远程无线抄表系统的设计

…….……………….…装订线……………….…….………….………….………远程无线抄表系统的设计目录23179摘要 IAbstractII292601引言 147811.1本课题的研究目的和意义 .1117561.2国内外远程自动抄表系统的发展及现状 1170791.2.1国外发展现状 1321791.2.2国内发展现状: 266161.3本课题的主要研究内容 2293221.4本章总结 3.220492.1设计原则 3176912.1.1可靠性原则 375122.1.2准确度原则 4324662.1.3实用性原则 4201632.1.4智能化原则 4104982.2远程抄表系统总体设计 425402.3集中器整体结构设计 545682.4本章总结 6122853集中器硬件电路设计 627743.1集中器CPU介绍 6213423.1.1管脚图及主要引脚介绍 7218113.2CPU外围模块电路设计 8306703.2.1外部存储电路设计 82473.2.2振荡电路设计 942193.2.3复位电路设计 10155773.3LCD触摸屏模块电路设计 11190843.3.1触摸屏控制电路设计 11171883.3.2LCD液晶接口电路设计 12232063.4电源电路设计 13292163.5本章总结 1588574GPRS通信电路设计 15152944.1GPRS网络特点 15238244.2GPRS模块SIM300C的介绍 17283294.3GPRS电路设计 18255404.3.1SIM300C接口电路设计 18170524.3.2指示电路设计 19222874.3.3SIM卡电路设计 2061914.3.4电平转换电路设计 21320184.4本章总结 2145905RS-485通信电路设计 22292525.1RS-485通信技术介绍 2233135.2RS-485总线布线规范 221425.3RS-485在远程抄表系统中的应用 23140055.4RS-485通信电路设计 24227775.5本章总结 2553266软件设计 2574776.1主程序流程图 25193296.2SIM300C子程序流程图 27241526.3电能表数据采集及处理子程序 28213186.4本章总结 29188797总结与展望 2926647.1总结 29146307.2展望 301010参考文献 3125321致谢 32 Contents23179Abstract I292601.Introduction 147811.1Thepurposeandsignificanceofthesubject 1117561.2Developmentstatusandabroadremoteautomaticmeterreadingsystem 1170791.2.1CurrentSituationofOverseasDevelopment 1321791.2.2DomesticDevelopmentStatus: 266161.3ThemaincontentsQuestion 2293221.4ChapterSummary 3255382.Theoveralldesignscheme 3220492.1DesignPrinciples 3176912.1.1ReliabilityPrinciple 375122.1.2AccuracyPrinciple 4324662.1.3ApplicabilityPrinciple 4201632.1.4IntelligentPrinciple 4104982.2RemoteMeterReadingSystemDesign 425402.3Cconcentratoroverallstructuraldesign 545682.4Thischaptersummarizes 6122853.Concentratorhardwarecircuitdesign 627743.1IntroductionCPUconcentrator 6213423.1.1Introductionpinmapandmainpin 7218113.2CPUperipheralcircuitdesign 8306703.2.1Externalstoragecircuitdesign 82473.2.2Oscillationcircuitdesign 942193.2.3ResetCircuitDesign 10155773.3LCDtouchscreenmodulecircuitdesign 11190843.3.1Touchscreencontrolcircuitdesign 11171883.3.2LCDliquidcrystalinterfacecircuit 12232063.4PowerCircuitDesign 13292163.5Thischaptersummarizes 1588574.GPRScommunicationcircuitdesign 15152944.1GPRSnetworkcharacteristics 15238244.2GPRSmoduleSIM300Cintroduction 17283294.3GPRSCircuitDesign 18255404.3.1SIM300Cinterfacecircuit 18170524.3.2Indicationcircuitdesign 19222874.3.3SIMcardcircuitdesign 2061914.3.4Levelconversioncircuitdesign 21320184.4Thischaptersummarizes 2145905.RS-485communicationcircuitdesign 22292525.1RS-485communicationstechnologyintroduced 2233135.2RS-485buswiringspecification 221425.3RS-485remotemeterreadingsystem 23140055.4RS-485communicationcircuitdesign 24227775.5Thischaptersummarizes 2553266.SoftwareDesign 2574776.1Themainprogramflowchart 25193296.2SIM300Csubroutineflowchart 27241526.3Meterdataacquisitionandprocessingsubroutine 28213186.4Thischaptersummarizes 29188797.SummaryandOutlook 2926647.1Summary 29146307.2Outlook 301010References 3125321Acknowledgements 32

远程无线抄表系统的设计摘要：随着国民经济和电力事业的迅速发展，一户一表制已基本普及。但低压电力用户由于数量多，地域分布广，电力公司的抄表工作量相当大。本文旨在提供一种低成本、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。通过对远程无线抄表系统的功能分析，针对抄表系统中数据集中器进行了设计。抄表集中器的设计包括了硬件设计和软件设计两大模块。其中硬件设计中采用STM32F103ZET6芯片为集中器的CPU，并设计了其相关的外围电路，完成了基于SIM300C的GPRS通信和RS-485总线通信两部分电路的设计。软件部分，介绍了集中器的程序设计思想，并给出了主程序和SIM300C子程序以及电能表数据采集处理子程序关键词：远程无线抄表；集中器；STM32F103ZET6；GPRS

Designofremotewirelessmeterreadingsystem(MechanicalandElectronicEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,Tai'an271018)AbstractWiththerapiddevelopmentofnationaleconomyandthepowerindustry,aformofthesystemhasbeenbasicallyuniversal.However,sincethenumberoflow-voltagepowerusers,awidegeographicaldistribution,thepowercompany'smeter-readingworkloadisconsiderable.Thisarticleisintendedtoprovidealow-cost,highlyreliabletechnologytoachieveautomationandpublicutilitychargesintelligentmanagementofresidentialproperty.Byfunctionalanalysisofremotewirelessmeterreadingsystemformeterreadingsystemdataconcentratordesigned.Meterconcentratordesignincludeshardwaredesignandsoftwaredesigntwomodules.ThehardwareusedinthedesignoftheconcentratorSTM32F103ZET6chipCPU,anddesigneditsrelatedperipheralcircuitsiscompletedbasedonGPRScommunicationSIM300CandtwoRS-485buscommunicationpartofthecircuitdesign.Softwaresectionintroducestheconcentratorprogramdesign,andgivesthemainprogramandsubprogramSIM300CmeterdataacquisitionandprocessingsubroutineKeywords:remotewirelessmeterreading;concentrator;STM32F103ZET6;GPRS

1引言1.1本课题的研究目的和意义目前,我国城镇居民住宅的水、电、气等生活能耗计量收费工作大部分采用逐月或者隔月入户验表收费的方式,不仅耗费了大量的人力,而且对居民生活也是一种干扰。传统的抄表方式由于时效性较差，统计计算工作量大，不能够满足新的需求。鉴于上述这种情况,建立住宅抄表自动化系统已经成为当前住宅建筑技术,尤其是智能型建筑中不可缺少的组成部分,其具有重要的实践意义。远程抄表系统不但提高用电管理水平的要求，而且也符合自动化办公的要求，也是网络技术和计算机发展的必然趋势。通过智能抄表系统，一方面能够实时地查看各个电表的数据，另一方面监视到变压器等相关设备的工作情况，同时所传递的数据还具有准确性高、稳定性可靠等优点，为后续的分时计费等改革方向提供的硬件支持。综上，远程抄表系统具有以下优点：（1）节约成本一方面直接减少了抄表人员，大大减少了人员开支；另一方面所有数据不再需要手工输入到计算机中，而是直接从电表进入计算机，实现了办公自动化，减少了各项经费的开支。（2）数据准确所有数据都是来自电表的直接统计，不会带有抄表人员的误差，准确的电表数据能够为电力企业调整经营模式带来准确的信息。（3）时效性抄表系统所采集的全部数据都是即时数据，通过对线性数据的分析，能够准确地了解用户的用电习惯，采取相关的措施合理地改善生产用电和生活用电之间的关系。另外，智能抄表系统还可以与配电自动化系统、电费管理系统等联网操作，为整个电力企业的自动化控制提供了硬件支持。而且抄表集中器是远程抄表系统的核心部分，起着承上启下的作用，所以本文对抄表器进行了开发研究设计。1.2国内外远程自动抄表系统的发展及现状1.2.1国外发展现状美国早在70年代已经开始使用无线集中抄表系统，它是在每块电能表内安装一块微处理芯片，其负责收集和存储电能表的累计电能量，另安装一个微型无线收器、发信机。国外对电力线路载波通讯技术进行了许多研究。由于发达国家电网运行状况已经趋于完善,电网管理水平较高,载波传输速率也较高,国外电网信号干扰小。国外的电力载波技术在抄表中得到了较好的应用。多家公司出产了自己的电力线载波MDEEM芯片,并且制定了电力线载波适用频率范围的标准。其次,总线制智能抄表方式在国外很流行,几家大公司如德国MEIELK公司、英国ABB公司以及以色列ARAD公司在此方面都具有相对优势,并且制做了一体化芯片，并且制作固件并装配到表体上。除此之外,国外的远程抄表系统中无线抄表应用较广泛,还有采用新的仪表总线方式的,如美国德州仪器公司的TSS721A。它采用一种欧洲新型总线结构,具有极性可互换,总线拓扑结构可任意,传输距离远等特点。随着科技的发展，自动抄表系统的理论和技术国外在这方便研究比较已比较完善，在发达国家如美国、日本、英国等基本都实现了自动远程抄表[2]。1.2.2国内发展现状:我国传统的户用计量仪表管理大部分是由各管理部门派人到装表地点进行抄表,采用“一户一表”方式，这种方式用户面广、量大,所以极易造成差错,人工抄表不但效率低,而且不利于科学管理,给城市管理电网的建模、分析、规划等都带来了很大的困难。在“十二五”期间，随着国家电网公司在电网建设方面，进行智慧电网建设；在变革管理模式方面，推进“三集五大”改革；在管理信息化方面，开发了SG186系统。加强这些方面的管理，目的就是为了满足用电客户拥有更好的优质服务，在采集电能表读数上，现在已经发展为智能方式。在应用方面有：掌上抄表计算机、智能电表、集中远程抄表系统等等。归纳起来，我们中国主要使用的抄表系统有三种[9]。（1）智能电表抄表系统利用充值卡，充值方式灵活、方便，充完值后即插即用，电费低于一定金额，会提前报警，提醒用电客户去充值。如果欠费，就自行断电，不会给其它用电客户造成不便。实际上就是当前在省辖城市以上正在使用的具有费控功能的IC卡充值智能电表（简称：智慧电表，或预付费电表）。该系统的使用缺点就是，对充值点的数量要求较多。（2）掌上抄表计算机掌上抄表计算机，抄表员走到小区楼房内，用手工将电能表数据录入抄表器中，然后结束一天的抄表历程，回到公司后再利用营销系统主机的端口，将数据从手抄器导入主机，完成抄表任务。这种方案，从投资成本上讲一次性投入比较少，还可以为公司解决富余人员的工作安置问题。1.3本课题的主要研究内容本论文根据远程无线抄表系统的功能，首先进行抄表集中器的总体方案设计,给出总体方案图，然后分模块设计：(1)集中器主控电路的设计;(2)GPRS通讯模块的设计;(3)与智能电表的通信模块设计;(4)设计集中器的应用软件,实现基本的数据采集以及通信等功能本次无线抄表集中器的设计包含了以下几个内容：集中器通过GPRS无线传输的功能接收管理系统的控制指令，并进行相应的处理。(1)并通过有线通讯网络（RS－485）下达给各智能电表，读取各智能电表的数据。(2)能为系统提供后备电源。平时市电供电的情况下，采用市电变压供电，在市电停电的情况下，为了保证集中器的正常工作，应具有后备电源电路。(3)系统具有复位功能。(4)时钟电路。(5)软件实现模块，设计总体设计程序以及相关的子程序。1.4本章总结本章为论文的绪论，首先阐明了本课题的研究目的和意义，然后对国内外无线远程系统的发展和现状进了了解和分析。最后集中说明本次设计的任务和主要研究内容，从整理掌握课题要求。2总体设计方案2.1设计原则在设计远程自动抄表系统时,必须依据一定的设计原则,这样才能达到预期的目标,并且符合燃气行业的要求。本系统设计依据主要是建设部2010年6月1日实施的《住宅远传抄表系统》行业标准GT/162一2009,并结合南京瑞迅电子技术有限公司的企业标准制定的,主要包括可靠性、准确度、实用性和智能化等方面。2.1.1可靠性原则可靠性是本系统的基本要求。在使用中要求系统具有抗恶劣工作环境的能力,无故障工作时间长,而且通信过程中数据传输可靠等特点。最终衡量抄表可靠性的指标是指一次抄表成功率,即按下列公式系统对所属用户表的累计值抄读的一次抄读成功率。一次抄表成功率=一次抄表成功次数测试总次数/总的抄表次数x100%在连接的网络无故障条件下,系统的一次抄读成功率应>99%。因此,在元器件与参数的选择、电路硬件设计、电源系统设计、数据采集器和数据集中器的软硬件设计、外包装的结构设计中全部要考虑其可靠性。为保证这一要求,对重要部件,如数据采集器和数据集中器要求进行老化测试和高低温测试,软件上确保让系统故障能自检、自诊断,外包装结构要求坚固,不易损坏。2.1.2准确度原则准确度是本系统的内在要求下，在满足可靠性的基础上提出的。在对基表进行数据采集的过程中,一定要保证采集数据的准确度,否则系统的其他性能再好,采集数据却不能够作为收费和监控的依据,整个系统也就不具备任何实用价值。2.1.3实用性原则本系统是一民用产品,因此在产品的设计开发、生产销售中就必须考虑其实用性,只有实用,才能使研发的系统拥有生命力、竞争性和更大的市场潜力。因此,开发过程中要尽可能选择使用满足系统性能要求、同时价格较低的材料,使系统具备高的性价比;此外生产出来的产品要尽可能便于安装、调试和使用。2.1.4智能化原则智能化是本系统最大的特点,本文通过软件硬件两个方面来共同实现系统的智能化。在设计中尽量使用软件来代替硬件来完成一些功能,特别是数据采集过程的控制、故障的检测报警。在设计中还应该从软件的角度,运用计算机的数据处理能力、数据存储能力、逻辑判断能力等优点结合实际需求去开发一些新的功能。智能化的表现之一就是友好的人机交互界面。要建立友好的人机界面,一方面要求系统输出的信息丰富并易于理解,另外要求人对机的信息通道畅通,即要求各种控制和参数设置操作更加便捷,降低对操作人员的学历要求,尽量实现人机交互界面。智能化还表现在是软件中对各种异常情况的自动处理。数据处理后,系统可以按照预先设定的极限值(如用气量延5ms为一种异常情况)对采集到的数据进行分析,得到各种死表、用气量过小、用气量过大等异常数据,抄表员可以根据此作出相应处理[4]。2.2远程抄表系统总体设计远程电力抄表系统整体由四部分组成：控制中心、集中器、表箱控制器和用户电表；分为两层结构，其中包括集中器与表箱控制器的底层通信和控制中心与集中器的上层通信。系统组成框图如图2-1所示。自动抄表系统的通信信道方案包括集中器与表箱控制器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。底层数据采集采用RS-485总线型通信方式。上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。鉴于GPRS网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用GPRS网络作为上层通信方式。控制中心服务器与集中器构成上层通信系统。底层通信系统建立于数据采集现场，其中包括用户电表、表箱控制器和集中器。表箱控制器通过RS-485串行总线把采集到的数据信息传送给集中器。集中器的主要功能是数据的采集、汇总、显示和转发。本系统中集中器主要是由控制器和通信模块构成。集中器利用RS-485总线把比较靠近的表箱控制器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并且利用通信模块通过GPRS网络把数据传送到上位供电部门管理中心。集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分，集中器的硬件设计也是本文将重点进行阐述的部分[5]。系统组成框图如下所示:图2-1总系统框图2.3集中器整体结构设计集中器在整个远程无线抄表系统中担负着承上启下的作用，是整个通信系统的桥梁。决定着系统的整体性能。整个集中器功能结构中是以MCU微控制器STM32F103ZET6为核心的。其中包括用来完成电力中心服务器与集中器通讯功能的基于GPRS通讯模块，用来实现集中器与采集器通讯功能的基于RS485接口的电路模块，用来存储采集器传送过来的数据的Flash存储器，LCD和触摸屏用来显示数据以及对集中器进行初始化和参数设置。针对这些不同功能设计的不同模块，除了复位晶振这些最小系统外，给出了集中器整体方案设计如图2-2所示：图2-2集中器整体方案设计图2.4本章总结本章是远程抄表系统集中器设计的总体设计方案展示，首先简要说明了一下设计原则，然后再分析理解课题的基础上，给出了远程抄表系统总体设计方案，并从整体上针对集中器的几大模块电路，给出了集中器整体结构设计方案。3集中器硬件电路设计3.1集中器CPU介绍本次毕设集中器的功能主要通过STM32F103ZET6[6]芯片来实现的，STM32F103ZET6芯片是增强型，32位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器，其本身具有高性能Cortex-M3内核，丰富的I/0接口。它可以控制电源，液晶，触摸屏，存储设备，数据传输等。本次设计中涉及到STM32F103ZET6的接线有很多引脚，几乎所有的I/0接口都用上了，除了像PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG7组I/0口外，主要用到的引脚分别是OSC_IN、PC14-OSC32_IN、NRST、SPI以及USART接口，具体的引脚分配将在后文讲述。STM32F103ZET6采用ARM公司的高性能Cortex-M3内核，该内核集高性能、低成本、低功耗、性价比高于一体。它包含了从256K至512K字节的闪存程序存储器和高达64K字节的SRAM，Cortex-M3中还集成了大部分存储器控制器，这样可直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍。内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器以及带校准功能的32kHzRTC振荡器。除此之外，其运算速度可达1.25DMips/MHz,集成1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度；7组112个通用I/O口；片上外设资源包含有温度传感、PWM定时器、CAN总线、USB、UART、SPI、无线通信等接口、电压比较器、看门狗定时器、电源监测模块可编程逻辑阵列(PLA)等。该芯片采用2V-3.6V供电，在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μA。3.1.1管脚图及主要引脚介绍图3-1就是STM32F103ZET6芯片的管脚图，具体管脚介绍如下：PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG7组共112个I/0口：112个多功能双向的I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号。OSC_IN、PC14-OSC32_IN：振荡电阻输入端，与OSC_OUT所接电阻决定振荡频率；OSC_OUT、PC14-OSC32_OUT：振荡电阻震荡电阻输出端。PA2/USART2_TX10个USART接口：同步异步收发器（USART），它支持同步单向通信和半双工单线通信。它也支持LIN(局部互连网)，智能卡协议和IrDA(红外数据组织)SIRENDEC规范，以及调制解调器(CTS/RTS)操作。它还允许多处理器通信。用于多缓冲器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。NRST：异步复位脚。为低时，选择该芯片成为当前被控制设备并且开启SPI接口。空闲时，需要拉高。SPI：串行外设接口。总线系统是一种同步串行外设接口，它能够使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。芯片管脚图如下3-1所示：图3-1STM32F103ZET6芯片图3.2CPU外围模块电路设计3.2.1外部存储电路设计Nand-flash内存是flash内存的一种，其中内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决的方案。Nand-flash存储器具有容量很大，改写速度很快等优点，适用于大量数据的存储。而且由于抄表系统将产生大量数据，必须要有个内存较大存储器才能够存储大量数据，经过筛选比较，最后决定用K9F2G08U0M-YP芯片，稍后会对其的管脚以及作用进行详细介绍。NAND结构能提供极高单元密度，可以达到高存储密度，并写入和擦除速度也很快。应用NAND困难在于FLASH需要特殊的系统接口，而STM32F103ZET6为其提供了标准化接口，使困难迎刃而解[7]。K9F2G08U0M-YP芯片具体管脚介绍如下：I/O0～I/O7：输入，输出。I/O0～I/O7不但可作为数据输入输出引脚，而且可作为命令地址的输入引脚，命令、地址、数据分时复用，根据不同的命令区分地址和数据；CLE：命令锁存允许。ALE：地址锁存允许。CE：片选。WE：写允许。RE：读允许。R/B：准备好／忙。WP：写保护。图3-2为NANDFLASH电路原理图。图3-2NANDFLASH电路原理图3.2.2振荡电路设计STM32F103FZET6采用双时钟振荡方式：实时时钟（RTCClock）以及系统时钟（SYSClock）。两时钟均使用外置晶振设置，在引脚OSC32_IN、OSC32_OUT外接32KHz晶体振荡器构成实时时钟，使其具有校准功能；在引脚OSC_IN、OSC_OUT外接8MHz晶体振荡器构成系统时钟。图中的电容为稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。图3-3时钟电路图3.2.3复位电路设计STM32F103ZET6芯片具有异步复位脚NRST，芯片内部电源为复位电路充电，上拉电阻亦在芯片内部。复位电路的基本功能：系统中断电时提供复位信号，直到系统电源稳定后，撤销复位信号。为了可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防止电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动从而影响复位。STM32F103ZET6为低电平复位有效。为防止外部干扰，STM32数据手册上建议可以外接一个对地电容。当按下复位键后，复位管脚接收复位信号，STM32F103ZET6执行复位指令，由于按下复位键后电路相当3-4所示：图3-4复位电路图3.3LCD触摸屏模块电路设计本课题设计中的集中器需要显示某个电表的数据，和上位机服务器连状态，数据传输状态，信号传输状态，电源开关状态等。因此显示系统需要选择大屏幕细点阵液晶，细点阵液晶可以提供很好的波形显示效果。根据需要本研究选用了320×240的触摸屏，使用插接接口与PCB板进行连接，应用了芯片TSC2200IRHB设计触摸控制电路，因此显示系统有较强功能的I/O缓冲器，指令功能丰富，8位数据并行发送，显示速度快，支持以图形和文本方式混合显示。液晶屏为320×240点阵型，能清晰地以反射方式显示黑白图像。STM32F103ZET6通过功能复用引脚以此来控制液晶控制器，具体的电路图设计见下文。3.3.1触摸屏控制电路设计由于本次设计是集中器能够显示某个电表的数据，和上位机服务器连状态，数据传输状态，信号传输状态，电源开关状态等，触摸屏担负着键盘的作用，要进行初始化设置，因此设计主要做五个方面的设置，可以设置数据中心服务器的IP和端口号，把设置值传送给集中器模块和数据传输模块，以便于GPRS与服务器相连。TSC2200IRHB芯片能够实现这些设置。其主要管脚介绍如下：X+：位置输入端；Y+：位置输入端；X-：位置输入端；Y-：位置输入端；VBAT1：电源管理输入1；VBAT2：电源管理输入2；VREF：参考电压源；KBIRQ：键盘中断(低电平有效)；R1~R4：键盘第一行至第四行输入；C1~C4：键盘第一列至第四列输入；SLCK：串行时钟输入；SS：片选输入；MOSI：串行数据输入；DAV：数据有效端；MISO：串行数据输出；PENIRQ：笔中断；ARNG：模数转换器输出范围设置；AUX2：辅助数模转换器输入2；DAV：数据有效端；AUX1：辅助数模转换器输入1。在双端工作模式下,由VREF端引入外部参考电压,要在VREF端和VDD端同时并联1uF左右的电容器来提供电源的旁路,来减少TSC2200IRHB的功耗。图3-5为触摸屏控制电路图，图3-6为触摸屏接口电路图。图3-5触摸屏控制电路图图3-6触摸屏接口电路图3.3.2LCD液晶接口电路设计U405为点阵型为320×240的液晶模块,+5V供电；液晶数据传输方式是16位并行方式,液晶模块的8根I/O口线分别连接液晶模块的8个并行接口。Backlight为亮度驱动控制输入,经8050三极管放大后作为液晶背光。图3-7为LCD液晶接口电路。图3-7LCD液晶接口电路图3.4电源电路设计电源设计是远程电力抄表系统——集中器硬件设计中的一项非常重要的工作。系统中除了液晶接口电路需要5V供电，触摸屏控制电路、RS232&RS485通信电路、STM32F103ZET6等电路均需要3.3V供电。SIM300C的供电电压范围为3.4V~4.5V,典型值是4V。所以系统需要实现220V到5V的电压转换以及5V电压到3.3V电压和5V到4V电压的转换。第一步从220V到5V电压转换，通过变压整流滤波得到。5V电路图如图3-8所示：图3-85V电压转换电路图触摸屏控制电路、RS485通信电路、STM32F103ZET6等电路均需要3.3V供电。所以系统需要实现5V电压到3.3V电压的转换。如图3-9外接+5V直流电源经AMS1084稳压器稳压后,输出+3.3V电压。AMS1084的特点是输出电流大(800mA),输出电压精度在1%以内,具有电流限制和热保护功能,稳定性好。C5、C6、C7、C8均为电源滤波电容。图3-9为3.3V电压转换电路：图3-93.3V电压转换电路图4V电源均采用稳压器LM317实现转换，输入5V电源来通过调整三端可调稳压器LM317的参考点的电阻匹配,从而使LM317输出4V电压为SIM300C提工作电压,电路图如下。图3-104V电压转换电路图3.5本章总结本章是对远程抄表系统集中器的硬件电路设计，首先对集中器CPUSTM32F103ZET6进行了介绍，并根据CPU要完成的功能，设计了其外围模块电路。其中有时钟电路，复位电路，电源电路，外部存储电路，以及触摸屏和LCD显示电路，并对这些电路进行了分析和说明。4GPRS通信电路设计4.1GPRS网络特点(l)采用分组交换技术所谓分组交换技术就是GPRS信息在传输前被分成一段长度，再组成相关的数据包,并且在接收端重新组合。因此GPRS适合于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,并且适用于偶然的大数据量传输。(2)使用范围广只要有GPRS信号的地方就可以使用,尤其适合于野外、偏僻地方测量仪表的监控和数据采集。(3)数据传输速率高GPRS因为采用了经济高效的数据分组交换技术,数据传输占用GSM的8个时隙,数据封装在分割分组后上网发送,发送后不需要此容量时就可以立即释放,提供了即时连接和高速接入功能,数据传输可以稳定地达到115Kbps,此速率是常用的56Kbpsmodem理想速率的2倍,这样的通讯速度可以和专用通讯线路方式相媲美。(4)GPRS支持基于标准数据通信协议的应用,可以和IP网、X.25网实现互相联通,提供特定的点到点和点到多点服务,来实现一些特殊应用如远程信息处理。GPRS也支持短消息业务(SMS)经GPRS无线信道传输。(5)瞬间上网,永远在线GPRS的用户一开机,就附着在GPRS网络上,每次使用时只要一个激活的过程,一般需要2-3秒的时间就能马上登录连至Intemet,因此通讯网络的建立过程十分迅速,GPRS使用了数据分组技术,所以用户上网就可以避免断线情况的出现,由此保证GPRS永远在线[9]。(6)数据吞吐量大GPRS采用了与GSM不同的信道编码方案,定义了CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四种编码方案,支持中、高速率数据传输,可提供9.05-172.2Kbit/s的数据传输速率。GPRS所提供的数据传输速率取决于所采用的四种编码方案的哪一种,高的传输速率保证了需要实时传送和大的数据流量的顺利进行,GPRS上网传输数据吞吐量最高可达172.2Kbit/s。(7)性价比高同有线网络相比,节约线路、电话资源、速度较快;同无线局域网相比,免去了无线电频率资源审批手续,无需架设天线、节省投资。(8)GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样身份认证和加密功能由SGSN来执行"其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前GSM中的一样,不过GPRS使用的密码算法是专门为分组数据所优化过的。GPRS移动设备)可通过用户标识模块简称（SIM)访问GPRS业务,不管这个SIM卡是否具备GPRS功能。(9)OPRS服务节点(ServingGPRSSupportingNode,简称SGSN),它和移动交换中心在同一等级水平,并跟踪单个移动台(Mobilestation,简称Ms)的存储单元,实现安全功能和接入控制.在OSM公用陆地移动通信网(简称PLMN)中,GPRS引入了两个新的网络节点:一个节点SGSN通过帧中继连接到基站系统另一个是GPRS网关支持节点(GatewayGPRSsupportNode,简称GGSN),GGSN支持与外部分组交换网的互通,并经由基于IP的GPRS骨干网和SGSN互通。(10）蜂窝选择可由一个基站(Mobilestation,简称Ms)自动进行,或者基站系统指示MS选择某一特定的蜂窝。MS在重新选择另一个蜂窝或蜂窝组(即一个路由区)时会通知网络。.（11）为了访问GPRS业务,MS会首先执行GPRS接入过程,以将它的存在告知网络。在MS和SGSN之间建立一个逻辑链路,使得MS可进行如下操作:接收基于GPRS的SMS服务、经由SGSN的寻呼、GPRS数据到来通知。(12)为了访问GPRS数据,Ms会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使MS可被相应的QGSN所识别,从而能开始与外部数据网络的互通。(13)用户数据在MS和外部数据网络之间透明的传输,它使用的方法是封装和隧道技术:数据包用特定的GPRS协议信息打包并在MS和GGSN之间传输。一种透明的传输方法缩减了GPRS的PLMN对外部数据协议解释的需求,而且易于在将来引入新的互通协议，用户数据能够压缩,并有重传协议保护,因此数据传输高效且可靠。(14)GPRS可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级(Qos)的计费功能,计费方式更加合理,用户使用更加方便。(15)GPRS的核心网络层采用IP技术,底层可使用多种传输技术,很方便地实现与高速发展的IP网无缝连接[10]。4.2GPRS模块SIM300C的介绍随着无线通信技术的发展,GPRS产品在数据传输领域的应用日益广泛，GPRS模块的出现更加促进了这种应用的发展。现在市场中GPRS模块主要有内嵌TCP/IP协议栈和非内嵌TCP/IP协议栈两种类型。早些时候因为内嵌协议栈类型的GPRS模块价格比较昂贵,在一般对成本比较敏感的产品开发中很难采用,只能使用非内嵌TCP/IP协议栈的模块,然后自己再开发基于单片机的TCP等互联网通讯协议，增大了系统开发的难度和工作量,延长了产品开发周期和上市时间,有时甚至超过了应用本身的工作量。随着内嵌TCP/IP协议栈GPRS模块设计技术的成熟和微电子制造工艺的发展,大大降低了GPRS模块的成本。内嵌TCP/IP栈的GPRS模块的价格和非内嵌的模块相比,价格相差无几而功能更强大、设计更简单。所以人们己经开始大量使用带有协议栈的GPRS模块。本系统中,只有通过GPRS模块才能把采集到的电表数据通过GPRS网络发送到远程管理计算机上,我们选用了SIMCOM公司生产的符合工业标准并且内嵌TCP/IP协议栈的SIM30OCGPRS模块。SIM300C是具有三波段的GSM/GPRS模块,可以在全球范围内的EGSM900MHz、DCS1800MHz和PCS1900MHz三种频率下工作,具有提供GPRS多信道类型多达10个的能力,并且能够支持C-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案，在内部集成了TCP/IP协议栈,并且扩展了TCP/IPAT指令,使用户利用该模块开发数据传输设备变得特别简单、方便。SIM300C外形尺寸小巧,所以特别适合于对产品尺寸大小有严格要求的工业应用,如机器对机器和移动数据通讯系统等。SIM300C是利用节电技术设计的,在睡眠模式下工作电流仅为2.5mA同时,模块内部集成了充电电路,所以SIM30OC非常适合于电池供电等对功耗要求比较高的应用中。模块与移动应用设备是通过一个60引脚的板间连接器相连,它提供除了RF天线接口的其他所有的模块和用户电路板之间的硬件接口SIM300C内部功能模块有:1、键盘和SPI类型的液晶屏幕接口,使用户开发自己的应用设备非常方便。2、具有调试和数据传输两个串口,帮助开发人员更容易的开发产品。3、包括两个麦克风输入和两个话筒输出的双音频通道,可以由AT指令很容易的配置其工作模式,还能够实现免提功能[12]。4.3GPRS电路设计该模块主要包括GPRS模块与单片机数据传输接口电路、SIM卡接口电路及模块工作状态指示灯电路。数据经过单片机处理后通过串行接口电路发送到SIM300C中,SIM300C的功能是将电表数据或命令进行TCP/IP打包封装,利用与其连接的天线发射出去,通过GPRS网络和Internet网络将电表数据传到监控中心的主机处理,然后存入数据库中;此外,SIM30OC还可以接收到远程监控中心发送的数据和命令,再将接收到的数据和命令进行TCP仰解封装后送入单片机进行处理。由于传输数据的承载方式是GPRS网络,所以SIM卡是必不可少的,其功能是存储数据(控制存取各种数据)和在安全条件下(个人身份号码PIN)完成客户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程。4.3.1SIM300C接口电路设计SIM300C接口电路如图4.1所示。GPRS模块是通过60引脚的板间连接器和系统主板相连接的,通过该连接器可以访问SIM300C的所有功能模块。图4-1SIM300C接口电路图图4-2开关机电路图SIM300C的PWRKEK引脚与STM32的I/O端口P4.7相连,由STM32来控制其启动和关闭。当把PWRKEY拉为低电平一定时间后,SIM300C就被启动。当SIM300C启动成功后,外部电压输出引脚VDD_EXT输出3V,同时串口1发送/RDY0结果代表明模块己经被正常启动。在设计电路的时候,可以把VDDEXT引脚也引出,通过测量该引脚的电平就可以知道模块是否启动,非常有助于调试工作.SIM300C模块在TCP/IP应用任务下支持一种特殊的数据接收和发送模式（数据透传模式）在这种模式下,一旦建立连接,模块就进入数据模式,所有从串口接收到的数据都被看作数据包,随后直接被发送到远程服务器上;与此相似,从远程服务器上接收到的所有数据都直接从串口发送出去。数据模式和命令模式之间可以来回切换，一旦切换到命令模式,所有的AT指令都可以使用。如果SIM300C与远程服务器建立连接,数据载波检测(DCD)引脚就会变为低电平。4.3.2指示电路设计根据DCD引脚的变化,我们在该系统中设计了一个GPRS数据传输状态指示灯Dl,从Dl的状态就能够很直观的看出模块是否在进行数据传输.电路中发光二极管D-STATE由SIM300C的网络状态指示引脚控制,当模块处于不同的网络工作状态时,D-STATE也处于不同时间间隔的闪烁。指示电路如4-2所示：图4-2指示电路表4-3SIM300C工作状态指示网络状态灯D-STATE工作状态SIM300C工作状态熄灭SIM300C没有启动64ms亮,800ms灭SIM30OC没有搜寻到可用网络64ms亮,300ms灭正在进行GPRS数据通信信4.3.3SIM卡电路设计SIM300C自身为SIM卡提供复位信号、时钟信号和电源遵照当前多数手机SIM卡插座设计方案来设计的[14]。

SIM300C模块提供的SIM卡接口信号有：VSIM-SIM卡电源、SIMRST-复位、SIMCLK-时钟、SIMDATA-数据。SIM卡与模块之间通过SIM卡座进行连接，设计中采用6针SIM卡座，其信号线主要有：电源(VCC)、地(GND)、复位(RST)、状态(VPP)、时钟(CLK)、数据(I/O)，其中状态线VPP不接。SIM卡电源可以是1.8V或3V，RST、CLK、I/O3个引脚分别连接22k电阻后，再与SIM300C的SIMRST、SIMCLK、SIMDATA相连，SIMDATA与VSIM间还需接1个10k的上拉电阻。另外，在SIM卡接口电路中，为了减小静电干扰，应使用静电防护器件，设计中采用了SEMI公司的SMF05C。具体电路如图4-4所示：图4-4SIM卡电路4.3.4电平转换电路设计SIM300C模块为用户提供了：通用串口和调试串口。因为模块提供的2个串口都是TTL电平，需通过电平转换芯片，将TTL电平转换成RS232电平。设计中采用MAXIM公司的MAX23芯片进行电平转换，使用TXD、RXD、GND3根线构成3线串。电平转换电路图如4-5所示：图4-5电平转换电路4.4本章总结本章是对本次集中器设计中两大电路模块之一，与控制中心的上行通道设计，采用了基于SIM3OOC的GPRS电路。首先对GPRS系统和网络特点进行介绍和阐述，然后在对主芯片SIM300C做详细介绍，最后设计了GPRS通信电路，其中包括了SIM300C接口电路、开关机电路、指示电路、SIM卡电路、电平转换电路。并对这些电路的工作状态进行了解释说明。5.1RS-485通信技术介绍RS-485是CCITT标准化V.11X/.27兼容的平衡式电气特性标准。该标准采用集成电路,在一对平衡的互连电缆上传送差分信号,在接收端用差分接收器进行信号判决。这种接口是具有抑制共模干扰的能力,因此抗干扰性能很好,信号发送频率最高可达10MHz。在使用双绞线,信号速率小于1OOkbps时,传输距离可达1200m。RS-485接口在一个通道上可进行半双工通信,所以只需两根线便可双向通信,并可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络,一般使用双绞线作为网络总线。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而异,最多可接128个节点。对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静电放电的冲击的收发器,在进行系统设计时应综合考虑这些因素。RS-485是在RS422之后推出的一种电气标准，用于进行中等距离的信号传输，有以下的约束条件：（1）最大的通信距离约为1.2km，通信距离不长。（2）理论上最大传输速率为10Mb/S，而且最大的传输速率直接影响传输距离，距离越远，传输速率越低。（3）RS-485总线一般支持的节点数少，常规的RS-485总线支持32个节点，只有特的485芯片才能使得支持节点数增加[15]。5.2RS-485总线布线规范485总线由于其布线简单，稳定可靠从而广泛的应用于视频监控，门禁对讲，楼宇报警等各个领域中，但是，在485总线布线过程中由于有很多不完全准确的概念导致出现很多问题。现在将一些错误的观念作出一些澄清。485信号线不可以和电源线一同走线。在实际施工当中，由于走线都是通过管线走的，施工方有的时候为了图方便，直接将485信号线和电源线绑在一起，由于强电具有强烈的电磁信号对弱电进行干扰，从而导致485信号不稳定，导致通信不稳定。485信号线可以使用屏蔽线作为布线，也可以使用非屏蔽线作为布线。由于485信号是利用差模传输的，即由485+与485-的电压差来做为信号传输。如果外部有一个干扰源对其进行干扰，使用双绞线进行485信号传输的时候，由于其双绞，干扰对于485+，485-的干扰效果都是一样的，那电压差依然是不变的，对于485信号的干扰缩到了最小。同样的道理，如果有屏蔽线起到屏蔽作用的话，外部干扰源对于其的干扰影响也可以尽可能的缩小。选择使用普通的超五类屏蔽双绞线即网线就可以。由于原材料价格上涨，导致现在市场上的线材鱼龙混杂，有不良商人利用某种合金来顶替铜丝来做网线，在外面镀铜以蒙混客户。具体区别方法：看网线截面，如果是铜色的话，就是铜丝，如为白色，则是用合金以次充好。合金一般比较脆，容易断，而且导电性远不如铜丝，很容易在工程施工中造成问题。线材一般那建议选择标准的485线，其为屏蔽双绞线，传输线不是像网线那样为单股的铜丝，而是多股铜丝绞在一起形成一根线，从而即使某根小铜丝断掉，也不会影响整个的使用。485布线借助485集线器和485中继器可以任意布设成星型接线与树形接线。485布线规范是必须要手牵手的布线，一旦没有借助485集线器和485中继器直接布设成星型连接和树形连接，很容易造成信号反射导致总线不稳定。很多施工方在485布线过程中，使用了星型接线和树形接线，有的时候整个系统非常稳定，但是有的时候则总是出现问题，又很难查找原因，一般都是由于不规范布线所引起的。485总线必须要接地。在很多技术文档中，都提到485总线必须要接地，但是没有详细的提出如何接地。严格的说，485总线必须要单点可靠接地。单点就是整个485总线上只能是有一个点接地，不能多点接地，因为将其接地是因为要将地线（一般都是屏蔽线作地线）上的电压保持一致，防止共模干扰，如果多点接地适得其反。可靠接地时整个485线路的地线必须要有良好的接触，从而保证电压一致，因为在实际施工中，为了接线方便，将线剪成多段再连接，但是没有将屏蔽线作良好的连接，从而使得其地线分成了多段，电压不能保持一致，导致共模干扰[16]。5.3RS-485在远程抄表系统中的应用总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的,这种方式以一条串行总线连接各分散的终端,实现各节点的互连 。这种方式下,信道上节点较多,传输速率不很高(与通信介质有关),传输距离短,不超过2000m,因此一般用于底层数据的采集。本次设计底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、表箱控制器和集中器。表箱控制器通过RS-485串行总线把采集到的数据传送给集中器。集中器的主要功能就是数据的采集、汇总、显示和转发。本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。集中器利用RS-485总线把比较接近的表箱控制器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GPRS网络（此设计用RS-485串行总线）把数据传送给上位供电部门管理中心。集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分。RS-485总线是一种有线数据传输的方式，在实际应用中一般是用屏蔽双绞线来作为数据传输的线路。但是由于它的传输距离的限制，我们多用于集中抄表器和电表之间的数据传输通信。通过RS-485总线，使得电表和集中抄表器之间得到有机的关联5.4RS-485通信电路设计RS-485接口电路的主要功能是：将来自微处理器的发送信号TX通过“发送器”转换成通讯网络中的差分信号，也可以将通讯网络中的差分信号通过“接收器”转换成被微处理器接收的RX信号。任一时刻，RS-485收发器只能够工作在“接收”或“发送”两种模式之一，因此，必须为RS-485接口电路增加一个收/发逻辑控制电路。另外，由于应用环境的各不相同，RS-485接口电路的附加保护措施也是必须重点考虑的环节。本次设计选用的电路使用用SP485R芯片，SP485R芯片本身集成了有效的ESD保护措施。电路图如图5-1RS-485电路图5-1为一个使用光电隔离方式连接的SP485R芯片的485电路，可以被直接嵌入实际的RS-485应用电路中。微处理器的UART串口的RXD、TXD通过光电隔离电路连接SP485R芯片的RO、DI引脚，控制信号R/D同样经光电隔离电路去控制SP485R芯片的DE和/RE引脚。由微处理器输出的R/D信号通过光电隔离器件控制SP485R芯片的发送器/接收器使能：R/D信号为“1”，则SP485R芯片的DE和/RE引脚为“1”，发送器有效，接收器禁止，此时微处理器可以向RS-485总线发送数据字节；R/D信号为“0”，则SP485R芯片的DE和/RE引脚为“0”，发送器禁止，接收器有效，此时微处理器可以接收来自RS-485总线的数据字节。任一时刻，SP485R芯片中的“接收器”和“发送器”只能够有1个处于工作状态。连接至A引脚的上拉电阻R7、连接至B引脚的下拉电阻R8用于保证无连接的SP485R芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS-485节点与网络的可靠性。R7,R8,R9这三个电阻

要根据实际应用而改变大小，特别在用120欧或更小终端电阻时，R9就不需要了，R7和R8应使用680欧电阻。使用DC-DC器件可以产生1组与微处理器电路完全隔离的电源输出，用于向RS-485收发器电路提供+5V电源。

光耦器件，比如Agilent公司的超高速光耦元件隔离虽然能有效的抑制高共模电压，但总线上还会存在浪涌冲击、电源线与485线短路、雷击等潜在危害，所以我们一般会在总线端采取一定的保护措施。一般我们会在VA、VB上各串接一个4～10Ω的PTC电阻，并在VA、VB各自对地端接6、8V的TVS管，当然也可用普通电阻与稳压二极管代替。更多的还可以加热保险丝、防雷管，不过并不是说这些加的越多越好，具体要看实际应用，如果这些保护太多的话，也会影响到整个系统的节点数，与通信稳定性电路中光耦器件的速率将会影响RS-485电路的通讯速率。图2中选用了NEC公司的光耦器件PS2501芯片，受PS2501芯片的响应速率影响，这一示范RS-485接口电路的通讯速率只可保障在19200bps速率下正常工作；如果需要达到更高的RS-485通讯速率，则需要选用响应速度更快的[17]。5.5本章总结本章是集中器与下行通道的通信电路设计，与下行通道采用的RS-485总线电路。首先对RS-485通信技术和总线布线规范进行介绍，然后对其在远程抄表系统中的应用进行说明，最后给出了采用SP485R芯片的光电隔离型RS-485通信电路的设计图。6软件设计该系统主要是针对客户对现有电度表计量系统改造而设计开发的。因为客户现场使用的电度表只能以有线的方式将有功/无功、需量、预付费等多种参数上传到管理计算机,不能支持无线通讯。为了便于集中管理和实现电能管理自动化,需要把电度表的测量参数通过中国移动公司的GPRS网络上传到管理计算机,保存在计算机和数据库中。根据客户提出的功能需求,本文设计了该抄表终端,下面就终端软件实现的功能和软件流程进行详细说明[18]。6.1主程序流程图系统在开机后,首先对各个功能部件进行初始化，系统初始化包括:（1）系统时钟设置，STM32F103FZET6采用双时钟振荡方式：实时时钟（RTCClock）以及系统时钟（SYSClock）。（2）设置定时器TimerA3作为系统延时和进行时序控制,TimerA3时钟源采用ACLK,