【文章內(nèi)容簡介】 表不便時(shí) 的不足，此外系統(tǒng)還具有以下特點(diǎn)： ?硬件簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且功能強(qiáng)大； 3 ?可移植性較強(qiáng)，稍做改造即可變成多用戶多表聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)； ?系統(tǒng)成本相對其他應(yīng)用系統(tǒng)不高，能夠被市場和用戶接受，市場前景廣大； ?系統(tǒng)的安裝和維護(hù)方便、工作穩(wěn)定性較好； ?系統(tǒng)選用符合國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)傳基表，系統(tǒng)計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性符合 或略高于國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化； ?系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)、通用性較好，便于實(shí)現(xiàn)技術(shù)的推廣和應(yīng)用等。 本文所完成的主要工作 針對目前電表聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的問題， 結(jié)合本課題 的設(shè) 計(jì)任務(wù)和技術(shù)要求 [2] ，本文主要解決以下幾個(gè)方面的問題： ，達(dá)到如下功能或性能： （ 1）能耗抄?。簲?shù)據(jù)采集器正確采集電量信息，存儲在采集器中；自動(dòng)定時(shí)地 對 DF 電表進(jìn)行抄表，將抄得的數(shù)據(jù)存儲在集中器中；能通過紅外抄表器抄取集 中器中的能耗數(shù)據(jù)； 集中器自動(dòng)定時(shí)地對采集器進(jìn)行抄表，將抄表的數(shù)據(jù)存儲在 集中器中；上位機(jī)可以遠(yuǎn)程獲取用戶的各類能耗信息。 （ 2）參數(shù)設(shè)置：上位機(jī)可對集中器、采集器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可對用戶的電量 進(jìn)行設(shè)置，并可以根據(jù)電表信息對采集器進(jìn)行設(shè)定。 ： （ 1）對采集器和集中器中各硬件進(jìn)行程設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)主流程及各子程序的編 寫；各個(gè)硬件的驅(qū)動(dòng)及初始化。 （ 2）上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)：采用客戶機(jī) /服務(wù)器的客戶服務(wù)形式對上位機(jī)進(jìn)行軟 件編程。 本章總結(jié) 本章提出了本文的設(shè)計(jì)課題， 介紹了與課題相關(guān)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，明確了總 線制抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想， 并且提出了設(shè)計(jì)所要解決的主要問題和相應(yīng)的初步設(shè) 想。 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) 4 第 2 章 抄表系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成 自動(dòng)抄表系統(tǒng) 是一個(gè)完整的通訊檢測控制體系，最上層是計(jì)算機(jī)管理層。 這 層由各種工作站、庫服務(wù)器等計(jì)算機(jī)設(shè)備組成，其中配備管理軟件，實(shí)現(xiàn)如讀取 數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)用電情況等功能。 每個(gè)臺區(qū)里要有一個(gè)中間的轉(zhuǎn)發(fā)層，這里稱之為“集中器” 。集中器每個(gè)臺 區(qū)至少配備一臺，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)重要的問題就是通信問題。 要根據(jù)系統(tǒng)的通信距離來選擇合適 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)或者無線 GPS 等方式來進(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 RS23 RS422 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)超過兩個(gè)時(shí) ， 他們都無法直接滿足要求。 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) 5 RS485 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)是一對平衡傳輸?shù)膬? 端都配置終端電阻，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 通信接口的信號傳輸是用兩根線之間的電壓差來表示邏輯“ 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 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 兩級結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)的總體分布結(jié)構(gòu)如下圖 所示。 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 RS485 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采集器通過屏蔽雙 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；采集器對 電量的采 集可以直接通過 DF 型電能表上的 RS485 接口接受用戶的電量信息， 也可以通過 采集器上的紅外接口， 利用專用紅外抄表器對采集器進(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 的日趨成熟和科學(xué)技術(shù)的不斷完善進(jìn)步， 國內(nèi)市場已出現(xiàn)許多能夠生產(chǎn)符合國家 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)來構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺，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)? 穩(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 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，大大提高 系統(tǒng)的帶載能力；另一方面 ， 兩級分布式測控系統(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。 且兩級分布式測控系統(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)用可以更有效地對用戶各種能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、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 的設(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。 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： ，存儲于內(nèi)部的 RAM 中。 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)定好的程序，存儲于外部的 RAM 中，等待上 位機(jī)的查詢，并把沒有反應(yīng)過來的終端的號碼記錄下來，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)的對某一用戶進(jìn)行復(fù)查等。在兩種模式下，對沒有反應(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； ◆ 128 8 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； ◆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。空閑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＋５ V 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的輸 入 ； （ 5） RST： AT89C51 的復(fù)位信號輸入引腳，高電位工作，當(dāng)要對芯片復(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。當(dāng)訪問外部存儲器時(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，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)存儲器時(shí)， 將 跳過一個(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 ） 來執(zhí)行程序，在 8051 中， EA