【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 急劇變化，而開(kāi)關(guān)電源會(huì)向電力線上釋放大量的高頻干擾，從而影響正常的通信工作 ； 信號(hào)衰減與負(fù)載的關(guān)系，信號(hào)衰減會(huì)隨著負(fù)載在電力線上的連接和斷開(kāi)而表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，由于負(fù)載變化的不可知性，所以信號(hào)的衰減也是隨之變化的。 其次，電力線上的干擾非常大。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(jī)產(chǎn)生的突變性干擾，用電設(shè)備會(huì)在工頻交流基波的某個(gè)固定的相位釋放干擾。還有大量的用電設(shè)備釋放出干擾，而這些干擾的瞬動(dòng)頻率、周期、相位、變化很大，即產(chǎn)生連續(xù)變化的干擾 ； 高壓開(kāi)關(guān)的操作，雷電，較大的負(fù)荷變化，以及電力線上的短路故障，通常持續(xù)時(shí)間較短，強(qiáng)度較大，不可預(yù)測(cè)性，能量高，頻譜寬等。因此如何抑制干擾，提高通信的可靠性是首要考慮的。 再次，不同地方的線路特性可能完全不同，使用線路的種類及線路上的負(fù)荷情況都回對(duì)高頻信號(hào)在電力線上的傳輸特性產(chǎn)生很大的影響。即使是同一段 電力線路，其傳輸特性也會(huì)隨著各種電力負(fù)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。輸入阻抗是電力線傳輸特性的一個(gè)重要參數(shù)，它關(guān)系著傳輸信號(hào)的頻率，沒(méi)有任何電力線是一根均勻分布的傳輸線，由于分布電感和分布電容的影響，很顯然輸入阻抗將隨著頻率的變化而變化，不同的時(shí)候，電力線上的輸入阻抗是不同的，哪怕在同一地點(diǎn)，也會(huì)隨著負(fù)載隨機(jī)的斷開(kāi)和隨機(jī)的閉合而不同。同一電力線，在不同地點(diǎn)的等效阻抗也不完全相同，從戴氏定理可知，不同的等效端口得到的等效輸入阻抗是不一樣的。電力線上阻抗的劇烈變化，如果用電力 線即電力載波方法傳輸信號(hào)，那么發(fā)送機(jī)功率放大器的輸出阻抗是不等于接收機(jī)功率放大器的輸入阻抗，并很難在阻抗上匹配。當(dāng)前市場(chǎng)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(guò)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(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器。擴(kuò)頻系統(tǒng)分發(fā)送端和接收端兩個(gè)部分，接收端可簡(jiǎn)化為調(diào)制和擴(kuò)頻兩個(gè)模塊。在發(fā)送端，信號(hào)首先對(duì)某個(gè)載頻進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制器輸出的窄帶已調(diào)信號(hào)再送及擴(kuò)頻器進(jìn)行二次解調(diào)，輸出的信號(hào)為寬帶已調(diào)信號(hào)。由于擴(kuò)頻器是利用 — 高速偽隨機(jī)碼 (PN)序列對(duì)發(fā)射信號(hào)調(diào)制，因此獲得的輸出信號(hào)的頻譜密度大大地降低了。接收端由解擴(kuò)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(duì)收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò) (擴(kuò)頻的反變化 )處理，還原成窄帶己調(diào)信號(hào)再經(jīng)過(guò)解調(diào)器后，原始信號(hào)就解調(diào)出來(lái)。由于擴(kuò)頻信號(hào)帶寬與窄帶濾波器帶寬之比越大，信噪比也就越大，所以擴(kuò)頻通信是以較寬的帶寬換取高信噪比，并提高通信的抗干擾能力、增強(qiáng)通信的隱蔽性。因此這種調(diào)制方式將是低壓電力線載波通信的發(fā)展方向。 基于單片機(jī)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 4 RS485 網(wǎng) EIA RS485 是 CCITT 標(biāo)準(zhǔn)化 V .11/ 兼容的平衡式電器特性標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)采用集成電路，在一對(duì)平衡的互聯(lián)電纜上傳送差分信號(hào)，在接收端用差分接收器進(jìn)行信號(hào)判決。這種接口具有抑制共模干擾的能力，因此抗干擾性能較好，信號(hào)發(fā)送頻率最高可達(dá) 10MHz。在使用雙絞線，信號(hào)速率小于 100kbs 時(shí)，傳輸距離可達(dá) 1200m。 RS485 接口在一個(gè)通道上可以進(jìn)行半雙工通信，所以只需要兩根線便可使雙向通信，并可方便地構(gòu)成一點(diǎn)對(duì)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?？偩€上掛接的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)因選用的接口驅(qū)動(dòng)芯片而異，最多可以接 128 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 對(duì)要求較高的系統(tǒng)可以考慮選用帶光隔離的、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(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮這些因素。 本課題研究的背景 ， 目的和意義 長(zhǎng)期以來(lái)水表，電表，氣表的抄收一直采用傳統(tǒng)的人工查表方式，它是由抄表員上門逐家逐戶的抄錄用量數(shù)據(jù)，并將查驗(yàn)結(jié)果記錄在紙上，然后再由人工進(jìn)行用量和收費(fèi)計(jì)算。但是隨著城市的現(xiàn)代化建設(shè)，居民住宅小區(qū)大量崛起，使得城市的水，電，氣方面的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，管理工作也變得越來(lái)越復(fù)雜。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(fèi)用收繳等每一個(gè)環(huán)節(jié)都涉及大量的數(shù)據(jù)。用傳統(tǒng)的人工處理方式對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，存儲(chǔ)，統(tǒng)計(jì)，分析查找都十分繁瑣和困難。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的日益提高，人們對(duì)家居環(huán)境提出了越來(lái)越高的要求，安全、舒適、方便、快捷、人性化、智能化已成為新的追求目標(biāo)，以往的住宅結(jié)構(gòu)及管理方式越來(lái)越不能滿足人們的需求。隨著電子計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展給世界的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了無(wú)限的發(fā)展空間，建筑領(lǐng)域也不例外，智能大廈、智能化住宅小區(qū)先后出現(xiàn)，也逐漸實(shí)現(xiàn)了小區(qū)網(wǎng)上物業(yè)管理 、安防聯(lián)網(wǎng)報(bào)替、寬帶上網(wǎng)等，但對(duì)于耗能表的計(jì)量及其查表出戶問(wèn)題的解決還處于較低的水平。 本文是基于單片機(jī)為主結(jié)構(gòu)搭建一個(gè)遠(yuǎn)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(lái)的種種弊端，達(dá)到實(shí)時(shí)報(bào)表，準(zhǔn)確無(wú)誤，節(jié)省人力資源的目的 。 本設(shè)計(jì)中 ， 力求搭建出遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的整體框架，利用單片機(jī)為主體，結(jié)合通信技術(shù)，控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等設(shè)計(jì)出一套遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)并最大限度的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ， 抗干擾性 ， 實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性。 基于單片機(jī)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 5 本文所做的工作 本文以整個(gè)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為研究?jī)?nèi)容，對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn) 狀進(jìn)行詳細(xì)的了解后，結(jié)合自己所學(xué)知識(shí)，以 AT89S51 為內(nèi)核 ， 搭建一個(gè)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng) 。這套系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn) 對(duì)住戶用 電 情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且能對(duì)他們進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄和計(jì)算，并根據(jù) PC 機(jī)的要求適時(shí)的傳送數(shù)據(jù)以供查閱。在設(shè)計(jì)研制過(guò)程中主要解決以下幾個(gè)問(wèn)題： （１） 根據(jù)實(shí)際需求完成 抄表系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)。包括 抄表系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)。抄表系統(tǒng) 主要用來(lái)完成對(duì) 電量 的采集和計(jì)量工作以及與上位機(jī)（ PC）之間進(jìn)行通訊。在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了盡量減少硬件設(shè)施，降低功耗，簡(jiǎn)化電路，選用了功能強(qiáng)大的芯片。 （２） 編寫實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的軟件。利用匯編語(yǔ)言編寫軟件來(lái) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理和保存。利用 C 語(yǔ)言寫采集器與 PC 機(jī)的通信程序，實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)交換。 （３） 確定通信方式及通信標(biāo)準(zhǔn)。采用串行異步通訊標(biāo)準(zhǔn) RS485，采集器測(cè)量到的數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)可以通過(guò) RS485 總線傳至智能小區(qū)的物業(yè)管理中心的 PC 機(jī)，由管理中心統(tǒng)一進(jìn)行處理，真正實(shí)現(xiàn) “ 無(wú)人查表 ” 。 （４） 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)。干擾問(wèn)題一直是困擾遠(yuǎn)程抄表方式的難題。在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)計(jì)量準(zhǔn)確性的因素是脈沖信號(hào)是否有效。由于干擾信號(hào)的干擾作用可能會(huì)使脈沖信號(hào)在產(chǎn)生和傳輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)。本課題為了避 免上述現(xiàn)象的出現(xiàn)，在硬件和軟件上作了大量的工作，確保計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性。 基于單片機(jī)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 6 2 抄表系統(tǒng)的硬件設(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)的抄表器具有脈沖計(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)的整體框圖 系統(tǒng)的整體工作流程如下： ? 電能 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。 ? AT89S51 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)置好的約定，存儲(chǔ)于外部的 RAM 中，等待上位機(jī)的查詢 ， 并把沒(méi)反應(yīng)過(guò)來(lái)的上位機(jī)的號(hào)碼記錄下來(lái)，上傳給上位機(jī)。 ? 上位機(jī)操作中有定時(shí)抄和隨時(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 ， 指在某種特殊的情況下 ， 需要單獨(dú)的對(duì)某個(gè)用戶進(jìn)行復(fù)查等 。 在兩種模式下 ， 對(duì)沒(méi)有反應(yīng)的 PC 機(jī)做備份，并警告。 時(shí)鐘 監(jiān)控模塊 顯示 顯示 驅(qū)動(dòng) 直流穩(wěn)壓 斷電保護(hù) AT89S51 通訊接口 RS232 RS485 電能采集計(jì)數(shù)模塊 小區(qū)主機(jī) 時(shí)段 通信網(wǎng)絡(luò) 外圍存儲(chǔ) 基于單片機(jī)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 7 抄表系統(tǒng)的各個(gè)模塊設(shè)計(jì) 這是整個(gè)抄表部分的核心部分，由圖表 可知， 主要由 電能采集 模塊、 CPU(MCU)、直流穩(wěn)壓、 備用電源 、顯示、 監(jiān)控電路 、時(shí)鐘、外圍儲(chǔ)存電路、 通訊模塊 、 并行取樣與譯碼 等組成 。每一個(gè)部分的正確選擇與設(shè)計(jì)，及其電路的連接對(duì)該系統(tǒng)的硬件電路而言是十分重要的。 電能數(shù)據(jù)采集 電路設(shè)計(jì) 電能表測(cè)試模塊主要有兩種方案，一種是采用分離元件 PT(電壓互感器 )CT(電流互感器 )、 S/H(采樣保持器 )、 FIR(濾波器 )和乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流取樣和功率計(jì)算。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(jì)量芯片，這種芯片功能強(qiáng)大，內(nèi)部電路完成對(duì)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(jì)量精度高，性能可靠，以下為測(cè)量原理圖： 圖 電能表測(cè)量 原理 圖 信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后可以得到表征負(fù)載電流和電壓的兩個(gè)數(shù)字量，經(jīng)乘法器進(jìn)行乘法運(yùn)算，再經(jīng)濾波后輸出與有功功率成正比的脈沖數(shù)。由微控制器累加計(jì)數(shù)，完成對(duì)電 能的計(jì)Vi ADC ADC 乘法器 Ii 電壓 PT 采樣保持 A/D 電流 CT 濾波 采樣保持 A/D 乘法器 功率 輸出 基于單片機(jī)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究 8 量。由于信號(hào)處理電路全部采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，因此電能計(jì)量模塊在極其惡劣的環(huán)境下仍能保持良好的性能指標(biāo)和高度的穩(wěn)定性。以下是幾種電能計(jì)量芯片的比較 ： 表 電能計(jì)量芯片比較 AD7755 AD7750 AD7751 BL0932 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 先數(shù)字化后相乘ADC 2個(gè) 16位數(shù)字乘法器 先數(shù)字化后相乘ADC 3個(gè) 16位數(shù)字乘法器 先數(shù)字化后相乘ADC 1個(gè) 16位數(shù)字乘法器 先相乘后數(shù)字化電流 /頻率轉(zhuǎn)換乘法器模擬乘法器 線性誤差 % % % % 故障檢測(cè) 無(wú) 無(wú) 有 無(wú) 電源 單 5V 單 5V 177。 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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，其它信號(hào)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。 BL0932則由電流比率模擬 乘法器先把模擬輸入信號(hào)相乘，然后通過(guò)電流，頻率轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字化 。 AD7751的故障檢測(cè)功能是指同時(shí)檢測(cè)相線和中線的電流，當(dāng)它們的電流差值超過(guò) %時(shí)， 引腳 FAULT有效，指示故障存在，此時(shí)以電流較大的那個(gè)信號(hào)進(jìn)行電能計(jì)量，這有利于防竊電設(shè)計(jì)。但 AD7751必須使用兩個(gè)電流互感器。由上的分析可以看出， AD7755可靠性高，線性誤差小，電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，因此選用 AD7755作為電量取樣的核心芯片 [9]。 電功率的計(jì)算原理 負(fù)載上的瞬間電功率 P(t)等于負(fù)載兩端的瞬時(shí)電壓 v(t)與流過(guò)負(fù)載的瞬時(shí)電流 i(t)的乘積，即 P(t)= v (t)? i( t)，當(dāng) v(t)、 i( t)隨時(shí)間周期變化時(shí)， P(t)也 是隨時(shí)間周期變化的。例如，當(dāng) v(t)= 2 Vsin(? t), i(t)= 2 Isin(? t+? )，那么負(fù)載上消耗的瞬時(shí)功率為： P( t)= 2VIsin(? t ) ? sin (? t+? ) =VI[cos? cos(2? t +? ) =VIcos? VI cos(2? t +? ) P(t )：瞬時(shí)功率； V：交流電壓有效值； I：電流有效值； ?:電壓、電流相位差； 從上式可以看出，瞬時(shí)功率 P(t)包含直流分量 VIcos? , 和交流分量 VIcos(2? t + ? )兩部分。在絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合關(guān)心的是負(fù)載上消耗的有功功率，有功功率定義為瞬間功率 P(t)在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，在上述例子中 ，負(fù)載上的有功功率為： P= 1/T∫[VIcos? VIcos(2? t+? )]dt=VIcos? ； 因此，有功功率的測(cè)量可以從瞬時(shí)功率的直流分量獲取，這個(gè)方法顯然適用于直流電壓、電流，而對(duì)于非正弦電壓、電流的功率測(cè)量，同樣可以得到證明。 在實(shí)際應(yīng)用中，所有的電壓、電流波形都有一些諧波分量。應(yīng)用傅利葉變換可將 瞬時(shí)電壓、電流表示為： V(t)=V0 + ? ?hh thV ?? ??? ? s in2 0?h (1) 基于單片機(jī)遠(yuǎn)