智能抄表硬件設(shè)計(jì)方案

窗南京灣知我竽0NNU.智能電網(wǎng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告智能抄表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案1智能抄表技術(shù)概述隨著自動化程度的提高和電能需求的不斷增長，電費(fèi)查詢支出在生產(chǎn)成本中占的比例逐漸加大。供電單位對于電能精細(xì)化的要求也越來越高。傳統(tǒng)的人力抄表和電話抄表工作量大，效率低，人為誤差嚴(yán)重，漏抄，估抄，冒抄現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此必須按照切實(shí)可行的方法解決這些問題。而快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、實(shí)時(shí)的獲取用電的各類數(shù)據(jù)，是做好費(fèi)用自動結(jié)算，用量分析，計(jì)量表運(yùn)行狀況監(jiān)測、負(fù)荷處理等應(yīng)用管理工作的基礎(chǔ)。為此采用計(jì)算機(jī)、無線通信和嵌入式等技術(shù)設(shè)計(jì)了分布式電能表遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)，提出了三級管理手段，將用戶的用電信息準(zhǔn)確和及時(shí)地回傳到數(shù)據(jù)中心，便于電力企業(yè)計(jì)量、統(tǒng)計(jì)和收費(fèi)等日益繁重的工作，大大提高了管理層次和自動化水平。智能抄表系統(tǒng)是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，通過智能抄表系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)公司同電力系統(tǒng)用戶之間的有效可靠互動。能夠?qū)崿F(xiàn)對主站層、接入層、上行通信層以及終端層的有效協(xié)調(diào)與控制。主站層主要是用來實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的采集與管理。上行通信層則主要是用來負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各個(gè)站點(diǎn)的相互有效的鏈接的。智能抄表系統(tǒng)的構(gòu)建對于完善智能電網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)電力資源的合理配置具有重要意義。歐美在智能抄表系統(tǒng)的研究處于領(lǐng)先水平，以美國為例，美國的智能電網(wǎng)建設(shè)注重用戶端，主要針對用戶的具體用電要求及變化來實(shí)施智能化管理，其實(shí)現(xiàn)方式包括智能電表、智能化抄表與以家庭為單位的規(guī)劃用電管理，主要建設(shè)了基于無線方式的智能抄表及通訊網(wǎng)絡(luò)。ADI公司直接參與部分州的智能電網(wǎng)的建設(shè)，在智能電表及無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上取得了不俗的成績。智能抄表系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分：集中器、采集器和通信系統(tǒng)。1）數(shù)據(jù)采集根據(jù)不同業(yè)務(wù)對采集數(shù)據(jù)的要求,編制自動采集任務(wù),包括任務(wù)名稱、任務(wù)類型、采集群組、采集數(shù)據(jù)項(xiàng)、任務(wù)執(zhí)行起止時(shí)間、采集周期、執(zhí)行優(yōu)先級、正常補(bǔ)采次數(shù)等信息,并管理各種采集任務(wù)的執(zhí)行,檢查任務(wù)執(zhí)行情況。2）數(shù)據(jù)管理采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)，對采集的各類原始數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲和管理，為“SG186”一體化平臺提供數(shù)據(jù)的匯總、存儲、共享和分析利用。按照訪問者受信度、數(shù)據(jù)頻度、數(shù)據(jù)交換量的不同，對外提供統(tǒng)一的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)接口，為其它系統(tǒng)放有權(quán)限的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。數(shù)據(jù)管理功能提供系統(tǒng)級和應(yīng)用級完備的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)機(jī)制。3）控制功能用屯信息采集系統(tǒng)通過對終端設(shè)置負(fù)荷定值、電量定值、電費(fèi)定值以及控制相關(guān)參數(shù)的配置和下達(dá)控制命令,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率定值控制、電量定值控制和電費(fèi)定值控制功能,系統(tǒng)亦可直接向終端下達(dá)遠(yuǎn)程直接開關(guān)控制命令,實(shí)現(xiàn)遙控功能。系統(tǒng)具有點(diǎn)對點(diǎn)控制和點(diǎn)對面控制兩種基本方式。2智能抄表集中器硬件設(shè)計(jì)方案集中器在整個(gè)遠(yuǎn)程無線抄表中起著承上啟下的作用。是整個(gè)通信系統(tǒng)的橋梁。決定著系統(tǒng)的整體性能。集中器以單片機(jī)MCU控制單元為核心。主要由電源供給電路、藍(lán)牙通信電路、有線或無線通信電路、鍵盤顯示電路、數(shù)據(jù)存儲電路、RS232計(jì)算機(jī)接口電路和能源控制電路等部分組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示：圖2-1集中器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)采用ATMEL公司的ATmega162，它有16KFLASH,1KRAM，35個(gè)I/O口，2個(gè)UART,1個(gè)SPI和3個(gè)外部中斷源，可以很好的滿足系統(tǒng)要求。1）藍(lán)牙通信電路設(shè)計(jì)這里采用nRF903芯片，該芯片提供了由9個(gè)I/O組成的接口與微控制器連接，分別負(fù)責(zé)對nRF903進(jìn)行配置。工作模式的選擇。管腳TXEN、STBY和PWR_DWN分別負(fù)責(zé)nRF903接收模式、發(fā)射模式、掉電模式、和標(biāo)準(zhǔn)模式的切換。管腳CS、CFG_CLK和CFG_DATA組成的串行接口實(shí)現(xiàn)對頻率、通道、輸出功率和輸出時(shí)鐘頻率的配置，它們均SPI接口。故可以與ATmega162的SPI口直接連接。nRF903的發(fā)射和接口共用一個(gè)管腳，不能同時(shí)發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，只能進(jìn)行半雙工通信，故需加一個(gè)10K的電阻實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和隔離。在通信時(shí)，當(dāng)C_SENSE輸出電壓為“0”時(shí)，說明通信對方?jīng)]有發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)C_SENSE為“1”時(shí)，說明通信對方可能發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)需要進(jìn)行處理。單片機(jī)可以從CLK_OUT知道nRF903是否工作正常。2)RS232接口電路由于抄表工作人員會隨時(shí)到現(xiàn)場進(jìn)行對集中器的數(shù)據(jù)讀取和參數(shù)設(shè)置，而手持終端設(shè)備一般是PC機(jī)，故在集中器設(shè)計(jì)RS232接口電路是必要的。本系統(tǒng)中采用MAX3111E串行異步收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。其接口電路如下圖2-2所示：ATmega162的MOSI與DIN連接作用發(fā)送數(shù)據(jù)線，MOSI與DOUT連接作為收數(shù)據(jù)線。MAX3111E的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，從而利用其片內(nèi)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)UART到RS232電平的轉(zhuǎn)換。MAX311E的中斷信號(IRQ)與ATmega162的外部中斷IN1相連，以便當(dāng)PC機(jī)有數(shù)據(jù)向系統(tǒng)傳輸時(shí)，直接給MCU一個(gè)中斷信號并執(zhí)行相應(yīng)的程序。3)Modem/NMC35i接口電路在與上位機(jī)進(jìn)行呼叫連接和數(shù)據(jù)交換時(shí)，首選的方式是PSIN電話網(wǎng)，其次是GSM/GPRS無線通信網(wǎng)。一般嵌入式工業(yè)Modem采用串行RS-232接口與MCU連接，內(nèi)含2路接受、4路發(fā)送而MC35i也是通過RS-232接口與自已得無線應(yīng)用系統(tǒng)相連，內(nèi)含3路接收、5路發(fā)送。故可以選用一個(gè)接口電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與它們連接的問題，這里選用MAX3238可以實(shí)現(xiàn)此功能。電路如下圖2-3所示：

IKMCU\JN\RkdVraiU,C1+Cl-jANDvccV中VIAK32神3XXJTI口時(shí)rxxmDIM：poim (MM3taiROUT1RDUT2?pOUTdDIN1RINJ漢IKMCU\JN\RkdVraiU,C1+Cl-jANDvccV中VIAK32神3XXJTI口時(shí)rxxmDIM：poim (MM3taiROUT1RDUT2?pOUTdDIN1RINJ漢uunPCUT5DINiD;ORCEC?MRQUT1I3yORECEOFFIMYAL30,€716岫口3篇Nia百9邁J￡7T23工互WT1?C311DI^UI1txdRXDDTEDSR12rs：TSCD楂MfderanrMC?5iRW□MD圖2-3Modem/NMC35i接口電路電路中RXD、TXD直接連ATmega162的RXD0\TXD0,可以獨(dú)立進(jìn)行串行通信而與其他通信鏈路互不干擾。RING連ATmega162的外部中斷INT0，當(dāng)通信模塊有振鈴信號時(shí)通知MCU執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序。3采集器硬件方案設(shè)計(jì)1）電壓通道采集電路位于電源板上的交采模塊分主要分為三部分：電壓采集電路、電流采集電路和電能量采集電路。三項(xiàng)多功能電能計(jì)量芯片ADE7758的電壓通道輸入采用單端電壓輸入,標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)最大信號電為土0.5V（相對于VN端），這里我們采用5個(gè)200K電阻與1個(gè)1K電阻串聯(lián)分壓的形式進(jìn)行采樣[27],在輸入額定電壓為220V的情況下,經(jīng)分壓采樣獲得的采樣電壓約為-220mV?220mV,電壓通道模擬量采集電路。5.6nF

5.6nFUCZ200KZ200KZ200KZ200KZUCZ200KZ200KZ200KZ200KZ200K1K5.6nF0.1uF圖3-1電壓通道采集電路2）電流通道采集電路ADE7758的電流通道采用全差分電壓輸入,最大的差分輸入信號為±0.5V。在設(shè)計(jì)電流通道模擬量采集電路時(shí),采用變頻比為300:1的電流互感器以及兩個(gè)阻值為7.5。的采樣電阻，在輸入最大電流為300mA的情況下，采樣電壓約為300mV,電流通道模擬量采集電路。圖3-2電流通道采集電路3）電能量采集量為了設(shè)計(jì)方便,這里我們采用三項(xiàng)多功能電能計(jì)量芯片ADE7758作為電能量的計(jì)量芯片。ADE7758是一款高準(zhǔn)確度的三相電能計(jì)量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個(gè)串行接口。ADE7758集成了二階工一D模數(shù)轉(zhuǎn)換器,數(shù)字積分器,基準(zhǔn)電路,溫度傳感器，以及所有進(jìn)行有功,無功和視在電能計(jì)量以及有效值計(jì)量所需的信號處理元件。ADE7758適用于計(jì)量各種三相配置條件下的有功，無功和視在電能,如WYE和DELTA系統(tǒng),包括三線和四線制。4通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方案一遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)的通信系統(tǒng)方案包括集中器與采集器的底層通信方案和管理中心與集中器的上層通信方案。底層數(shù)據(jù)采集一般采用總線型通信方式的方案。這種方式以一條串行總線連接各分散的采集器，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的互連。在這種方式下，信道上節(jié)點(diǎn)較多，傳輸速率不是很高，傳輸距離短。常用的模式有紅外線通信、RS-485總線、儀表總線和低壓電力載波通信等。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(diǎn)，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，形成1對N的連接形式。在這種方式下，信道的通信數(shù)據(jù)量大，要求有一定的傳輸速率和帶寬。根據(jù)信道介質(zhì)不同可分為電話線、光纖、無線和城域網(wǎng)等多種模式。本設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)框圖如下所示，在集中器和管理中心之間的通信上采用了蜂窩移動無線網(wǎng)(GSM/GPRS)，在集中器與采集器之間的通信上采用了低壓電力載波通信。|管理中心7^1集中中卜《采集黑計(jì)費(fèi)終端||GSM/GPRS網(wǎng) 低壓電力網(wǎng)圖4-1通信系統(tǒng)框圖管理中心與集中器之間是通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，需要在數(shù)據(jù)采集模塊和管理中心中加裝GSM模塊。由于這種模塊(其實(shí)是無鍵盤、無顯示屏的手機(jī))結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，所以利用它的RS-232標(biāo)準(zhǔn)的接口很容易和單片機(jī)連接在一起，構(gòu)造出AT賀氏指令，來驅(qū)動數(shù)據(jù)采集模塊。在通信形式上是主從方式，每次通信都由管理中心發(fā)起，集中器在接到通信命令后，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)答處理。集中器與采集器之間是利用低壓電力線進(jìn)行通信。由于電力網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)共享媒體，因此一個(gè)集中器和它所負(fù)責(zé)的所有采集器組成了一個(gè)相當(dāng)于以太網(wǎng)形式的網(wǎng)絡(luò)。集中器和所有的采集器相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只對目的地址和本節(jié)點(diǎn)地址相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。在通信形式上也是主從方式，每次通信都由集中器發(fā)起，采集器在接到通信命令后，進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)答處理。電力載波模塊設(shè)計(jì)電力載波模塊基于SSCP300進(jìn)行設(shè)計(jì)。Intellon公司的SSCP300符合EIA-600CEBus通信協(xié)議，其擴(kuò)頻信號覆蓋了從100KHz?400KHz所有帶寬，若某些頻率的信號因受到干擾而無法到達(dá)接收機(jī)，剩下部分的信號仍能成功到達(dá)，采取適當(dāng)?shù)募m錯(cuò)編碼可恢復(fù)正確的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)總體方案如下圖所示。戡圖4-2戡圖4-2電力載波模塊總體方案設(shè)計(jì)4.1力由單片機(jī)AT89c51單元MCU和芯片IntellonP300組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口控制中心，負(fù)責(zé)處理來自經(jīng)過輸入濾波電路處理的電力載波信號，通過輸出電路向電力線發(fā)送載波數(shù)據(jù)。并控制命令線CON和串行通信線TXD、RXD與上級應(yīng)用單元進(jìn)行通信。MCU作為控制核心，完成分組的發(fā)送和接收、發(fā)送字節(jié)到符號的轉(zhuǎn)換、接收符號到字節(jié)的轉(zhuǎn)換以及循環(huán)校驗(yàn)碼的產(chǎn)生和校驗(yàn)等。即將要發(fā)送的數(shù)據(jù)先由MCU轉(zhuǎn)換成符合EIA-600CEBus的符號，組成分組傳送到P300,由其進(jìn)一步處理后發(fā)送出去。而由P300處理后得到的分組傳送到MCU,由其轉(zhuǎn)換成原始數(shù)據(jù)，并判別是何指令，從而指示用戶用表完成相應(yīng)的操作，如接通、斷開等。P300與主處理器的接口是通過一個(gè)5線的串行外圍接口(SPI)及復(fù)位信號RST來完成的，SPI的數(shù)據(jù)輸入6口1)和數(shù)據(jù)輸出(SDO)線允許數(shù)據(jù)由P300傳出或傳至P300時(shí)對其進(jìn)行計(jì)時(shí)。P300還提供了SPI數(shù)據(jù)時(shí)鐘(SCLK)來對數(shù)據(jù)傳輸提供時(shí)序信號。而P300的服務(wù)請求是由低電平有效的中斷信號(INT)來完成的。P300低電平有效的片選信號(CS)可將SPI接口置為有效或是無效。要發(fā)送的分組首先傳到P300的數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)的微處理器，它再將之傳送給其數(shù)字信號處理模塊。數(shù)字信號處理模塊使用一個(gè)300點(diǎn)的片內(nèi)ROM查詢表來產(chǎn)生擴(kuò)頻載波(SSC)的高層狀態(tài)和低層狀態(tài)，此表可驅(qū)動片內(nèi)8位DAC產(chǎn)生線性

掃頻的模擬波形。當(dāng)三態(tài)信號TS被置高時(shí)，此波形經(jīng)緩沖后從SO管腳輸出。以上即為調(diào)制過程，解調(diào)過程是相反的過程，模擬通信信號首先從其SI管腳進(jìn)入P300，然后由緩沖放大器放大，放大后的信號通過一個(gè)一位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D），轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便于對信號進(jìn)行數(shù)字信號處理①SP），對輸入信號的數(shù)字信號處理使用一個(gè)匹配相關(guān)濾波器以檢測擴(kuò)頻載波波形。然后載波監(jiān)測信息和媒介狀態(tài)信息從DSP部分傳輸?shù)紻LL的微處理器，以便于將分組解碼，協(xié)議功能和最終的分組傳輸?shù)街魈幚砥?。P300與電力線的接口由輸出濾波、放大電路和輸入濾波、放大電路及電力線耦合電路構(gòu)成。模擬信號是通過信號入位口和信號出（SO）管腳在P300與交流電力線之間進(jìn)行傳輸?shù)?。在發(fā)送模式下，擴(kuò)頻載波“chirps”從P300的SO管腳傳輸?shù)捷敵鰹V波器，然后輸入到輸出放大器，此放大器由P300的三態(tài)信號（TS）來決定其是否工作。一旦信號被放大，則輸出信號通過媒介耦合電路傳輸?shù)矫浇橹腥?。在接收模式下，模擬通訊信號通過外部媒介耦合電路傳輸?shù)捷斎霝V波器，此帶通濾波器可通過頻率為100KHz到400KHz的信號，經(jīng)放大后傳輸?shù)絇300的SI管腳。電力線耦合電路此電路主要是將信號由電力線接進(jìn)來。由于電力輸送工作在50Hz，相對于載波頻率來說是低頻率，故先將在信號進(jìn)來之前進(jìn)行高通濾波處理，然后通過12:12的線圈將信號耦合進(jìn)來。為防止瞬間過載對設(shè)備造成損害，在線圈的電力線一側(cè)增加防高壓元件，而在設(shè)備一側(cè)增加穩(wěn)壓電路。C1 TRt .12:12rYYYYYYY^EEEErYYYYYYY^EEEEW2 -+10V 圖4-3電力線耦合電路變壓器T1為100KHz?400KHz的擴(kuò)頻載波信號提供了一個(gè)線性的傳輸功能；電容C1限制了變壓器電流以免變壓器鐵心的飽和；電阻R1在設(shè)備與電力線斷接

以后可對C1進(jìn)行放電，因而減輕了C1中存儲的高壓而帶來的對設(shè)備的損壞和破壞；穩(wěn)壓二級管W1和W2可用來鉗制加在SSCP300模擬支持電路上的電壓；而金屬氧化壓敏電阻M1則可以在電力線瞬間高壓下提供保護(hù)。輸入濾波電路輸入濾波電路是一前置帶通濾波器，主要是把載波信號從耦合電路進(jìn)來的較寬的信號中，按特定的帶寬范圍提取出來，送往后級電路處理。,01uF,'L2'''

120uH■■■-R2--fign目I「 ?■■■■1BQ■■160uH330OpF,01uF,'L2'''

120uH■■■-R2--fign目I「 ?■■■■1BQ■■160uH330OpF,'C5''||to-II-3300pF:C4...1ISOOpF..圖4-4輸入濾波電路輸入緩存和瞬間高壓保護(hù)電路經(jīng)過濾波后的輸入信號要經(jīng)由下圖中Q1、R4?R7組成的晶體管放大器進(jìn)行緩存。此放大器的信號增益為20dB,之所以定位這個(gè)值是因?yàn)樗梢蕴峁┓逡环逯禐?mV的靈敏電壓。而其它的增益值盡管可以提高接收的靈敏度，但同時(shí)降低了抗噪聲干擾的能力。圖中R3,R4兩個(gè)電阻為放大器設(shè)置了直流工作點(diǎn)，將SSCP300的SI管腳輸入的直流電壓設(shè)置為電源電壓的一半。二極管D3用來做溫度補(bǔ)償以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)。而二極管D1、D2將加在SSCP300SI管腳的信號鉗制在電源提供的電壓范圍內(nèi)，這也為SSCP300提供了額外的瞬間高壓保護(hù)。圖4-5輸入緩存和瞬間高壓保護(hù)電路圖4-5輸入緩存和瞬間高壓保護(hù)電路輸出電路這部分電路主要是把要發(fā)送的信號進(jìn)行功率放大，并在三態(tài)開關(guān)打開期間，通過高壓耦合電路耦合到電力線上。在發(fā)送模式下，P300內(nèi)部產(chǎn)生的“chirps”波形的信號輸出到SO管腳，在進(jìn)行功率放大之前先對信號進(jìn)行預(yù)濾波。圖4-6圖4-6輸出電路SSCP111功率放大電路成功發(fā)送的距離取決于功率放大器的驅(qū)動能力、電力線特性和接收機(jī)的靈敏度。由于電力線特性無法控制，而要提高接收機(jī)的靈敏度代價(jià)又很高，因此通常都是靠提高發(fā)送功率來完成的。故我們采用了Intellon公司的P111專用芯片把要發(fā)送到電力線上的SSC信號進(jìn)行放大。P111電力線媒介接口芯片為電力線的收發(fā)器提供了輸出功率放大器和輸出三態(tài)開關(guān)的功能。其中，輸出功率放大器滿足EIA-600CEBus標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于輸出到普通阻抗和低阻抗電力線時(shí)所指定的電壓值，而且它還提供了過溫保護(hù)裝置以提高系統(tǒng)的可靠性。J：C12HF

niif_2I-.VDDBIASVDDTXOVDDIPOvssNCvssNCNCgT(lCEXTTSR13J：C12HF

niif_2I-.VDDBIASVDDTXOVDDIPOvssNCvssNCNCgT(lCEXTTSR133k |_4C14C13iurrmD5圖4-7SSCP111功率放大電路SSCP300其它接口電路(1)時(shí)鐘接口SSCP300的晶振輸出管腳(XOUT)和晶振輸入管腳(XIN)將片上振蕩器與外部12MHz的晶振相連。另外，還需要一個(gè)1M歐姆的電阻(R17)與晶振并聯(lián)，以及晶振兩端與地之間各一個(gè)30pF的電容。圖4-8時(shí)鐘接口電路(2)電源整個(gè)電路需要兩個(gè)外部電源。一個(gè)+5V直流電源，其標(biāo)準(zhǔn)電流為30mA，用于SSCP300；另外一個(gè)+10V直流電源VAA，其標(biāo)準(zhǔn)電流為250mA，用于外部放大器。雖然外部放大器的電壓需要直流11V，但是一般使用9V或10V直流電源。SSCP300的數(shù)字(VDDD)和(VDDA)電源必須進(jìn)行隔離，使得信號從芯片的數(shù)字部分傳輸?shù)侥M部分時(shí)，將噪聲的漏值降到最小。上圖中由R19、C19組成的濾波器可將SSCP300的模擬電源(+5VA)隔離，由R18、C17組成的濾波器可將SSCP300的數(shù)字電源(+5VD)隔離。而晶體管緩存電路Q1為了使SSCP300信號輸入腳的噪聲耦合降到最小，也由+5V提供電源。GSM模塊GSM無線調(diào)制解調(diào)模塊是傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器與GSM無線移動通信系統(tǒng)相結(jié)合的一種終端設(shè)備。GSM模塊提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07規(guī)范。GSM07.07中定義的ATCommand接口提供了一種移動臺(MS)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間的通用接口。GSM07.05對短消息作了詳細(xì)的規(guī)定。在模塊接收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短消息時(shí)，能夠通過串口發(fā)送指示信息，同時(shí)數(shù)據(jù)終端設(shè)備也可以向模塊發(fā)送各種命令。在這里選用西門子的TC35無線調(diào)制解調(diào)模塊，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。天線插口FhshROM￡天線插口FhshROM￡圖4-9TC35模塊功能結(jié)構(gòu)框圖從功能上看主要由四部分組成：GSM基帶處理器、GSM射頻部分、電源ASIC(Applicationspecificintegratedcircuit)和FlashROM。GSM基帶處理器是整個(gè)模塊的核心，它由一個(gè)C166CPU和一個(gè)DSP處理器內(nèi)核組成，控制著模塊內(nèi)各種信號的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過程。GSM射頻部分是個(gè)單片收發(fā)器，它由一個(gè)外差式接收器、一個(gè)上變頻調(diào)制環(huán)路發(fā)送器、一個(gè)射頻鎖相環(huán)路和一個(gè)全集成中頻合成器這四個(gè)功能塊組成，共同完成對射頻信號的接收和發(fā)送等處理。GSM模塊電流變化非常大，空閑時(shí)電流小于3mA，而在通話期間電流最大可達(dá)2A，這就對供電電路提出了較高的要求。模塊電源ASIC部分使用線性電壓調(diào)節(jié)器把外部輸入的電源電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理后供GSM基帶處理器和GSM射頻部分使用，此外它還輸出一個(gè)2.9V/70mA的電源供模塊外的其他電路使用。GSM射頻部分的功率放大器對電源要求不高，所以可直接使用外部的輸入電壓。FlashROM用來存儲一些用戶配置信息、電話本和其他信息。TC35接口電路如下圖所示，構(gòu)成了一個(gè)基本的應(yīng)用電路。只需利用數(shù)據(jù)接口的TXD和RXD管腳對TC35進(jìn)行控制，就可完成短消息方式的數(shù)據(jù)傳輸。

圖4-10TC35接口電路由于TC35模塊輸入輸出信號的TTL正邏輯電平最高是+2.9V,而不是+5V,這與MCU的CMOS標(biāo)準(zhǔn)電平不兼容，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換電路如下圖所示，采用7417集電極開路緩沖器，結(jié)合上拉電阻實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。R14TCi而輸出腳1c[ ；UK]R14TCi而輸出腳1c[ ；UK]MCU輸入腳1*圖4-11TC35數(shù)據(jù)輸出電平轉(zhuǎn)換電路 TC35數(shù)據(jù)輸入電平轉(zhuǎn)換電路TC35默認(rèn)的串行通信方式是8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位，波特率在1.2kbit/s到115kbit/s之間自動可調(diào)。值得注意的是TXD和RXD信號與單片機(jī)的連接為：TXD—TXD、RXD—RXD，因?yàn)門C35管腳定義是針對外部連線，對于TC35來說TXD是信號輸入腳，RXD是信號輸出腳。5通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案二通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)根據(jù)ZigBee2007的協(xié)議棧，ZigBee支持5級的深度，也就是6個(gè)層級，協(xié)調(diào)器為第一級，下一級可以是路由器或者終端，再下一級也可以是路由器或者終端，但是只有協(xié)調(diào)器或者路由器可以有子節(jié)點(diǎn)，終端沒有子節(jié)點(diǎn)，路由器還有父節(jié)點(diǎn)。從圖中我們可以看到，上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，通過COM口和通信模塊進(jìn)行通信，通信模塊位于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中，是ZigBee的協(xié)調(diào)器，控制著網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)，包括密鑰等等，它負(fù)責(zé)啟動和組建網(wǎng)絡(luò)。通信模塊下面可以有6個(gè)具有路由功能的ZigBee設(shè)備子設(shè)備，或者說是20個(gè)ZigBee設(shè)備（包括14個(gè)終端設(shè)備和6個(gè)路由設(shè)備）。在第二層級的每個(gè)路由模塊（測量節(jié)點(diǎn)）下面也可以連接6個(gè)路由設(shè)備（測量節(jié)點(diǎn)）或者14個(gè)終端設(shè)備（測量節(jié)點(diǎn)）。后面的第三層級、第四層級、第五層級、第六層級的設(shè)備都可以是路由模塊或者終端設(shè)備。這些設(shè)備是否具有測量功率的功能，需要根據(jù)實(shí)際情況來安裝。這些設(shè)備如果用于測量用戶的用電數(shù)據(jù)的同時(shí)，還需要進(jìn)行中繼功能的，我們需要在此用戶的家中安裝具有路由功能的測量節(jié)點(diǎn)，如果安裝在用戶家中單純用于測量用電數(shù)據(jù)的，那么我們只需要安裝一個(gè)終端測量節(jié)點(diǎn)。由于ZigBee工作在2.4GHz的頻段，波長比較短，傳輸距離和穿透能力都比較弱，所以在某些節(jié)點(diǎn)距離比較遠(yuǎn)的時(shí)候需要加入一些只有路由功能的ZigBee模塊。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行后是一個(gè)樹行結(jié)構(gòu)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備會在運(yùn)行后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，一定的路由算法，在將用電數(shù)據(jù)傳輸回通信模塊的時(shí)候會自動選擇最佳的路徑。也就是在某一時(shí)刻A設(shè)備將用戶的用電數(shù)據(jù)傳回通信模塊，需要經(jīng)過具有路由功能的B、C、D才傳回通信模塊，但是假如網(wǎng)絡(luò)中有些數(shù)據(jù)發(fā)生了改變，A設(shè)備的數(shù)據(jù)傳回通信模塊可能只經(jīng)過了B、C、FoZigBee數(shù)據(jù)交換的時(shí)候通過ZigBee信道雙向傳輸。測量節(jié)點(diǎn)就是由ZigBee芯片CC2530和STPM01功率測量模塊組成。通信模塊和只具有路由模塊的ZigBee設(shè)備主要是CC2530芯片。而我們只需要在應(yīng)用端口的設(shè)定時(shí)，對相應(yīng)的端口賦予不同的定義，則可以實(shí)現(xiàn)通信功能和路由功能的變換。?? 力幽eMHJ/配Beq黑山橫塊. …Z小市理 4*，瞠-工收山第山模塊?? 力幽eMHJ/配Beq黑山橫塊. …Z小市理 4*，瞠-工收山第山模塊工洲皿4叫叫J世工比Bit都由整規(guī)

前”節(jié)點(diǎn)-ZvB^flblO

需量節(jié)點(diǎn)為曲乩健湛禍LU立*創(chuàng)錦口酒霜上也而通川區(qū)小便...A蜀匕4H力建以酎加地■.正配Bee端山■模塊能量節(jié)點(diǎn)F1曲為追■■hZqB?E^-N熊量節(jié)點(diǎn)圖5-1通信系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)通信模塊結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)通信模塊需要和上位機(jī)通信，所以他應(yīng)該包括電平轉(zhuǎn)換芯片，同時(shí)他需要和其他網(wǎng)絡(luò)通信，所以它需要天線模塊，整個(gè)通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖其他網(wǎng)絡(luò)通信，所以它需要天線模塊，整個(gè)通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖5.2所示。圖5-2通信模塊結(jié)構(gòu)框圖CC2530通信模塊設(shè)計(jì)CC2530簡介CC2530是德州儀器公司推出主要用于Zigbee應(yīng)用的一款芯片。它不僅成本非常低，而且能建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530包含了的RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051CPU，8KBRAM，可編程閃存和多種其他強(qiáng)大的功能。CC2530根據(jù)閃存的大小劃分為四種不同的版本：CC2530F256/128/64/32,分別具有256/128/64/32KB的閃存。CC2530擁有不同的工作模式，使他也滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。工作模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短更確保了低能源消耗。模塊框圖如圖5.3所示，模塊大致分為三種類型：CPU和內(nèi)存相關(guān)的模塊；時(shí)鐘、外設(shè)和電源管理相關(guān)的模塊以及無線電相關(guān)的模塊。CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核。它有三個(gè)不同的存儲器訪問總線，一單周期訪問SFR、DATA和主SRAM。它還包括一個(gè)調(diào)試接口和一個(gè)18輸入的擴(kuò)展中斷。中斷控制器提供了18個(gè)中斷源，分為六個(gè)中斷組，每組與四個(gè)中斷優(yōu)先級相關(guān)。當(dāng)設(shè)備從空閑模式回到活動模式，也會發(fā)出一個(gè)中斷服務(wù)請求。一些中斷還可以從睡眠模式喚醒設(shè)備。內(nèi)存仲裁器位于系統(tǒng)中心，因?yàn)樗ㄟ^SFR總線，把CPU和DMA控制器和物理存儲器和所有外設(shè)連接在一起。內(nèi)存仲裁器有四個(gè)存取訪問點(diǎn)，訪問每一個(gè)可以映射到三個(gè)物理存儲器之一；8-KBSRAM映射到DATA存儲空間和XDATA存儲空間的一部分。8-KBSRAM是一個(gè)超低功耗的SRAM，當(dāng)數(shù)字部分掉電時(shí)能否保留自建的內(nèi)容，這對于超低功耗應(yīng)用時(shí)一個(gè)很要的功能。閃存塊為設(shè)備提供了內(nèi)電路可編程的非易失性程序存儲器，映射到CODE和XDATA存儲空間。除了保存程序代碼和常量，非易失性程序存儲器允許應(yīng)用程序保存必須保留的數(shù)據(jù)，這樣在設(shè)備重新啟動之后可以使用這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)內(nèi)核和外設(shè)由一個(gè)1.8V低差穩(wěn)壓器供電。另外CC2530包括一個(gè)電源管理功能，可以實(shí)現(xiàn)使用不同供電模式的長電池壽命的低功耗應(yīng)用運(yùn)行。CC2530包括了許多不同的外設(shè)，如IO控制器，定時(shí)器，SPI功能模塊等，允許應(yīng)用程序開發(fā)者開發(fā)先進(jìn)的應(yīng)用。晶振'網(wǎng)＞存儲器沖戰(zhàn)后1CPt<Fnr"；Pl0-P17輸入輸山牽涮奉>J2位A-1ADC￡ 內(nèi)核CSMA/C8.班迪_處理遇一示端據(jù)接口一＜射頹寄存器《電源管理控制器IQCi-TU晶振'網(wǎng)＞存儲器沖戰(zhàn)后1CPt<Fnr"；Pl0-P17輸入輸山牽涮奉>J2位A-1ADC￡ 內(nèi)核CSMA/C8.班迪_處理遇一示端據(jù)接口一＜射頹寄存器《電源管理控制器IQCi-TUrUSARTOCLSIM11C8也定時(shí)耨＜：,IF|解調(diào)和自劭增前控制器蠅軍合成器發(fā)送先進(jìn)先出和慘控制接收IEEESO2-1&.4M4「定/器圖5-3CC2530結(jié)構(gòu)框圖CC2530設(shè)備內(nèi)置了一個(gè)IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器，這就是RF內(nèi)核控制模擬無線模塊。同時(shí)，CC2530還為MCU和無線設(shè)備之間提供了一個(gè)接口，這樣就可以實(shí)現(xiàn)確定發(fā)出命令、讀取狀態(tài)、自動操作和確定無線設(shè)備時(shí)間的順序。無線設(shè)備還包括了一個(gè)數(shù)據(jù)包過濾和地址識別模塊。CC2530中的SPI模式分為4線接口或3線接口與外部系統(tǒng)通信。接口包含引腳MOSI、MISO、SCK和SS_N。當(dāng)寄存器寫入U(xiǎn)xBUF后，SPI主模式就開始傳送字節(jié)，SCK串行時(shí)鐘使用波特率發(fā)生器產(chǎn)生，發(fā)送寄存器提供將字節(jié)輸出到MOSI引腳。同時(shí)接收寄存器從輸入引腳 MISO收取字節(jié)。當(dāng)傳送開始UxCSR_ACTIVE位變高，而傳送結(jié)束后，