基于单片机的电能表自动抄表系统设计

毕业设计（论文）基于单片机的电能表自动抄表系统设计摘要公共事业收费自动化和小区物业管理智能化等领域的技术开发和应用越来越受到人们的重视,本文研究旨在提供一种利用低压电力供电网络,低成本高可靠地实现公共事业收费自动化和小区物业管理智能化的技术应用.在本文介绍了一种基于MSP430单片机的复费率单相电能表的主电路及通信接口电路,给出了其具体电路,采用AD7755作为专用电量测量芯片以保证测量脉冲数的准确性,硬件日历时钟及参数存储采用总线器件以减少电路连线。综合设计使电能表的工作可靠性得到大大提高。同时对系统的软件设计和可靠性设计也作了介绍。关键词单片机,远程抄表,AD7755AbstractTechniqueoftransmittingdataviapowerline(PL),anewtechniquedevelopedinrecentyears,isusedtoautomatizethefreecollectingsysteminpublicserviceandthemanagementofuptownservice.Thisarticlediscussedtheadvantage,disadvantageandthecurrentstateofthepowerlinecarriercommunication.Theadvantage,methodandcurrentstateofusingspreadspectrumtechniqueinpowerlinecommunicationarediscussed.Themaincontrolandcommunicatinginterfacecircuitsofthemulti-ratewatt-hourmeterbasedonMSP430singlechipisdiscussedindetailinthispaper.Theprincipleofthemulti-ratewatt-hourmeterisalsointroduced.Themeasuringofwatt-hourhashigheraccuracybythespecialAD7755.Addressesanddataoftheclock/calendaranddatastoragecircuitsaretransferredseriallyviathetwo-linebidirectionalI2Cbuswhichsimplifiescircuitandenhancesthereliability.SoftwareandreliabilitydesignofthissystemarealsomentionedKeywords:Singlechip;Remoterecording;AD7755目录TOC\o"1-3"\h\z摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题背景 11.1.1自动抄表的发展现状 11.1.2研究成果 3第2章自动抄表系统概述 32.1自动抄表系统结构说明 32.1.1电能表 42.1.2网络通讯 42.1.2数据交换设备 52.2系统的选择 62.2.1几种常见的系统组合方式 62.2.2常见抄表方式的优缺点 6第3章系统的工作原理 83.1电能表系统结构 83.1.1时钟电路设计 93.1.2电能计量电路 103.1.3液晶显示电路 113.1.4串行接口 113.2数据集中器的结构原理图 123.2.1集中器硬件电路的设计 133.2.2与IC卡抄表器的接口电路 133.2.3电源模块 143.3数据采集器的设计 143.3.1数据采集器的结构原理图 143.3.2数据采集器的硬件电路设计 14第四章系统软件设计 194.1电能表的软件设计 194.1.1软件设计思想 194.1.2软件程序框图 194.1.3系统抗干扰设计 204.2数据其中器的软件设计 204.2.1主程序设计 204.2.2电源管理程序的设计 214.3数据采集器的软件设计 234.3.1主程序 234.3.2通讯中断子程序 254.3.3存储器操作子程序 264.3.4延时自程序 26结论 26参考文献 28附录1 29附录2 30致谢 31第1章绪论1.1课题背景自动抄表技术（AutomaticMeterReading）是将数据自动采集、传输和处理应用于电能供用与管理系统中的一项新技术。它从根本上克服了传统的人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。目前，美国等发达国家已把自动抄表技术广泛用于配电管理。我国对自动抄表技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。对供电部门和用户来说，人工抄表收费一直是一大难题，而人工收取电费到底难在何处呢？第一，难入户。现在的用户大多不希望被人打扰，而且抄表工作只能在早、晚居民休息时间进行，因而使收费的成功率很低，有时一户需反复多次上门才能收齐电费；第二，人工工资支出高。如1万户电力用户，抄表人员约45～70人，年费用近100万元。随着城市的扩张，抄表员人数及薪资同步增加；第三，抄表工作劳动强度大：由于高层楼房的普及，使抄表成为劳动强度较大的工作。自动抄表技术就是在技术与管理两方面急待进步、改革的迫切需求下逐渐发展起来的。1自动抄表的发展现状传感器、自动化仪表以及集成电路技术的进步，使得无论是机电脉冲式还是全电子式电度表已能够较好地满足现今自动抄表技术的需要。对于机电脉冲式电度表，只需在表内安装光电转换模块和相应的接口，即可实现反映用电量的电信号输出。这类模块和接口具备成本低廉、小巧且易于拆装等特点，因此列目前仍在大量使用的感应系电度表的改装是可行且易于实现的。对于全电子式电度表，可直接读取其电脉冲输出。有的新型全电子式电度表本身安装有多种接口；适用于模拟、数字等各种通信模式。今后相当一段时间内，自动抄表系统的终端采集装置将以上述两种仪表为主。再则，汇集数据的采集器和集中器等装置，可通过单片机、存储器和接口电路等方便地实现，并且已经有了较成熟的产品。因此，数据采集并不构成自动抄表技术中的难点。事实上，通信子系统是自动抄表技术中的关键，也占据了投资的相当大部分。数据通信方式的选取要综合考虑如地理环境特点、用户用电行为、技术水平、管理体制和投资成本等因素。很多情况下，某种方式最终被选用并不表示经济利益和技术要求的最大满足，而只是权衡了各方面条件后的折中。这就给研究留下了空间。据参考文献，前述的几种通信方式在实际系统中均有应用。国内外对于不同通信方式的侧重有所不同。在西方发达国家，对于自动抄表技术的研究起步较早且比较深入；且它们的电力系统包括配电网络也相当规范、完备。所以，低压电力载波技术得到了相对广泛的、成功的应用。而在我国，受技术水平所限，则较多使用电话线通信。近来，随着对扩频技术研究的深入，低压电力线载波中干扰大的问题正逐渐得到解决。因此，低压电力线教波在自动抄表技术中的应用有逐渐推广的趋势。由于电力部力实际应用的需求以及自动抄表技术自身完善的需要，近两年在该领域形成了以下一些研究热点和进步趋向从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、电力线载波自制总线。从1997～2001年，采样方式多改为磁敏传感，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，此种方式可以较好地正常运转。关于系统结构，多数厂家用增设集中器来解决用户增加的问题。电磁兼容成为这一时期系统的设计难点，因为电表存在瞬时功率脉冲和平均功率脉冲的不同步的问题。从2002年至今，主流模式是数码表。完善集中抄表系统主要有几大难点：①设计时无统一标准，基本都是各自为政，使产品的普及存在难度；②调试时只靠人为的标识来区别线路，施工中容易造成混乱；③系统开发商和厂家脱节。由于表的供应商和系统的供应商分离，现阶段对于表具没有统一的标准可以遵循，系统的质量和表具的质量都是良莠不齐，经常出现互相扯皮的现象，影响用户最后的使用；④由于系统环节繁多，导致系统出问题的点比较多，又由于采用集中采集的特点一个地方出现问题可能会导致一大片出问题，因此问题很多。在这种情况下，直读表应运而生。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，相当于把流量计和积算仪集成到一起。因此也有人将它称之为“数码表”.1.1.1.研究成果(1)电子技术的发展由于电子技术的迅速发展，尤其是低功耗、高电磁兼容能力的芯片技术的一日千里的发展已经使2～3年前有难度的问题变得容易解决，而且是低成本来解决。由于内部采用无干扰的电池供电，只要在硬件方面采取有效的隔离措施，软件方面采用冗余校验的方法，计数直读表的可靠性是完全值得信赖的。目前已有企业开发出了能够嵌入表内的计数抄表模块专门用于远程自动抄表。(2)主要产品及发展趋势目前自动抄表厂家已经认识到，表具必须具备直接输出数据的功能，系统采用总线制结构。分线制系统已逐渐被淘汰.当前正在起步的抄表方式:GPRS自动抄表系统中国移动GPRS系统可提供广域的无线IP连接。在移动通信公司的GPRS业务平台上构建电力远程抄表系统，实现电表数据的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。GPRS电力远程抄表系统由位于电力局的配电中心和位于居民小区的电表数据采集点组成，利用中国移动现有的GPRS/GSM网络，电表数据通过中国移动的GPRS/GSM网络进行传输。对于电力部门来说，远程抄表需要投入大量的人力、物力和财力，给收取电费造成极大的不便，而GPRS自动抄表系统将成为新世纪比较普及的自动抄表系统之一。第2章自动抄表系统概述2.1自动抄表系统结构说明自动抄表系统主要由三部分组成电能表,通信网络,以及与电能表进行数据交换的各种设备.按照采集数据方式的不同，自动抄表系统可以被大致划分为本地和远程两种。本地抄表系统所使用的电度表一般加装红外转换装置，把电量转换为红外信号，抄表时操作人员到现场使用便携抄表微机在红外可视的距离内非接触地读取数据。电子式电度表或加装了光电转换器的机电脉冲式电度表构成远程采集系统的最前端。它们把用户的用电量以电脉冲的形式传递给上了一级数据采集装置。目前实际应用的远程自动抄表系统大多采用两级式数据汇集结构，即由安装于小区单元的采集器收集十几到几十个电度表的读数，而安装在配电变压器下的集中器则负责定期从采集器读取数据。2.1.1电能表自动抄表系统中的电能表是指具有数据记录存储以及交换能力的电力仪表根据使用场合不同可以是工业用表或居民用表其内部数据内容可以不同,(这里我们选用一种基于MSP430单片机的复费率单相电能表.)2.1.2网络通讯通信网络是指在电能表和数据交换设备之间进行数据传输的通道.它可以根据需要表现为各种形式如本地红外通信RS-232,通信RS-485通信,电力载波通信,无线通信,电话线数据通信,光纤或宽带网络通信等形式.通信网络一般具有覆盖面广传输信道公开通用的特点有相应的通信协议规范.有计算机网络的介入，网络安全问题就不可避免。相比之下，利用计算机网络通信较之自动抄表技术中所采用的其他通信方式更容易受到攻击。计算机网络本身的缺陷、漏洞构成内因；而对于计算机网络的攻击的易于实施性成为外因。通常黑客对某个特定网络发动攻击，所需要的除了一定的技术外，仅仅是一台廉价计算机和与该网络的物理连接。另一个值得关注的问题是：一旦自动抄表系统采用了计算机网络通信（特别是像Internet这样大型的开放式网络），它将面临上述各种危险因素的挑战。而且，并不是所有的安全措施和技术都能用于提高抄表系统的安全性，因为自动抄表系统有其自身的特点。自动抄表系统的通信是日分布在较广范围内的采集器、集中器与中心处理站间交换数据的过程。其网络结构一般属于集线器式（多点通过集线器连接到服务器）。通信中既要保证所抄得数据的安全可靠传输，又必须确保中心工作站不会受到采自传输网络的意外攻击。数据可采用密码技术进行保护。通常，密钥只在小型的分布式网络中应用，或网络是中央集线器格局的。支持公钥的密码机制可运行在大型的分布式网络系统中。对中心工作站的保护人可综合运用防火墙、控制访问权限以及使用安全内核等技术。防人墙和安全内核技术更多地涉及计算机软件方面的研究，其关键是选用适合于自动抄表系统通信网络结构特点的软体，以及采用自身安全性可靠、安全漏洞少的操作系统作为运行平台。对于控制访问权限，则需要研究制定合理、高效的安全策略保证合法用户能充分灵活边行使其权限有效防止非法用户的访问及合法用户的非法操作；同时，确保系统通信的、快速、便捷、通畅。当然，为自动抄表系统构建专门的计算机通信网络可以明显加强安全性，降低系统遭受攻击的可能，但这要付出高昂的代价，同时会限制本系统与其他系统的通信，减弱计算机网络在灵活性方面的优势，因此并不是一种积极的方法。鉴于此，目前应该研究的是如何将现有的网络安全技术很好地融合到自动抄表系统中，以解决网络开放性要求和系统安全性之间矛盾。2.1.2数据交换设备需要与电能表进行数据交换的设备统称为数据交换设备.在讨论数据传输时一般将数据交换设备定义为虚拟设备.在实际的自动抄表系统中可以体现为各种具体形式的设备数据交换设备可以分为三类:直接本地设备,本地设备,和远方计算机设备.直接本地设备是指在本地近距离直接与单台电能表进行数据交换的设备.主要体现为各种手持设备通信网络为红外通信RS-232通信或无线通信.本地设备是指在本地一定范围内可以与一定数量的电能表进行数据交换的设备主要表现为各种数据采集处理设备通信网络为RS-485通信,电力载波通信无线通信或宽带网络通信.远方计算机设备是在一定范围内可以和不同地区较大数量的电能表进行数据交换的设备主要是以计算机网络构成的数据采集处理设备通信网络为无线通信电话线数据通信光纤或宽带网络通信.而数据交换设备具体的可分为：数据采集器和集中器。其中数据采集器主要负责对电能表的数据信号进行收集及存储。集中器的作用对各载波电表实现双向数据传送，具有内部硬时钟可与系统进行广播校时，并实施定时抄表命令，存储抄表数据，可通过各种网络媒介与主站完成数据交换。远方计算机设备主要由中心处理工作站以及相应的软件构成，是整个自动抄表系统的最上层，所有用户的用电信息通过信道都汇集到这里，管理人员再利用软件对数据进行汇总和分析，以便做出相应的决策。如果硬件允许，还可直接向下级集中器或电度表发出指令，从而对用户的用电行为实施控制。由于抄表获得的数据量很大；因此要求中心工作站的硬件必须有一定的运算和存储能力；而在软件上首先要求操作系统应稳定可靠；其次，抄表软件必须具有处理海量数据的能力。典型的抄表软件具有如下功能：（1）远程设定抄表集中器和采集器内的参数；（2）抄收整个系统中所有电度表的数据；（3）使中央控制站可远程地对用户电度表进行断电和送电控制；（4）运行数据库，生成用电量日报、月报表，进行电费结算；（5）使系统可进行查询管理，对异常用电户给予告警提示，以配合检查。2.2系统的选择一个完整的自动抄表系统最终实现的目的是要将电能表的数据通过通信网络传递到远方计算机设备为用户和电能表管理方提供服务根据通信网络的不同选择自动抄表系统可以有各种组合方式.2.2.1几种常见的系统组合方式1,远方计算机设备和电能表直接构成自动抄表系统这种方式通信网络为无线通信光纤或宽带网络通信.电能表直接做为自动抄表系统中的网络节点.这种方式实时性好对通信网络的要求高成本高.2,远方计算机设备通过本地设备与电能表构成自动抄表系统,这种方式可以构成各种不同的自动抄表系统.远方计算机设备和本地设备之间以及本地设备和电能表之间可以根据具体情况选择不同的通信网络.本地设备做为自动抄表系统中的网络节点.这种方式也具有较好的实时性对通信网络的选择较为灵活成本较高.3,远方计算机设备通过直接本地设备与电能表构成自动抄表系统这种方式实时性较差对通信网络的要求较低,成本低,可靠性好.在本文中我们采取第2中系统组合方式：计算机设备和本地设备之间采用电力载波通讯。2.2.2常见抄表方式的优缺点通讯网络传送到控制中心的信通。为了适应不同的环境条件以及成本要求，通信网络的构成有多种方案。按照通信介质的不同通信子系统主要有：光纤传输、无线传输、电话线传输和低压电力线载波传输等四种。纤通信具有频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性强等特点，适合上层通信网的要求。但因其安装结构受限制且成本高，故很少在自动抄表系统中使用。无线通信适用于用户分散且范围广的情况。综合考虑成本和可靠性等问题，一般采取装设小型无线电台，在200MHZ～400MHZ频率范围内的某个频点上以散射通信方式进行无线通信。其特点是传输频带较宽，通信容量较大（可与几千块电度表通信），通信距离远（几十公里，并可通过中继站延伸）；主要缺点是需申请频点使用权，且如果频点选择不合理，相邻信道会相互干扰。租用电话线通信是利用现成的电话网络，只需在数据的发出和接收端分别加装调制解调器（MODEM）。该方法的数据传输率较高且可靠性好，一次性投资小；不足是线路接通时间较长（通常需几秒甚至几十秒），当集中器数已较多时，集中器到控制中心的通信效率将明显降低。另外，若租用电话线路多，其租用费也很可观，因此不适合大容量系统。低压电力载波通信是自动抄表技术的研究热点。它利用低压电力线作为系统前端的数据传输通道。其基本原理是：在发送数据时，先将数据调制到一高频载波上，再经功率放大后耦合到电力线上。此高频信号经电力线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。电子载波直接利用配电线网络，免去了租用线路或占用频段等问题，降低了抄表成本，并且有利于运营管理，发展前景十分广阔。但是，目前如何抑制电力线上的干扰，提高通信可靠性仍是亟待解决的问题。按照线路连接结构的不同，通信系统可分为星型和总线型两种类型。星型通信系统是以中心处理工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与集中器连接，形成一对多的连接构架。信道通信数据量较大，要求有一定的传输速率和带宽。一般光纤、无线和电话线通信都采用该连接方式。总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的。它以一条串行总线连接各分散的采集器或电度表，实现各节点的互连；特点是信道上节点较多，传输速率不高，传输距离短，因此一般用于底层（采集器、集中器层）电能数据的采集。低压电力线载波以及RS～485总线网是常见的总线型结构。除上述之外，在某些局部区域或小范围通信场合，点对点的通信方式也被使用，即特定的两点间使用专线通信。如红外抄表微机就是一例。另一个例子是20mA电流环，它采用以20mA电流为逻辑“1”、零电流为逻辑“0”的制式通信；由于使用了光电耦合技术，可以实现电气隔离，提高了系统的防雷击、防静电击穿能力，但是因其布线成本高，所以应用十分有限第3章系统的工作原理3.1电能表系统结构本方案中硬件采用TI公司高性能的16位超低功耗单片机MSP430F413作为主控MCU，它具有8Kflash,16位RISC结构,CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率;灵活的时钟源;数字控制的DCO可使器件从低功耗迅速唤醒,同时结合电量计量专用芯片AD7755,可以使电表硬件部分大为简化,而且很方便实现智能控制。被计量电能的电流通过分流器采样得到电压信号，再通过ADE7755芯片内部的差放电路将电压信号放大（其中放大倍数可设置为1、2、8和16倍），放大后的信号经过A/D转换成与其成比例的数字信号，再经过数字相位校正和高通滤波去除信号中的直流分量然后进入数字乘法器的一个输入端。被计量电能的电压信号经过电阻分压器取样，通过ADE7755芯片内部的差放电路将信号放大，再经过A/D转换成与其成比例的数字信号，进入数字乘法器的另一个输入端与电流通道的信号进行乘法运算，完成被计量电能的瞬时功率测量。乘法器输出瞬时功率通过数字低通滤波器进行积分处理进入"数字/频率"转换器，变换成与被计量电能平均功率成比例的频率脉冲信号（分为高频脉冲信号和低频脉冲信号），其中高频脉冲输出到校验与微处理器接口，在本机中，ADE7755的低频脉冲管脚悬空。脉冲输入信号经过光电转换后输入到微控制器（MCU）。微控制器（MCU）接收到脉冲信号后，通过对输入脉冲个数进行累计并根据脉冲常数大小来实现对电能计量。微控制器（MCU）通过串行通信，经载波芯片输出数据信息到低压电力线，实现载波通信，可用于电能表的远程自动抄表。微控制器（MCU）可通过载波接口与掌上电脑（HHU）进行数据通信，实现现场调试，完成参数设置等功能。系统总体结构如图1所示：3.1.1时钟电路设计智能分时计费电能表中必须要有实时时钟,分为硬时钟和软时钟两种。在众多的实时时钟芯片中,我们选用了PHILIPS公司的PCF8563。它是一款具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片,具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能及中断输出功能,可以完成各种复杂的定时服务。尤其是其采用I2C总线通讯方式,不但使外围电路极其简洁,而且也增加了芯片的可靠性。本系统PCF8563与MSP430接口采用图2所示接口方案。接口采用3根口线,PCF8563的INT脚产生周期为1s的脉冲中断信号给MSP430单片机的P1.4引脚作为中断触发信号,产生中断后,通过I2C总线读取PCF8563的基准时间。按I2C总线规约,PCF8563的从地址:读地址SLAR为A3H、写地址SLAW为A2H,PCF8563I2C通信实现有字节写/读两种状态。由于在MSP430单片机中没有I2C总线的硬件,所以采用软件模拟I2C读写数据的方法。3.1.2电能计量电路电量测量采用美国ADI公司的AD7755作为测量芯片,它是一种量程宽、精度高,内部具有掉电、上电自动复位电路的高准确度电能测量专用集成电路[2]。AD7755为低功耗的CMOS芯片,内部除了ADC和滤波、相乘电路外都采用了数字电路,有效的去除了尖脉冲等干扰信号,使得它在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期的稳定性。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值,用于与MCU接口,其接线图如图3所示。AD7755的CF输出端输出的脉冲频率正比于平均有功功率,通过它可以求平均功率和一个积分周期内消耗的电能:平均功率=平均频率=脉冲个数/积分时间电能=平均功率×积分时间=脉冲个数在正常运行时,积分时间可以定为1到2秒,这取决于显示部分更新的需要。3.1.3液晶显示电路在MSP430F413单片机中,液晶驱动作为一个外围模块集成于片内,极大的简化了液晶显示部分的接口设计,只要选择合适的液晶显示器,采用合适的驱动方式即可完成数据的显示。液晶显示板的公共极由COMn信号驱动,段极由SEGn驱动。而液晶的驱动又有多种方法:静态驱动、2MUX驱动、3MUX驱动、4MUX驱动等。不同的驱动方案所占用的单片机引脚数是相同的,采用2MUX驱动8位液晶显示所需的引脚数为2+8*8/2,输出引脚与液晶显示器件的连接如下:PIN号123456……29303132430引脚S0S1S2S3S4S5……S28S29S30S31COM0COM1LCDCOM01f1h1d1e2f2h……8f8h8d8eCOM0LCDCOM11a1b1c1g2a2b……8a8b8c8gCOM1通过设定液晶控制寄存器LCDCTL中的控制位来控制数据的显示,这里设定为4MUX显示模式,向液晶显示缓存LCMDX写入要显示的数据,片内驱动控制电路就会输出相应的驱动信号完成显示。3.1.4串行接口数据通信方式主要有并行数据通信与串行数据通信两种。考虑到串行数据通信只需要一对数据传送线进行信息的传送,所需传输线条数极少,传送成本较低,特别适用于分级、分层和分布式控制系统以及远距离通信之中,故本设计选择串行数据通信。RS-232C接口电路是最常用的接口之一,缺点是只能用于短距离的数据通信。RS-485接口在总线上允许连接多达128个收发器,具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和多站能力等优点。在此我们选用RS-485接口。本设计采用Maxim公司生产的MAX487芯片作为RS485通信收发器[3],MAX487芯片具有RS-485通信协议,可以带下位机128个、传输距离大于1km、传输速率达250kb/s。单片机可以通过RS485总线方式与主控计算机相连,主控计算机可以向智能电表发出遥控指令,采集到当前的电量数据和历史数据,构成了主从式的RS485通信应用系统。MAX487与MSP430的接口电路如图4所示。图中DE为发送器使能端,DE为1时发送器可以工作。DI为输入端,A、B为输出端。当DE为0时,发送器停止工作,且输出端为高阻。为输入使能端,为0时允许接收器工作,A、B为输入端,RO为输出端;为1时接收器被禁止,RO为高阻状态。MSP430通过P2.1和P2.2来控制收发器的工作状态,从而达到与主机通信的目的。3.2数据集中器的结构原理图数据集中器主要由CPU单元、存储模块、与数据采集器的通信模块、与管理中心计算机的通信模块、欠电压检测模块和电源模块等组成。其结构原理图如图3-5所示与管理中心PC通信与管理中心PC通信欠电压检测CPU单元PIC6F73电源模块与数据采集通信与抄表器接口模块存储模块图3-5将其与图3-5的数据采集器结构原理图相比，两者之间很多功能模块具有相同之处，如存储模块、通信模块和欠电压检测模块。合理利用两部分相似之处，对采集器中的部分硬件和软件进行修改，将其移植到对集中器的软硬件开发中，可以节约系统开发的时间，降低研制成本。3.2.1集中器硬件电路的设计数据集中器中的CPU单元同样采用MICROCHIP的PIC16F73芯片，EZPROM采用FM24C04，用于对所辖16只采集器的数据进行二次记录，提高数据的安全性。为提高系统的抗干扰能力，增加系统的可靠性，本系统采用光电隔离电路，两套总线系统各自采用相互隔离的电源进行供电。数据集中器用交流220V整流稳压后的12V电源供电，辅以免维护铅酸蓄电池以防断电。3.2.2与IC卡抄表器的接口电路图中INT与PIC16F73的1NT引脚相连，当有IC卡读卡机接入时，会调用中断子程序，去执行系统与IC卡读卡机的数据传输及参数设置等任务。CLK,I/O与单片机的RC3,RC4引脚相连，采用I2C总线标准进行数据传输。3.2.3电源模块系统中的电源模块是独立的，它不仅给数据集中器供电，同时也通过RS-485给数据采集器供电。因此，电源模块的设计很关键，为此专门设计了一块电路板，由市电供电电路和蓄电池供电电路两部分组成，有效地提高了系统的抗干扰性。3.3数据采集器的设计3.3.1数据采集器的结构原理图3.3.2数据采集器的硬件电路设计数据采集器的硬件电路主要根据上述结构原理图来设计，其中电源由数据集中器的电源通过RS-485总线供给，短路、断路检测模块在设计时与光电信号输入模块集成在一起。3.3.2.1CPU单元CPU单元选用MICROCHIP的PIC16F73芯片，其主要性能特点如下:·高性能的RISC结构CPU:指令集精简，共有35条指令，易于掌握;除跳转指令为双周期指令外，其余都是单周期令;DC20MHz时钟频率时，执行速度为DC-200ns;多种硬件中断功能(11个中断源);8级深度硬件堆栈;直接、间接、相对三种寻址方式。·特殊特征:低功耗睡眠模式;四种可选振荡方式;在线串行编程;内置上电复位电路((POR);上电定时器((PWRT)和振荡启动定时器(OST);片内RC振荡的石一门狗定时器可保证可靠运行;程序代码保护，可防程序代码非法拷贝。·CMOS工艺性能:低功耗特性，SV,4MHz时典型值小于2mA,3V,32KHz时典型值小于20uA，低功耗睡眠模式下典型值小于1uA;低功耗、高速COMSFLASH技术;全静态设计;宽电压工作范围2.OV-5.5V;工业级温度范围。·外围特性:8位5路通道A/D转换器;TMRO带8位可编程预分频器的8位定时器/计数器;TMRl带预分频的16位定时器/计数器，当使用外部时钟时，在睡眠模式下仍可运行;TMR2带8位周期寄存器，前预分频器和后分频器的8位定时器/计数器;2个捕捉/比较/PWM模块:16位捕捉器的最大分辨率为12.5ns,16位比较器的最大分辨率为200ns,PWM的最大分辨率为10位;同步串行口SPI/IC:同步、异步通讯接口SCI/USART操作。由其特点可知，PIC16F73单片机功耗低、精简指令集、抗干扰性好、可靠性高、有较强的模拟接口、代码保密性好，并且价格也较低，因此非常适合本系统的数据采集与通信。如下图所示：3.3.2.2存储模块为了提高数据的可靠性，每次采集的数据都写入数据采集器的存储器中，而不是PIC16F73的寄存器中暂存，这样可以确保干扰或断电时数据不会丢失。但这提高了对存储器的要求，如果只有一两百万的写入次数，那一两年后就失效了。通过比较，存储器采用美国Ramreon公司的铁电存储器FM24C04记录基表的数值和状态，主要考虑基于铁电存储器(FRAM)的性能和EEPROM存储器的相比有以下优点:(1)FRAM可以跟随总线速度写入，与EEPROM的最大不同的是FRAM在写入后无需任何等待时间，而EEPROM要等待几毫秒才能写进下一批数据。(2)近乎无限次写入。EEPROM只能进行十万到一百万次写入，而新一代的铁电存储器FRAM可以达到一亿个亿次(10的16次方)的写入次数，使用寿命特别长。(3)超低功耗，EEPROM的慢速和高电流写入令它需要比FRAM高出2500倍的能量去写入每个字节，相比而言FRAM的功耗极小。存储单元电路图如下：3.3.2.3与数据集中器的通讯电路通信电路的设计涉及PIC16F73与RS-485总线的接口设计。由MAX48X/49X组成的差分平衡系统，抗干扰能力强，接收器可以检测到200mV的信号，传输数据可在千米之外得到恢复，特别适合远距离通信，可以组成标准的通信网络。在数据采集器以及数据集中器的设计中采用MAX485接口芯片，半双工传输方式，其硬件接口连接图如图4.3.2.5所示。电路中的光藕器件选用NEC公司的PS2501芯片，它可以使RS-485电路的通信速率达到19200bps，足以满足本系统设置的9600bps速率的需求。如下图所示：3.3.2.4电源与欠电压检测电路源电路负责数据采集器不间断的供电，为采集器正常工作提供保障，进而保证电表数据采集的可靠性。如下图所示：数据采集器的电源为9VDC，由数据集中器的电源通过RS485送入。但数据采集器中每个芯片的工作电压的要求保持在SV，故采用HOLTEK公司的30mA微功耗三端稳压芯片HT7150，在其输出端加入0.1of的去耦电容，在其输入输出端分别接入了两个电解电容C1,C2，主要目的一方面是作为电路的蓄能电容，提供和吸收电路中瞬间的充放电能，另一方面可以旁路掉该芯片电源噪声。为了保证数据采集器能够正常工作，电路设计中还附加了欠电压检测部分，采用电源欠压检测器HT7050A，由于采用了CMOS工艺，确保芯片具有较低的电源消耗。其输出端连接到PIC16F73的RB1口上，当该芯片输入端电压小于SV时，则输出端为低电压，使PIC16F73的RB1口为低，反之RB1口为高。第四章系统软件设计4.1电能表的软件设计4.1.1软件设计思想单相复费率电能表的软件主要是实现电量数据采集和处理,并通过RS485接口实现与抄表系统的数据交换。4.1.2软件程序框图复位复位初始化清看门狗显示模块电量处理模块RS485通信模块停电处理电量处理模块的功能是由计量芯片提供计量脉冲,CPU对计量脉冲计数,结合当前时段和费率,累计用户峰、平、谷各时段的实际用电量。通信模块的功能是按照通讯规约实现与抄表器和抄表系统的可靠通信,由抄表系统读取用户电量数据和设置时段、费率、地址等电表参数。显示模块的功能是显示用户的峰、平、谷、总电量及时间、上月电量等信息。4.1.3系统抗干扰设计智能复费率电能表主要是基于单片机的系统,单片机系统极易受到强电磁场、温度、湿度等的干扰,在诸多干扰源中,来自电网电压的波动、尖脉冲干扰、瞬间断电对单片机的工作是一些很重要的干扰源,它使单片机不能连续正常工作。电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱状态,电网电压恢复正常后,微机系统难以恢复正常,有效的方法就是掉电保护,掉电信号由硬件电路检测到,加到单片机的外部中断输入端。软件中将掉电中断规定为高级中断,使系统能够及时对掉电作出反应,在掉电中断子程序中,首先进行现场保护,把当时的重要状态参数、中间结果、某些片内专用寄存器的内容一一从片外RAM中调入单片机内部RAM中;其次是对有关外设做出妥善处理,使外设处于某一个非工作状态,最后在片内RAM的某些单元做上特定标记。采用上电自动复位电路,使单片机上电后保持两种确定的状态,要么复位,要么工作,电源突然出现的短脉冲不会造成异常状态,确保系统正常工作。4.2数据其中器的软件设计数据集中器的软件功能同样有很多子程序实现，其中的通信中断子程序、存储器操作子程序、延时子程序都与数据采集器的子程序相同，在此只对其主程序和电源管理子程序作一介绍。4.2.1主程序设计主程序负责轮询16个数据采集器，对采集数据进行处理和存储，同时响应管理中心和IC卡抄表器的命令，主程序流程图如下图：由于PIC16F73只有一个串口，而系统既要与上位机通信，又要与下位机通信，在设计时采取的措施是:接收或发送上位机时，下位机屏蔽;接收或发送下位机时，位机屏蔽。其中通信中断子程序1用来接收和解析管理中心下传的命令并执行相应操作，如开户时对采集器初始化表底数，上传燃气气表数据等操作，其操作和数据采集器的通信中断子程序类似;通信中断子程序2用来接收IC卡抄表器命令并上传抄表数据，其操作和数据采集器的存储器操作子程序类似。4.2.2电源管理程序的设计电源管理程序是对电源模块进行管理，程序流程图如下图：电源管理程序主要负责检测蓄电池的电压，根据电平高低进行恒流、恒压、浮充充电，充电过程中的各种状态由两个指示灯显示。YellowLED亮表示恒流充电:YellowLED间隔亮表示恒压充电;GreenLED亮表示浮充充电;GreenLED闪亮表示浮充放置。4.3数据采集器的软件设计在数据采集器的程序设计中，为了确保系统的可靠性和实时性，提高数据采集器程序的执行速度和精度，节约系统资源，这里采用汇编语言进行程序设计。软件的功能由各个子程序完成。主要的子程序有数据采集与处理、通信中断、存储器操作子程序和延时子程序。4.3.1主程序主程序首先对单片机进行初始化，还包括堆栈指针设置;端口的通信方式;定时器(WDT)的预分频系数和初值设置:串行通信的控制寄存器和波特率寄存器的设置