【正文】 ........................... 48 過程通道的硬件抗干擾 ................................................................................ 50 單片機系統(tǒng)的軟件抗干擾技術(shù) .............................................................................. 50 指令冗余設(shè)計 ................................................................................................ 50 軟件陷阱 ........................................................................................................ 50 Watchdog 技術(shù) ................................................................................................ 51 保證 E2PROM 數(shù)據(jù)寫入 ............................................................................... 51 本章小結(jié) .................................................................................................................. 52 結(jié) 論 ...................................................................................................................................... 53 致 謝 ...................................................................................................................................... 54 參考文獻 ................................................................................................................................ 55 基于單片機遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計與研究 1 1 緒 論 遠程抄表系統(tǒng)的國內(nèi)外概況 遠程抄表系統(tǒng)又稱自動抄表系統(tǒng)，國外稱為 Automatic Meter Reading System，通?？s寫為 AMRS。 遠程抄表系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力部門。據(jù)資 料披露，美國在 1990 年度，共有 91 項 AMR 應(yīng)用項目，其中約有 550 萬臺電表實現(xiàn)了自動抄表 。 隨著我國的城市公用事業(yè)和人民居住狀況的不斷提高和改善，人工抄表己遠遠不能適應(yīng)這一發(fā)展需求。 一般來說，幾乎所有的 AMRS 系統(tǒng)的整體都采用分布式體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)信道的介質(zhì)可以分為光纖、電話線和無線三種模式。隨著光纖技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，不久以后再 AMRS 系統(tǒng)中使用光纖通信網(wǎng)進行上層通信將是一種很好的選擇。 (3)無線通信網(wǎng) 利用無線電波進行無線通信，對于范圍廣、布局分散的集中器進行數(shù)據(jù)通信，是一種較好的選擇。一般情況下，小型無線電臺的通信速率較低，常用 600bs 或者 1200bs，且設(shè)備安裝成本較高，所以這種通信方式的使用場合有一定的限制，多用于大用戶電力負荷的無線電監(jiān)控及用電管理系統(tǒng)中 [5][6]。 低壓電力線載波通信 利用低壓電力線作為 AMR 系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)通道其運行成本低，無疑是非常經(jīng)濟的方案。低壓電力載波通信網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與 RS485 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相 同，采用總線結(jié)構(gòu)。低壓電力線的衰減 (高頻信號 )是低壓電力線載波通信所遇到的一個問題。電力線上的用電設(shè)備等人為的干擾，以及自然現(xiàn) 象中如雷電等非人為的干擾 ； 周期性脈沖干擾和隨機產(chǎn)生的突變性干擾，用電設(shè)備會在工頻交流基波的某個固定的相位釋放干擾。即使是同一段 電力線路，其傳輸特性也會隨著各種電力負荷的投切而改變，所以通信設(shè)備的穩(wěn)定性和適應(yīng)不同線路的能力也很重要。當(dāng)前市場上應(yīng)用于電力線上的調(diào)制解調(diào)器一般是基于移頻鍵控 (FSK)調(diào)制方式，由于傳輸速率低 (一般不超過2400bs)，而且抗干擾性能差、傳輸距離短，所以基本上是己經(jīng)被淘汰，而被廣泛使用的是擴頻調(diào)制解調(diào)器。接收端由解擴和解調(diào)器構(gòu)成，在接收端，利用與發(fā)送端相同的偽碼序列對收到的擴頻信號進行解擴 (擴頻的反變化 )處理，還原成窄帶己調(diào)信號再經(jīng)過解調(diào)器后，原始信號就解調(diào)出來。該標準采用集成電路，在一對平衡的互聯(lián)電纜上傳送差分信號，在接收端用差分接收器進行信號判決?？偩€上掛接的節(jié)點個數(shù)因選用的接口驅(qū)動芯片而異，最多可以接 128 個節(jié)點。在這種情形下，傳統(tǒng)的管理模式已暴露出種種弊端：一方面，由于用量管理內(nèi)容多，要處理的數(shù)據(jù) 量大，從用戶建立到正常用量后抄表數(shù)據(jù)的記錄，費用收繳等每一個環(huán)節(jié)都涉及大量的數(shù)據(jù)。 本文是基于單片機為主結(jié)構(gòu)搭建一個遠程自抄表系統(tǒng)，以取代目前廣泛使用的人工抄表，并消除其帶來的種種弊端，達到實時報表，準確無誤，節(jié)省人力資源的目的 。在設(shè)計研制過程中主要解決以下幾個問題： （１） 根據(jù)實際需求完成 抄表系統(tǒng) 的設(shè)計。 （２） 編寫實現(xiàn)系統(tǒng)功能的軟件。采用串行異步通訊標準 RS485，采集器測量到的數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)可以通過 RS485 總線傳至智能小區(qū)的物業(yè)管理中心的 PC 機，由管理中心統(tǒng)一進行處理，真正實現(xiàn) “ 無人查表 ” 。由于干擾信號的干擾作用可能會使脈沖信號在產(chǎn)生和傳輸?shù)倪^程中發(fā)生錯誤的計數(shù)。 圖 抄表系統(tǒng)的整體框圖 系統(tǒng)的整體工作流程如下： ? 電能 采集計數(shù)模塊根據(jù)脈沖計算出電表的數(shù)據(jù)，存儲于內(nèi)部的 RAM 中。 在兩種模式下 ， 對沒有反應(yīng)的 PC 機做備份，并警告。其原理框圖如下： 圖 電能表方案一 原理圖 由于第一種方案用到的分立元件較多，這里則采用數(shù)字乘法器原理的專用大規(guī)模集成電能計量芯片，這種芯片功能強大，內(nèi)部電路完成對電壓、電流的采樣、濾波、相乘等功能，以脈沖形式輸出表征有功功率的量以便于微處理器處理，使用方便，計量精度高，性能可靠，以下為測量原理圖： 圖 電能表測量 原理 圖 信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后可以得到表征負載電流和電壓的兩個數(shù)字量，經(jīng)乘法器進行乘法運算，再經(jīng)濾波后輸出與有功功率成正比的脈沖數(shù)。 5V 單 5V 引腳數(shù) 24 20 24 20 AD7750和 AD7751的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與 AD7755大體相同，均采用了 16位 ADC，首先把模擬輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，其它信號處理 (包括乘法 )都是在數(shù)字域內(nèi)完成的，由于模擬電路環(huán)節(jié)少，穩(wěn)定性比較好。由上的分析可以看出， AD7755可靠性高，線性誤差小，電路設(shè)計較為簡單，因此選用 AD7755作為電量取樣的核心芯片 [9]。 在實際應(yīng)用中，所有的電壓、電流波形都有一些諧波分量。兩個 16位 ADC分別對負載電流和負載電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。從引腳 CF輸出的脈沖頻率與這個瞬時有功功率成正比。 當(dāng) AD7755用于交流功率計量時，引腳 AC/DC接高電平，這時 HPF被接入，濾除通道 1中的直流分量，從而消除了模擬通道的直流失調(diào)電壓引起的測量誤差。引腳 Fl和 F2輸出的是頻率較低的兩相同頻脈沖信號。 470mV 0 1 2 177。電流互感器和電壓互感器的變比以及 PGA的增益等的大小要根據(jù)功率表的電流量程確定，以使模擬輸入信號的幅度滿足AD7755模擬輸入電壓范圍的要求。最大負載電流時，加到電流通道上的模擬電壓就有大于 AD7755允許的滿度電壓的一半。 3) 應(yīng)考慮電表對相電壓短路造成損害具有的防護能力。 選用熱穩(wěn)定性好的錳銅絲作為分流器對電流進行采樣，因為錳銅絲的電阻較小，通道1的模擬電壓范圍也相應(yīng)選擇較小的量程，因此，選取參數(shù) G0=1 Gl=1即通道 1的模擬輸入電壓范圍在士 30 mV，同時權(quán)衡以上各因素可以大致選取電阻為 ?? ?610300 大小的錳銅絲作為分流器。當(dāng)電流為 40A時，分流兩端的電壓為 12mV，小于 mV202/30 ? ，基于單片機遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計與研究 12 留出了一定的超量程余地。 基于單片機遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計與研究 13 電路圖 圖 AD7755測量電路圖 AD7755電壓采樣信號由 R5 、 R6和 R8分壓得 到，信號兩端分別與 V2P、 V2N引腳相連，作為通道 2的輸入，電流采樣信號由通過 R3的電壓值來表征，信號兩端分別與 VIP、 VIN引腳相連，作為通道 1的輸入。 AD7755外接 ，作為 AD7755的時鐘源。89S51 可以一次 8 路對脈沖電平狀態(tài)進行檢測，當(dāng)狀態(tài)由 “ 高 ” 到 “ 低 ” 時，認為一個脈沖來臨，可以通過存儲的前個狀態(tài)與 當(dāng)前狀態(tài)對比得到。 ◆ 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) ◆ 4k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） ISP Flash ROM。此外， AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。它采用外部振蕩時，該引腳應(yīng)接地； ④ XTAL2：接外部晶振的一個引腳。在非訪問外部儲存器期間， ALE引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的 1/16，因此可以用來驅(qū)動其 他的外圍芯片的時鐘輸入。訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。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 v0端口 (準雙向并行 I/O口 )，當(dāng)訪問外部程序存儲器時，它是高 8位地址。 X25045是美國 Xicor公司的生產(chǎn)的標準化 8腳集成電路，它將 E2PROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設(shè)計，提 高了系統(tǒng)的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統(tǒng)功耗，是一種理想的單片機外圍芯片。 ① CS：芯片選擇輸入，當(dāng) CS 是高電平時，芯 片未選中，并將 SO 置為高阻態(tài)，器件處于標準的功耗模式，除非一個向非易失單元寫的周期開始，在 CS 是高電平時，將 CS 拉低將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 必須有一個高變低的過程。 ④ WP： 寫保護，當(dāng) WP 引腳是低電平時，向 X25045 中寫的操作被禁止，但是其他的功能正常，當(dāng)引腳是高電平時，所有操作正常，包括寫操作，如果在 CS 是低的時候， WP 變?yōu)榈碗娖?，則會中斷向 X25045 中寫的操作，但是，如果此時內(nèi)部非基于單片機遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計與研究 18 易失性寫周期已經(jīng)初始化了， WP 變?yōu)榈碗娖讲黄鹱饔谩?X25045 芯片內(nèi)包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。 圖 X25045 看門狗電路硬件連接圖 看門狗電路的定時時間長短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時最大循 環(huán)周期的時間略長即可。 時鐘模塊 該系統(tǒng)，屬于自動測控系統(tǒng)，需要數(shù)據(jù)的記錄，并且還需要記錄下該數(shù)據(jù)被記錄的時間，在有異 常情況的數(shù)據(jù)出現(xiàn)時，可以根據(jù)時間的記錄查處數(shù)據(jù)出錯的時間。 DS1302 內(nèi) 部有一個 318 的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。 RST 是復(fù)位 /片選線，通過把RST 輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。上電運行時，在 Vcc≥， RST 必須保持低電平。它是由武漢力源公司新推出的 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方便接口，并可同時驅(qū)動 8 位 LED（或 64 只獨立 LED），其引腳圖如圖 所示 [17][18]。 PS7219 還有一個掉電模式、一個允許用戶從 1 位數(shù)顯示到 8 位數(shù)基于單片機遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計與研究 21 顯示選擇的掃描界限寄存器和一個強迫所有 LED 接通的測試模式。 PS7219的 SA~SG、SDP 端連接到各 LED 數(shù)碼管對應(yīng)是的 a~f及 dp 端， DIG0~DIG8 分別接 8 位 LED 數(shù)碼管共陰級，以實現(xiàn)位選，如圖 所示： 基于單片機遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計與研究 22 圖 顯示電路連接圖 (4)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 位寄存中，CLK 的最高時鐘頻率可達 500KHz，在輸入時鐘信號的每個上升沿，均有一位數(shù)據(jù)由 DIN移入到內(nèi)部寄存器中 LOAD 來卸載數(shù)據(jù)，在 LOAD 的上升沿， 16 位串行數(shù)據(jù)被鎖存到 數(shù)字或控制寄存器中， LOAD 必須在 16 個時鐘上升沿的同時