故障甄別等功能。三基本操

17、作原理1.物理操作標(biāo)準(zhǔn)M-Bus是一個(gè)主從系統(tǒng)，由一個(gè)集中器進(jìn)行通信控制。一個(gè)M-Bus系統(tǒng)有一個(gè)集中器，數(shù)個(gè)終端（各類儀表）和兩條傳輸線路組成，作為終端的各類儀表都并 聯(lián)在兩條傳輸線上，并且每個(gè)終端都由自己的地址碼來區(qū)分。當(dāng)集中器向終端發(fā)送命令時(shí)都要加帶終端地址碼，終端接收到集中器命令時(shí)首先比較命令中帶的地址碼是否和自身地址碼一致，如不一致，則對(duì)命令不予響應(yīng)。總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為采用如下方法表示：(1) 由集中器向終端儀表終端傳輸?shù)男盘?hào)采用電壓值的變化來表示, 即集中器向終端儀表終端發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電壓脈沖序列, 用+ 36 V 表示邏輯“1”, 用+ 24 V 表示邏輯“0”。在穩(wěn)態(tài)時(shí),

18、線路將保持“1”狀態(tài),圖2-1(a) 部分所示是由集中器向終端儀表終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流圖。圖2-1 集中器與終端間的數(shù)據(jù)碼流圖2-2 從集中器向終端儀表傳輸?shù)男盘?hào)波形圖2-3 終端儀表向集中器的信號(hào)傳輸波形(2)從終端儀表終端向集中器傳輸?shù)男盘?hào)采用電流值的變化來表示, 即由終端儀表終端向集中器發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電流脈沖序列, 通常用1. 5 mA 的電流值表示邏輯“1”,當(dāng)傳輸“0”時(shí),由終端儀表終端控制可使電流值增加1120 mA。在穩(wěn)態(tài)時(shí), 線路上的值為持續(xù)的“1”狀態(tài)。當(dāng)終端儀表終端接收信號(hào)時(shí), 其電流應(yīng)處于穩(wěn)態(tài)“1”,在接收信號(hào)時(shí), 其電壓值的變化所導(dǎo)致的電流變化不應(yīng)超過0. 2 %/

19、 V。圖2-1 (b) 部分的所示是由終端儀表終端向集中器傳輸數(shù)據(jù)的碼流圖。(3)當(dāng)終端儀表子站向主機(jī)發(fā)送的電流信號(hào)相互沖突時(shí),則產(chǎn)生如圖2-1 (c) 所示,總線電流相互疊加,總線電壓由于瞬間消耗電流增加產(chǎn)生瞬間較圖2-1 ( b) 時(shí)大,通過這一點(diǎn)可以判斷終端儀表子站通訊有否沖突。通訊系統(tǒng)采用總線供電,當(dāng)遠(yuǎn)距離傳輸時(shí),總線上的分布電阻將導(dǎo)致總線電壓下降,終端接收芯片應(yīng)以該終端儀表子站站點(diǎn)總線上的電壓差的絕對(duì)值為接收信號(hào), 即具有動(dòng)態(tài)接收信號(hào)的能力。實(shí)際接收情況為:任一子站電壓最高值Vmax 范圍應(yīng)為2142 V ,子站處的電壓值比該點(diǎn)的Vmax 低5. 5 V 時(shí), 應(yīng)記錄一個(gè)標(biāo)記,當(dāng)比該

20、點(diǎn)的Vmax 低8. 2 V 時(shí),應(yīng)記錄信號(hào)“0”。終端微處理器可以選擇3 種供電方式(1) 僅由總線供電; (2) 僅用自帶電池供電; (3) 由總線供電,自帶電池做備用電源,當(dāng)總線供電失敗時(shí),終端自動(dòng)切換到電池供電。為保證其中任何一個(gè)子站短路時(shí)不影響整系統(tǒng)功能, 在各子站電路中應(yīng)接有430 10 的短路限流電阻, 以保證短路時(shí)的該支路最大電流不超過100 mA，另外還要減少線路上的電能轉(zhuǎn)化為熱能。2儀表總線的安裝標(biāo)準(zhǔn) 總線結(jié)構(gòu)由集中器，終端和通信線纜組成，各終端都有唯一的地址，集中器可以將信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232接口標(biāo)準(zhǔn)或RS485以與計(jì)算機(jī)通信。集中器與終端之間的傳輸線路采用普通的雙絞電話線

21、。對(duì)于普通的電話線而言，終端與集中器最大距離為350m，在這個(gè)距離上線路阻值達(dá)29歐，傳輸波特率300-9600bps，采用8位地址結(jié)構(gòu)，終端數(shù)目可達(dá)256個(gè)。如果選取優(yōu)質(zhì)雙導(dǎo)線或降低傳輸波特率或減少終端數(shù)目，這個(gè)最大傳輸距離可被延長。為了保證終端的正常供電，總線上的電壓在傳輸信號(hào)“0”時(shí)不能低于+12V。3.終端設(shè)計(jì)終端可由總線供電，也可自帶電池供電，若自帶電池供電，為保證低維護(hù)成本，電池壽命要達(dá)到幾年。為方便終端安裝，終端應(yīng)為極性獨(dú)立，即無正反接的影響。在采用Meter-Bus的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，Meter-Bus與終端之間的連接采用的收發(fā)芯片是TI公司生產(chǎn)的TSS721芯片。依照Meter

22、-Bus的電氣標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)集中器與Meter-Bus通信的轉(zhuǎn)換電路。2.2.2 RS-485總線的原理及應(yīng)用設(shè)計(jì) RS-485也是現(xiàn)代智能小區(qū)管理中常見的通信總線接口形式，將其用于集中器與抄表主站間的通信，價(jià)格低廉，通信速率和通信距離都能很好的滿足遠(yuǎn)程抄表的要求。RS-485通信改進(jìn)了RS-232通信距離短，速率低的缺點(diǎn)，其傳輸速率高達(dá)10Mb/s，傳輸距離可達(dá)1000米，增加了多點(diǎn)，雙向通信能力。RS-485的數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對(duì)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(dòng)器A，B之間的正電平在+2+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)；負(fù)電平在-2-6V，是

23、另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一“使能”端?！笆鼓堋倍艘曈糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)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)。接收器也作與發(fā)送端相對(duì)的規(guī)定，收、發(fā)端通過平衡雙絞線將AA與BB對(duì)應(yīng)相連，當(dāng)接收端AB之間有大于+200mV的電平時(shí)，輸出正邏輯電平，小于-200mV時(shí)，輸出負(fù)邏輯電平。接收器接收平衡線上的電平范圍通常在200mV至6V之間。RS-485和RS-232有關(guān)電氣參數(shù)如表2-2所示。表2-2 RS-485和RS-232電氣參數(shù)規(guī)定RS-232RS-485工作方式單端差分節(jié)點(diǎn)數(shù)1收

24、，1發(fā)1發(fā)，32收最大傳輸電纜長度50英尺400英尺最大傳輸速率20Kb/s10Mb/s最大驅(qū)動(dòng)輸出電壓+/-25V-7V+12V驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)電平（負(fù)載最小值）負(fù)載+/-5V+/-15V+/-1.5V驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)電平（空載最大值）空載+/-25V+/-6V驅(qū)動(dòng)器負(fù)載阻抗（歐）3K7K54擺率（最大值）30V/sN/A接收器輸入電壓范圍+/-15V-7V+12V接收器輸入門限+/-3V+/-200mV接收器輸入電阻（歐）3K7K12K驅(qū)動(dòng)器共模電壓-1V+3V接收器共模電壓-7V+12V2.3 集中器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖2-4 集中器的基本框圖集中器通過雙絞線以M-Bus與儀表終端通信，讀取各

25、表計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并通過MODEM或RS485口傳送給遠(yuǎn)程抄表主站。遠(yuǎn)程抄表主站可通過電話線路，寬帶網(wǎng)，光纖等通信方式主動(dòng)將數(shù)據(jù)傳送至設(shè)在電力局，燃?xì)夤?，自來水公司等管理部門的抄表管理中心。2.3.1 集中器的功能和特點(diǎn)：l 數(shù)據(jù)集中功能經(jīng)M-bus讀出各表計(jì)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)。l 轉(zhuǎn)發(fā)控制功能在表計(jì)具有電動(dòng)閘門或開關(guān)的情況下，可以轉(zhuǎn)發(fā)主站發(fā)出的控制命令，開關(guān)表記的閘門或開關(guān)。l 時(shí)鐘功能集中器內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘，以便滿足分時(shí)段計(jì)費(fèi)的要求。時(shí)鐘可經(jīng)主站進(jìn)行設(shè)置和對(duì)時(shí)。l 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能集中器具有大容量的存儲(chǔ)體，掉電后數(shù)據(jù)保持長時(shí)間不丟失，可長期保存各種數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可帶校驗(yàn)措施，避免無效數(shù)據(jù)

26、送出。集中器還可存儲(chǔ)由主站下發(fā)的表記地址，通信規(guī)約等運(yùn)行參數(shù)。l 數(shù)據(jù)通信功能集中器配置M-bus接口，RS485/232接口和MODEM，其中M-Bus接口，RS485接口可實(shí)現(xiàn)與表計(jì)的通信，RS485/232可與固定主站或移動(dòng)主站間通信，或用modem通過公用電話網(wǎng)或?qū)＞€實(shí)現(xiàn)與主站通信。2.3.2 集中器器件的選用及原理框圖集中器采用的主要器件及原理框圖如下圖所示。圖2-5 集中器原理框圖微處理器：集中器的微處理器采用89C51，具有512的RAM、32K并行可編程的非易失性FLASH程序存儲(chǔ)器，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件串行在系統(tǒng)編程ISP和在應(yīng)用中編程（IAP）。該器件有4組8位I/O口、3個(gè)16

27、位定時(shí)/計(jì)時(shí)器、多中斷源嵌套的中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)增強(qiáng)型UART、片內(nèi)振蕩器及時(shí)序電路。EEPROM：集中器通過I/O口接連一片串行工作EEPROM，用來存儲(chǔ)該集中器的地址和所連接的表計(jì)地址，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用EEPROM24C64，其CLK端和IO端分別和微處理器89C51的P15、P16相連接。擴(kuò)展RAM：集中器連接一片片外RAM，擴(kuò)展RAM至32K，這里采用CY7C199，它是32K*8位靜態(tài)RAM。通過一片8位鎖存器74HC573對(duì)地址低8位進(jìn)行鎖存，使89C51的P0口作為地址、數(shù)據(jù)線復(fù)合使用。集中器發(fā)出讀數(shù)命令后，依次采集到的表頭數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到該RAM芯片中。外掛FLASHROM：集中器將表計(jì)數(shù)

28、據(jù)長期保存在外掛FLASHROM中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。采用兩片512*8位的FLASH MEMORY AM29F040,19位地址線的低14位使用89C51的P0口和P2口的P20P25，高5位使用89C51的P10P14。為了滿足集中器的時(shí)鐘功能，系統(tǒng)連接一片時(shí)鐘芯片DS12887,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)可將時(shí)間參數(shù)加入到表計(jì)數(shù)據(jù)中去，并可以滿足分時(shí)段計(jì)費(fèi)的要求?？撮T狗：設(shè)計(jì)采用一片IMP813看門狗芯片，用P17連接DOG，IMP813的RST端接89C51的復(fù)位端，系統(tǒng)定時(shí)產(chǎn)生DOG信號(hào)，如系統(tǒng)在一定時(shí)間不能產(chǎn)生DOG信號(hào)，則被判斷為出錯(cuò)，IMP813看門狗芯片產(chǎn)生RST信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位。2.3

29、.3 集中器的軟件流程設(shè)計(jì)集中器向終端發(fā)出命令格式為“起始位+終端地址碼+命令代碼+校驗(yàn)位”，其中命令代碼包括“讀數(shù)代碼（例如00）”，“切斷命令代碼（01）”，“重新開啟命令代碼（10）”等。傳輸線路上的常態(tài)為“1”。所以起始位應(yīng)為“0”。終端地址碼為一個(gè)8位二進(jìn)制代碼，所以每個(gè)集中器最多可連接256個(gè)終端。如需進(jìn)一步開發(fā)實(shí)現(xiàn)如火警，盜警等其它一些功能，只需擴(kuò)充一定的命令代碼即可。系統(tǒng)讀取終端傳回的數(shù)據(jù)格式為“起始位+地址碼+校驗(yàn)位”，經(jīng)過集中器的處理，加入時(shí)間參數(shù)并可保存在外掛FLASHROM中。前導(dǎo)字節(jié)幀起始符儀表類型從站地址域控制碼數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)域縱向校驗(yàn)碼幀結(jié)束符集中器定時(shí)抄取終端數(shù)據(jù)

30、（假定每小時(shí)抄取一次）并進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)抄表主站與集中器進(jìn)行通信時(shí)，集中器可將完整的數(shù)據(jù)信息傳送至主站。圖2-6 M-Bus幀格式集中器的工作流程為：1） 集中器的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)著一個(gè)下屬各個(gè)儀表終端的地址碼表，當(dāng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)達(dá)到一小時(shí)，向終端進(jìn)行一次讀數(shù)操作。集中器首先讀取地址碼表中第一個(gè)終端地址碼，按照“起始位+終端地址碼+讀數(shù)命令碼+校驗(yàn)位”的格式向終端發(fā)出讀數(shù)命令。2） 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將接收到來自終端的表計(jì)數(shù)據(jù)，如果超時(shí)，再次向同一地址碼發(fā)送讀數(shù)命令，再次計(jì)時(shí)等待。如又超時(shí)，視為該終端出錯(cuò)，進(jìn)行保存和記錄。3） 集中器將依次讀取地址碼表中下一個(gè)地址碼并發(fā)送讀數(shù)命令。全部終端數(shù)據(jù)讀取并保存完畢后（地

31、址碼表最后設(shè)置末尾標(biāo)志），集中器轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理過程。過程為從片外RAM中依次讀取各終端數(shù)據(jù)，加入時(shí)間等參數(shù)存入外掛FLASHROM中。4） 當(dāng)集中器接收到抄表主站的讀取數(shù)據(jù)命令后，向抄表主站發(fā)送該集中器下屬各終端表記數(shù)據(jù)，抄表主站將匯總各終端表記數(shù)據(jù)和時(shí)間參數(shù)，不同表記類型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)的終端等。抄表主站可以定期抄取各集中器的數(shù)據(jù)，完成對(duì)各終端的儀表用戶的信息統(tǒng)計(jì)和處理工作，包括與終端數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)的用戶采用其它手段進(jìn)行抄取表記數(shù)據(jù)的行為等。集中器的工作流程圖如下圖所示。圖2-7 集中器讀取終端表記數(shù)據(jù)流程圖M-Bus 儀表總線協(xié)議信息幀的控制由主站發(fā)出, 每幀由前導(dǎo)字節(jié)、幀起始符、儀表類型、

32、從站地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域、幀信息縱向校驗(yàn)碼及幀結(jié)束符等9個(gè)域組成, 每個(gè)域由若干字節(jié)組成。幀的格式見下圖。每字節(jié)含8 位二進(jìn)制碼, 傳輸時(shí)加上1個(gè)起始位(0)、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位(1) 共11 位。D0 是字節(jié)的最低位, D7 是字節(jié)的最高位, 先傳低位后傳高位。0D0D1D2D3D4D5D6D7P1 | 8位數(shù)據(jù)位 | 起始位 奇偶校驗(yàn)位 停止位圖2-8 字節(jié)傳輸序列圖2-9 控制碼格式(1) 前導(dǎo)字節(jié)由主站或從站發(fā)送的所有幀前面有一串規(guī)定數(shù)目的十六進(jìn)制的字符 FE , 這些字符稱為幀的前導(dǎo)字節(jié)。前導(dǎo)字節(jié)本質(zhì)上是一種物理層的要求, 經(jīng)常用來使接收器適應(yīng)和同步, 一般是2

33、4 個(gè)字符。(2) 幀起始符幀起始符68H, 表示一幀信息的開始。(3) 儀表類型儀表類型(T) 是指參與通信的從站屬于哪種類型的計(jì)量儀表。T 0H 19H 20H 29H 30H 39H表示儀表類型 水表 熱量表 燃?xì)獗?4) 地址域地址域由7 個(gè)字節(jié)組成(A0A1A2A3A4A5A6) , 每個(gè)字節(jié)為2 位BCD 碼格式。地址長度為14 位十進(jìn)制數(shù)。其中A6A5 為廠商代碼, 低地址在前, 高地址在后。當(dāng)某一字節(jié)以AAH 尋址時(shí), 忽略該字節(jié)地址。當(dāng)?shù)刂窞锳AAAAAAAAAAAAAH 時(shí), 為廣播地址。(5) 控制碼 D7: 0-表示由主站發(fā)出的控制幀;1 -表示由從站發(fā)出的應(yīng)答幀;D6

34、: 0 -表站對(duì)異常信息的應(yīng)答;D5 D0: 控制碼000000: 保留;000100: 讀計(jì)量數(shù)據(jù);000101: 讀地址;001000: 廣播校時(shí);001100: 更改通信速率;010010: 寫機(jī)電同步數(shù)據(jù);010100: 寫時(shí)域;010101: 寫閥門控制;011010: 設(shè)定密鑰;1XXXXX: 廠商自定義。(6) 數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)長度字段包含一個(gè)表示字節(jié)數(shù)的整數(shù), 用十六進(jìn)制表示, 是數(shù)據(jù)長度字段和校驗(yàn)字段之間(不包括該兩個(gè)字段) 的數(shù)據(jù)字節(jié)的計(jì)數(shù)值。讀數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)長度小于或等于64H。寫數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)長度小于或等于32H, 數(shù)據(jù)長度等于零表示無數(shù)據(jù)域。(7) 數(shù)據(jù)域(DATA)數(shù)據(jù)傳送時(shí),

35、 發(fā)送方按字節(jié)進(jìn)行加33H 處理, 接收方按字節(jié)進(jìn)行減33H 處理。(8) 校驗(yàn)碼(CS)一個(gè)字節(jié)從幀起始符開始到校驗(yàn)碼之前的所有各字節(jié)進(jìn)行二進(jìn)制算術(shù)累加, 不計(jì)超過FFH 的溢出值。所有多字節(jié)數(shù)據(jù)域均先傳送低位字節(jié), 再傳送高位字節(jié)。例如, 傳送數(shù)據(jù)域的值為12345678, 其傳輸次序如圖2-7所示。圖2-10 傳輸次序圖每次通訊先由主站發(fā)出命令幀, 被選擇的從站根據(jù)命令幀的要求做出響應(yīng)。傳輸響應(yīng)的時(shí)序見下圖。數(shù)據(jù)通信過程中, 若接收方檢測到校驗(yàn)和奇偶校驗(yàn)或格式出錯(cuò), 均放棄該信息幀不予響應(yīng)。圖中Tbit= 1/ 波特率秒-二進(jìn)制位傳送時(shí)間Tbyte= 11Tbit -字節(jié)傳送時(shí)間Td 1

36、= Tbyte -延遲時(shí)間Tframe= 幀字節(jié)數(shù)* Tbyte -幀傳輸時(shí)間Tbyte= 11Tbit -字節(jié)傳送時(shí)間Td 1= Tbyte -延遲時(shí)間Tframe= 幀字節(jié)數(shù)* Tbyte -幀傳輸時(shí)間Tr= 50 ms+ 30* Tbyte -最長響應(yīng)時(shí)間Tfba= 實(shí)際幀字節(jié)長度* Tbyte -實(shí)際幀傳輸時(shí)間Tb 1Tbyte -字節(jié)間的停頓時(shí)間圖2-11 主機(jī)請(qǐng)求失敗圖圖2-12 主機(jī)請(qǐng)求成功圖2.3.4集中器的通信接口部分集中器的通信接口電路是保證集中器通過總線與終端數(shù)據(jù)采集模塊通信，集中器與主站進(jìn)行通信的重要部分。這里敘述的內(nèi)容主要包括：在于終端數(shù)據(jù)采集模塊通信中，與M-Bus

37、通信的電平轉(zhuǎn)換接口電路，與抄表主站通信的485口通信的電平轉(zhuǎn)換接口電路，MODEM模塊。圖2-13 集中器接口電路框圖簡要說明：l 集中器與M-Bus總線通信的轉(zhuǎn)換電路模塊通過微處理器芯片的RXD，TXD端連接；l 集中器連接一個(gè)UART芯片ST16C2550，它是一個(gè)16位通用串行異步收發(fā)器。通過連接微處理器的RD端和WR端來完成與外圍的串行通信功能。設(shè)計(jì)系統(tǒng)既可以使用RS485/232通信，又可以通過MODEM和主站通信，因此使用帶選通端的芯片F(xiàn)IF0芯片74LS125，用來滿足不同通信方式的集中器與主站通信的要求。一 與M-Bus總線通信的轉(zhuǎn)換接口電路 前文已述，通過M-Bus傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

38、位由集中器向終端傳輸?shù)男盘?hào)采用電壓值的變化表示，其典型值為，用+36V表示邏輯“1”，用+24V表示邏輯“0”；從終端向集中器傳輸?shù)男盘?hào)采用電流值的變化表示，用1.5mA的電流值表示邏輯“1”，用電流值增加11-20mA表示“0”，M-Bus在系統(tǒng)終端采用的收發(fā)芯片為TSS721，這里介紹的是集中器轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)問題。集中器M-Bus發(fā)送電路的設(shè)計(jì)：根據(jù)M-Bus傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由集中器向終端傳輸?shù)男盘?hào)采用電壓值的變化表示，轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)有兩種方法。一種是利用信號(hào)作為開關(guān)電路的控制信號(hào)，使信號(hào)為“1”時(shí)傳輸線路上電壓為+36V，信號(hào)為“0”時(shí)傳輸線路上電壓為+24V。實(shí)現(xiàn)電路基本原理框圖如圖2-12

39、所示。2-14 集中器與M-Bus間的轉(zhuǎn)換電路原理框圖1另一種方法是利用電壓控制芯片LM317，傳輸信號(hào)作為控制電路中調(diào)壓電阻的控制信號(hào)，通過改變電阻達(dá)到輸出電壓的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電路基本框圖如圖2-13所示。2-15 集中器與M-Bus間的轉(zhuǎn)換電路原理框圖2集中器M-Bus接收電路的設(shè)計(jì)：根據(jù)M-Bus由終端采集模塊向集中器傳輸?shù)男盘?hào)采用電流值的變化表示的特點(diǎn)，接收電路的設(shè)計(jì)采用電流值差值比較電路，利用比較器的輸出信號(hào)作為轉(zhuǎn)換后的接收信號(hào)，當(dāng)總線上電流值突然增大時(shí)比較器正端值由于電容的存在而不能迅速變化，因此負(fù)端電流的增大使比較器輸出一個(gè)正信號(hào)。2-16 接收電路基本原理框圖二 與485口通信的電

40、平轉(zhuǎn)換接口電路前文已經(jīng)指出，RS-485接口在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的總線收發(fā)器可采用的芯片產(chǎn)品很多，本論文研究的集中器與485口通信的電平轉(zhuǎn)換接口電路是通過MAX487收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)的。MAX487芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗RS-485/RS-422收發(fā)芯片，其功能是完成集中器信號(hào)和485總線信號(hào)的轉(zhuǎn)換工作。其管腳定義和功能如表2-3所示。表2-3 MAX487的管腳定義和功能編號(hào)名稱功能1R0接收輸出端：當(dāng)AB達(dá)200mV，輸出高電平；當(dāng)AB達(dá)200mV，輸出低電平2RE接收輸出使能端：RE為低電平，R0有效；-RE為高電平，R0為高阻態(tài)3DE驅(qū)動(dòng)輸出使能端：當(dāng)DE為高電平，A、B為輸出驅(qū)動(dòng)端

41、；當(dāng)DE為低電平，A、B為高阻態(tài)，這時(shí)如-RE為低電平，則芯片為總線接收狀態(tài)4DI驅(qū)動(dòng)輸入端：DI為高電平，輸出AB；DI為低電平，輸出AB5GND接地端6A連接總線的輸出端和輸入端7B連接總線的反向輸出端和輸入端8VCC電源5VMAX487的R0和DI端分別連接集中器的信號(hào)輸入和輸出端，將RE端和DE端一并連接集中器的輸入和輸出端，將集中器接收總線信號(hào)時(shí)，使低電平，RE低電平有效，集中器自R0端接收總線信號(hào)；反之，當(dāng)集中器向總線通信時(shí)，使DE為高電平，使芯片處于驅(qū)動(dòng)總線狀態(tài)，將DI端的信號(hào)送向總線至抄表主站的微機(jī)。另外485總線的兩條線路是有極性的，與M-Bus不同，所以連接至485總線應(yīng)注

42、意連線的極性。三、232接口設(shè)計(jì)圖2-17 簡易232M-Bus轉(zhuǎn)換器原理圖簡易主機(jī)設(shè)計(jì)1、主機(jī)發(fā)送如圖2-17所示,系統(tǒng)通過電阻R10 和T5 給總線供電。232 電平在發(fā)送“0”時(shí),TXD 腳上出現(xiàn)高電平信號(hào), T2 、T5截止,T4導(dǎo)通,總線通過電阻R11 下拉到負(fù)電源,實(shí)現(xiàn)主機(jī)發(fā)送“0”,同時(shí)T3 截止,RXD 被R4下拉到負(fù)電源,無接收數(shù)據(jù)。而當(dāng)232 電平在發(fā)送時(shí)“1”, TXD 腳上出現(xiàn)低電平信號(hào),T2 、T5導(dǎo)通,T4截止,總線通過電阻R10 上拉到正電源,實(shí)現(xiàn)主機(jī)發(fā)送“1”。2、主機(jī)接收當(dāng)TXD 腳的232 電平為“1”,低電平信號(hào), T2 、T5 導(dǎo)通,T4 截止,總線通過

43、電阻R10 上拉到正電源,允許接收,所以TXD 腳又可以同時(shí)作為接收允許的控制腳。當(dāng)有從機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),其將總線的電流值增加1120mA ,通過R10得到電壓約為0. 8 1. 6 V , T3 導(dǎo)通將RXD 腳上拉到正電源電平,實(shí)現(xiàn)RXD 腳對(duì)應(yīng)232 電平“0”的接收。當(dāng)有從機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)“1”時(shí),沒有附加電流消耗,T3截止將RXD 腳上拉到負(fù)電源電平,實(shí)現(xiàn)RXD 腳對(duì)應(yīng)232 電平的接收。3、接口負(fù)載能力計(jì)算為了保證收發(fā)器的正常工作, 電源通過R10給M-Bus總線供電的穩(wěn)態(tài)電流其上產(chǎn)生的壓降不能超過T3的開啟電壓Vt ,此開啟電壓Vt 值一般為0. 3 V。因此電源通過R10給M-Bus

44、 總線供電的穩(wěn)態(tài)最大電流為300 mV/82 -30 V/220 K = 3.52 mA而根據(jù)M-Bus 總線供電規(guī)定,單一從機(jī)的允許最大消耗為1. 5 mA。所以給收發(fā)器能實(shí)現(xiàn)232 電平到2個(gè)從機(jī)的通訊。實(shí)際通訊系統(tǒng)中我們可以減少R10 的電阻值從而可以提高系統(tǒng)的負(fù)載能力,但R10的電阻值不是可以無限減小。這需要保證給最大個(gè)數(shù)從機(jī)提供穩(wěn)態(tài)電流同時(shí)保證不會(huì)導(dǎo)致在RXD 的接收腳上不會(huì)有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)收到,同時(shí)在收到從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)也能收到。但過大的負(fù)載導(dǎo)致通訊噪聲敏感。理論上總線上允許掛的從機(jī)最大值為:11/ 1. 57 ,系統(tǒng)的電流冗余為0.5 mA。此時(shí)通訊系統(tǒng)對(duì)噪聲特別敏感,一旦有從機(jī)的瞬間消

45、耗電流加大或其他干擾導(dǎo)致通訊總線電壓波動(dòng)就可能導(dǎo)致RXD 收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。此時(shí)通訊的接收控制需要減小R10 來防止誤觸發(fā)接收,但過小的R10將正常的接收無法實(shí)現(xiàn)。理論上還可以根據(jù)實(shí)際懸掛的儀表數(shù)目手動(dòng)確定總線上穩(wěn)態(tài)供電電流(此時(shí)如圖2 -17包含右上虛線部分) ,同時(shí)通過瞬間總線消耗電流的變化來識(shí)別M-Bus“0”電平，但實(shí)現(xiàn)上甚為麻煩,而且不能實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)儀表個(gè)數(shù)自動(dòng)處理,不符合智能管理系統(tǒng)的需要,為此需要研制出既能驅(qū)動(dòng)多達(dá)幾百個(gè)儀表同時(shí)通訊的232 M-Bus 總線轉(zhuǎn)換器。多負(fù)載主機(jī)接口設(shè)計(jì)從上面的分析可以發(fā)現(xiàn),232M-Bus 總線轉(zhuǎn)換器需要有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,同時(shí)也能識(shí)別單個(gè)儀表通訊引起的瞬

46、間總線消耗電流變化。為此提出圖2-16 所示的發(fā)送器電路如圖2-18 虛線以外部分所示,從主機(jī)到從設(shè)備從機(jī)方向的信息來自232 - TTL 轉(zhuǎn)換器的TXD 信號(hào),通常需要加隔離電路。此信號(hào)還不能直接放到M-Bus總線上,必須經(jīng)過總線驅(qū)動(dòng)器IC103 放大后,形成+ Bus 總線上的電平變化?？偩€電平由電阻R7、R8和232-TTL輸出的TXD電平設(shè)定。直到電容C106上的電壓達(dá)到C104 一樣的電平。當(dāng)穩(wěn)壓段的操作未處于調(diào)制狀態(tài)時(shí),電阻R12上沒有導(dǎo)通電流,選擇合適的時(shí)間常數(shù)可使數(shù)據(jù)調(diào)制時(shí)負(fù)載的電壓不會(huì)隨總線電壓變化。接收器和沖突檢測電路。圖2-18 232M-Bus轉(zhuǎn)換器原理圖接收器如圖2-

47、16虛線內(nèi)部分所示,在從設(shè)備向主設(shè)備傳送數(shù)據(jù)時(shí)檢測電流脈沖。從設(shè)備中的電流下降沿使得終端電阻R12，R6 +R17，R4(接收器)上的電壓降低。D104、D102和R12R6、R17、R4一起設(shè)定開關(guān)門檻,它使得電容C102 中存儲(chǔ)的電壓長時(shí)間保持恒定,當(dāng)比較器檢測到一個(gè)小的電壓它就能恢復(fù)辨別出來的信號(hào),同時(shí)還有益于消除總線上的高頻干擾信號(hào)。輸出RX1由總線電壓+ BO 通過二極管D103和電阻R9供電。沖突檢測電路沖突檢測電路實(shí)現(xiàn)沖突檢測,通用的轉(zhuǎn)換器硬件沒有檢測控制標(biāo)志,無法實(shí)現(xiàn)沖突判斷,此硬件提供了沖突偵測。當(dāng)子站通訊沖突發(fā)生時(shí),在總線上發(fā)送的總電流增大,在檢測電路處的電壓較正常接收時(shí)要

48、低。沖突檢測電路的原理和接收器的原理是一樣的,具體電路可參見接收器電路(如圖2-18虛線內(nèi)所示) ,其通過總線電壓的瞬間微小變化檢測到子站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突,只是其識(shí)別電壓閾值較接收電壓要大。如圖2-16虛線部分所示,在接收電路通常R6 =2. 0 k，R4 = 1. 5 M, C102 = 1F ,此時(shí)完全正常通訊 。其中電阻R6 、R4 取值是按照M-Bus 標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)從機(jī)發(fā)送“0”時(shí)消耗1120 mA 瞬間電流來選擇的。在測試中發(fā)現(xiàn)當(dāng)R6取值稍大數(shù)據(jù)出現(xiàn)不穩(wěn)定,電阻值進(jìn)一步增大(R6 2. 5 k) ,則不能正確收到應(yīng)答數(shù)據(jù)。而當(dāng)有兩個(gè)以上的子站在應(yīng)答而發(fā)送 0 沖突時(shí),在總線上就會(huì)出現(xiàn)

49、消耗22 mA 以上瞬間電流的情況。根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)將接收電路作為沖突監(jiān)測電路使用且沖突發(fā)生時(shí),若沖突監(jiān)測電路中的R6 = 8. 3 k時(shí)可以正確收到?jīng)_突應(yīng)答數(shù)據(jù),取值稍大數(shù)據(jù)出現(xiàn)不穩(wěn)定,電阻值進(jìn)一步增大(R6 9. 1 k) 則不能收到應(yīng)答數(shù)據(jù)。從以上論述可以得到:若R6 取2. 58. 3 k 中間的值時(shí)則可以識(shí)別出接收沖突,為此在沖突檢測電路中該電阻取中間值4. 7 k。沖突檢測電路檢測到子站數(shù)據(jù)發(fā)送沖突,并可發(fā)送到串口從而觸發(fā)對(duì)應(yīng)串口中斷,通過軟件處理中斷。線路連接（1）發(fā)送電路如圖所示，當(dāng)TXD發(fā)送高電平“1”時(shí)，三極管Q2 導(dǎo)通，光耦U4 導(dǎo)通工作，驅(qū)動(dòng)三極管Q1 工作，同時(shí)+36

50、 V 電源為負(fù)載供電，即輸出高電平；反之，輸出低電平。在該電路中，光耦合器起到不可忽視的作用，它以光為媒介傳輸電信號(hào)，對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，可以減少電路當(dāng)中存在的干擾，增強(qiáng)電路的可靠性。（2）接收電路在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，M-BUS系統(tǒng)是一個(gè)帶有通信控制機(jī)的多級(jí)系統(tǒng)，它是由主站和一定數(shù)量的從站(終端儀表)通過兩根電纜連接而成，所有的終端負(fù)載都并聯(lián)連接在M-BUS 總線上，總體電路圖中接收部分的內(nèi)部詳細(xì)電路圖如圖所示。當(dāng)儀表向采集器返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，通過改變儀表的電流大小來實(shí)現(xiàn)高低電平的變化。電阻R0 為10 ，電流變化，電壓V1 隨之改變。如果負(fù)載掛接100 塊儀表，穩(wěn)態(tài)時(shí)流經(jīng)電阻R0的電流

51、為1.5 mA100=150 mA，儀表返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，若返回?cái)?shù)據(jù)“1”，流經(jīng)R0 的電流為150 mA；若返回?cái)?shù)據(jù)“0”，儀表調(diào)節(jié)自己的輸出電流，此時(shí)流經(jīng)電阻R0 的電流為150 mA+(1120）mA，按165 mA 計(jì)算，V1=16510=1.65 V。首先經(jīng)過U1 一級(jí)運(yùn)放，該運(yùn)放實(shí)質(zhì)是一個(gè)射級(jí)跟隨器，其優(yōu)點(diǎn)是可以避免下一級(jí)電路對(duì)V1的影響，V2V1；然后進(jìn)行U2 二級(jí)運(yùn)放，該運(yùn)放是一個(gè)比例放大器，本電路設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)（R2+R2)/R1=10，V3V2R2/R1=16.5 V，該運(yùn)放的供電電壓決定了帶負(fù)載的能力，如果選擇供電電壓小于16.5 V,就會(huì)過載；最后經(jīng)過U3 三級(jí)運(yùn)放，該運(yùn)放功能本

52、質(zhì)是一個(gè)比較器，極性電容C1，穩(wěn)壓二級(jí)管D1和肖特基二級(jí)管D2 在電路當(dāng)中起到關(guān)鍵性的作用。在負(fù)載處于穩(wěn)態(tài)“0”的時(shí)候，通過示波器可以看到：比較器的反向輸入端的電壓波形趨于水平，C1 和D1 一起確定比較器的基準(zhǔn)電壓。C1 在這里主要有兩個(gè)作用：一是它能使得存儲(chǔ)的電壓長時(shí)間保持穩(wěn)定，準(zhǔn)確地為比較器提供基準(zhǔn)電壓，當(dāng)有數(shù)據(jù)流“1”和“0”向采集器返回，穩(wěn)態(tài)被打破，同向輸入端的電壓和上一狀態(tài)的反向輸入端電壓進(jìn)行比較，V4 得到的就是高低電平的矩形波信號(hào)；二是有利于消除線路上的高頻信號(hào)，起到抗干擾的作用。D1 這個(gè)穩(wěn)壓管在電路當(dāng)中起到保護(hù)比較器的作用，當(dāng)負(fù)載電路由于某種原因?qū)е码娏髟龃髸r(shí)，那么V3 必

53、然增大，穩(wěn)壓管可以防止V3 這個(gè)電壓增長過大，導(dǎo)致比較器及外圍電路損壞。比較器的同相輸入端的電壓ViV3R4/（R3+R4），這里R3R4 的值不宜過大，如果過大，由上式所求Vi 的值會(huì)過小，與基準(zhǔn)電壓偏離太大，比較器將失去比較功能，V4 不會(huì)得到經(jīng)比較器比較后的方波信號(hào)，波形將會(huì)變成一條直線。肖特基二極管D2 在返回?cái)?shù)據(jù)而且保證數(shù)據(jù)的正確性有重要意義，該比較器的優(yōu)點(diǎn)在于它的動(dòng)態(tài)比較性，如果沒有D2，Vi 這個(gè)輸入電壓就會(huì)反作用于基準(zhǔn)電壓，使基準(zhǔn)電壓的變化紊亂，從而數(shù)據(jù)的可靠性降低。反向輸入端收到極性電容的影響其波形緩慢變化。在實(shí)際的電路當(dāng)中，第三級(jí)運(yùn)放的同相輸入的信號(hào)波形并沒有像上圖那樣穩(wěn)定

54、，是帶有噪聲的，正是經(jīng)過比較器，同向輸入端不斷和反向端前一狀態(tài)比較才使得V4 的波形穩(wěn)定，從而增強(qiáng)了信號(hào)的可靠度。通過比較器得到V4 這個(gè)方波信號(hào)，經(jīng)穩(wěn)壓管D3 轉(zhuǎn)換為TTL電平返回到采集器的接收端RXD。圖2-19 電路板框圖電路板各部分簡介l 總線電壓調(diào)制（轉(zhuǎn)發(fā)器）當(dāng)從主機(jī)傳送數(shù)據(jù)到從機(jī)時(shí)l 總線電流檢測（接收器）當(dāng)轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)從終端到集中器時(shí)l 總線電源l 遠(yuǎn)程供電（通過TSS721）l 總線電流過載檢測（過載警告）l 系統(tǒng)擴(kuò)展（中繼器）l 電壓調(diào)制（電源電壓）l 終端接口（RS232驅(qū)動(dòng)器）以上電路為各個(gè)部分的框圖，電源電壓U1（+18V），應(yīng)由外部電源另外提供。所有電壓必須通過高電阻與地

55、隔離，還必須有短路保護(hù)和電流限制。輔助電壓Vcc是來自電源電壓。通過一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器，可將+U1轉(zhuǎn)換成需要的-BUS=-30V。通過使用DC/DC轉(zhuǎn)換器（IC101）簡化了多電源供應(yīng)的測量總線的供電。輔助電源Vcc確保放大器的輸入電壓在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。圖2-20 電源供應(yīng)和RS232連接5V單電源供電的RS232驅(qū)動(dòng)器IC103直接連接儀表總線主機(jī)與PC或通過調(diào)制解調(diào)器連接。半雙工RS232傳輸在300 - 9600波特與測量總線兼容。主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)TX1控制總線的電壓調(diào)制，信號(hào)RX1是從機(jī)電流調(diào)制的結(jié)果。主機(jī)到從機(jī)方向的信息傳輸是通過總線電壓的調(diào)制傳輸?shù)?。調(diào)制脈沖通過輸入TX2（圖2-

56、21）的RS232驅(qū)動(dòng)器IC103（見圖2-20）或隔離光耦OC502作為中繼操作（見圖2-24）。調(diào)制幅度(12v)由電阻R204，R205和Vcc電壓設(shè)定。圖2-21 轉(zhuǎn)發(fā)器電源放大器IC201（圖2-21）配置為與地共模模式，以確保參考電壓Vcc與總線電平相同和總線低阻抗相匹配。這樣能夠設(shè)置輸出（引腳3,6）相對(duì)于地能精確達(dá)到12V。 在中央單元使用元件（R208+R213和C206）設(shè)置了指定的數(shù)據(jù)傳輸速率工作點(diǎn)：外部電容（布線，連接從機(jī)的數(shù)量）對(duì)于脈沖上升和下降時(shí)間的影響可以被保持在有限范圍內(nèi)。該電路的其它部分提供從機(jī)傳輸數(shù)據(jù)到主機(jī)的總線電流，同時(shí)還提供從機(jī)的遠(yuǎn)程供電。總線電流只有在總線電壓保持恒定時(shí)才能檢測，即負(fù)載微小的波動(dòng)必需被控制?？刂葡葟某錆M狀態(tài)下的電容C202開始?？偩€上電壓變化被比較器IC202檢測到，然后通過電流源晶體管T202電流補(bǔ)償直到電容C204兩端電壓