畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-基于單片機(jī)的電能表自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　基于單片機(jī)的電能表自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院 </p><p>　　年級(jí)專業(yè) 電子信息工程四班 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p&

2、gt;<p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　專業(yè)負(fù)責(zé)人 </p><p>　　答辯日期 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　學(xué)院： 系級(jí)教學(xué)單位：

3、 </p><p>　　說明：如計(jì)算機(jī)輸入，表題黑體小三號(hào)字，內(nèi)容五號(hào)字。本任務(wù)書一式二份，教師、學(xué)生各執(zhí)一份。</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　公共事業(yè)收費(fèi)自動(dòng)化和小區(qū)物業(yè)管理智能化等領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用越來越受到人們的重視,本文研究旨在提供一種利用低壓電力供電網(wǎng)絡(luò),低成本高可靠地實(shí)現(xiàn)公共事業(yè)收費(fèi)自動(dòng)化和

4、小區(qū)物業(yè)管理智能化的技術(shù)應(yīng)用.</p><p>　　在本文介紹了一種基于MSP430單片機(jī)的復(fù)費(fèi)率單相電能表的主電路及通信接口電路,給出了其具體電路,采用AD7755作為專用電量測(cè)量芯片以保證測(cè)量脈沖數(shù)的準(zhǔn)確性,硬件日歷時(shí)鐘及參數(shù)存儲(chǔ)采用總線器件以減少電路連線。綜合設(shè)計(jì)使電能表的工作可靠性得到大大提高。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)也作了介紹。</p><p>　　關(guān)鍵詞　單片機(jī), 遠(yuǎn)程

5、抄表, AD7755</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Technique of transmitting data via power line (PL), a new technique developed in recent years ,is used to automatize the free collecting

6、system in public service and the management of uptown service. This article discussed the advantage , disadvantage and the current state of the power line carrier communication. The advantage, method and current state of

7、 using spread spectrum technique in power line communication are discussed. The main control and communicating interface circuits of the multi-</p><p>　　Keywords: Single chip; Remote recording; AD7755</p&

8、gt;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p

9、>　　1.1.1自動(dòng)抄表的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.2 研究成果3</p><p>　　第2章 自動(dòng)抄表系統(tǒng)概述3</p><p>　　2.1 自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明3</p><p>　　2.1.1 電能表4</p><p>　　2.1.2網(wǎng)絡(luò)通訊4</p><p&g

10、t;　　2.1.2數(shù)據(jù)交換設(shè)備5</p><p>　　2.2 系統(tǒng)的選擇6</p><p>　　2.2.1 幾種常見的系統(tǒng)組合方式6</p><p>　　2.2.2 常見抄表方式的優(yōu)缺點(diǎn)6</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的工作原理8</p><p>　　3.1 電能表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8</p>&l

11、t;p>　　3.1.1時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1.2電能計(jì)量電路10</p><p>　　3.1.3 液晶顯示電路11</p><p>　　3.1.4 串行接口11</p><p>　　3.2數(shù)據(jù)集中器的結(jié)構(gòu)原理圖12</p><p>　　3.2.1集中器硬件電路的設(shè)計(jì)13</p

12、><p>　　3.2.2與IC卡抄表器的接口電路13</p><p>　　3.2.3 電源模塊14</p><p>　　3.3數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.3.1數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)原理圖14</p><p>　　3.3.2數(shù)據(jù)采集器的硬件電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　第四

13、章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 電能表的軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1.1 軟件設(shè)計(jì)思想19</p><p>　　4.1.2 軟件程序框圖19</p><p>　　4.1.3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2 數(shù)據(jù)其中器的軟件設(shè)計(jì)20</p>&

14、lt;p>　　4.2.1 主程序設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2.2 電源管理程序的設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.3 數(shù)據(jù)采集器的軟件設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.3.1 主程序23</p><p>　　4.3.2通訊中斷子程序25</p><p>　　4.3.3存儲(chǔ)器操作子程序26&

15、lt;/p><p>　　4.3.4延時(shí)自程序26</p><p><b>　　結(jié) 論26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　附錄129</b></p><p><b>　　附錄230&l

16、t;/b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　自動(dòng)抄表技術(shù)（Automatic Meter Reading）是將數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸和處

17、理應(yīng)用于電能供用與管理系統(tǒng)中的一項(xiàng)新技術(shù)。它從根本上克服了傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊端，給電能管理的現(xiàn)代化帶來了新的希望。目前，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已把自動(dòng)抄表技術(shù)廣泛用于配電管理。我國(guó)對(duì)自動(dòng)抄表技術(shù)的研究起步較晚，但是發(fā)展速度很快。對(duì)供電部門和用戶來說，人工抄表收費(fèi)一直是一大難題，而人工收取電費(fèi)到底難在何處呢？第一，難入戶?，F(xiàn)在的用戶大多不希望被人打擾，而且抄表工作只能在早、晚居民休息時(shí)間進(jìn)行，因而使收費(fèi)的成功率很低，有時(shí)一戶需反復(fù)多次上門才能

18、收齊電費(fèi)；第二，人工工資支出高。如1萬戶電力用戶，抄表人員約45～70人，年費(fèi)用近100萬元。隨著城市的擴(kuò)張，抄表員人數(shù)及薪資同步增加；第三，抄表工作勞動(dòng)強(qiáng)度大：由于高層樓房的普及，使抄表成為勞動(dòng)強(qiáng)度較大的工作。自動(dòng)抄表技術(shù)就是在技術(shù)與管理兩方面急待進(jìn)步、改革的迫切需求下逐漸發(fā)展起來的。</p><p>　　1自動(dòng)抄表的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　傳感器、自動(dòng)化儀表以及集成電路技術(shù)的進(jìn)步

19、，使得無論是機(jī)電脈沖式還是全電子式電度表已能夠較好地滿足現(xiàn)今自動(dòng)抄表技術(shù)的需要。對(duì)于機(jī)電脈沖式電度表，只需在表內(nèi)安裝光電轉(zhuǎn)換模塊和相應(yīng)的接口，即可實(shí)現(xiàn)反映用電量的電信號(hào)輸出。這類模塊和接口具備成本低廉、小巧且易于拆裝等特點(diǎn)，因此列目前仍在大量使用的感應(yīng)系電度表的改裝是可行且易于實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于全電子式電度表，可直接讀取其電脈沖輸出。有的新型全電子式電度表本身安裝有多種接口；適用于模擬、數(shù)字等各種通信模式。今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，自動(dòng)抄表系統(tǒng)的終

20、端采集裝置將以上述兩種儀表為主。</p><p>　　再則，匯集數(shù)據(jù)的采集器和集中器等裝置，可通過單片機(jī)、存儲(chǔ)器和接口電路等方便地實(shí)現(xiàn)，并且已經(jīng)有了較成熟的產(chǎn)品。因此，數(shù)據(jù)采集并不構(gòu)成自動(dòng)抄表技術(shù)中的難點(diǎn)。</p><p>　　事實(shí)上，通信子系統(tǒng)是自動(dòng)抄表技術(shù)中的關(guān)鍵，也占據(jù)了投資的相當(dāng)大部分。數(shù)據(jù)通信方式的選取要綜合考慮如地理環(huán)境特點(diǎn)、用戶用電行為、技術(shù)水平、管理體制和投資成本等因素。很

21、多情況下，某種方式最終被選用并不表示經(jīng)濟(jì)利益和技術(shù)要求的最大滿足，而只是權(quán)衡了各方面條件后的折中。這就給研究留下了空間。據(jù)參考文獻(xiàn)，前述的幾種通信方式在實(shí)際系統(tǒng)中均有應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外對(duì)于不同通信方式的側(cè)重有所不同。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于自動(dòng)抄表技術(shù)的研究起步較早且比較深入；且它們的電力系統(tǒng)包括配電網(wǎng)絡(luò)也相當(dāng)規(guī)范、完備。所以，低壓電力載波技術(shù)得到了相對(duì)廣泛的、成功的應(yīng)用。而在我國(guó)，受技術(shù)水平所限，則較多使用電話線通信。近來，隨著對(duì)擴(kuò)頻技術(shù)研究的

22、深入，低壓電力線載波中干擾大的問題正逐漸得到解決。因此，低壓電力線教波在自動(dòng)抄表技術(shù)中的應(yīng)用有逐漸推廣的趨勢(shì)。</p><p>　　由于電力部力實(shí)際應(yīng)用的需求以及自動(dòng)抄表技術(shù)自身完善的需要，近兩年在該領(lǐng)域形成了以下一些研究熱點(diǎn)和進(jìn)步趨向</p><p>　　從20世紀(jì)90年代早期至中期，這一階段自動(dòng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式主要是485總線、電力線載波自制總線。從1997～2001年，采樣方式

23、多改為磁敏傳感，傳輸方式則以485為主流。485方式下的分支問題則使用集中器、HUB解決，此種方式可以較好地正常運(yùn)轉(zhuǎn)。關(guān)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，多數(shù)廠家用增設(shè)集中器來解決用戶增加的問題。電磁兼容成為這一時(shí)期系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，因?yàn)殡姳泶嬖谒矔r(shí)功率脈沖和平均功率脈沖的不同步的問題。從2002年至今，主流模式是數(shù)碼表。完善集中抄表系統(tǒng)主要有幾大難點(diǎn)：①設(shè)計(jì)時(shí)無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，基本都是各自為政，使產(chǎn)品的普及存在難度；②調(diào)試時(shí)只靠人為的標(biāo)識(shí)來區(qū)別線路，施工中容易造成

24、混亂；③系統(tǒng)開發(fā)商和廠家脫節(jié)。由于表的供應(yīng)商和系統(tǒng)的供應(yīng)商分離，現(xiàn)階段對(duì)于表具沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以遵循，系統(tǒng)的質(zhì)量和表具的質(zhì)量都是良莠不齊，經(jīng)常出現(xiàn)互相扯皮的現(xiàn)象，影響用戶最后的使用；④由于系統(tǒng)環(huán)節(jié)繁多，導(dǎo)致系統(tǒng)出問題的點(diǎn)比較多，又由于采用集中采集的特點(diǎn)一個(gè)地方出現(xiàn)問題可能會(huì)導(dǎo)致一大片出問題，因此問題很多。在這種情況下，直讀表應(yīng)運(yùn)而生。這種表區(qū)別與以往的表的特點(diǎn)是讀出的就是數(shù)據(jù)，而不再是脈沖，相當(dāng)于把流量計(jì)和積算儀集成到一起</p&

25、gt;<p>　　1.1.1. 研究成果</p><p>　　(1)電子技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　由于電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是低功耗、高電磁兼容能力的芯片技術(shù)的一日千里的發(fā)展已經(jīng)使2～3年前有難度的問題變得容易解決，而且是低成本來解決。由于內(nèi)部采用無干擾的電池供電，只要在硬件方面采取有效的隔離措施，軟件方面采用冗余校驗(yàn)的方法，計(jì)數(shù)直讀表的可靠性是完全值得信賴的。目前已

26、有企業(yè)開發(fā)出了能夠嵌入表內(nèi)的計(jì)數(shù)抄表模塊專門用于遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表。</p><p>　　(2) 主要產(chǎn)品及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　目前自動(dòng)抄表廠家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，表具必須具備直接輸出數(shù)據(jù)的功能，系統(tǒng)采用總線制結(jié)構(gòu)。分線制系統(tǒng)已逐漸被淘汰.當(dāng)前正在起步的抄表方式: GPRS自動(dòng)抄表系統(tǒng)中國(guó)移動(dòng)GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動(dòng)通信公司的GPRS業(yè)務(wù)平臺(tái)上構(gòu)建電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電表

27、數(shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本的優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單。GPRS電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)由位于電力局的配電中心和位于居民小區(qū)的電表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)組成，利用中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)有的GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)，電表數(shù)據(jù)通過中國(guó)移動(dòng)的GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。</p><p>　　對(duì)于電力部門來說，遠(yuǎn)程抄表需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，給收取電費(fèi)造成極大的不便，而GPRS自動(dòng)抄表系統(tǒng)將成為新世

28、紀(jì)比較普及的自動(dòng)抄表系統(tǒng)之一。</p><p>　　第2章 自動(dòng)抄表系統(tǒng)概述</p><p>　　2.1 自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明</p><p>　　自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要由三部分組成電能表,通信網(wǎng)絡(luò),以及與電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的各種設(shè)備.</p><p>　　按照采集數(shù)據(jù)方式的不同，自動(dòng)抄表系統(tǒng)可以被大致劃分為本地和遠(yuǎn)程兩種。本地抄表系統(tǒng)所使用的電度

29、表一般加裝紅外轉(zhuǎn)換裝置，把電量轉(zhuǎn)換為紅外信號(hào)，抄表時(shí)操作人員到現(xiàn)場(chǎng)使用便攜抄表微機(jī)在紅外可視的距離內(nèi)非接觸地讀取數(shù)據(jù)。</p><p>　　電子式電度表或加裝了光電轉(zhuǎn)換器的機(jī)電脈沖式電度表構(gòu)成遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的最前端。它們把用戶的用電量以電脈沖的形式傳遞給上了一級(jí)數(shù)據(jù)采集裝置。目前實(shí)際應(yīng)用的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)大多采用兩級(jí)式數(shù)據(jù)匯集結(jié)構(gòu)，即由安裝于小區(qū)單元的采集器收集十幾到幾十個(gè)電度表的讀數(shù)，而安裝在配電變壓器下的集中器

30、則負(fù)責(zé)定期從采集器讀取數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　2.1.1 電能表</b></p><p>　　自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的電能表是指具有數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)以及交換能力的電力儀表根據(jù)使用場(chǎng)合不同可以是工業(yè)用表或居民用表其內(nèi)部數(shù)據(jù)內(nèi)容可以不同,(這里我們選用一種基于MSP430單片機(jī)的復(fù)費(fèi)率單相電能表.) </p><p><b>　　2.1.

31、2網(wǎng)絡(luò)通訊</b></p><p>　　通信網(wǎng)絡(luò)是指在電能表和數(shù)據(jù)交換設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?它可以根據(jù)需要表現(xiàn)為各種形式如本地紅外通信RS-232 ,通信RS-485 通信,電力載波通信,無線通信,電話線數(shù)據(jù)通信,光纖或?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)通信等形式.通信網(wǎng)絡(luò)一般具有覆蓋面廣傳輸信道公開通用的特點(diǎn)有相應(yīng)的通信協(xié)議規(guī)范.</p><p>　　有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的介入，網(wǎng)絡(luò)安全問題就不可避免。

32、相比之下，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信較之自動(dòng)抄表技術(shù)中所采用的其他通信方式更容易受到攻擊。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)本身的缺陷、漏洞構(gòu)成內(nèi)因；而對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的攻擊的易于實(shí)施性成為外因。通常黑客對(duì)某個(gè)特定網(wǎng)絡(luò)發(fā)動(dòng)攻擊，所需要的除了一定的技術(shù)外，僅僅是一臺(tái)廉價(jià)計(jì)算機(jī)和與該網(wǎng)絡(luò)的物理連接。另一個(gè)值得關(guān)注的問題是：一旦自動(dòng)抄表系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信（特別是像Internet這樣大型的開放式網(wǎng)絡(luò)），它將面臨上述各種危險(xiǎn)因素的挑戰(zhàn)。而且，并不是所有的安全措施和技術(shù)都能

33、用于提高抄表系統(tǒng)的安全性，因?yàn)樽詣?dòng)抄表系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)。</p><p>　　自動(dòng)抄表系統(tǒng)的通信是日分布在較廣范圍內(nèi)的采集器、集中器與中心處理站間交換數(shù)據(jù)的過程。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般屬于集線器式（多點(diǎn)通過集線器連接到服務(wù)器）。通信中既要保證所抄得數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸，又必須確保中心工作站不會(huì)受到采自傳輸網(wǎng)絡(luò)的意外攻擊。數(shù)據(jù)可采用密碼技術(shù)進(jìn)行保護(hù)。通常，密鑰只在小型的分布式網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，或網(wǎng)絡(luò)是中央集線器格局的。支持公鑰的

34、密碼機(jī)制可運(yùn)行在大型的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。對(duì)中心工作站的保護(hù)人可綜合運(yùn)用防火墻、控制訪問權(quán)限以及使用安全內(nèi)核等技術(shù)。防人墻和安全內(nèi)核技術(shù)更多地涉及計(jì)算機(jī)軟件方面的研究，其關(guān)鍵是選用適合于自動(dòng)抄表系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的軟體，以及采用自身安全性可靠、安全漏洞少的操作系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái)。對(duì)于控制訪問權(quán)限，則需要研究制定合理、高效的安全策略保證合法用戶能充分靈活邊行使其權(quán)限有效防止非法用戶的訪問及合法用戶的非法操作；同時(shí)，確保系統(tǒng)通信的、快速、便捷

35、、通暢。</p><p>　　當(dāng)然，為自動(dòng)抄表系統(tǒng)構(gòu)建專門的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可以明顯加強(qiáng)安全性，降低系統(tǒng)遭受攻擊的可能，但這要付出高昂的代價(jià)，同時(shí)會(huì)限制本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的通信，減弱計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在靈活性方面的優(yōu)勢(shì)，因此并不是一種積極的方法。鑒于此，目前應(yīng)該研究的是如何將現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)很好地融合到自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，以解決網(wǎng)絡(luò)開放性要求和系統(tǒng)安全性之間矛盾。</p><p>　　2.1.2數(shù)據(jù)交換

36、設(shè)備</p><p>　　需要與電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)交換設(shè)備.在討論數(shù)據(jù)傳輸時(shí)一般將數(shù)據(jù)交換設(shè)備定義為虛擬設(shè)備.在實(shí)際的自動(dòng)抄表系統(tǒng)中可以體現(xiàn)為各種具體形式的設(shè)備數(shù)據(jù)交換設(shè)備可以分為三類:</p><p>　　直接本地設(shè)備,本地設(shè)備,和遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)設(shè)備.直接本地設(shè)備是指在本地近距離直接與單臺(tái)電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備.主要體現(xiàn)為各種手持設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)為紅外通信RS-232 通信或無

37、線通信.本地設(shè)備是指在本地一定范圍內(nèi)可以與一定數(shù)量的電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備主要表現(xiàn)為各種數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)為RS-485 通信,電力載波通信無線通信或?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)通信. 遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)設(shè)備是在一定范圍內(nèi)可以和不同地區(qū)較大數(shù)量的電能表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的設(shè)備主要是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)為無線通信電話線數(shù)據(jù)通信光纖或?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)通信.</p><p>　　而數(shù)據(jù)交換設(shè)備具體的可分為：數(shù)據(jù)采集器和集中器。其中

38、數(shù)據(jù)采集器主要負(fù)責(zé)對(duì)電能表的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行收集及存儲(chǔ)。集中器的作用對(duì)各載波電表實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送，具有內(nèi)部硬時(shí)鐘可與系統(tǒng)進(jìn)行廣播校時(shí)，并實(shí)施定時(shí)抄表命令，存儲(chǔ)抄表數(shù)據(jù)，可通過各種網(wǎng)絡(luò)媒介與主站完成數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)設(shè)備主要由中心處理工作站以及相應(yīng)的軟件構(gòu)成，是整個(gè)自動(dòng)抄表系統(tǒng)的最上層，所有用戶的用電信息通過信道都匯集到這里，管理人員再利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，以便做出相應(yīng)的決策。如果硬件允

39、許，還可直接向下級(jí)集中器或電度表發(fā)出指令，從而對(duì)用戶的用電行為實(shí)施控制。由于抄表獲得的數(shù)據(jù)量很大；因此要求中心工作站的硬件必須有一定的運(yùn)算和存儲(chǔ)能力；而在軟件上首先要求操作系統(tǒng)應(yīng)穩(wěn)定可靠；其次，抄表軟件必須具有處理海量數(shù)據(jù)的能力。典型的抄表軟件具有如下功能：（1）遠(yuǎn)程設(shè)定抄表集中器和采集器內(nèi)的參數(shù)；（2）抄收整個(gè)系統(tǒng)中所有電度表的數(shù)據(jù)；（3）使中央控制站可遠(yuǎn)程地對(duì)用戶電度表進(jìn)行斷電和送電控制；（4）運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，生成用電量日?qǐng)?bào)、月報(bào)表，進(jìn)

40、行電費(fèi)結(jié)算；（5）使系統(tǒng)可進(jìn)行查詢管理，對(duì)異常用電戶給予告警提示，以配合檢查。</p><p><b>　　2.2 系統(tǒng)的選擇</b></p><p>　　一個(gè)完整的自動(dòng)抄表系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的目的是要將電能表的數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)設(shè)備為用戶和電能表管理方提供服務(wù)根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的不同選擇自動(dòng)抄表系統(tǒng)可以有各種組合方式.</p><p>　　

41、2.2.1 幾種常見的系統(tǒng)組合方式 </p><p>　　1, 遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)設(shè)備和電能表直接構(gòu)成自動(dòng)抄表系統(tǒng)這種方式通信網(wǎng)絡(luò)為無線通信光纖或?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)通信.電能表直接做為自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).這種方式實(shí)時(shí)性好對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求高成本高.</p><p>　　2, 遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)設(shè)備通過本地設(shè)備與電能表構(gòu)成自動(dòng)抄表系統(tǒng),這種方式可以構(gòu)成各種不同的自動(dòng)抄表系統(tǒng).遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)設(shè)備和本地設(shè)備之間以及本地設(shè)

42、備和電能表之間可以根據(jù)具體情況選擇不同的通信網(wǎng)絡(luò).本地設(shè)備做為自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).這種方式也具有較好的實(shí)時(shí)性對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的選擇較為靈活成本較高.</p><p>　　3, 遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)設(shè)備通過直接本地設(shè)備與電能表構(gòu)成自動(dòng)抄表系統(tǒng)這種方式實(shí)時(shí)性較差對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求較低,成本低,可靠性好.</p><p>　　在本文中我們采取第2中系統(tǒng)組合方式：計(jì)算機(jī)設(shè)備和本地設(shè)備之間采用電力載波通訊。&l

43、t;/p><p>　　2.2.2 常見抄表方式的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到控制中心的信通。為了適應(yīng)不同的環(huán)境條件以及成本要求，通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成有多種方案。按照通信介質(zhì)的不同通信子系統(tǒng)主要有：光纖傳輸、無線傳輸、電話線傳輸和低壓電力線載波傳輸?shù)人姆N。</p><p>　　纖通信具有頻帶寬、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)以及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，適合上層通信網(wǎng)的要求。但因

44、其安裝結(jié)構(gòu)受限制且成本高，故很少在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中使用。</p><p>　　無線通信適用于用戶分散且范圍廣的情況。綜合考慮成本和可靠性等問題，一般采取裝設(shè)小型無線電臺(tái)，在200MHZ～400MHZ頻率范圍內(nèi)的某個(gè)頻點(diǎn)上以散射通信方式進(jìn)行無線通信。其特點(diǎn)是傳輸頻帶較寬，通信容量較大（可與幾千塊電度表通信），通信距離遠(yuǎn)（幾十公里，并可通過中繼站延伸）；主要缺點(diǎn)是需申請(qǐng)頻點(diǎn)使用權(quán)，且如果頻點(diǎn)選擇不合理，相鄰信道會(huì)相互干

45、擾。</p><p>　　租用電話線通信是利用現(xiàn)成的電話網(wǎng)絡(luò)，只需在數(shù)據(jù)的發(fā)出和接收端分別加裝調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。該方法的數(shù)據(jù)傳輸率較高且可靠性好，一次性投資小；不足是線路接通時(shí)間較長(zhǎng)（通常需幾秒甚至幾十秒），當(dāng)集中器數(shù)已較多時(shí)，集中器到控制中心的通信效率將明顯降低。另外，若租用電話線路多，其租用費(fèi)也很可觀，因此不適合大容量系統(tǒng)。</p><p>　　低壓電力載波通信是自動(dòng)抄表技術(shù)的

46、研究熱點(diǎn)。它利用低壓電力線作為系統(tǒng)前端的數(shù)據(jù)傳輸通道。其基本原理是：在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將數(shù)據(jù)調(diào)制到一高頻載波上，再經(jīng)功率放大后耦合到電力線上。此高頻信號(hào)經(jīng)電力線路傳輸?shù)浇邮辗剑邮諜C(jī)通過耦合電路將高頻信號(hào)分離出來，濾去干擾信號(hào)后放大，再經(jīng)解調(diào)電路還原成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。電子載波直接利用配電線網(wǎng)絡(luò)，免去了租用線路或占用頻段等問題，降低了抄表成本，并且有利于運(yùn)營(yíng)管理，發(fā)展前景十分廣闊。但是，目前如何抑制電力線上的干擾，提高通信可靠性仍是亟待解決

47、的問題。</p><p>　　按照線路連接結(jié)構(gòu)的不同，通信系統(tǒng)可分為星型和總線型兩種類型。星型通信系統(tǒng)是以中心處理工作站為中心點(diǎn)，以發(fā)散的形式分別通過通信信道與集中器連接，形成一對(duì)多的連接構(gòu)架。信道通信數(shù)據(jù)量較大，要求有一定的傳輸速率和帶寬。一般光纖、無線和電話線通信都采用該連接方式。總線型通信系統(tǒng)是為克服星型連接的不足而采用的。它以一條串行總線連接各分散的采集器或電度表，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的互連；特點(diǎn)是信道上節(jié)點(diǎn)較多，

48、傳輸速率不高，傳輸距離短，因此一般用于底層（采集器、集中器層）電能數(shù)據(jù)的采集。低壓電力線載波以及RS～485總線網(wǎng)是常見的總線型結(jié)構(gòu)。</p><p>　　除上述之外，在某些局部區(qū)域或小范圍通信場(chǎng)合，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式也被使用，即特定的兩點(diǎn)間使用專線通信。如紅外抄表微機(jī)就是一例。另一個(gè)例子是20mA電流環(huán)，它采用以20mA電流為邏輯“1”、零電流為邏輯“0”的制式通信；由于使用了光電耦合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，提高

49、了系統(tǒng)的防雷擊、防靜電擊穿能力，但是因其布線成本高，所以應(yīng)用十分有限</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　3.1 電能表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　本方案中硬件采用TI公司高性能的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F413作為主控MCU，它具有8Kflash,16位RISC結(jié)構(gòu),CPU中的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達(dá)

50、到最高的代碼效率;靈活的時(shí)鐘源;數(shù)字控制的DCO可使器件從低功耗迅速喚醒,同時(shí)結(jié)合電量計(jì)量專用芯片AD7755,可以使電表硬件部分大為簡(jiǎn)化,而且很方便實(shí)現(xiàn)智能控制。被計(jì)量電能的電流通過分流器采樣得到電壓信號(hào)，再通過ADE7755芯片內(nèi)部的差放電路將電壓信號(hào)放大（其中放大倍數(shù)可設(shè)置為1、2、8和16倍），放大后的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過數(shù)字相位校正和高通濾波去除信號(hào)中的直流分量然后進(jìn)入數(shù)字乘法器的一個(gè)輸入端。被計(jì)量

51、電能的電壓信號(hào)經(jīng)過電阻分壓器取樣，通過ADE7755芯片內(nèi)部的差放電路將信號(hào)放大，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入數(shù)字乘法器的另一個(gè)輸入端與電流通道的信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，完成被計(jì)量電能的瞬時(shí)功率測(cè)量。乘法器輸出瞬時(shí)功率通過數(shù)字低通濾波器進(jìn)行積分處理進(jìn)入"數(shù)字/頻率"轉(zhuǎn)換器，變換成與被計(jì)量電能平均功率成比例的頻率脈沖信號(hào)（分為高頻脈沖信號(hào)和低頻脈沖信號(hào)），其中</p><p>　　系統(tǒng)

52、總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：</p><p>　　3.1.1時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)</p><p>　　智能分時(shí)計(jì)費(fèi)電能表中必須要有實(shí)時(shí)時(shí)鐘,分為硬時(shí)鐘和軟時(shí)鐘兩種。在眾多的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中,我們選用了PHILIPS公司的PCF8563。它是一款具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片,具有多種報(bào)警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能及中斷輸出功能,可以完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)。尤其是其采用I2C總線通訊方式,不但使外圍電

53、路極其簡(jiǎn)潔,而且也增加了芯片的可靠性。</p><p>　　本系統(tǒng)PCF8563與MSP430接口采用圖2所示接口方案。接口采用3根口線,PCF8563的INT腳產(chǎn)生周期為1s的脈沖中斷信號(hào)給MSP430單片機(jī)的P1.4引腳作為中斷觸發(fā)信號(hào),產(chǎn)生中斷后,通過I2C總線讀取PCF8563的基準(zhǔn)時(shí)間。按I2C總線規(guī)約,PCF8563的從地址:讀地址SLAR為A3H、寫地址SLAW為A2H,PCF8563I2C通信實(shí)現(xiàn)

54、有字節(jié)寫/讀兩種狀態(tài)。由于在MSP430單片機(jī)中沒有I2C總線的硬件,所以采用軟件模擬I2C讀寫數(shù)據(jù)的方法。</p><p>　　3.1.2電能計(jì)量電路</p><p>　　電量測(cè)量采用美國(guó)ADI公司的AD7755作為測(cè)量芯片,它是一種量程寬、精度高,內(nèi)部具有掉電、上電自動(dòng)復(fù)位電路的高準(zhǔn)確度電能測(cè)量專用集成電路[2]。AD7755為低功耗的CMOS芯片,內(nèi)部除了ADC和濾波、相乘電路外都采

55、用了數(shù)字電路,有效的去除了尖脈沖等干擾信號(hào),使得它在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時(shí)值,用于與MCU接口,其接線圖如圖3所示。</p><p>　　AD7755的CF輸出端輸出的脈沖頻率正比于平均有功功率,通過它可以求平均功率和一個(gè)積分周期內(nèi)消耗的電能:</p><p>　　平均功率 = 平均頻率= 脈沖個(gè)數(shù)/積分時(shí)間</p&

56、gt;<p>　　電能 = 平均功率×積分時(shí)間= 脈沖個(gè)數(shù)</p><p>　　在正常運(yùn)行時(shí),積分時(shí)間可以定為1到2秒,這取決于顯示部分更新的需要。</p><p>　　3.1.3 液晶顯示電路</p><p>　　在MSP430F413單片機(jī)中,液晶驅(qū)動(dòng)作為一個(gè)外圍模塊集成于片內(nèi),極大的簡(jiǎn)化了液晶顯示部分的接口設(shè)計(jì),只要選擇合適的液晶顯示器

57、,采用合適的驅(qū)動(dòng)方式即可完成數(shù)據(jù)的顯示。</p><p>　　液晶顯示板的公共極由COMn信號(hào)驅(qū)動(dòng),段極由SEGn驅(qū)動(dòng)。而液晶的驅(qū)動(dòng)又有多種方法:靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、2MUX驅(qū)動(dòng)、3MUX驅(qū)動(dòng)、4MUX驅(qū)動(dòng)等。不同的驅(qū)動(dòng)方案所占用的單片機(jī)引腳數(shù)是相同的,采用2MUX驅(qū)動(dòng)8位液晶顯示所需的引腳數(shù)為2+8*8/2,輸出引腳與液晶顯示器件的連接如下:</p><p>　　PIN號(hào) 1 2 3

58、 4 5 6 …… 29 30 31 32</p><p>　　430引腳 S0 S1 S2 S3 S4 S5 …… S28 S29 S30 S31 COM0 COM1</p><p>　　LCD COM0 1f 1h 1d 1e 2f 2h …… 8f 8h 8d 8e COM0</p><p>　

59、　LCD COM1 1a 1b 1c 1g 2a 2b …… 8a 8b 8c 8g COM1</p><p>　　通過設(shè)定液晶控制寄存器LCDCTL中的控制位來控制數(shù)據(jù)的顯示,這里設(shè)定為4MUX顯示模式,向液晶顯示緩存LCMDX寫入要顯示的數(shù)據(jù),片內(nèi)驅(qū)動(dòng)控制電路就會(huì)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)完成顯示。</p><p>　　3.1.4 串行接口</p>&

60、lt;p>　　數(shù)據(jù)通信方式主要有并行數(shù)據(jù)通信與串行數(shù)據(jù)通信兩種?？紤]到串行數(shù)據(jù)通信只需要一對(duì)數(shù)據(jù)傳送線進(jìn)行信息的傳送,所需傳輸線條數(shù)極少,傳送成本較低,特別適用于分級(jí)、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)距離通信之中,故本設(shè)計(jì)選擇串行數(shù)據(jù)通信。RS-232C接口電路是最常用的接口之一,缺點(diǎn)是只能用于短距離的數(shù)據(jù)通信。RS-485接口在總線上允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器,具有良好的抗噪聲干擾性、長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)。在此我們選用RS-4

61、85接口。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用Maxim公司生產(chǎn)的MAX487芯片作為RS485通信收發(fā)器[3],MAX487芯片具有RS-485通信協(xié)議,可以帶下位機(jī)128個(gè)、傳輸距離大于1km、傳輸速率達(dá)250kb/s。單片機(jī)可以通過RS485總線方式與主控計(jì)算機(jī)相連,主控計(jì)算機(jī)可以向智能電表發(fā)出遙控指令,采集到當(dāng)前的電量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),構(gòu)成了主從式的RS485通信應(yīng)用系統(tǒng)。</p><p&g

62、t;　　MAX487與MSP430的接口電路如圖4所示。圖中DE為發(fā)送器使能端,DE為1時(shí)發(fā)送器可以工作。DI為輸入端,A、B為輸出端。當(dāng)DE為0時(shí),發(fā)送器停止工作,且輸出端為高阻。為輸入使能端,為0時(shí)允許接收器工作,A、B為輸入端,RO為輸出端;為1時(shí)接收器被禁止,RO為高阻狀態(tài)。MSP430通過P2.1和P2.2來控制收發(fā)器的工作狀態(tài),從而達(dá)到與主機(jī)通信的目的。</p><p>　　3.2數(shù)據(jù)集中器的結(jié)構(gòu)原理

63、圖</p><p>　　數(shù)據(jù)集中器主要由CPU單元、存儲(chǔ)模塊、與數(shù)據(jù)采集器的通信模塊、與管理中心計(jì)算機(jī)的通信模塊、欠電壓檢測(cè)模塊和電源模塊等組成。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3-5所示</p><p><b>　　圖3-5</b></p><p>　　將其與圖3-5的數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)原理圖相比，兩者之間很多功能模塊具有相同之處，如存儲(chǔ)模塊、通信模塊和欠電壓檢

64、測(cè)模塊。合理利用兩部分相似之處，對(duì)采集器中的部分硬件和軟件進(jìn)行修改，將其移植到對(duì)集中器的軟硬件開發(fā)中，可以節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間，降低研制成本。</p><p>　　3.2.1集中器硬件電路的設(shè)計(jì) </p><p>　　數(shù)據(jù)集中器中的CPU單元同樣采用MICROCHIP的PIC16F73芯片，EZPROM采用FM24C04，用于對(duì)所轄16只采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次記錄，提高數(shù)據(jù)的安全性。為提高

65、系統(tǒng)的抗干擾能力，增加系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)采用光電隔離電路，兩套總線系統(tǒng)各自采用相互隔離的電源進(jìn)行供電。數(shù)據(jù)集中器用交流220V整流穩(wěn)壓后的12V電源供電，輔以免維護(hù)鉛酸蓄電池以防斷電。</p><p>　　3.2.2與IC卡抄表器的接口電路</p><p>　　圖中INT與PIC16F73的1NT引腳相連，當(dāng)有IC卡讀卡機(jī)接入時(shí)，會(huì)調(diào)用中斷子程序，去執(zhí)行系統(tǒng)與IC卡讀卡機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸及參數(shù)

66、設(shè)置等任務(wù)。CLK, I/O與單片機(jī)的RC3 , RC4引腳相連，采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　3.2.3 電源模塊</p><p>　　系統(tǒng)中的電源模塊是獨(dú)立的，它不僅給數(shù)據(jù)集中器供電，同時(shí)也通過RS-485給數(shù)據(jù)采集器供電。因此，電源模塊的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，為此專門設(shè)計(jì)了一塊電路板，由市電供電電路和蓄電池供電電路兩部分組成，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾性。</p&g

67、t;<p>　　3.3數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1數(shù)據(jù)采集器的結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　3.3.2數(shù)據(jù)采集器的硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)據(jù)采集器的硬件電路主要根據(jù)上述結(jié)構(gòu)原理圖來設(shè)計(jì)，其中電源由數(shù)據(jù)集中器的電源通過RS-485總線供給，短路、斷路檢測(cè)模塊在設(shè)計(jì)時(shí)與光電信號(hào)輸入模塊集成在一起。</p>&

68、lt;p>　　3.3.2.1 CPU單元</p><p>　　CPU單元選用MICROCHIP的PIC16F73芯片，其主要性能特點(diǎn)如下:</p><p>　　· 高性能的RISC結(jié)構(gòu)CPU:指令集精簡(jiǎn)，共有35條指令，易于掌握;除跳轉(zhuǎn)指令為雙周期指令外，其余都是單周期令;DC20MHz時(shí)鐘頻率時(shí)，執(zhí)行速度為DC-200ns;多種硬件中斷功能(11個(gè)中斷源);8級(jí)深度硬件

69、堆棧;直接、間接、相對(duì)三種尋址方式。</p><p>　　·特殊特征:低功耗睡眠模式;四種可選振蕩方式;在線串行編程;內(nèi)置上電復(fù)位電路((POR);上電定時(shí)器((PWRT)和振蕩啟動(dòng)定時(shí)器(OST);片內(nèi)RC振蕩的石一門狗定時(shí)器可保證可靠運(yùn)行;程序代碼保護(hù)，可防程序代碼非法拷貝。</p><p>　　·CMOS工藝性能:低功耗特性，SV, 4MHz時(shí)典型值小于2mA,

70、3V, 32KHz時(shí)典型值小于20uA，低功耗睡眠模式下典型值小于1 uA;低功耗、高速COMS FLASH技術(shù);全靜態(tài)設(shè)計(jì);寬電壓工作范圍2.OV-5.5V;工業(yè)級(jí)溫度范圍。</p><p>　　· 外圍特性:8位5路通道A/D轉(zhuǎn)換器;TMRO帶8位可編程預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;TMRl帶預(yù)分頻的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，在睡眠模式下仍可運(yùn)行;TMR2帶8位周期寄存器，前預(yù)分頻器和

71、后分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;2個(gè)捕捉/比較/PWM模塊:16位捕捉器的最大分辨率為12.5ns, 16位比較器的最大分辨率為200ns, PWM的最大分辨率為10位;同步串行口SPI/IC:同步、異步通訊接口SCI /USART操作。</p><p>　　由其特點(diǎn)可知，PIC16F73單片機(jī)功耗低、精簡(jiǎn)指令集、抗干擾性好、可靠性高、有較強(qiáng)的模擬接口、代碼保密性好，并且價(jià)格也較低，因此非常適合本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與通

72、信。 如下圖所示：</p><p>　　3.3.2.2 存儲(chǔ)模塊</p><p>　　為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，每次采集的數(shù)據(jù)都寫入數(shù)據(jù)采集器的存儲(chǔ)器中，而不是PIC 16F73的寄存器中暫存，這樣可以確保干擾或斷電時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。但這提高了對(duì)存儲(chǔ)器的要求，如果只有一兩百萬的寫入次數(shù)，那一兩年后就失效了。</p><p>　　通過比較，存儲(chǔ)器采用美國(guó)Ramreon公司

73、的鐵電存儲(chǔ)器FM24C04記錄基表的數(shù)值和狀態(tài)，主要考慮基于鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)的性能和EEPROM存儲(chǔ)器的相比有</p><p><b>　　以下優(yōu)點(diǎn):</b></p><p>　　(1) FRAM可以跟隨總線速度寫入，與EEPROM的最大不同的是FRAM在寫入后無需任何等待時(shí)間，而EEPROM要等待幾毫秒才能寫進(jìn)下一批數(shù)據(jù)。</p><p&g

74、t;　　(2)近乎無限次寫入。EEPROM只能進(jìn)行十萬到一百萬次寫入，而新一代的鐵電存儲(chǔ)器FRAM可以達(dá)到一億個(gè)億次(10的16次方)的寫入次數(shù)，使用壽命特別長(zhǎng)。</p><p>　　(3)超低功耗，EEPROM的慢速和高電流寫入令它需要比FRAM高出2500倍的能量去寫入每個(gè)字節(jié)，相比而言FRAM的功耗極小。</p><p>　　存儲(chǔ)單元電路圖如下：</p><p&g

75、t;　　3.3.2.3 與數(shù)據(jù)集中器的通訊電路 </p><p>　　通信電路的設(shè)計(jì)涉及PIC16F73與RS-485總線的接口設(shè)計(jì)。由MAX48X/49X組成的差分平衡系統(tǒng)，抗干擾能力強(qiáng)，接收器可以檢測(cè)到200mV的信號(hào)，傳輸數(shù)據(jù)可在千米之外得到恢復(fù)，特別適合遠(yuǎn)距離通信，可以組成標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)。在數(shù)據(jù)采集器以及數(shù)據(jù)集中器的設(shè)計(jì)中采用MAX485接口芯片，半雙工傳輸方式，其硬件接口連接圖如圖4.3.2.5所示。電

76、路中的光藕器件選用NEC公司的PS2501芯片，它可以使RS-485電路的通信速率達(dá)到19200bps，足以滿足本系統(tǒng)設(shè)置的9600bps速率的需求。</p><p><b>　　如下圖所示：</b></p><p>　　3.3.2.4 電源與欠電壓檢測(cè)電路</p><p>　　源電路負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集器不間斷的供電，為采集器正常工作提供保障，進(jìn)而保

77、證電表數(shù)據(jù)采集的可靠性。 如下圖所示：</p><p>　　數(shù)據(jù)采集器的電源為9VDC，由數(shù)據(jù)集中器的電源通過RS485送入。但數(shù)據(jù)采集器中每個(gè)芯片的工作電壓的要求保持在SV，故采用HOLTEK公司的30mA微功耗三端穩(wěn)壓芯片HT7150，在其輸出端加入0.1 of的去耦電容，在其輸入輸出端分別接入了兩個(gè)電解電容C 1, C2，主要目的一方面是作為電路的蓄能電容，提供和吸收電路中瞬間的充放電能，另一方面可以旁路掉

78、該芯片電源噪聲。</p><p>　　為了保證數(shù)據(jù)采集器能夠正常工作，電路設(shè)計(jì)中還附加了欠電壓檢測(cè)部分，采用電源欠壓檢測(cè)器HT7050A，由于采用了CMOS工藝，確保芯片具有較低的電源消耗。其輸出端連接到PIC16F73的RB1口上，當(dāng)該芯片輸入端電壓小于SV時(shí)，則輸出端為低電壓，使PIC16F73的RB1口為低，反之RB 1口為高。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p&

79、gt;<p>　　4.1 電能表的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1.1 軟件設(shè)計(jì)思想</p><p>　　單相復(fù)費(fèi)率電能表的軟件主要是實(shí)現(xiàn)電量數(shù)據(jù)采集和處理,并通過RS485接口實(shí)現(xiàn)與抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　4.1.2 軟件程序框圖</p><p>　　電量處理模塊的功能是由計(jì)量芯片提供計(jì)量脈沖,CPU對(duì)計(jì)

80、量脈沖計(jì)數(shù),結(jié)合當(dāng)前時(shí)段和費(fèi)率,累計(jì)用戶峰、平、谷各時(shí)段的實(shí)際用電量。</p><p>　　通信模塊的功能是按照通訊規(guī)約實(shí)現(xiàn)與抄表器和抄表系統(tǒng)的可靠通信,由抄表系統(tǒng)讀取用戶電量數(shù)據(jù)和設(shè)置時(shí)段、費(fèi)率、地址等電表參數(shù)。</p><p>　　顯示模塊的功能是顯示用戶的峰、平、谷、總電量及時(shí)間、上月電量等信息。</p><p>　　4.1.3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)</p&g

81、t;<p>　　智能復(fù)費(fèi)率電能表主要是基于單片機(jī)的系統(tǒng),單片機(jī)系統(tǒng)極易受到強(qiáng)電磁場(chǎng)、溫度、濕度等的干擾,在諸多干擾源中,來自電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、尖脈沖干擾、瞬間斷電對(duì)單片機(jī)的工作是一些很重要的干擾源,它使單片機(jī)不能連續(xù)正常工作。電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降將使微機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài),電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后,微機(jī)系統(tǒng)難以恢復(fù)正常,有效的方法就是掉電保護(hù),掉電信號(hào)由硬件電路檢測(cè)到,加到單片機(jī)的外部中斷輸入端。軟件中將掉電中斷規(guī)定為高級(jí)中斷

82、,使系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)掉電作出反應(yīng),在掉電中斷子程序中,首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù),把當(dāng)時(shí)的重要狀態(tài)參數(shù)、中間結(jié)果、某些片內(nèi)專用寄存器的內(nèi)容一一從片外RAM中調(diào)入單片機(jī)內(nèi)部RAM中;其次是對(duì)有關(guān)外設(shè)做出妥善處理,使外設(shè)處于某一個(gè)非工作狀態(tài),最后在片內(nèi)RAM的某些單元做上特定標(biāo)記。采用上電自動(dòng)復(fù)位電路,使單片機(jī)上電后保持兩種確定的狀態(tài),要么復(fù)位,要么工作,電源突然出現(xiàn)的短脈沖不會(huì)造成異常狀態(tài),確保系統(tǒng)正常工作。</p><p>

83、　　4.2 數(shù)據(jù)其中器的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)據(jù)集中器的軟件功能同樣有很多子程序?qū)崿F(xiàn)，其中的通信中斷子程序、存儲(chǔ)器操作子程序、延時(shí)子程序都與數(shù)據(jù)采集器的子程序相同，在此只對(duì)其主程序和電源管理子程序作一介紹。</p><p>　　4.2.1 主程序設(shè)計(jì) </p><p>　　主程序負(fù)責(zé)輪詢16個(gè)數(shù)據(jù)采集器，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，同時(shí)響應(yīng)管理中心和

84、IC卡抄表器的命令，主程序流程圖如下圖：</p><p>　　由于PIC16F73只有一個(gè)串口，而系統(tǒng)既要與上位機(jī)通信，又要與下位機(jī)通信，在設(shè)計(jì)時(shí)采取的措施是:接收或發(fā)送上位機(jī)時(shí)，下位機(jī)屏蔽;接收或發(fā)送下位機(jī)時(shí)，位機(jī)屏蔽。其中通信中斷子程序1用來接收和解析管理中心下傳的命令并執(zhí)行相應(yīng)操作，如開戶時(shí)對(duì)采集器初始化表底數(shù)，上傳燃?xì)鈿獗頂?shù)據(jù)等操作，其操作和數(shù)據(jù)采集器的通信中斷子程序類似;通信中斷子程序2用來接收IC卡抄

85、表器命令并上傳抄表數(shù)據(jù)，其操作和數(shù)據(jù)采集器的存儲(chǔ)器操作子程序類似。</p><p>　　4.2.2 電源管理程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　電源管理程序是對(duì)電源模塊進(jìn)行管理，程序流程圖如下圖：</p><p>　　電源管理程序主要負(fù)責(zé)檢測(cè)蓄電池的電壓，根據(jù)電平高低進(jìn)行恒流、恒壓、浮充充電，充電過程中的各種狀態(tài)由兩個(gè)指示燈顯示。YellowLED亮表示恒流充電:Ye

86、llowLED間隔亮表示恒壓充電;GreenLED亮表示浮充充電;GreenLED閃亮表示浮充放置。</p><p>　　4.3 數(shù)據(jù)采集器的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　在數(shù)據(jù)采集器的程序設(shè)計(jì)中，為了確保系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，提高數(shù)據(jù)采集器程序的執(zhí)行速度和精度，節(jié)約系統(tǒng)資源，這里采用匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。軟件的功能由各個(gè)子程序完成。主要的子程序有數(shù)據(jù)采集與處理、通信中斷、存儲(chǔ)器操作子程序

87、和延時(shí)子程序。</p><p><b>　　4.3.1 主程序</b></p><p>　　主程序首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，還包括堆棧指針設(shè)置;端口的通信方式;定時(shí)器(WDT)的預(yù)分頻系數(shù)和初值設(shè)置:串行通信的控制寄存器和波特率寄存器的設(shè)置等，并且調(diào)用數(shù)據(jù)采集與處理子程序?qū)θ細(xì)獗磉M(jìn)行流量采集，利用存儲(chǔ)器操作子程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存取，通過通信中斷子程序響應(yīng)數(shù)據(jù)集中器的命令。其

88、工作流程圖如下圖</p><p>　　每采集一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，都要與光電采樣電路標(biāo)定的電平進(jìn)行比較、判斷。采樣由路標(biāo)定結(jié)果 如表4.3.3.2所示。</p><p>　　對(duì)于信號(hào)發(fā)生抖動(dòng)(其實(shí)是一種臨界狀態(tài)，處在高低電平之間)，在處理時(shí)直接將其剔除，等到下一采集周期重新進(jìn)行采樣并判斷。</p><p>　　4.3.2通訊中斷子程序</p><p&g

89、t;　　通信中斷程序負(fù)責(zé)與集中器的通通信并執(zhí)行數(shù)據(jù)集中器下達(dá)的各項(xiàng)指令，如圖4.3.3.3所示。在接收集中器命令幀時(shí)，為了防止長(zhǎng)期處于偵聽接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，進(jìn)而影響對(duì)發(fā)訊燃?xì)獗淼牟杉^程，所以對(duì)接收過程進(jìn)行計(jì)時(shí)，從數(shù)據(jù)集中器喚醒數(shù)據(jù)采集器開始250ms內(nèi)數(shù)據(jù)未接收到或通訊字節(jié)接收時(shí)間間隔超過2. Sms，則終止此次通訊。</p><p>　　當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢之后，需對(duì)命令幀進(jìn)行檢驗(yàn)，保證命令幀的可靠性。通過以下步驟實(shí)現(xiàn)

90、:檢驗(yàn)報(bào)頭，檢驗(yàn)報(bào)文長(zhǎng)度、累加校驗(yàn)報(bào)文、檢驗(yàn)報(bào)尾。任何一步檢驗(yàn)報(bào)錯(cuò)均視為干擾信號(hào)并中斷檢驗(yàn)，返回到主程序中。只有以上四個(gè)步驟的檢驗(yàn)都通過，才確認(rèn)為正確的命令幀。</p><p>　　對(duì)通過校驗(yàn)的不同命令幀，數(shù)據(jù)采集器處理方法有所不同，但差別不大，均需經(jīng)歷以下幾步:</p><p>　　①檢驗(yàn)命令所指采集器地址與采集器地址是否一致;</p><p>　　②通過IZC總

91、線讀取 FM24C04存儲(chǔ)器，獲取所需表的抄收數(shù)據(jù);</p><p>　?、鄹鶕?jù)規(guī)定的應(yīng)答幀格式建立應(yīng)答幀;</p><p>　?、芡ㄟ^RS-485總線向數(shù)據(jù)集中器發(fā)送應(yīng)答幀;</p><p><b>　?、莘祷刂鞒绦?。</b></p><p>　　4.3.3存儲(chǔ)器操作子程序</p><p>　　

92、存儲(chǔ)器操作子程序包括對(duì)FM24C04的讀操作和寫操作，采用IC模式。讀操作是在向數(shù)據(jù)集中器發(fā)送應(yīng)答幀時(shí)進(jìn)行的，寫操作是在數(shù)據(jù)采集上來并處理好后進(jìn)行的，這部分非常重要，因?yàn)橄到y(tǒng)一旦工作后，記錄的數(shù)據(jù)是絕對(duì)不能丟失的。</p><p>　　4.3.4延時(shí)自程序</p><p>　　在數(shù)據(jù)采集器工作時(shí)，很多情況下需要延時(shí)環(huán)節(jié)。例如PIC16F73的RAO, RAI口的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換需要采樣時(shí)間&g

93、t;20個(gè)振蕩周期，單片機(jī)采用4MHz晶振，故每個(gè)指令周期為1毫秒，所以采樣時(shí)間>20毫秒。在通道A/D轉(zhuǎn)換期間，對(duì)通道的操作都會(huì)引起模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷，造成無法獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此，程序設(shè)計(jì)中的延時(shí)子程序相當(dāng)重要，延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間必須足夠大，但又不能過大，以免影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)，一般采用循環(huán)來實(shí)現(xiàn).</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p>

94、<p>　　智能型復(fù)費(fèi)率電能表作為一個(gè)智能型器件,十分適用于高層建筑、密集的住宅區(qū)等密集用戶區(qū)的集中管理,配合適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵰?guī)約,可以方便的與管理計(jì)算機(jī)接口或通過集控器構(gòu)成遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)方案采用低功耗器件,成本較低,便于集成。經(jīng)過試驗(yàn),本文所設(shè)計(jì)的復(fù)費(fèi)率電能表的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家多費(fèi)率電能表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),具有一定的推廣價(jià)值和較好的市場(chǎng)前景。本文介紹的這種基于MSP430單片機(jī)的復(fù)費(fèi)率單相電能表的主電路及通信接口電路,

95、 采用AD7755作為專用電量測(cè)量芯片以保證測(cè)量脈沖數(shù)的準(zhǔn)確性,硬件日歷時(shí)鐘及參數(shù)存儲(chǔ)采用總線器件以減少電路連線。綜合設(shè)計(jì)使電能表的工作可靠性得到大大提高。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　附錄1</b></p><p><b>　　附錄2</b></p