自动抄表系统设计

1、摘要随着人口的增加和社会经济的进一步发展，水资源短缺已经成为制约我国经济发展的重要因素。为了改变粗放的用水方式，建设节水型社会，必须采用经济手段进行控制。传统的抄表方式由于时效性差、统计计算工作量大已经不能满足新的需求。 本文采用了嵌入式系统、以太网通讯技术和 RS485 总线技术相结合的方式，构建了远程自动抄表系统。系统主要包括数据采集终端和集中控制器两部分，通过 RS485 总线把两者构建成为一个分布式控制系统，来实现数据的采集传输和系统控制。其中以单片机为核心的数据采集终端负责水、电、煤气三表数据的采集、存储、显示；以 ARM 为核心的集中控制器通过 RS485 总线抄收各数据采集终端的

2、数据，并且通过以太网将集中后的数据上报给公寓管理中心的计算机以便进行统计结算。关键词：自动抄表 、数据采集、高校公寓、ARMAbstractWith the increase of population and the further development of social economy, water shortage has become the important factors restricting the development of our countrys economy. In order to change the way extensive water, constr

3、uction of water-saving society, must use economic means to control. Traditional way of meter reading due to poor timeliness and statistical computing workload big already cannot satisfy the new requirements. This paper adopted the embedded system and Ethernet communication technology and RS485 bus i

4、s a combination of technology, remote automatic meter reading system is constructed. System mainly includes the data acquisition terminal and central controller two parts, the two through the RS485 bus to build into a distributed control system, to implement the data collection and transmission and

5、control system. With the single chip processor as the core of data acquisition terminal responsible for water, electricity and gas three table data collection, storage, display; With ARM as the core of centralized controller through the RS485 bus to copy the data of each data collection terminal, an

6、d through the Ethernet after will focus on data reported to management center of apartment computer for accounting.Key words: automatic meter reading, data acquisition, the university apartment, ARM第一章 绪 论 1.1 课题研究背景 1.1.1 自动抄表简介 随着水表、电表、暖气表、煤气表(以下简称“三表”) 技术的发展，传统的机械式仪表正在被新型电子式仪表取代，在高校的建设和改造中得到广泛应用，

7、但是抄表工作依然依赖于人工操作。 根据“三表”统一抄写集中传送的要求,国内外陆续提出了一系列的解决方案，其中以建立在智能仪表基础上的自动抄表系统为关注的重点。自动抄表系统，简称AMRS（Automatic Meter Reading System）,是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户水表、电表和煤气表的智能化管理系统。 1.1.2 自动抄表研究背景 现在很多数城市采用了“分段计费办法”，这一计费法的特点就是单位水价随用户的用水量的增加而递增，通过经济杠杆来促进节约用水。但这样的计费制度也给供水部门的抄表计费工作带来了相当大的困难，传统的抄表方式由于时效性差、统计计算工作量大已经不能满足新

8、的需求。 同时，随着经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，我国大部分城市全面实行峰、谷分时电价制度，通过“削峰填谷”来提高全国的用电效率，合理利用电力资源。另一方面，随着我国电力工业的快速发展，电力体制改革也逐步深入，电力系统商业化运营对电业局的运行和调度水平提出了更高要求，不仅需要准确、准时抄录用电户的用电量，计算线损，做好线路的优化，还需要了解每天的用电曲线，做好负荷预测，为电厂或者电站进行有效的反馈，使其能更有效地制定计划发电。因此，传统的人工抄表的计量方式己经不太能满足商

9、业化运营的要求。针对以上的各类情况，为了节约各个管理系统的构件费用，节约人力资源，提高抄表的准确性、一致性和工作效率，三表的统一抄写和集中抄送被提上了日程。 1.1.3 自动抄表的发展历程 早在上个世纪80年代，智能家居、智能高校公寓的概念在欧美等发达国家得到了广泛的认同和发展。“智能小区”是一个多功能的系统，每个功能子系统都可以单独使用，同时诸多功能子系统还要具有协同配合的能力。这些系统包括：小区对讲系统、门禁系统、小区周界防范系统、监控系统、停车场系统、自动抄表系统等等。随着现代电子技术的发展，通讯技术和计算机网络技术都有了飞速进步，而二者的结合又进一步演化出许多新的通讯方式和通讯系统，为

10、自动抄表系统的实现提供了更多的现实可能。 从20世纪90年代早期至中期，这一阶段自动抄表系统的数据传输方式主要是485总线、电力载波线自制总线；采样方式主要是脉冲采样和机械采样；系统结构形式主要是:脉冲表集中采集器。 从1997-2001年，采样方式大多使用磁敏传感，传输方式则以485为主流。485方式下的分支问题则使用集中器、HUB解决，这种方式可以较好地正常运转。电磁兼容成为这一时期系统设计的设计难点。 从2002年至今，主流模式是数码表，这种表区别与以往的表的特点是读出的就是数据，而不再是脉冲，因此也有人将它称之为“数码表”。 1.1.4 我国自动抄表的发展现状 目前，随着人们生活质量的

11、提高，在我国的高校公寓设计过程中开始引进智能化系统。一些高校以及相关的科研院所正在进行紧锣密鼓的开发适合我国市场的产品，基于各种不同技术的自动抄表系统已经在某些小区投入使用。甚至有些自动抄表系统除了实现远程抄表的功能外，还具有在发生煤气泄漏等紧急情况下，及时报警并切断开关等功能，对学生拖欠电费、水费、燃气费等情况可进行远程控制。 1.1.5 我国自动抄表的发展趋势 随着科技的发展，自动抄表系统走向了嵌入式和网络通信的时代。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，它由以32位微嵌入式处理器为代表的硬件系统和以可裁剪的、面向特定场合的嵌入式操作系统为代

12、表的软件系统构成。随着ARM等高性能微处理器成本的降低和自由嵌入式操作系统的不断完善，嵌入式系统正在逐步应用于自动抄表系统之中。与此同时，随着网络通信技术的发展，以太网技术凭借其较高的传输速率、完善的通讯协议和高度的信息共享性得到了普遍应用，以太网数据传输技术在嵌入式设备中也得到了广泛的应用。由此可见，融入嵌入式技术和网络通信技术的自动抄表系统将会更加的精准适用，同时也会具有广阔的市场前景。 1.2 本文的主要完成的任务 本论文设计一个高校公寓自动抄表系统，其主要分为以下两部分：基于单片机的数据采集终端系统，主要用于采集、存储、显示和传输每户居民家中的三表脉冲数据；基于 ARM 系统的集中控制

13、器，负责抄收各个数据采集终端的数据，并把数据上报给上位机进行处理。 项目主要包括方案设计（通讯方案的选择，组网方案的选择，软硬件开发平台的选择以及主要芯片的选择），数据采集终端的原理图设计、印刷电路板的制作和调试，对单片机进行编程，实现了脉冲数据的采集存储计时、显示和通信功能；以 ARM 为核心的控制集中器的 RS485 通信接口设计，实现集中控制器与数据采集终端的数据传输功能，移植嵌入式操作系统，编写网络通信程序调试网络通信接口，实现集中控制器与上位机通信功能。 第二章 远程自动抄表系统设计方案 2.1 系统功能介绍 2.1.1 研制要求 为了适应高校公寓智能化的需求实现远程自动抄表，一种方

14、法是在已建成的高校公寓中重新安装能实现自动抄表的新型电子三表，这不但耗资巨大，实现起来也会困难重重。由于已建成的高校公寓中原有的机械基表已达到了非常成熟的程度，精密、可靠。因此，如何在已建成的高校公寓中通过一定的改造来实现远程自动抄表在智能高校公寓的建设中占有重要的位置。 本文就是要研制一种经济又实用的系统，利用它来实现各三表数据的自动抄写存储，并且能够统一集中上传到高校公寓的服务器以便进行统计结算。实现真正意义上的自动抄表。 2.2 系统结构和工作原理 2.2.1 系统结构选择 根据上述研制要求，下面对自动抄表系统的系统结构进行分析选择。首先介绍一下国内比较常见并且已经在投入使用的自动抄表系

15、统： 1） 电子卡自动计费系统 电子卡自动计费系统是一种预收费的单表自动抄表计费系统。以煤气表为例，用户使用煤气时首先要购买电子卡，煤气公司把用户购买的煤气量写入电子卡。用户只要把电子卡插入特制的煤气表便可以使用煤气，当购买量快用完时，气表就发生报警，提示用户重新购气，等卡用完时，则自动切断电磁阀停止供气。此系统适合住户疏散，收费难度较大的地区使用，但每户居民至少安装三个电子计费表，成本大，同时系统的故障率较大，维护难度大。而且公司没法监控用户的用量情况，一旦发生故障只能依靠用户的报告，特别是当发生有利于用户的故障时，将有损公司利益。 2） 集中式自动抄表系统 集中式自动抄表系统，就是把一个小

16、区，或一幢住宅楼住户的三表通过各类总线集中到抄表主机。用户现场只需要安放三个传感器，由安置在居民楼内的抄表主机分时地访问各户居民的三表，最后通过一些手持设备或者网络通信等手段将数据集中到相应的管理中心，把信息转录到计算机系统中进行统计结算。 由上述介绍可以看出，集中抄表系统与 IC 卡表相比较优点在于具有一定的实时性，公司可以实时获取用户的用量，便于发现故障，而且可以对用户短期用量以及用量曲线进行统计，为水厂、电站、气站的生产规划、管道设计提供第一手资料。但是这种集中是自动抄表系统还是存在一定的缺陷，由于整个系统主要依靠一个抄表主机工作因而系统可靠性比较低，故障定位困难，可维护性差。 在充分考

17、虑了系统的可行性、安全性、维护性、实用性和成本控制后，本文采用的是分布式控制系统来实现自动抄表。分布式控制系统就是由多台微处理器作为终端设备分别完成各自的控制处理任务，同时又有一个集中控制器可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。这种分散化的控制方式能改善系统的可靠性，不会由于主机的故障而使整个系统瘫痪。当集中管理器发生故障时，各终端设备仍具有独立控制能力，个别终端发生故障时也不致影响全局。分布式控制系统在结构上也比较灵活、布局合理和成本较低。 2.2.2 系统工作原理 下面具体介绍一下远程自动抄表系统的工作原理，首先在每个宿舍中安装一个数据采集终端完成抄表的具体工作，包括实时采集存

18、储三表数据、记录时间，以满足电表的峰谷计费的要求。在每一栋宿舍楼里安装一个集中控制器，集中控制器和数据采集终端通过某种布线方式组建成一个分布式控制系统，以此来完成数据的传输和系统的监控。集中控制器对下负责读取并集中各个终端数据，监控各终端工作情况；对上则需要将集中的数据通过某种通讯方式上报给上位机，以此来实现自动抄表。2.2.3 通讯方案选择 自动抄表系统需要通过某种通讯方式实现数据采集终端与集中控制器、集中控制器与接收机的计算机之间的通信。 为了实现分布式系统的通信和控制功能，需要通过某种通讯组网方式将终端设备和集中控制器连接成网络。在目前的条件下 RS-485 总线通信模式由于其结构简单、

19、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、楼宇控制等领域。 在充分考虑了传输距离、终端数量、带宽、安全性、组网成本后，本系统选择了 RS485 总线来实现分布式系统的组网。关于 RS485 总线的特性在本系统中，各集中控制器上的用户数据最终需要上报给物业公司的计算机，以便进行统计结算。为确保数据传输的可靠性，选用了有线连接方式将高校公寓内的集中控制器与物业的计算机构建局域网，通过局域网进行数据传送。此方案的另一优点是，即使局域网出现问题，也可以使用便携式电脑通过网络接口与集中控制器进行数据传送，从而增加系统的稳定性和可靠性。 2.3 系统总体设计方案 自动抄表系统的基本

20、结构如图 2.1 所示,每个学生宿舍中安装一个数据采集终端负责实时采集、存储、显示三表数据，记录时间等信息。在每一栋宿舍楼里安装一个集中控制器, 集中控制器通过架设在大楼内的 RS485 总线与数据采集终端进行通信，读取各终端的数据并进行集中。各栋楼的集中控制器通过有线连接与高校公寓物业的计算机构建一个局域网，通过该网络实现集中控制器与上位机的数据通信，由计算机实现三表数据的结算统计工作，从而实现整个远程自动抄表系统。 图 2. 1 高校公寓自动抄表系统结构框图第三章 系统的硬件实现 3.1 系统硬件设计概述 本章主要介绍了本系统的硬件设计以及实现，自动抄表系统主要由以下两部分组成： (1)数

21、据采集终端 在本系统中，每户家庭都必须安装一个数据采集终端，因为它是整个系统的重要执行机构，主要由单片机、监控电路、ISP 下载调试接口、电源模块、光电隔离电路、数据存储电路、数据显示电路、时钟电路、RS485 通信接口电路构成。考虑到系统的软件调试问题，为了给后期的软件设计与调试提供更多的便利，还在板上设计了一个串口通信电路，为 PC 与单片机的串口通信调试提供条件。 (2)ARM 集中控制器 以周立功公司的 EasyARM2200 开发板为硬件开发平台，充分利用板上资源实现其在系统中的集中控制作用，同时也设计了系统所需的 RS485 通信接口电路，并且重点介绍了系统所需的以太网通信接口电路

22、。 3.2 数据采集终端的硬件设计 数据采集终端电路是自动抄表系统最主要的执行机构，负责信号的采集、存储、传送、显示，还包括了单片机程序的 ISP 下载调试、串口通信等。 数据采集终端电路由以下几个模块组成： 1单片机及外围时钟电路模块 2电源模块 3光电隔离数据采集模块 4监控电路模块 5时钟芯片模块 6外部存储器模块 7LED 数据显示模块 8ISP 下载模块 9数据通信模块（RS232,RS485）3.2.1 单片机及外围时钟电路 3.2.1.1 AT89S52 单片机简介 数据采集终端选用的是一款低功耗高性能的微控制器 AT89S52，它具有与 8051 兼容的微控制器内核，与 80C

23、51 指令集和引脚完全兼容。同时还支持 ISP 在线编程，方便程序的调试。 片上的8KFlash使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，允许在系统可编程（通过串行口），拥有灵巧的8 位CPU 和系统可编程Flash，使得该单片机成为众多嵌入式控制系统的高效解决方案。 3.2.1.2 单片机时钟源设计图 3.1 外接晶振及上电指示灯如图 3.1 是单片机器外接晶振及上电工作指示灯的连接图。AT89S52 内部带振荡器，但是频率精度在20左右, 这种振荡器不能作为高精度的时钟信号源。对于数据采集终端来说，由于调试阶段涉及到和 PC 机的串口通信，并且需要和集中控制器通过 RS485 总线通

24、信，因而需要选用精确的11.0592MHz 外部晶体作为其工作时钟源，使用这个频率的晶体是为了方便计算串口通讯中用到的波特率，同时也完全能满足整个系统对时钟频率的要求。3.2.1.3 单片机上电检测手段 图 3.1 上还有一个测试灯，是 CPU 供电电压指示灯 LEDP，用来指示 CPU是否有供电。在供电电压正常的情况下此灯是一直亮着的。3.2.2 电源模块设计 3.2.2.1 电源模块设计规划 电源模块提供整个数据采集终端的供电，为了减少系统的复杂程度，数据采集终端上所用的芯片都选用 5V 供电电压。电源模块首先通过电源适配器将 220V 交流电转换成 12V 直流电，同时还可以加装一个 1

25、2V 的后备蓄电池，停电时可以做后备电源保证系统正常工作。然后通过电压调节和稳压芯片将 12V 转换成稳定的 5V 给数据采集终端上的各芯片供电。3.2.2.2 电源芯片选择 嵌入式控制系统的 MCU 都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。而设计者多习惯采用线性稳压器件（如 78xx 系列三端稳压器件）来将较高的直流电压转变 MCU 所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式会在工作中产生大量的“热损失”（其值为电压压降电流负荷），平均工作效率仅为 3040。 而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流通过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过，电源

26、的功耗极低，平均工作效率可达 70%90%。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和 PCB 板的面积，从而减少了对 MCU 工作环境的有害影响。 目前比较常用的开关稳压集成电路是 LM2576 系列，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为 MCU 的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。 LM2576 有几种系列，本文选用输出可调系列的 LM2576ADJ 为数据采集终端供电，该芯片为降压式开关电压调整器，电压的输入范围为：10V-40V，选用 12V（通过 220V 转 12V 交直流

27、变压器得到）输入,输出可调3.2.2.3 电源电路设计图 3.2 LM2576ADJ 典型电路图LM2576ADJ 典型电路结构如图 3.2 所示，LM2576ADJ 的电压调整公式为：Vout=Vref(1+R2/R1)。其中，参考电压 Vref=1.23V；输出电压 Vout 可以根据电阻 R1, R2 进行调整。本系统需要输出 Vout=5V，由此计算出来 R2/R13.06，选用了 R1=1K,R2=3.1K 电阻。具体的元器件电路连接如下图 3.3 所示。图 3.3 +5V 电源电路输入电压12V来源于交直流变压器的输出或者是后备电池提供（停电时备用），在输入端接了一个大电容100u

28、和一个小电容0.1u，分别滤除电源中的低频和高频干扰信号。在输出端由电感L12和两个电容构成型滤波电路。二极管D11的额定电流值应大于最大负载电流的12倍，考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2576的最大电流限制。二极管的反向电压应大于最大输出电压的125倍，因此本文采用的是型号为IN5822肖特基二极管。R5和 R6就相当于上图中的R2和R1，对于可调型的LM2576ADJ，可以根据输出要求调整这两个电阻的阻值，使器件选型灵活度更大一些。本系统中R5=3.1K，R6=1K，输出5V稳定电压。 布线的时候需要注意，LM2576ADJ 的反馈回路要远离电感，电路中输入/输出电容、

29、稳压二极管、接地端、控制端的连接线要尽可能短而粗，最好用地线屏蔽。3.2.3 光电隔离数据采集模块设计 3.2.3.1 光电隔离介绍 本自动抄表系统要对水表、电表、煤气表的三路数字量分别进行数据采集，为了解决前级信号引入带来的干扰，这里采用光电隔离技术，光电耦合器是通过光线实现耦合的，输入输出之间没有直接的电气联系，故有很强的隔离作用。 3.2.3.2 光电耦合器的工作原理 光电耦合器的主要作用是电气绝缘和信号单向传递，同时能隔离噪音和抑制干扰。光电耦合器就是把发光器件(发光二极管 LED)和光敏器件(光敏三极管)组装在封闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作为输入端，把光接收器的管脚作为输出端

30、，从而实现了以“光”为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。图 3.4 光耦内部结构电路图 3.4 是光耦的内部结构电路图，当输入端有电流 IF 流过 LED 时，发光二极管发光使得光敏三极管导通，其集电极就有电流 IC产生，通过光线实现耦合构成电光电的转换器件。光电耦合器可以直接用于数字隔离，当输入为低电平“0”的时候，光电三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”的时候，发光二极管发光使得光电三极管饱和导通，输出为低电平“0”，从而实现数字信号的传送。3.2.3.3 光电隔离电路的实现图 3. 5 光电隔离电路 本系统需要对 3 路开关量进行采集，因而选用了

31、TLP521-4 作为光电耦合器。TLP521-4 是一种完全对称特性的光电信号隔离器，其内部的结构为四个光电耦合器，它们的物理性质完全一致、重复性好，能将信号的输入级、输出级完全隔离，从而消除干扰。图 3.5 是本系统中光耦隔离器 TLP521-4 的电路连接图。其中 SIGNAL13 对应的是三表的输入信号，SAMPLE13 是经过光电隔离传送出来的信号，这三个输出信号将连接到单片机的 P10、P11和 P12 三个管脚进行数据采集。同时要注意，根据光耦的内部结构原理，在输出端需要连接上拉电阻。3.2.4 监控电路模块设计 为了提高系统的可靠性和稳定性，防止单片机由于电磁干扰或电压、温度波

32、动等突发事件的干扰引起程序飞逸或死机而不能完成正常的控制，本系统为单片机加装了看门狗监控电路。 由于 AT89S52 单片机需要的是高电平复位，所以我们采用了美国MAXIM 公司的微处理器系统监控集成电路芯片 MAX813 来构成系统的看门狗电路。在本系统中监控电路模块连接如图 3.6 所示，其中的 S1 是手动复位开关，按下即可以使 MAX813 的 RESET 管脚产生复位信号，从而实现对单片机的手动复位。WDI 脚连接单片机的 P32 管脚，可以通过程序设计使管脚不断输出脉冲信号，如果因某种原因使 CPU 进入死循环导致该管脚在 1.6 秒内没有脉冲输出（即没有及时喂狗），则该芯片的 R

33、ESET 脚会输出高电平复位信号使单片机复位，从而实现程序监控，防止单片机死机。 需要说明的是图中 MAX813 的 RESET 脚是通过跳线器连接到单片机的复位端 RST，因为 ISP 下载调试接口也需要用到单片机的 RST 脚信号，为防止监控电路对单片机程序的下载造成影响，在使用 ISP 下载时需要断开跳线器屏蔽监控电路。图 3.6 MAX813 连接电路由此可以分析出监控电路的工作流程：上电时, 只要 Vcc 达到 1V , 就能使复位信号 RESET 变为高电平, 当 Vcc 上升到门限电压 4.40V 后, RESET继续保持有效 200ms, 以便单片机可靠的上电复位。单片机每隔一

34、定间隔(1.6秒以内) 向 WDI 发出跳变信号, 以便使看门狗定时器清零。如果 1.6 秒还没有使 WDI 的电平发生变化, 则被认为是程序运行有故障, 即系统“死机”。此时/WDO 变为低电平，经过二极管给/MR 低电平, 相当于产生手动复位信号, 使单片机复位后重新进入正常运行状态, 同时又使/WDO 变为高电平。以此来实现单片机上电复位和程序监控。而进行手动复位时，只需要按下复位开关 S1 即可。 3.2.5 时钟电路模块设计 在本自动抄表系统中，数据采集终端需要定时存储数据同时需要保存时间信息满足电表的分时计费要求，因而需要设计实时时钟电路，来完成时间日期信息的读取、保存和设置功能。

35、图 3.7 DS1302 连接电路这款时钟芯片，连线简单，具体连接电路如图3.9所示。图中的5、6、7管脚分别连接单片机的P02、P01和P00管脚，用于串行通信，其中CE为使能控制端，高电平时允许I/O端进行数据传输，低电平则禁止数据传送且使I/O端呈高阻状态；I/O为串行数据输入、输出端，所有数据的传送顺序均以最低位LSB打头,最高位MSB结束；SCLK为同步时钟脉冲端, 其上升沿将I/O数据按位写入DS1302，其下降沿将DS1302 按位输出数据送至I/O端。另外Vcc2在双电源系统中提供主电源，Vcc1提供低功率的电池备份，在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据，DS1302由V

36、cc1和Vcc2中较大者供电。 微控制器与 DS1302 之间的基本通信过程是：首先由微控制器置 CE 为高电平，使 DS1302 处于通信状态。然后，由微控制器向 DS1302 发送命令字，DS1302 根据接收到的命令字来确定当前所要进行的具体工作。如果命令字为“写”操作，则 DS1302 在同步时钟脉冲 SCLK 的上升沿，将微控制器发送至 I/O 端的串行数据按位写入命令字所指定的寄存器中；如果命令字为“读”操作，则 DS1302 在同步时钟脉冲 SCLK 的下降沿，从命令字所指定的寄存器中按位输出串行数据至微控制器。最后，微控制器置 CE 为低电平，结束通信。3.2.6 数据存储模块

37、设计 本系统的数据采集终端需要独立的采集和存储三表数据，当系统执行统一抄表指令时通过 RS485 总线进行数据传输，将各终端数据传送到集中控制器。所以，数据采集终端在运行期间需要保存的数据量比较大，擦写次数也比较多，而且要求数据保存的安全期足够长，这就需要在单片机外围扩展一个高性能的存贮器。 传统的半导体记忆体有两大体系：易失性记忆体和非易失性记忆体。易失性记忆体有 SRAM 和 DRAM，在没有电源的情况下都不能保存数据，但这种存储器拥有高性能、易用等优点。非易失性记忆体有 EPROM、EEPROM和 FLASH，在断电后扔保存数据，但都有写入缓慢、读写次数低、写入时功耗大等缺点。 图 3.

38、8 给出了在数据采集终端上的 FM24C64 存储电路的具体连接，其中 SDA 和 SCL 接单片机的 P13、P14 口，通过软件模拟 I2C 总线与铁电存储器进行双线串行通信。由于本系统中该双线串行总线上只挂接一片 FM24C64设备，所以不需要区别从设备地址，所以 A1、A2 不需要连接。图 3.8 铁电存储电路3.2.7 数据显示模块设计 为了方便用户，在每户的数据采集终端上设计了数码显示模块，为了节约成本，系统设计使用四位八段 LED 数码管显示各户居民当月的三表数据。如图 3.9 所示是数据显示模块电路连接图，由于管脚比较多，需要的连线也比较多容易产生错误，所以在用 PROTEL

39、画 PCB 原理图的时候都没有直接连线，只是在需要连接的对应管脚上使用了相同的结点标识。具体连接如下：将单片机的 P20-P26 口作为数码管字段线的控制口（小数点位不接，分别接锁存器 74HC373 的输入脚（D1-D7）；将锁存器的输出脚（Q1-Q7）接数码管的公共字段线。同时将单片机的 P27 脚接锁存器的 LE 脚，以便通过程序控制数据锁存器的工作。将 4 个数码管的位断线（即共阳极）分别连接到单片机的 P34-P37 脚，由单片机程序控制扫描，配合公共字段线上的数据进行显示。同时为了增大驱动能力使数码管亮度更高，需要在单片机的P34-P37 管脚接 5.1K 上拉电阻。图 3.9 数

40、据显示模块连接电路图3.2.8 ISP 下载电路设计 本系统的数据采集终端采用 AT89S52 单片机很大程度上是因为该系列单片机提供了一个 SPI 串行接口可以对单片机内部程序存储器编程（ISP），大大方便了程序的调试。为了节约成本，方便调试，其电路如图 3.10 所示。图 3.10 简易 ISP 下载板电路图 如上图所示，下载板主要的芯片就是一个 74HC373 锁存器，该下载板，一头通过 DB25 接头连接计算机，另一头通过 10 芯的扁平电缆接数据采集终端上预留的下载接口。图 3.19 就是数据采集终端上的 ISP 下载接口的信号连接图。图中的 MOSI、MISO、SCK、RST 管脚

41、分别与单片机的 P15、P16、P17 和 RST 脚相连。3.2.9 数据通信模块设计 在本系统的设计方案中，需要通过 RS485 总线来实现数据采集终端与集中控制器的数据通信的；在对数据采集终端的调试过程中，需要通过串口来与计算机进行通讯，所以数据采集终端的通信模块设计包括两个部分：RS485总线接口和串行通信接口。 为了方便数据采集终端的软件调试，需要设计串行接口通信电路为计算机和单片机系统提供通讯链路。通过串口调试助手，由计算机向数据采集终端发送数据，或者接收单片机系统反馈回来的数据，判断单片机及其外围电路是否正常工作。由于 PC 机串行口使用的是 RS232C 逻辑电平，而 AT89

42、C52 单片机串行口的输入输出均为 TTL 电平，因此，当 PC 机与单片机通信时必须进行电平转换。常见的电平转换方法有以下 2 种： 1. 使用 MC1488 和 MC1489 电平转换器。由于 MC1488 和 MC1489 需要 15V 或 12V 供电，因而使用不方便，而且工作稳定性和可靠性也不高。 2. 使用双向电平转换集成芯片。此方法优点是只需单一个+5V 电源供电，可靠性高，无需增加程序设计的复杂性。 本文选用的就是双向电平转换集成芯片 MAX232，利用单片机硬件UART 接口的 RX(接受)、TX(发送)脚和电平转换芯片 MAX232 就可以构成串口通信电路了，图 3.11

43、是串口通信电路。图 3.11 串口通信电路3.3 集中控制器的硬件构造 自动抄表系统的集中控制单元以飞利浦公司的 ARM7 处理器 LPC2220为 MCU，作为集中控制器的中心控制模块，负责和数据采集终端、上位机进行通讯，实现对各终端的监控以及终端数据的读取、存储和集中传送。集中控制器的电路设计部分主要分为如下几个模块： 1） ARM 处理器外围电路模块：包括电源管理、键盘、显示屏以及 SDRAM、Flash 等数据及程序存储设备。 2） RS485 接口电路模块 ：集中控制器与数据采集终端构建分布式控制系统，实现数据的传送，需要 RS485 接口电路进行电平转换。 3） 以太网通信接口电路

44、：以太网通信模块用于实现物业公司上位机与集中控制器通过有线网络进行数据传送。集中控制器上 LPC2220 外围的时钟、电源、FLASH、SDRAM、按键、显示等电路使用的是 EasyARM2200 开发板资源，因而对这些外围电路的设计不多作介绍。 系统设计的集中控制器与数据采集终端的数据通信采用的是 RS485 总线。集中控制器的核心 LPC2220 和数据采集终端的核心 AT89S52 的串口输出都为 TTL 电平，需要设计通信接口电路实现 TTL 与 RS485 的电平匹配。LPC2220 和单片机的串口输出都为 TTL 电平，因此 LPC2220 和单片机与 MAX485 的连接电路基本

45、一致，如图 3.24 所示，MAX485 的 RO 和 DI 脚分别连接 LPC2220(或单片机)的串口引脚 RXD 和 TXD，/RE 和 DE 脚接连接在一起接到 LPC2220（或单片机）的一个 I/O 口作为收发控制信号控制该器件的动作。当该管脚输出为 1 时使能端 DE 有效，该器件作为发送器；当该管脚输出为 0 时，使能端 RE 有效，该器件作为接收器。注意，在 RO、DI、DE 和/RE 各脚上需要连接上拉电阻。图 3.12 MAX485 电路连接图 此外，在总线两端的差分端口 A 与 B 之间应跨接 120 匹配电阻，以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，能有效抑制了噪声干

46、扰。 需要注意的是，RS485 总线是根据设备号来寻址的，在本系统中作为从设备的数据采集终端的设备号并不是通过硬件来设置的，而是和程序一起烧写在单片机的 ROM 里，由软件在初始化时设置完成。 以太网以其高度灵活、易于实现的特点，成为当今最重要的一种局域网建网技术。本系统即是利用以太网技术将集中控制器与物业公司的计算机连接成局域网从而进行数据通信的。开发板的网络通信接口的电路连接如图 3.13 所示图 3.13 LPC2220 与 RTL8019AS 接口电路图第四章 自动抄表系统的软件设计 本章主要介绍本系统的软件设计部分，系统的软件设计主要包括三个部分：数据采集终端的软件设计、RS485

47、通讯协议设计、集中控制器的软件设计。下面先简要介绍一下这三部分的软件： 数据采集终端的软件设计是基于单片机的，为了实现模块化设计，首先按功能将其划分为以下基本模块：脉冲采集模块、时间电路模块、铁电存储模块、LED 数据显示模块、RS485 通讯模块，然后设计终端的整体软件流程，调用各软件模块。 RS485 通讯协议设计，包括了 RS485 通讯协议的设计、ARM 集中控制器和单片机数据采集终端通过 RS485 通讯的软件流程设计。 集中控制器的软件设计，该部分的软件设计包括C/OS开发环境的建立、与数据采集终端的 RS485 通讯任务的创建、与物业公司上位机的网络通讯任务的创建等。 4.1 数

48、据采集终端软件设计 数据采集终端主要完成的任务是：实时采集三表脉冲；每个整点对三表的实时数据进行保存；LED 实时显示当月的三表数据（每月初令 LED 显示清零）；与集中控制器进行 RS485 通信。由于数据采集终端与集中控制器通信都使用了 RS485 的通讯模块，所以这个模块单独在 如图 4.1 是数据采集终端整体的软件流程图，首先系统初始化、运行自检程序，主程序负责读取时钟芯片时间、判断是否到达整点，如果没有到整点则循环读取时间，等待中断发生；如果到了整点，则把此时的三表数据存储到铁电存储器中。再判断是否到了月初（即每月的第一天 0 点），如果是月初则将 LED 显示清零，不是月初的话跳过

49、 LED 清零，返回循环执行时间的读取，等待中断发生。 程序中还包含两个中断：定时器 1ms 一次的中断、串口通信中断。由于三路脉冲数据的采集需要在定时器中断程序中完成，为了确保脉冲数据的准确采集，在系统中设定定时器中断的优先级高于串口中断。一旦定时器发生中断，则优先执行定时器中断程序，该中断程序主要调用：三表脉冲数据的采集模块（包括软件滤波）和 LED 的动态显示模块，中断结束则返回主程序。如有串口中断发生则运行串口中断子程序，调用 RS485 通信模块，实现数据采集终端与集中控制器的 RS485 通信。图 4.1 数据采集终端软件流程图4.2 RS485 通讯协议设计及通讯软件流程设计 4

50、.2.1 RS485 通信协议设计 用 RS-485 总线进行系统通讯需要对其传输协议做规定，最重要的就是帧结构的设计。本系统数据帧的构造如表 4.1 所示包括：帧头、地址、类型、数据长度，数据，校验和及结束帧七个部分，除数据帧为 N 字节外，其余均占 1 个字节。起始字定义为“$”字符，其数值为 0x24，结束字定义为“*”字符，其数值为 0x2A。 在本系统中，集中控制器作为 RS485 总线上的主机，数据采集终端就作为从机。地址字节存放的是从机对应的设备号，与各个用户相对应，此设备号在一开始由各从机（数据采集终端）初始化时为该设备设定。本系统的数据帧主要有 6 种，这由类型字节决定，包括

51、：集中控制器向数据采集终端发送的“ACTIVE”指令、集中控制器发送抄表请求的“GETDATA”指令、集中控制器发送校时请求的“SETTIME”指令；数据采集终 端 应 答 就 绪 的 “READY” 指 令 、 数 据 采 集 终 端 发 送 三 表 数 据 的“SENDDATA”指令和数据采集终端的校时应答指令“ GETTIME”。其中“SENDDATA”帧为真正的数据帧，用于存放数据采集终端上的三表数据，其它 5 种为指令帧，用于存放主机发送给从机的命令字。4.2.2 RS485 通讯软件流程设计 RS485 通讯软件分为主控机（集中控制器）端和从机端（数据采集终端）两部分的通信接口软件

52、，其流程图如图 4.2、4.3 所示。可以看出整个程序的流程和协议设计密切相关的。对于数据采集终端而言，它的工作完全受到集中控制器的控制，根据集中控制器的抄表执行相应的操作。图 4.2 数据采集终端的 RS485 通讯流程 图 4.3 集中控制器的 RS485 通讯流程4.3 集中控制器的软件设计 集中控制器的软件需要与 EasyARM2200 硬件平台相互协调完成集中控制器在系统中的功能，该部分的软件设计是基于嵌入式 C/OS-操作系统的。在使用 C/OS-进行嵌入式应用系统开发时，首要工作就是把 C/OS-移植到应用系统中，使它能在系统所采用的嵌入式微处理器（LPC2220）上运行。集中控

53、制器需要在指定时间通过 RS485 总线向终端发送抄表和校时指令，并且根据数据采集终端发送的应答信息判断和接收数据。同时，集中控制器还承担着与物业公司计算机进行网络通信的任务。为此，在集中控制器的软件设计时在 C/OS-操作系统下创建了 2 个用户任务，分别负责网络通信和 RS485 通信，具体的任务流程如图 所示。图 4.4 集中控制器软件流程图 4.5 网络通信软件流程图第五章 数据采集终端的软硬件调试 由于集中控制器采用的是 EasyARM2200 开发板，周立功公司提供了配套的硬件说明及软件例程，对于处理器和外设的端口配置都有明确的说明，所以集中控制器的运行调试工作量相对较少。而数据采

54、集终端是自行设计电路制作的，在可靠性方面可能有所欠缺。5.1 调试方法 先检测硬件板无误的情况下，利用 ISP 口将软件程序写到单片机中，从而进行软硬件的联合调试。为了将问题发生率降到最小程度，在硬件调试时采取焊一部分调试一块的方法，将每一个功能模块调试通过后，再进行联合调试，将故障限制在最小的范围进行查找和解决。 5.2 硬件测试 5.2.1 电路板裸板测试 裸板测试是指电路板在没有焊接任何元件的情况下做的测试，目的是为了观测电路板上是否有短路、开路的现象。裸板测试主要看电源与地是否有短路现象，是否有个别过孔没有过通的情况。经过检测，本电路板无此情况。 5.2.2 电源模块测试 确定电路板上

55、不存在电源跟地的短路问题后，先焊接电源部分。焊接完成后，接上交直流变压器（其输出应该为12V 直流电压），测得 LM2576输出脚电压为+5V，电源模块正常，同时，上电指示灯点亮。 5.2.3 单片机测试 CPU 是系统最重要的部分，其测试主要是通过加载检测程序来完成的。核查 5V 电压和 ISP 口的 4 根编程线没有问题的时候，就可以通过 5V 供电和ISP 口加载程序做测试了，单片机上预留了一个 I/O 口做闪烁。加载测试程序，指示灯能够正常闪烁，说明单片机工作正常。5.2.4 LED 显示测试 通过 ISP 下载测试程序，实现数码管的显示。测试过程中发现数码管比较黯淡而且闪烁，经检查发现动态扫描频率太低。修改程序使单片机每 1ms动态刷新一次后显示比较稳定，但还未达到期望的亮度。经检查发现，是单片机 IO 口提供给 LED 共阳极的驱动电流不够所致。为此，分别在四个数码管的共阳极加上拉电阻，增大电流驱动，问题解决，LED 显示明亮稳定。 5.2.5 脉