遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計

…….……………….…裝訂線……………….…….………….………….………遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計目錄23179摘要 IAbstractII292601引言 147811.1本課題的研究目的和意義 .1117561.2國內(nèi)外遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀 1170791.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀 1321791.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀: 266161.3本課題的主要研究內(nèi)容 2293221.4本章總結(jié) 3.220492.1設(shè)計原則 3176912.1.1可靠性原則 375122.1.2準(zhǔn)確度原則 4324662.1.3實(shí)用性原則 4201632.1.4智能化原則 4104982.2遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體設(shè)計 425402.3集中器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 545682.4本章總結(jié) 6122853集中器硬件電路設(shè)計 627743.1集中器CPU介紹 6213423.1.1管腳圖及主要引腳介紹 7218113.2CPU外圍模塊電路設(shè)計 8306703.2.1外部存儲電路設(shè)計 82473.2.2振蕩電路設(shè)計 942193.2.3復(fù)位電路設(shè)計 10155773.3LCD觸摸屏模塊電路設(shè)計 11190843.3.1觸摸屏控制電路設(shè)計 11171883.3.2LCD液晶接口電路設(shè)計 12232063.4電源電路設(shè)計 13292163.5本章總結(jié) 1588574GPRS通信電路設(shè)計 15152944.1GPRS網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 15238244.2GPRS模塊SIM300C的介紹 17283294.3GPRS電路設(shè)計 18255404.3.1SIM300C接口電路設(shè)計 18170524.3.2指示電路設(shè)計 19222874.3.3SIM卡電路設(shè)計 2061914.3.4電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 21320184.4本章總結(jié) 2145905RS-485通信電路設(shè)計 22292525.1RS-485通信技術(shù)介紹 2233135.2RS-485總線布線規(guī)范 221425.3RS-485在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用 23140055.4RS-485通信電路設(shè)計 24227775.5本章總結(jié) 2553266軟件設(shè)計 2574776.1主程序流程圖 25193296.2SIM300C子程序流程圖 27241526.3電能表數(shù)據(jù)采集及處理子程序 28213186.4本章總結(jié) 29188797總結(jié)與展望 2926647.1總結(jié) 29146307.2展望 301010參考文獻(xiàn) 3125321致謝 32 Contents23179Abstract I292601.Introduction 147811.1Thepurposeandsignificanceofthesubject 1117561.2Developmentstatusandabroadremoteautomaticmeterreadingsystem 1170791.2.1CurrentSituationofOverseasDevelopment 1321791.2.2DomesticDevelopmentStatus: 266161.3ThemaincontentsQuestion 2293221.4ChapterSummary 3255382.Theoveralldesignscheme 3220492.1DesignPrinciples 3176912.1.1ReliabilityPrinciple 375122.1.2AccuracyPrinciple 4324662.1.3ApplicabilityPrinciple 4201632.1.4IntelligentPrinciple 4104982.2RemoteMeterReadingSystemDesign 425402.3Cconcentratoroverallstructuraldesign 545682.4Thischaptersummarizes 6122853.Concentratorhardwarecircuitdesign 627743.1IntroductionCPUconcentrator 6213423.1.1Introductionpinmapandmainpin 7218113.2CPUperipheralcircuitdesign 8306703.2.1Externalstoragecircuitdesign 82473.2.2Oscillationcircuitdesign 942193.2.3ResetCircuitDesign 10155773.3LCDtouchscreenmodulecircuitdesign 11190843.3.1Touchscreencontrolcircuitdesign 11171883.3.2LCDliquidcrystalinterfacecircuit 12232063.4PowerCircuitDesign 13292163.5Thischaptersummarizes 1588574.GPRScommunicationcircuitdesign 15152944.1GPRSnetworkcharacteristics 15238244.2GPRSmoduleSIM300Cintroduction 17283294.3GPRSCircuitDesign 18255404.3.1SIM300Cinterfacecircuit 18170524.3.2Indicationcircuitdesign 19222874.3.3SIMcardcircuitdesign 2061914.3.4Levelconversioncircuitdesign 21320184.4Thischaptersummarizes 2145905.RS-485communicationcircuitdesign 22292525.1RS-485communicationstechnologyintroduced 2233135.2RS-485buswiringspecification 221425.3RS-485remotemeterreadingsystem 23140055.4RS-485communicationcircuitdesign 24227775.5Thischaptersummarizes 2553266.SoftwareDesign 2574776.1Themainprogramflowchart 25193296.2SIM300Csubroutineflowchart 27241526.3Meterdataacquisitionandprocessingsubroutine 28213186.4Thischaptersummarizes 29188797.SummaryandOutlook 2926647.1Summary 29146307.2Outlook 301010References 3125321Acknowledgements 32

遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的設(shè)計摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)和電力事業(yè)的迅速發(fā)展，一戶一表制已基本普及。但低壓電力用戶由于數(shù)量多，地域分布廣，電力公司的抄表工作量相當(dāng)大。本文旨在提供一種低成本、高可靠地實(shí)現(xiàn)公共事業(yè)收費(fèi)自動化和小區(qū)物業(yè)管理智能化的技術(shù)應(yīng)用。通過對遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的功能分析，針對抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行了設(shè)計。抄表集中器的設(shè)計包括了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大模塊。其中硬件設(shè)計中采用STM32F103ZET6芯片為集中器的CPU，并設(shè)計了其相關(guān)的外圍電路，完成了基于SIM300C的GPRS通信和RS-485總線通信兩部分電路的設(shè)計。軟件部分，介紹了集中器的程序設(shè)計思想，并給出了主程序和SIM300C子程序以及電能表數(shù)據(jù)采集處理子程序關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程無線抄表；集中器；STM32F103ZET6；GPRS

Designofremotewirelessmeterreadingsystem(MechanicalandElectronicEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,Tai'an271018)AbstractWiththerapiddevelopmentofnationaleconomyandthepowerindustry,aformofthesystemhasbeenbasicallyuniversal.However,sincethenumberoflow-voltagepowerusers,awidegeographicaldistribution,thepowercompany'smeter-readingworkloadisconsiderable.Thisarticleisintendedtoprovidealow-cost,highlyreliabletechnologytoachieveautomationandpublicutilitychargesintelligentmanagementofresidentialproperty.Byfunctionalanalysisofremotewirelessmeterreadingsystemformeterreadingsystemdataconcentratordesigned.Meterconcentratordesignincludeshardwaredesignandsoftwaredesigntwomodules.ThehardwareusedinthedesignoftheconcentratorSTM32F103ZET6chipCPU,anddesigneditsrelatedperipheralcircuitsiscompletedbasedonGPRScommunicationSIM300CandtwoRS-485buscommunicationpartofthecircuitdesign.Softwaresectionintroducestheconcentratorprogramdesign,andgivesthemainprogramandsubprogramSIM300CmeterdataacquisitionandprocessingsubroutineKeywords:remotewirelessmeterreading;concentrator;STM32F103ZET6;GPRS

1引言1.1本課題的研究目的和意義目前,我國城鎮(zhèn)居民住宅的水、電、氣等生活能耗計量收費(fèi)工作大部分采用逐月或者隔月入戶驗(yàn)表收費(fèi)的方式,不僅耗費(fèi)了大量的人力,而且對居民生活也是一種干擾。傳統(tǒng)的抄表方式由于時效性較差，統(tǒng)計計算工作量大，不能夠滿足新的需求。鑒于上述這種情況,建立住宅抄表自動化系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前住宅建筑技術(shù),尤其是智能型建筑中不可缺少的組成部分,其具有重要的實(shí)踐意義。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)不但提高用電管理水平的要求，而且也符合自動化辦公的要求，也是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)發(fā)展的必然趨勢。通過智能抄表系統(tǒng)，一方面能夠?qū)崟r地查看各個電表的數(shù)據(jù)，另一方面監(jiān)視到變壓器等相關(guān)設(shè)備的工作情況，同時所傳遞的數(shù)據(jù)還具有準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性可靠等優(yōu)點(diǎn)，為后續(xù)的分時計費(fèi)等改革方向提供的硬件支持。綜上，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)約成本一方面直接減少了抄表人員，大大減少了人員開支；另一方面所有數(shù)據(jù)不再需要手工輸入到計算機(jī)中，而是直接從電表進(jìn)入計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了辦公自動化，減少了各項經(jīng)費(fèi)的開支。（2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確所有數(shù)據(jù)都是來自電表的直接統(tǒng)計，不會帶有抄表人員的誤差，準(zhǔn)確的電表數(shù)據(jù)能夠?yàn)殡娏ζ髽I(yè)調(diào)整經(jīng)營模式帶來準(zhǔn)確的信息。（3）時效性抄表系統(tǒng)所采集的全部數(shù)據(jù)都是即時數(shù)據(jù)，通過對線性數(shù)據(jù)的分析，能夠準(zhǔn)確地了解用戶的用電習(xí)慣，采取相關(guān)的措施合理地改善生產(chǎn)用電和生活用電之間的關(guān)系。另外，智能抄表系統(tǒng)還可以與配電自動化系統(tǒng)、電費(fèi)管理系統(tǒng)等聯(lián)網(wǎng)操作，為整個電力企業(yè)的自動化控制提供了硬件支持。而且抄表集中器是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的核心部分，起著承上啟下的作用，所以本文對抄表器進(jìn)行了開發(fā)研究設(shè)計。1.2國內(nèi)外遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀美國早在70年代已經(jīng)開始使用無線集中抄表系統(tǒng)，它是在每塊電能表內(nèi)安裝一塊微處理芯片，其負(fù)責(zé)收集和存儲電能表的累計電能量，另安裝一個微型無線收器、發(fā)信機(jī)。國外對電力線路載波通訊技術(shù)進(jìn)行了許多研究。由于發(fā)達(dá)國家電網(wǎng)運(yùn)行狀況已經(jīng)趨于完善,電網(wǎng)管理水平較高,載波傳輸速率也較高,國外電網(wǎng)信號干擾小。國外的電力載波技術(shù)在抄表中得到了較好的應(yīng)用。多家公司出產(chǎn)了自己的電力線載波MDEEM芯片,并且制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。其次,總線制智能抄表方式在國外很流行,幾家大公司如德國MEIELK公司、英國ABB公司以及以色列ARAD公司在此方面都具有相對優(yōu)勢,并且制做了一體化芯片，并且制作固件并裝配到表體上。除此之外,國外的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中無線抄表應(yīng)用較廣泛,還有采用新的儀表總線方式的,如美國德州儀器公司的TSS721A。它采用一種歐洲新型總線結(jié)構(gòu),具有極性可互換,總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可任意,傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，自動抄表系統(tǒng)的理論和技術(shù)國外在這方便研究比較已比較完善，在發(fā)達(dá)國家如美國、日本、英國等基本都實(shí)現(xiàn)了自動遠(yuǎn)程抄表[2]。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀:我國傳統(tǒng)的戶用計量儀表管理大部分是由各管理部門派人到裝表地點(diǎn)進(jìn)行抄表,采用“一戶一表”方式，這種方式用戶面廣、量大,所以極易造成差錯,人工抄表不但效率低,而且不利于科學(xué)管理,給城市管理電網(wǎng)的建模、分析、規(guī)劃等都帶來了很大的困難。在“十二五”期間，隨著國家電網(wǎng)公司在電網(wǎng)建設(shè)方面，進(jìn)行智慧電網(wǎng)建設(shè)；在變革管理模式方面，推進(jìn)“三集五大”改革；在管理信息化方面，開發(fā)了SG186系統(tǒng)。加強(qiáng)這些方面的管理，目的就是為了滿足用電客戶擁有更好的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，在采集電能表讀數(shù)上，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為智能方式。在應(yīng)用方面有：掌上抄表計算機(jī)、智能電表、集中遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)等等。歸納起來，我們中國主要使用的抄表系統(tǒng)有三種[9]。（1）智能電表抄表系統(tǒng)利用充值卡，充值方式靈活、方便，充完值后即插即用，電費(fèi)低于一定金額，會提前報警，提醒用電客戶去充值。如果欠費(fèi)，就自行斷電，不會給其它用電客戶造成不便。實(shí)際上就是當(dāng)前在省轄城市以上正在使用的具有費(fèi)控功能的IC卡充值智能電表（簡稱：智慧電表，或預(yù)付費(fèi)電表）。該系統(tǒng)的使用缺點(diǎn)就是，對充值點(diǎn)的數(shù)量要求較多。（2）掌上抄表計算機(jī)掌上抄表計算機(jī)，抄表員走到小區(qū)樓房內(nèi)，用手工將電能表數(shù)據(jù)錄入抄表器中，然后結(jié)束一天的抄表歷程，回到公司后再利用營銷系統(tǒng)主機(jī)的端口，將數(shù)據(jù)從手抄器導(dǎo)入主機(jī)，完成抄表任務(wù)。這種方案，從投資成本上講一次性投入比較少，還可以為公司解決富余人員的工作安置問題。1.3本課題的主要研究內(nèi)容本論文根據(jù)遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)的功能，首先進(jìn)行抄表集中器的總體方案設(shè)計,給出總體方案圖，然后分模塊設(shè)計：(1)集中器主控電路的設(shè)計;(2)GPRS通訊模塊的設(shè)計;(3)與智能電表的通信模塊設(shè)計;(4)設(shè)計集中器的應(yīng)用軟件,實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)采集以及通信等功能本次無線抄表集中器的設(shè)計包含了以下幾個內(nèi)容：集中器通過GPRS無線傳輸?shù)墓δ芙邮展芾硐到y(tǒng)的控制指令，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。(1)并通過有線通訊網(wǎng)絡(luò)（RS－485）下達(dá)給各智能電表，讀取各智能電表的數(shù)據(jù)。(2)能為系統(tǒng)提供后備電源。平時市電供電的情況下，采用市電變壓供電，在市電停電的情況下，為了保證集中器的正常工作，應(yīng)具有后備電源電路。(3)系統(tǒng)具有復(fù)位功能。(4)時鐘電路。(5)軟件實(shí)現(xiàn)模塊，設(shè)計總體設(shè)計程序以及相關(guān)的子程序。1.4本章總結(jié)本章為論文的緒論，首先闡明了本課題的研究目的和意義，然后對國內(nèi)外無線遠(yuǎn)程系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)了了解和分析。最后集中說明本次設(shè)計的任務(wù)和主要研究內(nèi)容，從整理掌握課題要求。2總體設(shè)計方案2.1設(shè)計原則在設(shè)計遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)時,必須依據(jù)一定的設(shè)計原則,這樣才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo),并且符合燃?xì)庑袠I(yè)的要求。本系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)主要是建設(shè)部2010年6月1日實(shí)施的《住宅遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GT/162一2009,并結(jié)合南京瑞迅電子技術(shù)有限公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的,主要包括可靠性、準(zhǔn)確度、實(shí)用性和智能化等方面。2.1.1可靠性原則可靠性是本系統(tǒng)的基本要求。在使用中要求系統(tǒng)具有抗惡劣工作環(huán)境的能力,無故障工作時間長,而且通信過程中數(shù)據(jù)傳輸可靠等特點(diǎn)。最終衡量抄表可靠性的指標(biāo)是指一次抄表成功率,即按下列公式系統(tǒng)對所屬用戶表的累計值抄讀的一次抄讀成功率。一次抄表成功率=一次抄表成功次數(shù)測試總次數(shù)/總的抄表次數(shù)x100%在連接的網(wǎng)絡(luò)無故障條件下,系統(tǒng)的一次抄讀成功率應(yīng)>99%。因此,在元器件與參數(shù)的選擇、電路硬件設(shè)計、電源系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)集中器的軟硬件設(shè)計、外包裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計中全部要考慮其可靠性。為保證這一要求,對重要部件,如數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)集中器要求進(jìn)行老化測試和高低溫測試,軟件上確保讓系統(tǒng)故障能自檢、自診斷,外包裝結(jié)構(gòu)要求堅固,不易損壞。2.1.2準(zhǔn)確度原則準(zhǔn)確度是本系統(tǒng)的內(nèi)在要求下，在滿足可靠性的基礎(chǔ)上提出的。在對基表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中,一定要保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,否則系統(tǒng)的其他性能再好,采集數(shù)據(jù)卻不能夠作為收費(fèi)和監(jiān)控的依據(jù),整個系統(tǒng)也就不具備任何實(shí)用價值。2.1.3實(shí)用性原則本系統(tǒng)是一民用產(chǎn)品,因此在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)銷售中就必須考慮其實(shí)用性,只有實(shí)用,才能使研發(fā)的系統(tǒng)擁有生命力、競爭性和更大的市場潛力。因此,開發(fā)過程中要盡可能選擇使用滿足系統(tǒng)性能要求、同時價格較低的材料,使系統(tǒng)具備高的性價比;此外生產(chǎn)出來的產(chǎn)品要盡可能便于安裝、調(diào)試和使用。2.1.4智能化原則智能化是本系統(tǒng)最大的特點(diǎn),本文通過軟件硬件兩個方面來共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。在設(shè)計中盡量使用軟件來代替硬件來完成一些功能,特別是數(shù)據(jù)采集過程的控制、故障的檢測報警。在設(shè)計中還應(yīng)該從軟件的角度,運(yùn)用計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)存儲能力、邏輯判斷能力等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合實(shí)際需求去開發(fā)一些新的功能。智能化的表現(xiàn)之一就是友好的人機(jī)交互界面。要建立友好的人機(jī)界面,一方面要求系統(tǒng)輸出的信息豐富并易于理解,另外要求人對機(jī)的信息通道暢通,即要求各種控制和參數(shù)設(shè)置操作更加便捷,降低對操作人員的學(xué)歷要求,盡量實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。智能化還表現(xiàn)在是軟件中對各種異常情況的自動處理。數(shù)據(jù)處理后,系統(tǒng)可以按照預(yù)先設(shè)定的極限值(如用氣量延5ms為一種異常情況)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到各種死表、用氣量過小、用氣量過大等異常數(shù)據(jù),抄表員可以根據(jù)此作出相應(yīng)處理[4]。2.2遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體設(shè)計遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)整體由四部分組成：控制中心、集中器、表箱控制器和用戶電表；分為兩層結(jié)構(gòu)，其中包括集中器與表箱控制器的底層通信和控制中心與集中器的上層通信。系統(tǒng)組成框圖如圖2-1所示。自動抄表系統(tǒng)的通信信道方案包括集中器與表箱控制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RS-485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(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，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GPRS網(wǎng)絡(luò)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(shí)時性的要求，因而選用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為上層通信方式?？刂浦行姆?wù)器與集中器構(gòu)成上層通信系統(tǒng)。底層通信系統(tǒng)建立于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，其中包括用戶電表、表箱控制器和集中器。表箱控制器通過RS-485串行總線把采集到的數(shù)據(jù)信息傳送給集中器。集中器的主要功能是數(shù)據(jù)的采集、匯總、顯示和轉(zhuǎn)發(fā)。本系統(tǒng)中集中器主要是由控制器和通信模塊構(gòu)成。集中器利用RS-485總線把比較靠近的表箱控制器的數(shù)據(jù)匯總過來，對它們進(jìn)行分時存儲，并且利用通信模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到上位供電部門管理中心。集中器又稱為抄表數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備，其設(shè)計實(shí)現(xiàn)就成為本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，集中器的硬件設(shè)計也是本文將重點(diǎn)進(jìn)行闡述的部分[5]。系統(tǒng)組成框圖如下所示:圖2-1總系統(tǒng)框圖2.3集中器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計集中器在整個遠(yuǎn)程無線抄表系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著承上啟下的作用，是整個通信系統(tǒng)的橋梁。決定著系統(tǒng)的整體性能。整個集中器功能結(jié)構(gòu)中是以MCU微控制器STM32F103ZET6為核心的。其中包括用來完成電力中心服務(wù)器與集中器通訊功能的基于GPRS通訊模塊，用來實(shí)現(xiàn)集中器與采集器通訊功能的基于RS485接口的電路模塊，用來存儲采集器傳送過來的數(shù)據(jù)的Flash存儲器，LCD和觸摸屏用來顯示數(shù)據(jù)以及對集中器進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)置。針對這些不同功能設(shè)計的不同模塊，除了復(fù)位晶振這些最小系統(tǒng)外，給出了集中器整體方案設(shè)計如圖2-2所示：圖2-2集中器整體方案設(shè)計圖2.4本章總結(jié)本章是遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)集中器設(shè)計的總體設(shè)計方案展示，首先簡要說明了一下設(shè)計原則，然后再分析理解課題的基礎(chǔ)上，給出了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)總體設(shè)計方案，并從整體上針對集中器的幾大模塊電路，給出了集中器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。3集中器硬件電路設(shè)計3.1集中器CPU介紹本次畢設(shè)集中器的功能主要通過STM32F103ZET6[6]芯片來實(shí)現(xiàn)的，STM32F103ZET6芯片是增強(qiáng)型，32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器，其本身具有高性能Cortex-M3內(nèi)核，豐富的I/0接口。它可以控制電源，液晶，觸摸屏，存儲設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸?shù)取１敬卧O(shè)計中涉及到STM32F103ZET6的接線有很多引腳，幾乎所有的I/0接口都用上了，除了像PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG7組I/0口外，主要用到的引腳分別是OSC_IN、PC14-OSC32_IN、NRST、SPI以及USART接口，具體的引腳分配將在后文講述。STM32F103ZET6采用ARM公司的高性能Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核集高性能、低成本、低功耗、性價比高于一體。它包含了從256K至512K字節(jié)的閃存程序存儲器和高達(dá)64K字節(jié)的SRAM，Cortex-M3中還集成了大部分存儲器控制器，這樣可直接在MCU外連接Flash，降低了設(shè)計難度和應(yīng)用障礙。內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的8MHz的RC振蕩器以及帶校準(zhǔn)功能的32kHzRTC振蕩器。除此之外，其運(yùn)算速度可達(dá)1.25DMips/MHz,集成1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度；7組112個通用I/O口；片上外設(shè)資源包含有溫度傳感、PWM定時器、CAN總線、USB、UART、SPI、無線通信等接口、電壓比較器、看門狗定時器、電源監(jiān)測模塊可編程邏輯陣列(PLA)等。該芯片采用2V-3.6V供電，在72MHz時消耗36mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài))，待機(jī)時下降到2μA。3.1.1管腳圖及主要引腳介紹圖3-1就是STM32F103ZET6芯片的管腳圖，具體管腳介紹如下：PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG7組共112個I/0口：112個多功能雙向的I/O口，所有I/O口可以映像到16個外部中斷；幾乎所有端口均可容忍5V信號。OSC_IN、PC14-OSC32_IN：振蕩電阻輸入端，與OSC_OUT所接電阻決定振蕩頻率；OSC_OUT、PC14-OSC32_OUT：振蕩電阻震蕩電阻輸出端。PA2/USART2_TX10個USART接口：同步異步收發(fā)器（USART），它支持同步單向通信和半雙工單線通信。它也支持LIN(局部互連網(wǎng))，智能卡協(xié)議和IrDA(紅外數(shù)據(jù)組織)SIRENDEC規(guī)范，以及調(diào)制解調(diào)器(CTS/RTS)操作。它還允許多處理器通信。用于多緩沖器配置的DMA方式，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。NRST：異步復(fù)位腳。為低時，選擇該芯片成為當(dāng)前被控制設(shè)備并且開啟SPI接口?？臻e時，需要拉高。SPI：串行外設(shè)接口?？偩€系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它能夠使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達(dá)到幾Mbps。芯片管腳圖如下3-1所示：圖3-1STM32F103ZET6芯片圖3.2CPU外圍模塊電路設(shè)計3.2.1外部存儲電路設(shè)計Nand-flash內(nèi)存是flash內(nèi)存的一種，其中內(nèi)部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)提供了廉價有效的解決的方案。Nand-flash存儲器具有容量很大，改寫速度很快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲。而且由于抄表系統(tǒng)將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，必須要有個內(nèi)存較大存儲器才能夠存儲大量數(shù)據(jù)，經(jīng)過篩選比較，最后決定用K9F2G08U0M-YP芯片，稍后會對其的管腳以及作用進(jìn)行詳細(xì)介紹。NAND結(jié)構(gòu)能提供極高單元密度，可以達(dá)到高存儲密度，并寫入和擦除速度也很快。應(yīng)用NAND困難在于FLASH需要特殊的系統(tǒng)接口，而STM32F103ZET6為其提供了標(biāo)準(zhǔn)化接口，使困難迎刃而解[7]。K9F2G08U0M-YP芯片具體管腳介紹如下：I/O0～I(xiàn)/O7：輸入，輸出。I/O0～I(xiàn)/O7不但可作為數(shù)據(jù)輸入輸出引腳，而且可作為命令地址的輸入引腳，命令、地址、數(shù)據(jù)分時復(fù)用，根據(jù)不同的命令區(qū)分地址和數(shù)據(jù)；CLE：命令鎖存允許。ALE：地址鎖存允許。CE：片選。WE：寫允許。RE：讀允許。R/B：準(zhǔn)備好／忙。WP：寫保護(hù)。圖3-2為NANDFLASH電路原理圖。圖3-2NANDFLASH電路原理圖3.2.2振蕩電路設(shè)計STM32F103FZET6采用雙時鐘振蕩方式：實(shí)時時鐘（RTCClock）以及系統(tǒng)時鐘（SYSClock）。兩時鐘均使用外置晶振設(shè)置，在引腳OSC32_IN、OSC32_OUT外接32KHz晶體振蕩器構(gòu)成實(shí)時時鐘，使其具有校準(zhǔn)功能；在引腳OSC_IN、OSC_OUT外接8MHz晶體振蕩器構(gòu)成系統(tǒng)時鐘。圖中的電容為穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在5-30pF。圖3-3時鐘電路圖3.2.3復(fù)位電路設(shè)計STM32F103ZET6芯片具有異步復(fù)位腳NRST，芯片內(nèi)部電源為復(fù)位電路充電，上拉電阻亦在芯片內(nèi)部。復(fù)位電路的基本功能：系統(tǒng)中斷電時提供復(fù)位信號，直到系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為了可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防止電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動從而影響復(fù)位。STM32F103ZET6為低電平復(fù)位有效。為防止外部干擾，STM32數(shù)據(jù)手冊上建議可以外接一個對地電容。當(dāng)按下復(fù)位鍵后，復(fù)位管腳接收復(fù)位信號，STM32F103ZET6執(zhí)行復(fù)位指令，由于按下復(fù)位鍵后電路相當(dāng)3-4所示：圖3-4復(fù)位電路圖3.3LCD觸摸屏模塊電路設(shè)計本課題設(shè)計中的集中器需要顯示某個電表的數(shù)據(jù)，和上位機(jī)服務(wù)器連狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，信號傳輸狀態(tài)，電源開關(guān)狀態(tài)等。因此顯示系統(tǒng)需要選擇大屏幕細(xì)點(diǎn)陣液晶，細(xì)點(diǎn)陣液晶可以提供很好的波形顯示效果。根據(jù)需要本研究選用了320×240的觸摸屏，使用插接接口與PCB板進(jìn)行連接，應(yīng)用了芯片TSC2200IRHB設(shè)計觸摸控制電路，因此顯示系統(tǒng)有較強(qiáng)功能的I/O緩沖器，指令功能豐富，8位數(shù)據(jù)并行發(fā)送，顯示速度快，支持以圖形和文本方式混合顯示。液晶屏為320×240點(diǎn)陣型，能清晰地以反射方式顯示黑白圖像。STM32F103ZET6通過功能復(fù)用引腳以此來控制液晶控制器，具體的電路圖設(shè)計見下文。3.3.1觸摸屏控制電路設(shè)計由于本次設(shè)計是集中器能夠顯示某個電表的數(shù)據(jù)，和上位機(jī)服務(wù)器連狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，信號傳輸狀態(tài)，電源開關(guān)狀態(tài)等，觸摸屏擔(dān)負(fù)著鍵盤的作用，要進(jìn)行初始化設(shè)置，因此設(shè)計主要做五個方面的設(shè)置，可以設(shè)置數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的IP和端口號，把設(shè)置值傳送給集中器模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，以便于GPRS與服務(wù)器相連。TSC2200IRHB芯片能夠?qū)崿F(xiàn)這些設(shè)置。其主要管腳介紹如下：X+：位置輸入端；Y+：位置輸入端；X-：位置輸入端；Y-：位置輸入端；VBAT1：電源管理輸入1；VBAT2：電源管理輸入2；VREF：參考電壓源；KBIRQ：鍵盤中斷(低電平有效)；R1~R4：鍵盤第一行至第四行輸入；C1~C4：鍵盤第一列至第四列輸入；SLCK：串行時鐘輸入；SS：片選輸入；MOSI：串行數(shù)據(jù)輸入；DAV：數(shù)據(jù)有效端；MISO：串行數(shù)據(jù)輸出；PENIRQ：筆中斷；ARNG：模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出范圍設(shè)置；AUX2：輔助數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入2；DAV：數(shù)據(jù)有效端；AUX1：輔助數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入1。在雙端工作模式下,由VREF端引入外部參考電壓,要在VREF端和VDD端同時并聯(lián)1uF左右的電容器來提供電源的旁路,來減少TSC2200IRHB的功耗。圖3-5為觸摸屏控制電路圖，圖3-6為觸摸屏接口電路圖。圖3-5觸摸屏控制電路圖圖3-6觸摸屏接口電路圖3.3.2LCD液晶接口電路設(shè)計U405為點(diǎn)陣型為320×240的液晶模塊,+5V供電；液晶數(shù)據(jù)傳輸方式是16位并行方式,液晶模塊的8根I/O口線分別連接液晶模塊的8個并行接口。Backlight為亮度驅(qū)動控制輸入,經(jīng)8050三極管放大后作為液晶背光。圖3-7為LCD液晶接口電路。圖3-7LCD液晶接口電路圖3.4電源電路設(shè)計電源設(shè)計是遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)——集中器硬件設(shè)計中的一項非常重要的工作。系統(tǒng)中除了液晶接口電路需要5V供電，觸摸屏控制電路、RS232&RS485通信電路、STM32F103ZET6等電路均需要3.3V供電。SIM300C的供電電壓范圍為3.4V~4.5V,典型值是4V。所以系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)220V到5V的電壓轉(zhuǎn)換以及5V電壓到3.3V電壓和5V到4V電壓的轉(zhuǎn)換。第一步從220V到5V電壓轉(zhuǎn)換，通過變壓整流濾波得到。5V電路圖如圖3-8所示：圖3-85V電壓轉(zhuǎn)換電路圖觸摸屏控制電路、RS485通信電路、STM32F103ZET6等電路均需要3.3V供電。所以系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)5V電壓到3.3V電壓的轉(zhuǎn)換。如圖3-9外接+5V直流電源經(jīng)AMS1084穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后,輸出+3.3V電壓。AMS1084的特點(diǎn)是輸出電流大(800mA),輸出電壓精度在1%以內(nèi),具有電流限制和熱保護(hù)功能,穩(wěn)定性好。C5、C6、C7、C8均為電源濾波電容。圖3-9為3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路：圖3-93.3V電壓轉(zhuǎn)換電路圖4V電源均采用穩(wěn)壓器LM317實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，輸入5V電源來通過調(diào)整三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317的參考點(diǎn)的電阻匹配,從而使LM317輸出4V電壓為SIM300C提工作電壓,電路圖如下。圖3-104V電壓轉(zhuǎn)換電路圖3.5本章總結(jié)本章是對遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)集中器的硬件電路設(shè)計，首先對集中器CPUSTM32F103ZET6進(jìn)行了介紹，并根據(jù)CPU要完成的功能，設(shè)計了其外圍模塊電路。其中有時鐘電路，復(fù)位電路，電源電路，外部存儲電路，以及觸摸屏和LCD顯示電路，并對這些電路進(jìn)行了分析和說明。4GPRS通信電路設(shè)計4.1GPRS網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)(l)采用分組交換技術(shù)所謂分組交換技術(shù)就是GPRS信息在傳輸前被分成一段長度，再組成相關(guān)的數(shù)據(jù)包,并且在接收端重新組合。因此GPRS適合于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,并且適用于偶然的大數(shù)據(jù)量傳輸。(2)使用范圍廣只要有GPRS信號的地方就可以使用,尤其適合于野外、偏僻地方測量儀表的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。(3)數(shù)據(jù)傳輸速率高GPRS因?yàn)椴捎昧私?jīng)濟(jì)高效的數(shù)據(jù)分組交換技術(shù),數(shù)據(jù)傳輸占用GSM的8個時隙,數(shù)據(jù)封裝在分割分組后上網(wǎng)發(fā)送,發(fā)送后不需要此容量時就可以立即釋放,提供了即時連接和高速接入功能,數(shù)據(jù)傳輸可以穩(wěn)定地達(dá)到115Kbps,此速率是常用的56Kbpsmodem理想速率的2倍,這樣的通訊速度可以和專用通訊線路方式相媲美。(4)GPRS支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用,可以和IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互相聯(lián)通,提供特定的點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)服務(wù),來實(shí)現(xiàn)一些特殊應(yīng)用如遠(yuǎn)程信息處理。GPRS也支持短消息業(yè)務(wù)(SMS)經(jīng)GPRS無線信道傳輸。(5)瞬間上網(wǎng),永遠(yuǎn)在線GPRS的用戶一開機(jī),就附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上,每次使用時只要一個激活的過程,一般需要2-3秒的時間就能馬上登錄連至Intemet,因此通訊網(wǎng)絡(luò)的建立過程十分迅速,GPRS使用了數(shù)據(jù)分組技術(shù),所以用戶上網(wǎng)就可以避免斷線情況的出現(xiàn),由此保證GPRS永遠(yuǎn)在線[9]。(6)數(shù)據(jù)吞吐量大GPRS采用了與GSM不同的信道編碼方案,定義了CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四種編碼方案,支持中、高速率數(shù)據(jù)傳輸,可提供9.05-172.2Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。GPRS所提供的數(shù)據(jù)傳輸速率取決于所采用的四種編碼方案的哪一種,高的傳輸速率保證了需要實(shí)時傳送和大的數(shù)據(jù)流量的順利進(jìn)行,GPRS上網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)吞吐量最高可達(dá)172.2Kbit/s。(7)性價比高同有線網(wǎng)絡(luò)相比,節(jié)約線路、電話資源、速度較快;同無線局域網(wǎng)相比,免去了無線電頻率資源審批手續(xù),無需架設(shè)天線、節(jié)省投資。(8)GPRS的安全功能同現(xiàn)有的GSM安全功能一樣身份認(rèn)證和加密功能由SGSN來執(zhí)行"其中的密碼設(shè)置程序的算法、密鑰和標(biāo)準(zhǔn)與目前GSM中的一樣,不過GPRS使用的密碼算法是專門為分組數(shù)據(jù)所優(yōu)化過的。GPRS移動設(shè)備)可通過用戶標(biāo)識模塊簡稱（SIM)訪問GPRS業(yè)務(wù),不管這個SIM卡是否具備GPRS功能。(9)OPRS服務(wù)節(jié)點(diǎn)(ServingGPRSSupportingNode,簡稱SGSN),它和移動交換中心在同一等級水平,并跟蹤單個移動臺(Mobilestation,簡稱Ms)的存儲單元,實(shí)現(xiàn)安全功能和接入控制.在OSM公用陸地移動通信網(wǎng)(簡稱PLMN)中,GPRS引入了兩個新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn):一個節(jié)點(diǎn)SGSN通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)另一個是GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GatewayGPRSsupportNode,簡稱GGSN),GGSN支持與外部分組交換網(wǎng)的互通,并經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和SGSN互通。(10）蜂窩選擇可由一個基站(Mobilestation,簡稱Ms)自動進(jìn)行,或者基站系統(tǒng)指示MS選擇某一特定的蜂窩。MS在重新選擇另一個蜂窩或蜂窩組(即一個路由區(qū))時會通知網(wǎng)絡(luò)。.（11）為了訪問GPRS業(yè)務(wù),MS會首先執(zhí)行GPRS接入過程,以將它的存在告知網(wǎng)絡(luò)。在MS和SGSN之間建立一個邏輯鏈路,使得MS可進(jìn)行如下操作:接收基于GPRS的SMS服務(wù)、經(jīng)由SGSN的尋呼、GPRS數(shù)據(jù)到來通知。(12)為了訪問GPRS數(shù)據(jù),Ms會激活它所想用的分組數(shù)據(jù)地址。這個操作使MS可被相應(yīng)的QGSN所識別,從而能開始與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的互通。(13)用戶數(shù)據(jù)在MS和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間透明的傳輸,它使用的方法是封裝和隧道技術(shù):數(shù)據(jù)包用特定的GPRS協(xié)議信息打包并在MS和GGSN之間傳輸。一種透明的傳輸方法縮減了GPRS的PLMN對外部數(shù)據(jù)協(xié)議解釋的需求,而且易于在將來引入新的互通協(xié)議，用戶數(shù)據(jù)能夠壓縮,并有重傳協(xié)議保護(hù),因此數(shù)據(jù)傳輸高效且可靠。(14)GPRS可以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)流量、業(yè)務(wù)類型及服務(wù)質(zhì)量等級(Qos)的計費(fèi)功能,計費(fèi)方式更加合理,用戶使用更加方便。(15)GPRS的核心網(wǎng)絡(luò)層采用IP技術(shù),底層可使用多種傳輸技術(shù),很方便地實(shí)現(xiàn)與高速發(fā)展的IP網(wǎng)無縫連接[10]。4.2GPRS模塊SIM300C的介紹隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,GPRS產(chǎn)品在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，GPRS模塊的出現(xiàn)更加促進(jìn)了這種應(yīng)用的發(fā)展?，F(xiàn)在市場中GPRS模塊主要有內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧和非內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧兩種類型。早些時候因?yàn)閮?nèi)嵌協(xié)議棧類型的GPRS模塊價格比較昂貴,在一般對成本比較敏感的產(chǎn)品開發(fā)中很難采用,只能使用非內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的模塊,然后自己再開發(fā)基于單片機(jī)的TCP等互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議，增大了系統(tǒng)開發(fā)的難度和工作量,延長了產(chǎn)品開發(fā)周期和上市時間,有時甚至超過了應(yīng)用本身的工作量。隨著內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧GPRS模塊設(shè)計技術(shù)的成熟和微電子制造工藝的發(fā)展,大大降低了GPRS模塊的成本。內(nèi)嵌TCP/IP棧的GPRS模塊的價格和非內(nèi)嵌的模塊相比,價格相差無幾而功能更強(qiáng)大、設(shè)計更簡單。所以人們己經(jīng)開始大量使用帶有協(xié)議棧的GPRS模塊。本系統(tǒng)中,只有通過GPRS模塊才能把采集到的電表數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程管理計算機(jī)上,我們選用了SIMCOM公司生產(chǎn)的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的SIM30OCGPRS模塊。SIM300C是具有三波段的GSM/GPRS模塊,可以在全球范圍內(nèi)的EGSM900MHz、DCS1800MHz和PCS1900MHz三種頻率下工作,具有提供GPRS多信道類型多達(dá)10個的能力,并且能夠支持C-1、CS-2、CS-3和CS-4四種GPRS編碼方案，在內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧,并且擴(kuò)展了TCP/IPAT指令,使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得特別簡單、方便。SIM300C外形尺寸小巧,所以特別適合于對產(chǎn)品尺寸大小有嚴(yán)格要求的工業(yè)應(yīng)用,如機(jī)器對機(jī)器和移動數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)等。SIM300C是利用節(jié)電技術(shù)設(shè)計的,在睡眠模式下工作電流僅為2.5mA同時,模塊內(nèi)部集成了充電電路,所以SIM30OC非常適合于電池供電等對功耗要求比較高的應(yīng)用中。模塊與移動應(yīng)用設(shè)備是通過一個60引腳的板間連接器相連,它提供除了RF天線接口的其他所有的模塊和用戶電路板之間的硬件接口SIM300C內(nèi)部功能模塊有:1、鍵盤和SPI類型的液晶屏幕接口,使用戶開發(fā)自己的應(yīng)用設(shè)備非常方便。2、具有調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸兩個串口,幫助開發(fā)人員更容易的開發(fā)產(chǎn)品。3、包括兩個麥克風(fēng)輸入和兩個話筒輸出的雙音頻通道,可以由AT指令很容易的配置其工作模式,還能夠?qū)崿F(xiàn)免提功能[12]。4.3GPRS電路設(shè)計該模塊主要包括GPRS模塊與單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口電路、SIM卡接口電路及模塊工作狀態(tài)指示燈電路。數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后通過串行接口電路發(fā)送到SIM300C中,SIM300C的功能是將電表數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行TCP/IP打包封裝,利用與其連接的天線發(fā)射出去,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)將電表數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心的主機(jī)處理,然后存入數(shù)據(jù)庫中;此外,SIM30OC還可以接收到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)和命令,再將接收到的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行TCP仰解封裝后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。由于傳輸數(shù)據(jù)的承載方式是GPRS網(wǎng)絡(luò),所以SIM卡是必不可少的,其功能是存儲數(shù)據(jù)(控制存取各種數(shù)據(jù))和在安全條件下(個人身份號碼PIN)完成客戶身份鑒權(quán)和客戶信息加密算法的全過程。4.3.1SIM300C接口電路設(shè)計SIM300C接口電路如圖4.1所示。GPRS模塊是通過60引腳的板間連接器和系統(tǒng)主板相連接的,通過該連接器可以訪問SIM300C的所有功能模塊。圖4-1SIM300C接口電路圖圖4-2開關(guān)機(jī)電路圖SIM300C的PWRKEK引腳與STM32的I/O端口P4.7相連,由STM32來控制其啟動和關(guān)閉。當(dāng)把PWRKEY拉為低電平一定時間后,SIM300C就被啟動。當(dāng)SIM300C啟動成功后,外部電壓輸出引腳VDD_EXT輸出3V,同時串口1發(fā)送/RDY0結(jié)果代表明模塊己經(jīng)被正常啟動。在設(shè)計電路的時候,可以把VDDEXT引腳也引出,通過測量該引腳的電平就可以知道模塊是否啟動,非常有助于調(diào)試工作.SIM300C模塊在TCP/IP應(yīng)用任務(wù)下支持一種特殊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模式（數(shù)據(jù)透傳模式）在這種模式下,一旦建立連接,模塊就進(jìn)入數(shù)據(jù)模式,所有從串口接收到的數(shù)據(jù)都被看作數(shù)據(jù)包,隨后直接被發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上;與此相似,從遠(yuǎn)程服務(wù)器上接收到的所有數(shù)據(jù)都直接從串口發(fā)送出去。數(shù)據(jù)模式和命令模式之間可以來回切換，一旦切換到命令模式,所有的AT指令都可以使用。如果SIM300C與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立連接,數(shù)據(jù)載波檢測(DCD)引腳就會變?yōu)榈碗娖健?.3.2指示電路設(shè)計根據(jù)DCD引腳的變化,我們在該系統(tǒng)中設(shè)計了一個GPRS數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)指示燈Dl,從Dl的狀態(tài)就能夠很直觀的看出模塊是否在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.電路中發(fā)光二極管D-STATE由SIM300C的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示引腳控制,當(dāng)模塊處于不同的網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)時,D-STATE也處于不同時間間隔的閃爍。指示電路如4-2所示：圖4-2指示電路表4-3SIM300C工作狀態(tài)指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)燈D-STATE工作狀態(tài)SIM300C工作狀態(tài)熄滅SIM300C沒有啟動64ms亮,800ms滅SIM30OC沒有搜尋到可用網(wǎng)絡(luò)64ms亮,300ms滅正在進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)通信信4.3.3SIM卡電路設(shè)計SIM300C自身為SIM卡提供復(fù)位信號、時鐘信號和電源遵照當(dāng)前多數(shù)手機(jī)SIM卡插座設(shè)計方案來設(shè)計的[14]。

SIM300C模塊提供的SIM卡接口信號有：VSIM-SIM卡電源、SIMRST-復(fù)位、SIMCLK-時鐘、SIMDATA-數(shù)據(jù)。SIM卡與模塊之間通過SIM卡座進(jìn)行連接，設(shè)計中采用6針SIM卡座，其信號線主要有：電源(VCC)、地(GND)、復(fù)位(RST)、狀態(tài)(VPP)、時鐘(CLK)、數(shù)據(jù)(I/O)，其中狀態(tài)線VPP不接。SIM卡電源可以是1.8V或3V，RST、CLK、I/O3個引腳分別連接22k電阻后，再與SIM300C的SIMRST、SIMCLK、SIMDATA相連，SIMDATA與VSIM間還需接1個10k的上拉電阻。另外，在SIM卡接口電路中，為了減小靜電干擾，應(yīng)使用靜電防護(hù)器件，設(shè)計中采用了SEMI公司的SMF05C。具體電路如圖4-4所示：圖4-4SIM卡電路4.3.4電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計SIM300C模塊為用戶提供了：通用串口和調(diào)試串口。因?yàn)槟K提供的2個串口都是TTL電平，需通過電平轉(zhuǎn)換芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。設(shè)計中采用MAXIM公司的MAX23芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使用TXD、RXD、GND3根線構(gòu)成3線串。電平轉(zhuǎn)換電路圖如4-5所示：圖4-5電平轉(zhuǎn)換電路4.4本章總結(jié)本章是對本次集中器設(shè)計中兩大電路模塊之一，與控制中心的上行通道設(shè)計，采用了基于SIM3OOC的GPRS電路。首先對GPRS系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)進(jìn)行介紹和闡述，然后在對主芯片SIM300C做詳細(xì)介紹，最后設(shè)計了GPRS通信電路，其中包括了SIM300C接口電路、開關(guān)機(jī)電路、指示電路、SIM卡電路、電平轉(zhuǎn)換電路。并對這些電路的工作狀態(tài)進(jìn)行了解釋說明。5.1RS-485通信技術(shù)介紹RS-485是CCITT標(biāo)準(zhǔn)化V.11X/.27兼容的平衡式電氣特性標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)采用集成電路,在一對平衡的互連電纜上傳送差分信號,在接收端用差分接收器進(jìn)行信號判決。這種接口是具有抑制共模干擾的能力,因此抗干擾性能很好,信號發(fā)送頻率最高可達(dá)10MHz。在使用雙絞線,信號速率小于1OOkbps時,傳輸距離可達(dá)1200m。RS-485接口在一個通道上可進(jìn)行半雙工通信,所以只需兩根線便可雙向通信,并可方便地構(gòu)成一點(diǎn)對多點(diǎn)或多點(diǎn)之間的相互通信網(wǎng)絡(luò),一般使用雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)總線。總線上掛接的節(jié)點(diǎn)個數(shù)因選用的接口驅(qū)動芯片而異,最多可接128個節(jié)點(diǎn)。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的沖擊的收發(fā)器,在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)綜合考慮這些因素。RS-485是在RS422之后推出的一種電氣標(biāo)準(zhǔn)，用于進(jìn)行中等距離的信號傳輸，有以下的約束條件：（1）最大的通信距離約為1.2km，通信距離不長。（2）理論上最大傳輸速率為10Mb/S，而且最大的傳輸速率直接影響傳輸距離，距離越遠(yuǎn)，傳輸速率越低。（3）RS-485總線一般支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)少，常規(guī)的RS-485總線支持32個節(jié)點(diǎn)，只有特的485芯片才能使得支持節(jié)點(diǎn)數(shù)增加[15]。5.2RS-485總線布線規(guī)范485總線由于其布線簡單，穩(wěn)定可靠從而廣泛的應(yīng)用于視頻監(jiān)控，門禁對講，樓宇報警等各個領(lǐng)域中，但是，在485總線布線過程中由于有很多不完全準(zhǔn)確的概念導(dǎo)致出現(xiàn)很多問題?，F(xiàn)在將一些錯誤的觀念作出一些澄清。485信號線不可以和電源線一同走線。在實(shí)際施工當(dāng)中，由于走線都是通過管線走的，施工方有的時候?yàn)榱藞D方便，直接將485信號線和電源線綁在一起，由于強(qiáng)電具有強(qiáng)烈的電磁信號對弱電進(jìn)行干擾，從而導(dǎo)致485信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定。485信號線可以使用屏蔽線作為布線，也可以使用非屏蔽線作為布線。由于485信號是利用差模傳輸?shù)模从?85+與485-的電壓差來做為信號傳輸。如果外部有一個干擾源對其進(jìn)行干擾，使用雙絞線進(jìn)行485信號傳輸?shù)臅r候，由于其雙絞，干擾對于485+，485-的干擾效果都是一樣的，那電壓差依然是不變的，對于485信號的干擾縮到了最小。同樣的道理，如果有屏蔽線起到屏蔽作用的話，外部干擾源對于其的干擾影響也可以盡可能的縮小。選擇使用普通的超五類屏蔽雙絞線即網(wǎng)線就可以。由于原材料價格上漲，導(dǎo)致現(xiàn)在市場上的線材魚龍混雜，有不良商人利用某種合金來頂替銅絲來做網(wǎng)線，在外面鍍銅以蒙混客戶。具體區(qū)別方法：看網(wǎng)線截面，如果是銅色的話，就是銅絲，如為白色，則是用合金以次充好。合金一般比較脆，容易斷，而且導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如銅絲，很容易在工程施工中造成問題。線材一般那建議選擇標(biāo)準(zhǔn)的485線，其為屏蔽雙絞線，傳輸線不是像網(wǎng)線那樣為單股的銅絲，而是多股銅絲絞在一起形成一根線，從而即使某根小銅絲斷掉，也不會影響整個的使用。485布線借助485集線器和485中繼器可以任意布設(shè)成星型接線與樹形接線。485布線規(guī)范是必須要手牽手的布線，一旦沒有借助485集線器和485中繼器直接布設(shè)成星型連接和樹形連接，很容易造成信號反射導(dǎo)致總線不穩(wěn)定。很多施工方在485布線過程中，使用了星型接線和樹形接線，有的時候整個系統(tǒng)非常穩(wěn)定，但是有的時候則總是出現(xiàn)問題，又很難查找原因，一般都是由于不規(guī)范布線所引起的。485總線必須要接地。在很多技術(shù)文檔中，都提到485總線必須要接地，但是沒有詳細(xì)的提出如何接地。嚴(yán)格的說，485總線必須要單點(diǎn)可靠接地。單點(diǎn)就是整個485總線上只能是有一個點(diǎn)接地，不能多點(diǎn)接地，因?yàn)閷⑵浣拥厥且驗(yàn)橐獙⒌鼐€（一般都是屏蔽線作地線）上的電壓保持一致，防止共模干擾，如果多點(diǎn)接地適得其反?？煽拷拥貢r整個485線路的地線必須要有良好的接觸，從而保證電壓一致，因?yàn)樵趯?shí)際施工中，為了接線方便，將線剪成多段再連接，但是沒有將屏蔽線作良好的連接，從而使得其地線分成了多段，電壓不能保持一致，導(dǎo)致共模干擾[16]。5.3RS-485在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用總線型通信系統(tǒng)是為克服星型連接的不足而采用的,這種方式以一條串行總線連接各分散的終端,實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的互連 。這種方式下,信道上節(jié)點(diǎn)較多,傳輸速率不很高(與通信介質(zhì)有關(guān)),傳輸距離短,不超過2000m,因此一般用于底層數(shù)據(jù)的采集。本次設(shè)計底層通信系統(tǒng)位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，包括用戶電表、表箱控制器和集中器。表箱控制器通過RS-485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、顯示和轉(zhuǎn)發(fā)。本系統(tǒng)中集中器主要由控制器和通信模塊構(gòu)成。集中器利用RS-485總線把比較接近的表箱控制器的數(shù)據(jù)匯總過來，對它們進(jìn)行分時存儲，并利用通信模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)（此設(shè)計用RS-485串行總線）把數(shù)據(jù)傳送給上位供電部門管理中心。集中器又稱為抄表數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備，其設(shè)計實(shí)現(xiàn)就成為本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。RS-485總線是一種有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，在?shí)際應(yīng)用中一般是用屏蔽雙絞線來作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路。但是由于它的傳輸距離的限制，我們多用于集中抄表器和電表之間的數(shù)據(jù)傳輸通信。通過RS-485總線，使得電表和集中抄表器之間得到有機(jī)的關(guān)聯(lián)5.4RS-485通信電路設(shè)計RS-485接口電路的主要功能是：將來自微處理器的發(fā)送信號TX通過“發(fā)送器”轉(zhuǎn)換成通訊網(wǎng)絡(luò)中的差分信號，也可以將通訊網(wǎng)絡(luò)中的差分信號通過“接收器”轉(zhuǎn)換成被微處理器接收的RX信號。任一時刻，RS-485收發(fā)器只能夠工作在“接收”或“發(fā)送”兩種模式之一，因此，必須為RS-485接口電路增加一個收/發(fā)邏輯控制電路。另外，由于應(yīng)用環(huán)境的各不相同，RS-485接口電路的附加保護(hù)措施也是必須重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。本次設(shè)計選用的電路使用用SP485R芯片，SP485R芯片本身集成了有效的ESD保護(hù)措施。電路圖如圖5-1RS-485電路圖5-1為一個使用光電隔離方式連接的SP485R芯片的485電路，可以被直接嵌入實(shí)際的RS-485應(yīng)用電路中。微處理器的UART串口的RXD、TXD通過光電隔離電路連接SP485R芯片的RO、DI引腳，控制信號R/D同樣經(jīng)光電隔離電路去控制SP485R芯片的DE和/RE引腳。由微處理器輸出的R/D信號通過光電隔離器件控制SP485R芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D信號為“1”，則SP485R芯片的DE和/RE引腳為“1”，發(fā)送器有效，接收器禁止，此時微處理器可以向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R/D信號為“0”，則SP485R芯片的DE和/RE引腳為“0”，發(fā)送器禁止，接收器有效，此時微處理器可以接收來自RS-485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。任一時刻，SP485R芯片中的“接收器”和“發(fā)送器”只能夠有1個處于工作狀態(tài)。連接至A引腳的上拉電阻R7、連接至B引腳的下拉電阻R8用于保證無連接的SP485R芯片處于空閑狀態(tài)，提供網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)，以提高RS-485節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的可靠性。R7,R8,R9這三個電阻

要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而改變大小，特別在用120歐或更小終端電阻時，R9就不需要了，R7和R8應(yīng)使用680歐電阻。使用DC-DC器件可以產(chǎn)生1組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向RS-485收發(fā)器電路提供+5V電源。

光耦器件，比如Agilent公司的超高速光耦元件隔離雖然能有效的抑制高共模電壓，但總線上還會存在浪涌沖擊、電源線與485線短路、雷擊等潛在危害，所以我們一般會在總線端采取一定的保護(hù)措施。一般我們會在VA、VB上各串接一個4～10Ω的PTC電阻，并在VA、VB各自對地端接6、8V的TVS管，當(dāng)然也可用普通電阻與穩(wěn)壓二極管代替。更多的還可以加熱保險絲、防雷管，不過并不是說這些加的越多越好，具體要看實(shí)際應(yīng)用，如果這些保護(hù)太多的話，也會影響到整個系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，與通信穩(wěn)定性電路中光耦器件的速率將會影響RS-485電路的通訊速率。圖2中選用了NEC公司的光耦器件PS2501芯片，受PS2501芯片的響應(yīng)速率影響，這一示范RS-485接口電路的通訊速率只可保障在19200bps速率下正常工作；如果需要達(dá)到更高的RS-485通訊速率，則需要選用響應(yīng)速度更快的[17]。5.5本章總結(jié)本章是集中器與下行通道的通信電路設(shè)計，與下行通道采用的RS-485總線電路。首先對RS-485通信技術(shù)和總線布線規(guī)范進(jìn)行介紹，然后對其在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行說明，最后給出了采用SP485R芯片的光電隔離型RS-485通信電路的設(shè)計圖。6軟件設(shè)計該系統(tǒng)主要是針對客戶對現(xiàn)有電度表計量系統(tǒng)改造而設(shè)計開發(fā)的。因?yàn)榭蛻衄F(xiàn)場使用的電度表只能以有線的方式將有功/無功、需量、預(yù)付費(fèi)等多種參數(shù)上傳到管理計算機(jī),不能支持無線通訊。為了便于集中管理和實(shí)現(xiàn)電能管理自動化,需要把電度表的測量參數(shù)通過中國移動公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到管理計算機(jī),保存在計算機(jī)和數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)客戶提出的功能需求,本文設(shè)計了該抄表終端,下面就終端軟件實(shí)現(xiàn)的功能和軟件流程進(jìn)行詳細(xì)說明[18]。6.1主程序流程圖系統(tǒng)在開機(jī)后,首先對各個功能部件進(jìn)行初始化，系統(tǒng)初始化包括:（1）系統(tǒng)時鐘設(shè)置，STM32F103FZET6采用雙時鐘振蕩方式：實(shí)時時鐘（RTCClock）以及系統(tǒng)時鐘（SYSClock）。（2）設(shè)置定時器TimerA3作為系統(tǒng)延時和進(jìn)行時序控制,TimerA3時鐘源采用ACLK,