遠(yuǎn)程智能電表抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Preparedon22November2020Preparedon22November2020遠(yuǎn)程智能電表抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民用電量劇增。傳統(tǒng)的人工抄表收取電費(fèi)的方式，已不能滿足現(xiàn)代化管理的要求，實(shí)現(xiàn)多用戶能耗儀表的自動(dòng)抄表已經(jīng)成為可能，特別是建設(shè)部提出來(lái)的小康型住宅小區(qū)的規(guī)劃要求，并逐步實(shí)行能耗儀表出戶的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)量和收費(fèi)。本文針對(duì)目前居民小區(qū)的電能計(jì)量中實(shí)際存在的各種問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有成本低廉、計(jì)量準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定可靠和系統(tǒng)安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。本文對(duì)整個(gè)抄表系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的設(shè)計(jì)，著重對(duì)系統(tǒng)底層的能耗數(shù)據(jù)的采集和集中、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和通信方式等做了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)。在硬件上對(duì)CPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及其監(jiān)控電路、數(shù)據(jù)傳輸、通信標(biāo)準(zhǔn)、時(shí)鐘電路、串口擴(kuò)展、電能采集和顯示電路都做了詳細(xì)的論述。并且廣泛應(yīng)用的RS-485電氣接口的串行通訊技術(shù)作為通訊方式。在軟件上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、通信、顯示子程序、校驗(yàn)子程序等做了詳細(xì)的說(shuō)明。同時(shí)，本文還對(duì)系統(tǒng)中的干擾問(wèn)題進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，并在硬件和軟件上擔(dān)出了有效的抗干擾技術(shù)。該遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多用戶的電能信息的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄錄，能夠?qū)崿F(xiàn)住宅能耗計(jì)量的高質(zhì)量和高效率管理。關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程抄表；數(shù)據(jù)通信；AT89C51；RS-485AbstractWithsocialandeconomicdevelopmentelectricpowerisusedincreasingly,Traditionalchargeofelectricfarebymanuallaborcan’tsatisfythedemandformodernmanmanagement.Automaticmeterreadingsystem(AMRS)hasapossibilitytobeputintoreality.Especiallyforthewell-to-douptown,theConstructDepartmentofChinahasdemandedtorealizeautomaticmeterreading,measuringandchargingwithcomputer.Thisarticleaimsattheexistingproblems.Thus,Idesignedanautomaticmeterreadingsystemofcalorie.Thestrongpointofthissystemis:lowscost,precisemeasuring,stableworking,andeasytoinstallandmaintain.Thearticlegivesanall-rounddesignofthissystem.Itexpatiatesondetaildesignsofdatacapturingandcollecting,datacommunicationnetworkandmode.Inthisthesis,aboutthehardware,aparticularexplanationofthechoiceofCPU、inspectcircuit、datamemoryetcweregiven.AnditusesasynchronousserialcommunicationtechnologybasedonRS-485electricinterfaceascommunicationmeans.Thesoftware,wegivetheprogramofimpulsecollection、communication、displayandsoon.Atthesametime,thenoisequestionsexistingintheanalyzedandtheeffectiveanti-noisemethodsonhardwareandosoftwarearepresented.ThisLong-distancemeterreadingsystemrealizesthemulti-userpowerinformationremoteautomatictranscribing,canrealizeresidentialenergyconsumptionofhighqualityandhighefficiencymetrologymanagement.Keyword:Remotemeterreading;Data-communication;AT89C51;RS-485目錄=1\*ROMANITOC\o"1-3"\f\h\u0357920122323425131323453638393940404041414141412223456第1章緒論本文的研究課題是電表自動(dòng)抄表系統(tǒng)，本章主要說(shuō)明課題設(shè)計(jì)的背景和實(shí)際意義，介紹了在抄表領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)，提出所要進(jìn)行的設(shè)計(jì)內(nèi)容和任務(wù)，同時(shí)對(duì)全文的章節(jié)架構(gòu)進(jìn)行闡述。課題的提出和意義隨著人民生活水平的提高和住宅商品化的發(fā)展，居民住宅的質(zhì)量和檔次越來(lái)越高，住房對(duì)住宅環(huán)境、物業(yè)管理水平的要求也日益提高。這樣使得傳統(tǒng)的抄表收費(fèi)方式存在的弊病越來(lái)越突出，抄表收費(fèi)難也成為各部門管理上的問(wèn)題，其原因主要有以下幾點(diǎn)：1.入戶抄表難度加大。由于居民生活水平的提高、家庭財(cái)產(chǎn)價(jià)值及用戶逐漸開(kāi)始重視私隱權(quán)等方面的原因，用戶不希望被別人打擾。同時(shí)入戶抄表只能在早晚居民休息的時(shí)間里進(jìn)行，抄表人員實(shí)際可利用的時(shí)間變短。因而使得電費(fèi)、水費(fèi)、暖氣費(fèi)、煤氣費(fèi)的漏抄、欠收、漏收嚴(yán)重，實(shí)際收費(fèi)往往遠(yuǎn)低于統(tǒng)計(jì)值，費(fèi)用流失嚴(yán)重。2.各管理部門負(fù)擔(dān)較重。抄表率低、周期長(zhǎng)、資金回收速度慢，嚴(yán)重影響了這些部門的經(jīng)濟(jì)效益。3.管理費(fèi)用開(kāi)支過(guò)高。隨著城市的發(fā)展，用戶會(huì)越來(lái)越多，相伴著手動(dòng)抄表的管理人員和操作人員也要相應(yīng)的增多，這勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重制約著相關(guān)企事業(yè)單位的發(fā)展。4.抄表工作和勞動(dòng)強(qiáng)度加大。抄表操作人員的工作條件差、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而現(xiàn)行的抄表收費(fèi)大多是人工抄表、人工收費(fèi)、手工結(jié)算，這難以適應(yīng)企業(yè)管理信息化的形式要求。正是由于上述種種原因，建設(shè)部提出了建設(shè)小康型住宅小區(qū)的規(guī)劃要求，明確提出了要對(duì)新建和必?cái)U(kuò)建的住宅小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，逐步實(shí)行水、電、氣三表出戶的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)量和收費(fèi)。隨著居民住宅小區(qū)的物業(yè)管理水平的不斷提高，目前在不少住宅小區(qū)，各能耗的計(jì)量問(wèn)題也已經(jīng)由以前的各部門管理逐步改為由生活小區(qū)物業(yè)管理部門統(tǒng)一管理?，F(xiàn)代物業(yè)管理要求不斷向規(guī)范化、自動(dòng)化和科學(xué)化的進(jìn)程邁進(jìn)，多表聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)將越來(lái)越受到用戶和市場(chǎng)的認(rèn)可，市場(chǎng)全景十分廣闊。因此，多用戶電表聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的研究生就顯得十分迫切。國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r近年來(lái)，智能抄表技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)運(yùn)而生，國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家正在大力發(fā)展開(kāi)發(fā)電能智能抄表系統(tǒng)的研制工作。在國(guó)外，如美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已把智能抄表系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于配電管理之中了。以色列尤尼克（Unique）技術(shù)公司開(kāi)發(fā)了collector集中抄表系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的電網(wǎng)和電表，以電力線作為信息傳遞媒介，建立數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)，通過(guò)線載波技術(shù)將信息遠(yuǎn)距離傳送。而由英國(guó)自動(dòng)化儀表公司本部策劃，組織杭州沃制電力有限公司研制的IC系列電表，可按用戶需要靖上通迅接口，利用RS—485接口，零電壓脈沖繼電器輸出或4~20MA線性進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。德D—Tech公司則此專門開(kāi)發(fā)了SMI專用模塊，用于電子式電能表的數(shù)據(jù)采集，以400脈沖/度或800脈沖/度向外輸出數(shù)據(jù)[1]。在國(guó)內(nèi)，雖然我國(guó)對(duì)智能抄表技術(shù)的研究起步較晚，但是發(fā)展速度很快。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)智能抄表的廠家超過(guò)150家。通過(guò)電力工業(yè)部電力設(shè)備及儀表檢測(cè)中心檢測(cè)的廠家接近100家，受理的專利超過(guò)165項(xiàng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，安裝的智能抄表用戶超過(guò)250萬(wàn)戶抄表技術(shù)多樣公：總線、載波、紅外、工頻、超窄帶（UNB）。抄表方式多樣化：?jiǎn)伪?、多表。系統(tǒng)功能逐步完善，除抄表外，還具有線損統(tǒng)計(jì)、用電考核、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)收費(fèi)并與銀行聯(lián)網(wǎng)等。課題可行性論證結(jié)論本課題針對(duì)目前居民小區(qū)能耗計(jì)量實(shí)際現(xiàn)狀，以及能耗計(jì)量的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和網(wǎng)等問(wèn)題而設(shè)計(jì)的電表聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要運(yùn)用廉價(jià)的單片機(jī)作為CPU分站。對(duì)小區(qū)用戶的電量等能耗信息進(jìn)行采集。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，與上位微機(jī)一起構(gòu)成典型的分布工測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)總線通信標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳輸距離和波特率的限制，兼顧了系統(tǒng)的帶載能力，同時(shí)也為提高遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的可靠性，在各種遠(yuǎn)傳基表與上位微機(jī)之間，系統(tǒng)采用了兩級(jí)采集器的結(jié)構(gòu)形式。其中，二級(jí)采集器由于采集遠(yuǎn)傳基表的能耗信息而被稱之為采集器。一級(jí)采集器因主要負(fù)責(zé)集中數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)、并上傳至上位微機(jī)中而被稱之為數(shù)據(jù)集中器。上位微機(jī)與集中器、采集器之間可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集器通過(guò)屏蔽雙絞線采集電表發(fā)出的能耗信息，并進(jìn)行換算和存儲(chǔ)，采集器對(duì)電量的采集可直接通過(guò)DF型多用戶電能表上的接口接受用戶的電量信息。如此，構(gòu)成了兩級(jí)分布工測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)便于管理，管理人員可以通過(guò)上位微機(jī)的操作界面實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶電表能耗的遠(yuǎn)程抄取，還可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，也可以通過(guò)專用的紅外抄表器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作、彌補(bǔ)自動(dòng)抄表不便時(shí)的不足，此外系統(tǒng)還具有以下特點(diǎn)：硬件簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且功能強(qiáng)大；可移植性較強(qiáng)，稍做改造即可變成多用戶多表聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)；系統(tǒng)成本相對(duì)其他應(yīng)用系統(tǒng)不高，能夠被市場(chǎng)和用戶接受，市場(chǎng)前景廣大；系統(tǒng)的安裝和維護(hù)方便、工作穩(wěn)定性較好；系統(tǒng)選用符合國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)傳基表，系統(tǒng)計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性符合或略高于國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化；系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)、通用性較好，便于實(shí)現(xiàn)技術(shù)的推廣和應(yīng)用等。本文所完成的主要工作針對(duì)目前電表聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，結(jié)合本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)和技術(shù)要求[2]，本文主要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1.完成遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，達(dá)到如下功能或性能：（1）能耗抄取：數(shù)據(jù)采集器正確采集電量信息，存儲(chǔ)在采集器中；自動(dòng)定時(shí)地對(duì)DF電表進(jìn)行抄表，將抄得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在集中器中；能通過(guò)紅外抄表器抄取集中器中的能耗數(shù)據(jù)；集中器自動(dòng)定時(shí)地對(duì)采集器進(jìn)行抄表，將抄表的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在集中器中；上位機(jī)可以遠(yuǎn)程獲取用戶的各類能耗信息。（2）參數(shù)設(shè)置：上位機(jī)可對(duì)集中器、采集器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可對(duì)用戶的電量進(jìn)行設(shè)置，并可以根據(jù)電表信息對(duì)采集器進(jìn)行設(shè)定。2.完成各部件和上位微機(jī)的軟件設(shè)計(jì)：（1）對(duì)采集器和集中器中各硬件進(jìn)行程設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)主流程及各子程序的編寫；各個(gè)硬件的驅(qū)動(dòng)及初始化。（2）上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)：采用客戶機(jī)/服務(wù)器的客戶服務(wù)形式對(duì)上位機(jī)進(jìn)行軟件編程。本章總結(jié)本章提出了本文的設(shè)計(jì)課題，介紹了與課題相關(guān)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，明確了總線制抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，并且提出了設(shè)計(jì)所要解決的主要問(wèn)題和相應(yīng)的初步設(shè)想。第2章抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成自動(dòng)抄表系統(tǒng)是一個(gè)完整的通訊檢測(cè)控制體系，最上層是計(jì)算機(jī)管理層。這層由各種工作站、庫(kù)服務(wù)器等計(jì)算機(jī)設(shè)備組成，其中配備管理軟件，實(shí)現(xiàn)如讀取數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)用電情況等功能。每個(gè)臺(tái)區(qū)里要有一個(gè)中間的轉(zhuǎn)發(fā)層，這里稱之為“集中器”。集中器每個(gè)臺(tái)區(qū)至少配備一臺(tái)，負(fù)責(zé)向上與管理層和向下與采集層的通信聯(lián)結(jié)，主要起通訊和暫存數(shù)據(jù)的作用。向下的通訊使用總線技術(shù)；向上的通訊除了使用總線技術(shù)外，還有一些如紅外、無(wú)線等輔助性的通信手段。最底層是電表層，由各種電度表組成，主要完成能耗計(jì)量。實(shí)際的系統(tǒng)中，處于對(duì)成本的考慮和實(shí)際使用情況，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還有一些其他的變化。目前的城市民居樓宇中，有很多為了便于人工抄表和安裝維修，電度表采取了集中安裝的方法，把一個(gè)單元的十幾戶的用戶表安裝于同一個(gè)大表箱中。所以針對(duì)這種情況，產(chǎn)生了若不種衍生方案，這些方案都是只在最下層作了擴(kuò)展。[3][4][5]通信標(biāo)準(zhǔn)的選擇本系統(tǒng)的一個(gè)重要的問(wèn)題就是通信問(wèn)題。要根據(jù)系統(tǒng)的通信距離來(lái)選擇合適的通信標(biāo)準(zhǔn)。如果通信距離要求太高的話，可以采用電話線公網(wǎng)或者無(wú)線GPS等方式來(lái)進(jìn)行通信。在通信方式中，大多數(shù)采用串行通信方式。這里先對(duì)常見(jiàn)的串行總線標(biāo)準(zhǔn)作一個(gè)比較。常用的總線標(biāo)準(zhǔn)有RS-232、RS-422和RS-485等等[6]，RS-232是異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的一種標(biāo)準(zhǔn)總線，其單向數(shù)據(jù)傳輸最大速率為了20Kbps，最大傳送距離為15m，顯然這種總線標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)法滿足本系統(tǒng)的技術(shù)要求的，且其數(shù)據(jù)傳輸速率較慢，易產(chǎn)生干擾。RS-422傳輸距離較遠(yuǎn)，最短為12m，數(shù)據(jù)傳輸最大速率為10Mbps；當(dāng)速率為1Mbps時(shí)，傳輸距離可達(dá)120m；當(dāng)速率為100Kbps時(shí)，傳輸距離可達(dá)1200m；RS-422抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率快，且為全雙工的。我們知道，RS-232和RS-422有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即RS-232接口與RS-422接口通常吸用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)中，若系統(tǒng)中需要相互通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)兩個(gè)時(shí)，他們都無(wú)法直接滿足要求。因此，EIA制定了新的接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485，它能支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)與RS-422完全一樣，只是RS-485工作于半雙工方式。RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線是一種平衡傳輸方式的串行口接口標(biāo)準(zhǔn)，它允許在電路中有多個(gè)發(fā)送器，且允許一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器的組合單元。RS-485的共線電路結(jié)構(gòu)是一對(duì)平衡傳輸?shù)膬啥硕寂渲媒K端電阻，其發(fā)送器、接收器、組合收發(fā)器可以掛在平衡傳輸線上任何位置，在數(shù)據(jù)傳輸中實(shí)現(xiàn)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器與接收器通用同一傳輸線的多點(diǎn)應(yīng)用。RS-485通信接口的信號(hào)傳輸是用兩根線之間的電壓差來(lái)表示邏輯“1”或“0”的，因?yàn)榘l(fā)送端僅需兩根傳送線，而接收端也只需要兩根傳送線，這樣，RS-485接收端與發(fā)送端公需兩根線就能完成信號(hào)傳輸。RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線的特點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)，在采用雙絞線，不用Modem的情況下，在100Kbps的傳輸速率時(shí)可傳送1200m，若速率為960Kbps時(shí)，可以傳送1500m，甚至更遠(yuǎn)。由于RS-485具有上述優(yōu)點(diǎn)，能夠支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，便于組網(wǎng)通信距離也能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；且電表聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，能耗的抄取也是不經(jīng)常發(fā)生的，一般情況下僅需要每月抄一次。所以本系統(tǒng)選擇了半雙工的RS-485的通信標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)總體方案確定在我們確定了通信標(biāo)準(zhǔn)之后，就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)了。既要充分考慮RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳輸距離和波特率的限制，又要兼顧到系統(tǒng)的帶載能力，來(lái)確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在基表與上層管理微機(jī)之間，采用了采集器、集中器兩級(jí)結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)的總體分布結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

上位微機(jī)與集中器之間可通過(guò)RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集器通過(guò)屏蔽雙絞線采集用戶各種遠(yuǎn)傳能耗基表的信息，并進(jìn)行換算和存儲(chǔ)；采集器對(duì)電量的采集可以直接通過(guò)DF型電能表上的RS-485接口接受用戶的電量信息，也可以通過(guò)采集器上的紅外接口，利用專用紅外抄表器對(duì)采集器進(jìn)行各種能耗信息的讀取等整個(gè)系統(tǒng)采用如此結(jié)構(gòu)主要有以下幾方面考慮：首先，成熟的技術(shù)保證了系統(tǒng)的順利實(shí)現(xiàn)。一方面，隨著目前遠(yuǎn)傳基表市場(chǎng)的日趨成熟和科學(xué)技術(shù)的不斷完善進(jìn)步，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已出現(xiàn)許多能夠生產(chǎn)符合國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)傳基表專業(yè)廠家。另一方面，傳輸網(wǎng)絡(luò)目前一般采用RS-485或LonWorks技術(shù)來(lái)構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，其技術(shù)本身也是完全成熟的，只要能正確的組網(wǎng)、進(jìn)行相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)并制定出完善的通信協(xié)議就能確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。其次，系統(tǒng)采用了RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)。由于RS-485接口可以在一個(gè)通道上進(jìn)行半雙工通信，所以，只需兩根經(jīng)便可實(shí)現(xiàn)雙向通信，極大的方便了構(gòu)成一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)之間的相互通信。因此可以用組建RS-485網(wǎng)的方式將系統(tǒng)中的采集器、集中器和上位微機(jī)等構(gòu)成有機(jī)統(tǒng)一的兩級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一方面，這便于系統(tǒng)的綜合布線和擴(kuò)充，也便于迅速發(fā)現(xiàn)和排除故障，同時(shí)，兩級(jí)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也更有利于用戶能耗數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)，大大提高系統(tǒng)的帶載能力；另一方面，兩級(jí)分布式測(cè)控系統(tǒng)還便于系統(tǒng)的靈活運(yùn)用和組合，更能滿足小區(qū)建設(shè)規(guī)模大中小的變化要求。且兩級(jí)分布式測(cè)控系統(tǒng)擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用能力同時(shí)也增加了管理者的管理能力，對(duì)系統(tǒng)推廣和應(yīng)用而言更趨于合理[7]。此外，上位微機(jī)的應(yīng)用可以更有效地對(duì)用戶各種能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析，可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查詢、數(shù)據(jù)通訊、賬單票據(jù)打印、報(bào)表生成以及便于系統(tǒng)維護(hù)等等功能；還可以方便地對(duì)數(shù)據(jù)采集器、集中器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀況監(jiān)控等，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。本章小結(jié)本章闡述了電表遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)的功能目標(biāo)和設(shè)計(jì)原則，提出遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，并分別闡述了遠(yuǎn)傳基表、采集器、集中器在系統(tǒng)中的位置、功能以及設(shè)計(jì)構(gòu)想。在分析各種通信方式后明確了使用RS-485通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方向。第3章抄表系統(tǒng)的模塊功能設(shè)計(jì)抄表系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)在了解國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的產(chǎn)品特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，為了使抄表器的功能更加完善，設(shè)計(jì)的抄表器具有計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理、電量及其狀態(tài)的顯示、與控制中心通訊等基本功能。整體結(jié)構(gòu)如圖所示。圖抄表系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的整體工作流程如下：1.脈沖采集計(jì)數(shù)模塊根據(jù)脈沖計(jì)算出電表的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于內(nèi)部的RAM中。根據(jù)時(shí)鐘模塊的時(shí)間設(shè)定，定時(shí)向脈沖計(jì)數(shù)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令，收集其電表中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定好的程序，存儲(chǔ)于外部的RAM中，等待上位機(jī)的查詢，并把沒(méi)有反應(yīng)過(guò)來(lái)的終端的號(hào)碼記錄下來(lái)，上傳給上位機(jī)。3.上位機(jī)操作中，有定時(shí)抄送和隨時(shí)抄送兩種模式；定時(shí)抄送，即上位機(jī)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間，查詢各脈沖采集計(jì)數(shù)模塊中的數(shù)據(jù)；隨時(shí)抄送，指在某種特殊情況下，需要單獨(dú)的對(duì)某一用戶進(jìn)行復(fù)查等。在兩種模式下，對(duì)沒(méi)有反應(yīng)的終端做備份，并警告等。抄表系統(tǒng)的各功能模塊設(shè)計(jì)這是整個(gè)抄表部分的核心部分，由圖可知，主要由CPU（MCU）、時(shí)鐘模塊、電能采集和計(jì)數(shù)模塊、顯示模塊、串口擴(kuò)展模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)控模塊等組成。每一個(gè)部分的正確選擇與設(shè)計(jì)、及電路的連接對(duì)該系統(tǒng)的硬件電路而言是十分重要的。CPU的選型是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它直接影響系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)中選用的是AT89C51單片機(jī)[8]，現(xiàn)對(duì)其功能引腳，電路特征作一個(gè)詳細(xì)的介紹?！襞cMCS-51系列的單片機(jī)相容；◆片內(nèi)集成4KrFLASH存儲(chǔ)器，可反復(fù)編程/擦除1000次；◆全靜態(tài)設(shè)計(jì)，時(shí)鐘頻率范圍為0～24MHz；◆32條可編程的I/O口線；◆128×8字節(jié)的內(nèi)部的RAM；◆芯片有2個(gè)十六位計(jì)數(shù)器（計(jì)時(shí)器）；◆共有5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；◆可編程串口通道；◆具有4種工作模式的全雙工串行口；◆低功耗的待機(jī)工作模式和掉電工作模式；◆片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；AT89C51是一種性價(jià)比高，功能先進(jìn)的8位微處理器，在許多的嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是內(nèi)部4K字節(jié)的EPROM為使用者提供了很大的方便，當(dāng)應(yīng)用程序較小時(shí)，不用為CPU添加外擴(kuò)的ROM。空閑工作模式和掉電保護(hù)模式可以保證CPU工作在低功耗的狀態(tài)下，內(nèi)部的RAM的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。芯片主要引腳介紹[9][10]圖AT89C51外形引腳（1）VCC：AT89C51電源正極輸入，接＋５V電壓；（2）GND：電源接地端；（3）XTAL1：接外部晶振的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大鏡輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩時(shí)，該引腳應(yīng)接地；（4）XTALI2：接外部晶振的一個(gè)引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反向放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，則此引腳接外部振蕩信號(hào)的輸入；（5）RST：AT89C51的復(fù)位信號(hào)輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對(duì)芯片復(fù)位時(shí)，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間，AT89C51便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項(xiàng)工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)部均被設(shè)為已知狀態(tài)；（6）ALE/PROG:ALE是英文“ADDRESSLATCHENABLE”的縮寫，表示地址鎖存允許信號(hào)。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地址字節(jié)。在FLASH編程器件，此引腳用于輸入編程脈沖。在低電平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/16.因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0.此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX、MOVC指令時(shí)才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。（7）EA/Vpp.：該引腳為低電平時(shí)，則讀取外部的程序代碼（存于外部EPROM）來(lái)執(zhí)行程序，在8051中，EA引腳必須接低電平，因?yàn)槠鋬?nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)空間。如果是使用AT89C51的其他內(nèi)部有程序空間的單片機(jī)時(shí)，此引腳接成高電平使程序運(yùn)行時(shí)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，當(dāng)程序指針PC值超過(guò)片內(nèi)程序存儲(chǔ)地址時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向內(nèi)部程序存儲(chǔ)器繼續(xù)運(yùn)行。此外，在程序代碼燒錄至89C51內(nèi)部EPROM、89C51內(nèi)部FLASH時(shí)，可以利用此引腳來(lái)輸入提供編程電壓（AT89C51為12V）；（8）PSEN：此為“ProgramStoreEnable”的縮寫。訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器讀取指令碼時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生二次PSEN信號(hào)，在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令時(shí)，不產(chǎn)生PSEN信號(hào)，在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)，亦不產(chǎn)生PSEN信號(hào)；（9）P0、P1、P2、P3口P0口（～）是一個(gè)8位漏極開(kāi)路雙向I/O端口，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)，它是地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴(kuò)展而單片機(jī)應(yīng)用時(shí)，則作為一般的雙向I/O口用。P0口每一個(gè)引腳可以帶8個(gè)TTL門電流；P1口（～）是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口（準(zhǔn)雙向并行I/O口），其輸出可以帶4個(gè)TTL門電流。僅供用戶作為輸入輸出用的端口；P2口（～）是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口（準(zhǔn)雙向并行I/O口），當(dāng)訪問(wèn)外部程序控制器時(shí)，它是高8位地址。外部不擴(kuò)展而單片機(jī)應(yīng)用時(shí)，則作為一般的雙向I/O口用。每一個(gè)引腳可以推動(dòng)8個(gè)TTL門電流；P3口（～）是具有內(nèi)部提升電路的雙向I/O端口（準(zhǔn)雙向并行I/O口），它還提供特殊功能，包括串行通信、外部終端控制、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或定入控制等功能，其特殊功能引腳分配如下：RXD串行通信輸入TXD串行通信輸出INTO外部中斷0輸入，低電平有效；INTO外部中斷1輸入，低電平有效；T0計(jì)數(shù)器0外部事件計(jì)數(shù)輸入端；T1計(jì)數(shù)器1外部事件計(jì)數(shù)輸入端；WR外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫選通，低電平有效；RD外部隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀選通，低電平有效；外圍存儲(chǔ)及其監(jiān)控電路模塊X5045是一種性能較高的可編程看門狗芯片，屬于片外看門狗芯片，不但有看門狗電路，而且還有存儲(chǔ)器，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，可以直接進(jìn)行復(fù)位。它集中了三種功能：看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控、和EPROM組合在單個(gè)封裝內(nèi)。X5045具有簡(jiǎn)單的三線總線工作的串行外設(shè)接口（SPI）和軟件協(xié)議[11]。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖所示，八引腳封裝。圖X5045芯片引腳該芯片內(nèi)控串行EEPROM是具有Xicor公司的塊鎖保護(hù)CMOS串行EEPROM，它被組成8位結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)四線結(jié)構(gòu)的SPI總線方式進(jìn)行操作，其擦寫周期至少有100萬(wàn)次，并且寫好的數(shù)據(jù)能保存100年。1.特性◆可選時(shí)間的看門狗定時(shí)器；◆Vcc的降壓檢測(cè)和復(fù)位檢測(cè)；◆五種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)始復(fù)位電壓；◆使用特定的編程順序即可對(duì)低壓電壓檢測(cè)和復(fù)位開(kāi)始電壓進(jìn)行編程；◆復(fù)位電壓可以低至Vcc=1V；◆省電特性：在看門狗打開(kāi)時(shí)，電流小于50uA；在看門狗關(guān)閉時(shí)，電流小于10uA；在讀操作時(shí)候，電流小于2mA；◆具有數(shù)據(jù)的塊保護(hù)功能，可以保護(hù)1/4,1/2全部的EEPROM，當(dāng)然也可以設(shè)置不保護(hù)狀態(tài)；用指令允許寫操作寫保護(hù)引腳；時(shí)鐘可達(dá)；◆短的編程時(shí)間，16字節(jié)的頁(yè)寫模式，寫時(shí)器件內(nèi)部自動(dòng)完成，典型的器件寫周期5ms.圖X5045內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖2.功能及其引腳描述本器件將四種功能融為一體，上電復(fù)位控制，看門狗定時(shí)器，降壓管理以及具有模塊功能的串行EEPROM，有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少印制板的占用面積，提高可靠性。（1）CS/WDI：芯片選擇輸入，當(dāng)CS是高電平時(shí)，芯片未選中，并將SO置為高阻態(tài)，器件處于標(biāo)準(zhǔn)的功耗模式，除非一個(gè)向非易失單元寫的周期開(kāi)始，在CS是高電平時(shí)，將CS拉低使器件處于選擇狀態(tài)，器件將處于工作功耗狀態(tài)，在上電后任何操作之前，CS必須有一個(gè)高變低的過(guò)程?？撮T狗輸入，在看門狗定時(shí)器超時(shí)并產(chǎn)生復(fù)位之前，一個(gè)加載WDI引腳上的由高到低的電平的變換將復(fù)位看門狗定時(shí)器。（2）SO：串行輸出，SO是一個(gè)推／拉串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在讀數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)在SCK脈沖的下降沿由這個(gè)引腳送出。（3）WP：寫保護(hù)，當(dāng)WP引腳是低電平時(shí)，向X5045中的寫操作被禁止，但是其它的功能正常，當(dāng)引腳是高電平時(shí)，所有操作正常，包括寫操作，如果在CS是低的時(shí)候，WP變?yōu)榈碗娖剑瑒t會(huì)中斷向X5045中寫的操作，但是，如果此時(shí)內(nèi)部易失性周期已經(jīng)初始化了，WP變?yōu)榈碗娖讲黄鹱饔?。?）SI：串行輸入，SI是串行數(shù)據(jù)輸入端，指令碼、地址、數(shù)據(jù)都通過(guò)這個(gè)引腳進(jìn)行輸入，在SCK脈沖的上升沿時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，并且高位WSB在前。（5）SCK：串行時(shí)鐘，串行時(shí)鐘的上升沿時(shí)通過(guò)SI引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，下降沿通過(guò)SO引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。（6）RESET：復(fù)位輸出，RESET是一個(gè)開(kāi)漏型輸出引腳，只要Vcc下降到最小允許Vcc值，這個(gè)引腳就會(huì)輸出高電平，一直到Vcc上升超過(guò)最小允許值之后200ms，同時(shí)它也受到看門狗定時(shí)器控制，只要看門狗處于激活狀態(tài)，并且WDI引腳上電平保持為高或者為低超過(guò)了定時(shí)時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，CS引腳上的一個(gè)下降沿將會(huì)復(fù)位看門狗定時(shí)器，由于這是一個(gè)開(kāi)漏型的輸出引腳，所以在使用時(shí)候必須接上拉電阻。的電路連接如圖中的看門狗對(duì)系統(tǒng)提供保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障而超過(guò)設(shè)置時(shí)間時(shí)，電路中的看門狗將通過(guò)RESET信號(hào)向CPU作出反應(yīng)。它提供了三個(gè)時(shí)間值供選擇，它的具有的電壓監(jiān)控功能還可以保護(hù)系統(tǒng)免受低電壓的影響，當(dāng)電源電壓降到允許范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)復(fù)位，X5045存儲(chǔ)器與CPU可能通過(guò)串行通信方式接口，共有5K字位，來(lái)存儲(chǔ)抄表數(shù)據(jù)。圖X5045的電路連接如何保證WDT正常運(yùn)行也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，要針對(duì)WDT失效的原因，采取多種措施，防止失效，從而進(jìn)步提高系統(tǒng)的可靠性：（1）盡量減少干擾源的存在，并且降低不可去除干擾的影響，如電源電壓的波動(dòng)、尖峰、浪涌等，他們都是強(qiáng)度比較大的干擾源，要加強(qiáng)過(guò)濾與去除；（2）對(duì)本機(jī)任務(wù)進(jìn)行分流，合理的配置CPU的操作任務(wù)，能在上位機(jī)運(yùn)行的功能，一般應(yīng)放在上位機(jī)運(yùn)行，因?yàn)樯衔粰C(jī)的運(yùn)行環(huán)境良好，便于控制，從而減少本機(jī)出錯(cuò)的概率；（3）對(duì)地址指針、過(guò)程控制程序中判斷轉(zhuǎn)換的條件狀態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)備份，當(dāng)由于數(shù)據(jù)被改而使WDT失效時(shí)，可以從過(guò)備份RAM中恢復(fù)這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而也使得系統(tǒng)恢復(fù)。對(duì)沒(méi)有用到的EPROM和RAM區(qū)，一律寫在FFH或者OOH，當(dāng)CPU由于干擾“跑飛”到這些不用區(qū)域中時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生誤操作。采取以上措施，可以較好的提高WDT的穩(wěn)定性，有利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通常情況下，集中器都是安裝在小區(qū)某樓總出口處，對(duì)于城鄉(xiāng)用戶來(lái)說(shuō)，集中器一般都會(huì)選擇較為集中的地方，這個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)就是比較復(fù)雜[13]，因?yàn)檫@樣它的傳輸距離更大，往往達(dá)到千米以上，為此，我們選擇了RS-485的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)通信接口電路的主要性能參數(shù)見(jiàn)表表標(biāo)準(zhǔn)通信接口電路的主要性能參數(shù)RS-232RS-423ARS-422ARS-485操作方式單端單端差分差分最大線纜距離15m600m1200m1200m最大數(shù)據(jù)速率（bps)12m——300K10M10M120m——10k1M1M1200m——3K100K100K可連接臺(tái)數(shù)1臺(tái)驅(qū)動(dòng)器1臺(tái)接收器1臺(tái)驅(qū)動(dòng)器10臺(tái)驅(qū)動(dòng)器1臺(tái)驅(qū)動(dòng)器10臺(tái)接收器1臺(tái)驅(qū)動(dòng)器32臺(tái)接收器標(biāo)準(zhǔn)接口RS-485為半雙工，在某一時(shí)刻，一個(gè)發(fā)送另一個(gè)接收，用于多站互連時(shí)，可以節(jié)省信號(hào)線，便于數(shù)據(jù)的傳輸。RS-485是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，它擴(kuò)展了RS-422的性能，允許雙導(dǎo)線上1個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載設(shè)備，同時(shí)RS-485允許公用電話線網(wǎng)絡(luò)通信電路結(jié)構(gòu)在平衡連接兩端有終端電阻，在平衡電纜上掛發(fā)送器、接收器或者收發(fā)器。所以這里，我們考慮采用RS-485串行標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成采集模塊到上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。RS-485是一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，與TTL標(biāo)準(zhǔn)完全不同，單片機(jī)與RS-485之間必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以采用分立元件或集成電路專用芯片完成，本設(shè)計(jì)采用MAX485芯片。芯片MAX485芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的差分平衡性收發(fā)器芯片，集成片包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)收發(fā)器，適用于RS-485通信標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)引腳見(jiàn)圖①性能及特點(diǎn)：◆單+5V電源供電；◆低功耗，工作電流120～50uA，靜態(tài)電流只有300uA；◆驅(qū)動(dòng)器有過(guò)載保護(hù)功能；◆通信傳輸線上可掛32個(gè)收發(fā)器；◆共模輸入電壓范圍-7V～+12V；◆8引腳封裝，適用于半雙工通信；圖MAX485引腳②引腳描述：RO：接收器輸出端，若A端高于B端200mv以上，R0為高，否則R0為低。RE：接收器輸出使能端，若DE為高，驅(qū)動(dòng)輸出A和B有效，器件作線驅(qū)動(dòng)器用（發(fā)送）；若DE為低，它們呈高阻態(tài)，這時(shí)RE為低，器件作線接收器使用（接收）。DI：驅(qū)動(dòng)器輸入，DI為低將迫使輸出為低，若DI為高將迫使輸出為高。B：反相接收器輸入與反相驅(qū)動(dòng)器輸出。A：同相接收器輸入與同相驅(qū)動(dòng)器輸出。GND：接地Vcc：電源正極時(shí)間信息對(duì)于自動(dòng)抄表系統(tǒng)而言是不可或缺的。但將其放于何處則是一個(gè)值得爭(zhēng)議的問(wèn)題，其中的兩個(gè)障礙是無(wú)法回避的：一個(gè)是成本，一個(gè)是維護(hù)。所以在電表安裝時(shí)鐘和在集中器上安裝時(shí)鐘，我們選擇了后者。將時(shí)鐘放在集中器上既可以滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)間信息的基本要求，也不會(huì)給系統(tǒng)增加過(guò)多的負(fù)擔(dān)，當(dāng)需要進(jìn)行底度凍結(jié)時(shí)，集中器會(huì)發(fā)出廣播命令，連發(fā)數(shù)次后，再依次向各電表發(fā)送命令，這樣，所有電表收到命令的時(shí)間最長(zhǎng)也可以控制在幾分鐘之內(nèi)，可以滿足電力部門的要求，當(dāng)平時(shí)運(yùn)行抄送命令時(shí)，集中器會(huì)每抄送一塊電表就加上當(dāng)時(shí)的時(shí)間信息。將時(shí)鐘放于集中器上還有利于上位機(jī)對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行精確定時(shí)。1.芯片選擇本系統(tǒng)電路中的時(shí)鐘芯片選用的是DALLAS公司的DS1302。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對(duì)年、月、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償功能，時(shí)鐘還可以通過(guò)AM/PM來(lái)決定采用什么時(shí)制。DS1302與單片機(jī)之間能簡(jiǎn)單的采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅僅需要三個(gè)口線：RST、I/O、SCLK串行時(shí)鐘。芯片功能介紹◆實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有計(jì)算2100年之前的年、月、周、日、時(shí)、分、秒的能力，同時(shí)還有閏年的調(diào)整能力；◆31×8位暫存數(shù)據(jù)儲(chǔ)存RAM；◆串行I/O方式使得管腳數(shù)量最少；◆寬范圍工作電壓：～；◆工作電流：時(shí)，小于300uA；◆讀寫時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)，有兩種傳輸方式：?jiǎn)巫止?jié)傳送或者多字節(jié)傳送；◆8腳DIP封裝或可先8腳SOIC封裝；◆簡(jiǎn)單的3線接口，與TTL兼容（Vcc=5V）；◆可選擇的工作溫度范圍較廣：-40～+85攝氏度；引腳及其電路連接DS1302引腳及其電路連接圖分別見(jiàn)圖及圖◆X1、X2接標(biāo)準(zhǔn)的的晶振引腳；◆GND：接地端；◆SCLK：串行時(shí)鐘，RST復(fù)位引腳，I/O數(shù)據(jù)輸入輸出引腳；◆Vcc1、Vcc2：電源供電管引腳；圖DS1302引腳圖圖DS1302電路連接圖在采集模塊和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備之間有一個(gè)中間設(shè)備，讓它具有承上啟下的功能，一是接受采集模塊的數(shù)據(jù)，另外把從采集模塊中的數(shù)據(jù)接收后發(fā)送上傳到網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，從而讓網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的上網(wǎng)發(fā)送。采集模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送都是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而AT89C51只有一個(gè)串口，為了不至于使接收和發(fā)送沖突，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的走向選擇，也叫做串口擴(kuò)展。SP2338串口擴(kuò)展芯片能將普通的51系列單片機(jī)的一個(gè)串口擴(kuò)展為三個(gè)獨(dú)立的全雙工串口，并且三個(gè)串口的波特率達(dá)到了采用通用的1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位。同時(shí)，該芯片在與單片機(jī)相連時(shí)接口也非常簡(jiǎn)單。SP2338共有四個(gè)串口，一個(gè)母串口，三個(gè)子串口，他們都是全雙工的串行通信口，允許同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。母串口與需要擴(kuò)展的51單片機(jī)的串口相連，子串口與其他串口設(shè)備相連，這樣就實(shí)現(xiàn)只有一個(gè)串口的單片機(jī)可與三個(gè)串口設(shè)備相連。SP2338有兩根發(fā)送地址線，兩根接收地址線，用以選擇發(fā)送串口和接收串口。其電路圖連接如圖所示：圖串口擴(kuò)展圖分別控制了兩個(gè)輸入輸出引腳，形成了兩個(gè)完整的回路，一個(gè)完整數(shù)據(jù)向MAX485和網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送，另外一個(gè)連接MAX485網(wǎng)絡(luò)和MCU內(nèi)核，完成采集模塊數(shù)據(jù)的上傳和PC機(jī)命令的下傳。1.當(dāng)單片機(jī)要向串行設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其工作過(guò)程是：(1)先向SP2338的串口地址線ADRI0、ADRI1送地址信號(hào)（ADRI0、ADRI1=00子串口0，ADRI0、ADRI1=01子串口1，ADRI0、ADRI1=10子串口2）；再向與自己相連的線串口的通信線上送數(shù)據(jù)；（2）SP2338的母串口收到單片機(jī)串口送來(lái)的數(shù)據(jù)后就根據(jù)ADRI0和ADRI1的狀態(tài)，把數(shù)據(jù)送往相應(yīng)的子串口；（3）該子串口再把數(shù)據(jù)送往相連的串口設(shè)備。2當(dāng)串口設(shè)備向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其工作過(guò)程是：（1）SP2338的某個(gè)子串口從串口設(shè)備接收到數(shù)據(jù)時(shí)，送給母串口；（2）SP2338的母串口把該數(shù)據(jù)再送給單片機(jī)串口，同時(shí)在ADRO0和ADRO1線上送出子串口的地址；（3）單片機(jī)根據(jù)SP2338接收地址線ADRO0、ADRO1上的信號(hào)判定由哪個(gè)設(shè)備發(fā)出的；1.功率計(jì)量部分實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓信號(hào)的采樣，產(chǎn)生功率脈沖功能。其核心是AD7755芯片，該芯片是專門用于功率測(cè)試和電能測(cè)量的專用集成電路，是目前電子式電度表的核心芯片之一。功率計(jì)量部分包括AD7755、分流器、分壓電流、基本電壓源、保護(hù)電路圖、光耦合器輸出電路。圖AD7755的內(nèi)部框圖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，在該芯片上集成了增益可選的放大器（PGA）、增益固定的放大器、16位二階模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、相伴校正電路、可選的高通濾波（HPF）、數(shù)字乘法器、低通濾波（LPF）、數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器（D/F）、電壓監(jiān)視器及的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)源。通過(guò)分流器、分壓電路分別對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采樣；電流通道和電壓通道的信號(hào)經(jīng)放大器放大后，通過(guò)AD7755內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器為兩路數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)乘法、低通濾波、數(shù)字頻率變換等電路的處理，AD7755輸出與瞬時(shí)功率成正比的脈沖，并將此脈沖送至微處理器MCU。是CF引腳可以提供脈沖常數(shù)為1600IMP/KWH（脈沖數(shù)/千瓦時(shí)），將此輸出脈沖用LED和光電耦合器隔離輸出，然后送入MCU的終端輸出引腳，由MCU控制計(jì)量功率脈沖。AD7755產(chǎn)生的輸出頻率與兩個(gè)電壓信號(hào)乘積的平均值成正比。AD7755通過(guò)計(jì)算通道1和通道2兩個(gè)輸出電壓的乘積，然后對(duì)乘積進(jìn)行低通濾波，獲取有功功率信息。再將這個(gè)有功功率進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換為頻率，以低電平有效的方式從F1和F2輸出。這個(gè)頻率是對(duì)有功功率信號(hào)經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間累積產(chǎn)生的，因此這個(gè)輸出頻率與平均有功功率成正比，有功功率放大器平均過(guò)程中隱含在數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換中完成的，加在AD7755上的輸出電壓值為U1和U2。F1和F2輸出的脈沖頻率F和輸出電壓信號(hào)的有效值U1和U2有一定的數(shù)量關(guān)系。F=（×U1×U2×G×F）/Uref式中；F為引腳F1和F2輸出的頻率（HZ）；U1為差動(dòng)輸入電壓的有效值（V）；U2為差動(dòng)輸出電壓的有產(chǎn)值（V）；G為1、2、8、16取決于PGA的增益，由G0和G1的邏輯輸入決定；Uref為基準(zhǔn)電壓（±%）（V）；F1-4由主時(shí)鐘CLKIN分頻獲得，分頻系數(shù)由S0和S1決定電路連接圖如圖所示圖AD7755電路連接圖是一種新型的串行接口的8位數(shù)字靜態(tài)顯示芯片。它是由武漢力源公司推出的24腳雙列直插式芯片，采用流行的同步串行外設(shè)接口(SPI)，可與任何一種單片機(jī)方便接口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED(或64只獨(dú)立LED)，本設(shè)計(jì)中，只要求顯示不同用戶的戶號(hào)以及用電量，戶號(hào)用2位整數(shù)表示，而電量用6位數(shù)表示，其中5位整數(shù)，1位小數(shù)，因此需要8個(gè)LED數(shù)碼顯示管119]。Ps7219內(nèi)部具有1sx8RAM功能控制寄存器，可方便選址，對(duì)每位數(shù)字可單獨(dú)控制、刷新，不需重寫整個(gè)顯示器。顯示數(shù)字亮度可由數(shù)字進(jìn)行控制，每位具有閃爍使能控制位。當(dāng)引腳CON(13腳)置高電平，可禁止所有顯示，達(dá)到降低功耗的效果，但同時(shí)并不影響對(duì)控制寄存器的修改。PS7219還有一個(gè)掉電模式、一個(gè)允許用戶從1位數(shù)顯示到8位數(shù)顯示選擇的掃描界限寄存器和一個(gè)強(qiáng)迫所有LED接通的測(cè)試模式。另外，PS7219A型內(nèi)置一個(gè)可靠的監(jiān)控電路，可為外部提供一個(gè)脈寬140ms，觸發(fā)門限典型值為的高電平復(fù)位信號(hào)。主要的功能引腳說(shuō)明RET：復(fù)位引腳；LOAD：裝載數(shù)據(jù)輸入，當(dāng)LOAD位高電平，串行輸入數(shù)據(jù)的最后16位被鎖定；DIN：串行數(shù)據(jù)輸入，在CLK的下降沿，數(shù)據(jù)被加載到內(nèi)部16位移位寄存器；CKL：時(shí)鐘輸入，最高頻率為500KHz。在CLK的下降沿，數(shù)據(jù)被移入到內(nèi)部移位寄存器，在時(shí)鐘下降沿，數(shù)據(jù)從DOUT輸出；DIGI-8：8位數(shù)字驅(qū)動(dòng)線它從顯示器吸入電流；GND:接地：CON：顯示控制器，低電平選通，高電平顯示無(wú)效：DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出，輸入到DIN的數(shù)據(jù)在個(gè)時(shí)鐘周期后DOUT有效；DSP,G-A:七驅(qū)動(dòng)器和小數(shù)點(diǎn)線，它供給顯示器電流；V+：電源電壓；圖PS7219引腳圖3.電路連接這里89C51的作為串行數(shù)據(jù)的輸出，連接到PS7219的D創(chuàng)腳，和通過(guò)程序分別模擬PS7219的時(shí)鐘脈沖CLK及其數(shù)據(jù)加載LOAD信號(hào)。PS7219的SA～SG、SDP端連接到各LED數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的a一f及dP端，DIG0～DIG8分別接8位LED數(shù)碼管共陰極，以實(shí)現(xiàn)位選，如圖所示。圖顯示電路連接圖工作原理DIN是串行數(shù)據(jù)的輸入端，在CLK上升沿，一位數(shù)據(jù)被加載到內(nèi)部16位寄存器中，CKL的最高時(shí)鐘頻率可達(dá)500KHz，在輸入時(shí)鐘信號(hào)的每上上升沿均有一位數(shù)據(jù)由DIN移入到內(nèi)部寄存器中LOAD來(lái)卸載數(shù)據(jù)，在LOAD上升沿，16位串行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)字或控制器中，LOAD必須在16個(gè)時(shí)鐘上升沿的同時(shí)或者之后，在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)之前變高，否則數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。本章小結(jié)在本章中詳細(xì)介紹了抄表系統(tǒng)的底層的硬件結(jié)構(gòu)，完成電能數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K設(shè)計(jì)，對(duì)其中各個(gè)部分的硬件設(shè)計(jì)都進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，這也是本設(shè)計(jì)中最基本的部分，在接下去的章節(jié)中，我們要對(duì)其硬件電路的軟件控制及其流程進(jìn)行詳細(xì)的論述。第4章抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件同樣重要。系統(tǒng)的硬件電路一旦確定以后，系統(tǒng)的主要功能還需要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果說(shuō)硬件是軀體，那么軟件則是靈魂；如果說(shuō)硬件決定了產(chǎn)品的造價(jià)，那么在硬件設(shè)計(jì)合理的前提下，軟件在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。因此，智能儀表的設(shè)計(jì)很大程度上可以說(shuō)是軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)使用的方便性和靈活性主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)上。對(duì)高可靠性要求的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就更是如此。軟件設(shè)計(jì)的基本原則為了滿足遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)以下基本原則進(jìn)行軟件的編制：1.易讀性和易維護(hù)性。這通常是指軟件系統(tǒng)容易被發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。由于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度越來(lái)越高，測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員很難在短時(shí)間內(nèi)就能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)理解得準(zhǔn)確無(wú)誤，軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試也不可能一揮而就，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)又要便于修改和完善。在軟件的設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)就是最好的設(shè)計(jì)方法之一，這種設(shè)計(jì)方法是由整體到局部，再由局部到細(xì)節(jié);先考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定整體目標(biāo)，然后把這個(gè)目標(biāo)逐步分解成一個(gè)個(gè)任務(wù)，任務(wù)又可以進(jìn)一步分解成若干個(gè)子任務(wù)，這樣逐層細(xì)分、逐個(gè)實(shí)現(xiàn)。在此過(guò)程中可能會(huì)有一些問(wèn)題逐步暴露，這就要求軟件易被修改，那么，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)就是最好的設(shè)計(jì)方法。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)就是采用上述模塊化設(shè)計(jì)方法。這樣，不但使得設(shè)計(jì)目標(biāo)明確、思路清晰，而且在檢錯(cuò)和系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)也較為方便。如果每個(gè)子程序都能單獨(dú)運(yùn)行，那么，像搭積木一樣，把他們聯(lián)合起來(lái)的時(shí)候，只要安排恰當(dāng)，一般來(lái)說(shuō)不會(huì)有太大的問(wèn)題。即使有問(wèn)題也可以根據(jù)問(wèn)題的種類和現(xiàn)象來(lái)進(jìn)一步判斷是哪一部分出了問(wèn)題，也為系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和移植提供了很大的方便。2.可測(cè)試性。系統(tǒng)軟件的可測(cè)試性有兩方面含義:其一是較容易制定出測(cè)試，并據(jù)此對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試;其二是軟件設(shè)計(jì)工作完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)過(guò)靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，證明準(zhǔn)確無(wú)誤后才可投入實(shí)際使用。3.準(zhǔn)確性。這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義，對(duì)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)而言就更具有實(shí)際意義，其結(jié)果的準(zhǔn)確程度直接關(guān)系到千家萬(wàn)戶的切身利益。因此，在算法選擇和位數(shù)選擇方面要滿足實(shí)際要求、運(yùn)算結(jié)構(gòu)要符合國(guó)家相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。4.實(shí)時(shí)性。它是檢測(cè)系統(tǒng)的普遍要求，即要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部時(shí)間的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。近年來(lái)，由于硬件高度集成化和速度的提高，配合相應(yīng)的軟件，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求較容易得到滿足，特別是對(duì)于使用匯編語(yǔ)言編制的軟件。5.可靠性。它是系統(tǒng)軟件最重要的指標(biāo)之一，該要求有兩層意義:第一是運(yùn)行參數(shù)環(huán)境改變時(shí)，軟件能可靠地運(yùn)行并給出正確的結(jié)果，即要求軟件具有自適應(yīng)性;第二是在環(huán)境惡劣、干擾嚴(yán)重的情況下，軟件必須保證系統(tǒng)也能可靠地運(yùn)行，這對(duì)系統(tǒng)的整體可靠運(yùn)行尤為重要。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)集中器主程序等待PC機(jī)發(fā)命令，當(dāng)PC機(jī)發(fā)“電表清零”命令時(shí)，集中器先把存儲(chǔ)器的電量清零，再向采集器轉(zhuǎn)發(fā)“電表清零”的命令，當(dāng)采集器終端接收到這個(gè)命令時(shí)，采集器同樣先把采集器中的存儲(chǔ)器電量清零，再向DF電表發(fā)“電表清零”命令，當(dāng)DF電表接收到“清零命令”后，它把所有的電量清零，然后向采集器發(fā)“電表清零應(yīng)答信號(hào)”，當(dāng)采集器接收到DF電表的“電表清零應(yīng)答信號(hào)”后，它就知道了電表清零命令己經(jīng)接收到且已經(jīng)完成，這時(shí)，采集器就可以向集中器應(yīng)答了，集中器接收到后，它再把應(yīng)答命令轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī)，PC機(jī)就知道“電表清零”命令己經(jīng)完成。其它命令的執(zhí)行路徑與上述命令的執(zhí)行路徑基本相似，不再贅述。在集中器中，一方面要接收PC發(fā)來(lái)的命令、進(jìn)行處理，或向存儲(chǔ)器讀取能耗、參數(shù)，或向存儲(chǔ)器寫入能耗、參數(shù)，另一方面還要根據(jù)情況把這個(gè)命令繼續(xù)向其下一級(jí)站點(diǎn)的采集器轉(zhuǎn)發(fā)，然后再等待接收采集器發(fā)來(lái)的應(yīng)答命令，當(dāng)采集器應(yīng)答成功時(shí)，集中器就可以向PC機(jī)發(fā)應(yīng)答命令了。在采集器中，采集器既要接收集中器轉(zhuǎn)發(fā)的命令、進(jìn)行處理，又要進(jìn)行能耗、參數(shù)的預(yù)置和抄取，進(jìn)行預(yù)置時(shí)要寫入存儲(chǔ)器，抄取時(shí)要讀取存儲(chǔ)器;又要與紅外抄表器進(jìn)行通信，進(jìn)行能耗、參數(shù)的預(yù)置和抄取；還向DF多用戶電能表發(fā)命令，需要打開(kāi)向電表發(fā)送命令的通信使能端，轉(zhuǎn)發(fā)命令、等待接收DF電表的應(yīng)答，如不需要進(jìn)一步向電能表發(fā)送命令時(shí)則要做處理成功的標(biāo)志，這時(shí)采集器就可以向上一級(jí)集中器應(yīng)答了。在整個(gè)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，集中器的主要作用是通信，它是采集器和上位微機(jī)PC之間進(jìn)行信息交換的橋梁和紐帶。因此，在集中器的主程序中串行中斷應(yīng)該打開(kāi)，使它處于接收PC機(jī)命令的狀態(tài)。另外，它還要用定時(shí)中斷方式來(lái)定時(shí)抄取采集器中儲(chǔ)存的能耗等信息，定時(shí)時(shí)間約半個(gè)小時(shí)，之所以將定時(shí)時(shí)間設(shè)定為半個(gè)小時(shí)，主要是基于以下考慮:這里可以簡(jiǎn)單地計(jì)算一下，假設(shè)用戶的月用電量為200度，平均每天7度、每小時(shí)不到度，對(duì)于一小時(shí)用戶的電能耗而言，其在采集器中儲(chǔ)存的對(duì)應(yīng)電能耗數(shù)據(jù)變化很小。而且如果定時(shí)時(shí)間過(guò)短，對(duì)儲(chǔ)存器的頻繁讀寫、對(duì)CPU的資源占用過(guò)多。所以，本文將定時(shí)時(shí)間設(shè)定為半個(gè)小時(shí)。在集中器主程序中，應(yīng)該處于等待接收狀態(tài)。當(dāng)PC機(jī)發(fā)命令時(shí)，集中器中斷接收。且當(dāng)接收PC機(jī)命令成功時(shí)，在中斷中置接收PC機(jī)成功標(biāo)志。在主程序中，當(dāng)檢測(cè)到這個(gè)標(biāo)志時(shí)，調(diào)用相應(yīng)子程序。這時(shí)主程序處于延時(shí)等待的狀態(tài)，當(dāng)處理成功之后，調(diào)用集中器向PC機(jī)應(yīng)答子程序;當(dāng)需要集中器進(jìn)一步將PC及其發(fā)來(lái)的命令向采集器轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，則調(diào)用集中器向采集器發(fā)命令子程序；當(dāng)延時(shí)時(shí)間到卻不成功的時(shí)候，就認(rèn)為此次向采集器發(fā)送不成功，則再次向采集器發(fā)送，如果發(fā)送再次失敗的話，則做故障處理。若成功，則調(diào)用向PC機(jī)應(yīng)答子程序。當(dāng)向PC機(jī)應(yīng)答完成后，又返回主程序等待接收PC機(jī)的命令。AT89C51的主程序大部分是調(diào)用相應(yīng)的子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)電能脈沖的采集，分時(shí)段顯示，通信功能的。它是整個(gè)電表的設(shè)計(jì)主線。上電復(fù)位后進(jìn)入主程序，除了初始化程序和上電電量數(shù)據(jù)清零程序外，其他部分是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的過(guò)程，電表的所有功能都在這個(gè)大的循環(huán)里面執(zhí)行，其整個(gè)程序流程如圖所示。圖整個(gè)抄表系統(tǒng)的主流程圖1.清零子程序的設(shè)計(jì)在整個(gè)抄表系統(tǒng)中，一開(kāi)始處于運(yùn)行的時(shí)候，為了避免誤操作而使得電表中保存的數(shù)據(jù)丟失，所以清零程序應(yīng)該在整個(gè)系統(tǒng)的波特率設(shè)置之后就該有效，即通電前按住清零鍵，液晶顯示清零并且開(kāi)始閃爍，之后松開(kāi)清零鍵，整個(gè)系統(tǒng)就開(kāi)始正常運(yùn)行。這個(gè)清零包含了很多，包括脈沖計(jì)數(shù)單元的清零;運(yùn)算單元的清零;單片機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)區(qū)域的清零，如圖所示。圖清零子程序的設(shè)計(jì)2.接收數(shù)據(jù)與通信的程序設(shè)計(jì)主程序中的串行中斷打開(kāi)，使它處于PC機(jī)的接收狀態(tài)，還要用中斷的模式來(lái)定時(shí)的收集數(shù)據(jù)采集模塊中的能量數(shù)據(jù)。這里的主程序就該處于接收等待狀態(tài)，且一直與上位PC機(jī)處于通信狀態(tài)，當(dāng)PC機(jī)發(fā)送命令時(shí)，主程序就中斷，去接收數(shù)據(jù)采集模塊中的能量數(shù)據(jù)，且在接收PC機(jī)命令成功時(shí)，設(shè)置接收成功的標(biāo)志。這個(gè)時(shí)候主程序就處于延遲狀態(tài)，等待采集程序處理，如圖所示。圖接收數(shù)據(jù)與通信程序3.數(shù)據(jù)采集子程序PC機(jī)向數(shù)據(jù)采集發(fā)送不同的命令，包括設(shè)置參數(shù)，抄表數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)，設(shè)置戶號(hào)，電表數(shù)據(jù)清零等。這樣數(shù)據(jù)的采集就需要一個(gè)個(gè)的去看PC機(jī)發(fā)送的什么命令，根據(jù)命令的不同來(lái)分支一步一步的處理，如圖所示。圖數(shù)據(jù)采集子程序4.脈沖采集子程序由于AD7755是脈沖計(jì)數(shù)能量，程序中判斷脈沖的下降沿來(lái)時(shí)，進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)各個(gè)用戶的脈沖數(shù)大于160時(shí)，該用戶的電量的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)自動(dòng)的增加度，電量的累計(jì)值儲(chǔ)存進(jìn)入用戶的電量?jī)?chǔ)存區(qū)內(nèi)，其脈沖采集的流程如圖所示。圖脈沖采集子程序5.顯示子程序電表在運(yùn)行的過(guò)程中，各個(gè)用戶的電量在不斷的累計(jì)相加，并且進(jìn)入存儲(chǔ)器的電量?jī)?chǔ)存單元中，根據(jù)程序的設(shè)計(jì)要求，每隔一段時(shí)間顯示模塊就顯示用戶的信息，諸如用戶號(hào)，用電量等。依次循環(huán)，在等到最后一戶的電量的信息顯示完畢就對(duì)所有用戶的電量進(jìn)行合并顯示。程序流程如圖所示。圖顯示子程序6.數(shù)據(jù)傳送子程序在數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集后，要有MCU主機(jī)關(guān)閉傳送給網(wǎng)絡(luò)的上行通道，并且將數(shù)據(jù)采集模塊中的數(shù)據(jù)上傳并保存，這個(gè)部分是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性的一個(gè)重要方面，所以他的程序設(shè)計(jì)也顯得十分重要，流程如圖所示。圖數(shù)據(jù)傳送子程序軟件初使化設(shè)計(jì)以上給出了系統(tǒng)中所涉及到的子程序流程框架，顯然每個(gè)部分的正確運(yùn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能的調(diào)試起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)然每個(gè)芯片元件部分的上電初始化工作也是十分重的，系統(tǒng)的軟復(fù)位，各個(gè)運(yùn)算的初始值的恢復(fù)、定時(shí)、串口的初始化、時(shí)鐘的設(shè)定、及其顯示模塊等。每個(gè)模塊的算法也是本軟件涉及的重要部分，下面對(duì)部分芯片的初始化做一些介紹。電路初使化X5045是系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的看門狗電路正確運(yùn)行的根本保證，使其與CPU的引腳連接后，要有正確的軟件驅(qū)動(dòng)來(lái)控制X5045的正確運(yùn)行，在本系統(tǒng)中，利用了單片機(jī)的4根口線來(lái)與X5045的相應(yīng)引腳相互連接。使其能夠正確的通信。1.定義X5045的各個(gè)引腳，注意X5045芯片與單片機(jī)CPU引腳的連接關(guān)系。所針對(duì)的每個(gè)子程序復(fù)位、計(jì)數(shù)看門狗VoidRESWDI(void){if(es=0)……RSR(void)Void)式0和方式2在方式0中，波特率為時(shí)鐘頻率的1/12，即fosc/12，固定不變。在方式2中，波特率取決與PCON中的SMOD值，當(dāng)SMOD=0時(shí)，波特率為fosc/64:當(dāng)SMOD=l時(shí)，波特率為fosc/32。即波特率=2SMOD·fosc/64。2.方式1和方式3在方式1和方式3下，波特率由定時(shí)器Tl的溢出率和SMOD共同決定。即:方式1和方式3的波特率=2SMOD·Tl溢出率/32。其中Tl的溢出率取決于單片機(jī)定時(shí)器Tl的計(jì)數(shù)速率和定時(shí)器的預(yù)置值。計(jì)數(shù)速率與TMOD寄存器中的C/T位有關(guān)，當(dāng)C/T=0時(shí)，計(jì)數(shù)速率為fosc/l2，當(dāng)C/T=1時(shí)，計(jì)數(shù)速率為外部輸入計(jì)時(shí)頻率。實(shí)際上，當(dāng)定時(shí)器Tl做波特率發(fā)生器使用時(shí)，通常工作在模式2，即自動(dòng)重裝載的8位定時(shí)器，此時(shí)TLI作計(jì)數(shù)用，自動(dòng)重裝值在THI內(nèi)。設(shè)計(jì)數(shù)的預(yù)置值(初始值)為X，那么超過(guò)256X個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器溢出一次。為了避免溢出而產(chǎn)生不必要的終端，此時(shí)應(yīng)禁止Tl中斷。溢出周期為:12·(256X)/fosc溢出率為溢出周期的倒數(shù)，所以CPU通過(guò)中斷方式接收PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并回送。單片機(jī)串行口工作在方式1，晶振為6MHz，波特率2400，定時(shí)器Tl按方式2工作，經(jīng)計(jì)算定時(shí)器預(yù)置值為0F3H，SMOD=1.工作在方式1時(shí)，串行口為波特率可調(diào)的11位通用異步接口USART，發(fā)送或接收一幀信息，包括1位起始位0，8為數(shù)據(jù)位和1位停止位1.(可參見(jiàn)圖發(fā)送發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)從TXD輸出，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF后，啟動(dòng)發(fā)送器發(fā)送。當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，置終端標(biāo)志Tl為1。方式1所傳送的波特率取決于定時(shí)器Tl的溢出率和PCON中的SMOD位，將在下一小節(jié)討論。接收接收時(shí)，由REN置1允許接收，串行口采樣RXD，當(dāng)采樣1到0的跳變時(shí)，確認(rèn)是起始位“0’’，就開(kāi)始接收一幀數(shù)據(jù)。當(dāng)RI=0且停止位為1或SM2=0時(shí)，停止位進(jìn)入RB8位，同時(shí)置終端標(biāo)志Rl;否則信息將丟失。所以，方式1接收時(shí)，應(yīng)先用軟件清楚RI和SM2標(biāo)志。程序參考如下:ORG0000HUMPCSH;轉(zhuǎn)初始化程序ORG0023hUMPINTS;轉(zhuǎn)串行口中斷程序ORG0050HCSH:MOVTHOD，#2OH;設(shè)置定時(shí)器l為方式2MOVTLI，#OF3H;設(shè)置預(yù)置值MOVTHI，#OF3HSETBTRI;啟動(dòng)定時(shí)器1MOVSCON#50H;串行口初始化MOVPCON#80HSETBEA;允許串行口中斷SETBESLJMPMAIN;轉(zhuǎn)主程序(主程序略)……INTS:CLREA;關(guān)中斷CLRRI;清串行口中斷標(biāo)志PUSHDPL;保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)PUSHDPHPUSHAMOVA，SBUF;接收PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)MOVSBUF，A;將數(shù)據(jù)回送給PC機(jī)WAIT：JINBTI，WAIT;等待發(fā)送CLRTIPOPA;發(fā)送完，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)POPDPHPOPDPLSETBEA;開(kāi)中斷RETI;返回軟件設(shè)程序操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的正確與否，與時(shí)鐘芯片的能否正常工作有直接的關(guān)系，比如電量的計(jì)數(shù)和抄送都能正確的完成，但是時(shí)鐘不能正確的計(jì)數(shù)，那也是不行的，所以說(shuō)時(shí)鐘芯片的正確計(jì)時(shí)非常關(guān)鍵。1.寫保護(hù)寄存器操作當(dāng)寫保護(hù)寄存器的最高為為0時(shí)，允許數(shù)據(jù)寫入寄存器，寫保護(hù)寄存器可以通過(guò)命令字節(jié)SE、SF來(lái)規(guī)定禁止寫沁讀出。寫保護(hù)位不能在多字節(jié)傳送模式下寫入。:MOVCommand，#8Eh;命令字節(jié)為8EMOVByteCnt，#x;多字節(jié)傳送模式MOVRO，#XMTDAT;把數(shù)據(jù)地址賦給ROMOVXMIDAT，#00H;調(diào)用寫數(shù)據(jù)子程序ACALLSend-Byte;調(diào)用寫數(shù)據(jù)子程序RET;返回調(diào)用本子程序處當(dāng)寫保護(hù)寄存器的最高為為1時(shí)，禁止數(shù)據(jù)寫入寄存器，:MOVCommend，#8EH;命令字節(jié)為SEMOVByteCnt，#X;多字節(jié)傳送MOVRO，#XmtDat;將數(shù)據(jù)地址賦給ROMOVXmtDat，#80;數(shù)據(jù)內(nèi)容為80h(禁止寫入)ACALLSend_Byte;調(diào)用寫入子程序RET;返回調(diào)用本子程序2.時(shí)鐘停止位操作當(dāng)把秒寄存器的第7位時(shí)鐘停止位設(shè)置為0時(shí)啟動(dòng)時(shí)鐘開(kāi)始:MOVCommand，#80H;命令字節(jié)為80MOVByteCnt，#x;多字節(jié)傳送模式MOVRO，#XmtDat;數(shù)據(jù)地址賦給R0MOVXmtDat，#00H;數(shù)據(jù)內(nèi)容為0振蕩工作允許ACALLSend_Byte;調(diào)用寫入數(shù)據(jù)子程序RET當(dāng)把秒寄存器的第7位時(shí)鐘停止位設(shè)置為l時(shí)，時(shí)鐘振蕩器停止，進(jìn)入低功耗方式:MOVCommend，#80h;命令字節(jié)為80MOVByteCnt，#x;多字節(jié)傳送模式MOVRO，#XmtDat;數(shù)據(jù)地址賦給ROMOVXmtDat，#80h;數(shù)據(jù)內(nèi)容為80H振蕩器停止ACALLsend_Byte;調(diào)用寫入數(shù)據(jù)子程序3.多字節(jié)傳送方式當(dāng)命令字節(jié)為BE或BF時(shí)，DSI302工作在多字節(jié)傳送模式8個(gè)時(shí)鐘舊歷寄存器，從寄存器0地址開(kāi)始連續(xù)讀寫從0位開(kāi)始的數(shù)據(jù)，當(dāng)命令字節(jié)為FE或FF時(shí)，DSI302工作在多字節(jié)RAM傳送模式，31個(gè)RAM寄存器從0地址開(kāi)始連續(xù)讀寫從0位開(kāi)始的數(shù)據(jù)。通信協(xié)議計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊兩種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)在采集器與集中器、集中器與上位機(jī)之間的通信都采用RS一485總線方式設(shè)計(jì)。RS一485總線是工業(yè)應(yīng)用中非常成熟的技術(shù)，是現(xiàn)代通訊技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一，采用RS一485總線設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)也是基于這些原因。RS一485總線用于多站互連十分方便，用一對(duì)雙絞線即可實(shí)現(xiàn)，由于采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將竹L電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出;在接收端，接收器將差分信號(hào)變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。通信采用的是USART口帶有校驗(yàn)位的通信模式，即傳輸8位數(shù)據(jù)和第9位校驗(yàn)位，波特率設(shè)置為9600bps，采用中斷查詢方式。本協(xié)議為主一從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式。上位機(jī)PC與各集中器通信時(shí)，集中器為從站;集中器與所掛接的采集器通信時(shí)，采集器為從站。每個(gè)集中器和采集器均有各自的地址編碼。通信鏈路的建立與解除均由主站發(fā)出的信息幀來(lái)控制。每幀起始符、從站地址域、控制碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域、幀信息縱向校驗(yàn)碼及幀結(jié)束符等7個(gè)部分組成，每部分由若干字節(jié)組成。每字節(jié)含8位二進(jìn)制碼，傳輸時(shí)加上一個(gè)起始位(0)、一個(gè)偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位(1)，共n位。D0是字節(jié)的最低有效位，D7是字節(jié)的最高有效位，先傳低位，后傳高位。其傳輸序列如圖所示圖11位的幀格式幀是傳送信息的基本單元。幀格式如表所示。表信息幀格式說(shuō)明代碼幀起始符68H地址符A0A1A2A3A4A5幀起始符68H控制碼C數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域L數(shù)據(jù)域DATA校驗(yàn)碼CS結(jié)束符16H幀起始符號(hào)68H：標(biāo)識(shí)一幀信息的開(kāi)始，其值為68H=01101000B控制碼C:控制碼的格式如圖所示圖控制碼格式D7=O:由主站發(fā)出的命令幀D7=l:由從站發(fā)出的應(yīng)答幀D6=0:從站正確應(yīng)答D6=1:從站對(duì)異常信息的應(yīng)答DS=O:無(wú)后續(xù)數(shù)據(jù)幀DS=l:有后續(xù)數(shù)據(jù)幀D4～DO:請(qǐng)求及應(yīng)答功能碼00000:保留00001:讀數(shù)據(jù)00010:讀后續(xù)數(shù)據(jù)00011:重讀數(shù)據(jù)00100:寫數(shù)據(jù)01000:廣播校時(shí)01010:寫設(shè)備地址01100:更改通信速率01111:修改密碼10000:最大需量清零4.數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L:L為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。讀數(shù)據(jù)時(shí)L≤200，寫數(shù)據(jù)時(shí)L≤50，L=0表示無(wú)數(shù)據(jù)域。5.數(shù)據(jù)域DATA:數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)、密碼等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變。傳輸時(shí)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。6.校驗(yàn)碼CS:從幀起始符開(kāi)始到校驗(yàn)碼之前的所有各字節(jié)的模256的和，即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，不計(jì)超過(guò)256的溢出值。7.結(jié)束符16H:標(biāo)識(shí)一幀信息的結(jié)束，其值為16H=00010110B。1.前導(dǎo)字節(jié)在發(fā)送幀信息之前，先發(fā)送1～4個(gè)字節(jié)FEH，以喚醒接收方。2.傳輸次序所有數(shù)據(jù)項(xiàng)均先傳送低位字節(jié)，后傳送高位字節(jié)。3.傳輸響應(yīng)每次通信都是由主站向按信息幀地址域選擇的從站發(fā)出請(qǐng)求命令幀開(kāi)始，被請(qǐng)求的從站根據(jù)命令幀中的控制碼的要求作出響應(yīng)。受到命令幀后的響應(yīng)延遲Td:20ms≤Td≤500rns。字節(jié)之間停頓時(shí)間Th:Th≤500ms。4.差錯(cuò)控制字節(jié)校驗(yàn)為偶校驗(yàn)，幀校驗(yàn)為縱向信息校驗(yàn)和，接收方檢測(cè)到偶校驗(yàn)出錯(cuò)或縱向信息校驗(yàn)和出錯(cuò)，均放棄該信息幀，不予響應(yīng)。本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了在整個(gè)底層硬件的基礎(chǔ)上，為了能夠正確實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，必要的軟件流程，并且對(duì)相應(yīng)的硬件芯片中的驅(qū)動(dòng)程序也給出了詳細(xì)的說(shuō)明同時(shí)定義了系統(tǒng)的通信協(xié)議。第5章系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)自動(dòng)抄表系統(tǒng)要求長(zhǎng)年連續(xù)掛網(wǎng)工作，使用環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)容易受到外部電源和磁場(chǎng)干擾。而系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與廣大用電家庭的利益緊密相關(guān),因此，抗干擾設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)研制過(guò)程中不可忽視的內(nèi)容。為了有效的解決外部干擾造成的系統(tǒng)計(jì)量可靠性、準(zhǔn)確性的降低，進(jìn)而影響系統(tǒng)使用價(jià)值的問(wèn)題，本課題從硬件、軟件兩方面采取措施，以求提高系統(tǒng)的可靠性。硬件抗干擾設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，系統(tǒng)失效和硬件損壞是由各種干擾引起的，而90%左右的干擾來(lái)自于電源?？梢?jiàn)電源的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的影響相當(dāng)大。目前有以下幾種電源可供選擇。1)阻容分壓式采用簡(jiǎn)單的阻容分壓、濾波，這種電源穩(wěn)壓性能差、電源波動(dòng)大、帶負(fù)載能力小、電網(wǎng)干擾極易竄入。2)開(kāi)關(guān)電源這種電源穩(wěn)壓性能好、波紋小，但成本高。3)線性電源這種電源穩(wěn)壓性能好、隔離性好、價(jià)格適中，電路如圖所示。圖穩(wěn)壓電源電路圖本系統(tǒng)有如下幾組電源：+5V供單片機(jī)；±5V供電能采集模塊；+5V供通信模塊單片機(jī)對(duì)電源要求最高，采用線性穩(wěn)壓電源。交流經(jīng)過(guò)硅堆整流、電容器濾波、7805集成穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓。通信模塊亦采用線性穩(wěn)壓電源。電能采集模塊使用±5V采用阻容分壓即可滿足要求，其具體電路見(jiàn)本文相關(guān)部分。用于存儲(chǔ)電能數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)的可靠性至關(guān)重要。一般思路是考慮24XX系列，寫入次數(shù)允許10萬(wàn)次，在掉電時(shí)存儲(chǔ)，可使用50年之久。一般使用壽命為15年，所以此法是可行的。光電隔離技術(shù)是通過(guò)光電耦合器將信號(hào)輸入通道或信號(hào)輸出通道與中央處理單元進(jìn)行隔離,光電耦合器將輸入信號(hào)通過(guò)內(nèi)部發(fā)光二極管變成光信號(hào),然后再由內(nèi)部光敏三極管轉(zhuǎn)變成電信號(hào),將輸入均輸出完全實(shí)現(xiàn)了電隔離,因而也就完全隔離了輸入和輸出間的各種干擾。它通過(guò)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)了有用信號(hào)的正常傳輸,是一種很好的抗干擾措施,因而得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)中采用光電耦合器既實(shí)現(xiàn)了傳輸信號(hào),又隔離了干擾的作用。軟件抗干擾設(shè)計(jì)在提高硬件抗干擾能力的同時(shí)，軟件看干擾以其設(shè)計(jì)靈活，節(jié)省硬件投資，可靠性好越來(lái)越受到重視。在本系統(tǒng)中，采取以下幾個(gè)措施：當(dāng)微處理器受到各種干擾時(shí)，程序指針PC可能出錯(cuò)。因?yàn)镸CS-51系列指令二字節(jié)、三字節(jié)指令較多，若運(yùn)行至程序區(qū)，將操作數(shù)當(dāng)成操作碼執(zhí)行，便會(huì)引起混亂；若跳到非程序區(qū)，很可能陷入某種循環(huán)不能出來(lái)。所以，針對(duì)以上兩種情況，分別采取不同的方法解決。首先采用指令冗余的辦法，在程序出錯(cuò)時(shí)，便可以自動(dòng)納入正軌。具體措施是，在N字節(jié)指令后加N-1個(gè)空操作指令；其次，在非程序區(qū)，設(shè)置LJMP0000的陷阱，使程序能軟件復(fù)位。正常掉電時(shí)，微處理器檢測(cè)到掉電檢測(cè)電路送出的掉電信號(hào)后，在幾十毫秒內(nèi)將電能數(shù)據(jù)寫入EEPROM,這是最起碼的要求。但在程序指針PC出錯(cuò)時(shí)若改變電能數(shù)據(jù)寄存器并把錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)寫入EEPROM中，這是不允許的。另外，電表在校驗(yàn)時(shí)