【正文】 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 RS23RS422和 RS485 等等[6] ，RS232 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。RS422 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；RS422抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速率快，且為全雙工的。我們知道，RS232 和 RS422 有一個(gè)顯著特點(diǎn)，即 RS232 接口與 RS422 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) RS485， 它能支持一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信， RS485電氣標(biāo)準(zhǔn)與RS422 完全一樣，只是RS485 工作于半雙工方式。1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5RS485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。RS485 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。RS485 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，RS485接收端與發(fā)送端公需兩根線就能完成信號(hào)傳輸。RS485 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 RS485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 RS485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RS485 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 。圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6上位微機(jī)與集中器之間可通過(guò) RS485 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 RS485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 RS485 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 RS485 通信標(biāo)準(zhǔn)。由于 RS485 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RS485 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 RS485 通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方向。1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7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。 所示。C P U串 口 擴(kuò) 展 模 塊數(shù) 據(jù) 傳 輸 模 塊監(jiān) 控 模 塊時(shí) 鐘 模 塊電 能 采 集 模 塊L E D 顯 示 模 塊圖 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：，存儲(chǔ)于內(nèi)部的 RAM 中。，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)。，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。1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8◆與 MCS51系列的單片機(jī)相容；◆片內(nèi)集成 4Kr FLASH 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；◆1288 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?？臻e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1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9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“ADDRESS LATCH ENABLE”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/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 ，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“Program Store Enable”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、PPP3 口P0 口（～）是一個(gè) 8 位漏極開路雙向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；1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10P3 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。◆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)位開始電壓進(jìn)行編程；1 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11◆復(fù)位電壓可以低至 Vcc=1V；◆省電特性： 在看門狗打開