關(guān)鍵詞 電力載波 單片機(jī) 中斷
目前，我國(guó)城鄉(xiāng)居民用戶抄電表、水表和煤氣表的方式基本上都是人工抄表，即由抄表人員每月逐戶查抄水表、電表、煤氣表。這種落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度大、采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度低。因此，國(guó)家有關(guān)部門規(guī)定以后將逐步以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的人工抄表。自動(dòng)抄表系統(tǒng)目前主要采用有線通信技術(shù)和電力載波通信技術(shù)。有線通信技術(shù)作為傳統(tǒng)方法，以其穩(wěn)定性占有優(yōu)勢(shì)。但有線通信鋪線工程浩大，而且容易被人為損壞；同時(shí)居民樓建成后，再在墻壁表面拉線，居民難以接受。電力載波通信技術(shù)能有效解決上述問題，它利用現(xiàn)有交流電源線作為通信線路，省去了鋪線工程，優(yōu)勢(shì)明顯。但由于電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制。 (1)配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送； (2)不同信號(hào)耦合方式對(duì)電力載波信號(hào)損失不同； (3)電力線存在本身固有的脈沖干擾。 另外電力線上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線成為一個(gè)不理想的通信媒介，但由于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線載波通信成為可能，其中數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比決定傳輸距離的遠(yuǎn)近。電力線載波通信的關(guān)鍵就是選用一個(gè)功能強(qiáng)大的電力線載波專用Modem芯片。 本文介紹的自動(dòng)抄表系統(tǒng)就是建立在電力載波通信技術(shù)基礎(chǔ)上的。它采用高性能的Modem芯片，在軟硬件設(shè)計(jì)上采用多種技術(shù)防止電力線傳輸數(shù)據(jù)的各種干擾，使得整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到相當(dāng)高的數(shù)據(jù)采集精度。 1 系統(tǒng)組成及工作原理 本系統(tǒng)利用主控機(jī)，Modem，集中器，采集器等功能模塊，對(duì)居民樓的水電（煤氣）表進(jìn)行集中管理。其中采集器主要對(duì)用戶的水電（煤氣）表進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，集中器則循環(huán)查詢采集器的計(jì)數(shù)值并進(jìn)行累加保存。集中器是整個(gè)系統(tǒng)的通信橋梁，它接收主控機(jī)監(jiān)測(cè)命令，并把采集器的計(jì)數(shù)值送到主控機(jī)。主控機(jī)由PC機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)居民樓每個(gè)水電（煤氣）表收費(fèi)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算和全面監(jiān)控，管理人員通過(guò)主控機(jī)就能知道居民樓每個(gè)用戶的水電（煤氣）表用量和交費(fèi)情況，從而利用本系統(tǒng)對(duì)一大片居民樓進(jìn)行集中管理。 整個(gè)系統(tǒng)的組成可分為兩個(gè)部分,第一部分為同一樓層用戶的數(shù)據(jù)采集，如圖1所示，兩個(gè)用戶共用一個(gè)采集器，可以同時(shí)采集6路數(shù)據(jù)，包括水表，電表，煤氣表，圖1只給出了其中4路。
圖1 一個(gè)單元同一樓層接線示意圖
圖2為一個(gè)住宅小區(qū)的水電表抄表系統(tǒng)的總體功能框圖，每一個(gè)單元設(shè)一個(gè)集中器，采集器與集中器通過(guò)RS-485總線通信，單元與單元之間以及樓與樓之間通過(guò)電力載波通信，這種設(shè)計(jì)不僅滿足了遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的傳輸，而且具有強(qiáng)抗干擾能力。
圖2 住宅小區(qū)水電表抄表系統(tǒng)總體示意圖
2 硬件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)的硬件分為采集器、集中器以及電力載波通信3部分。
2.1 采集器 采集器的主要功能是負(fù)責(zé)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)與集中器進(jìn)行通信。如圖3所示。其主要器件是AT89C2051，是一種帶2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（Flash ROM）的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，采用ATMEL高密度、非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)，是一種高效的微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。
圖3 采集器功能框圖 圖3中數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)檢測(cè)傳感器送來(lái)的脈沖，為了保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，在數(shù)據(jù)采集模塊中采用光電隔離器件。 通信功能模塊主要負(fù)責(zé)采集器與集中器的數(shù)據(jù)交換，它與集中器的通信是通過(guò)RS-485總線實(shí)現(xiàn)的，電路如圖4所示。
圖4 采集器與集中器之間的通信 圖4中RS-485接口芯片采用MAX485，這種芯片功耗低，靜態(tài)電流為300μA，采用一對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)半雙工RS-485網(wǎng)絡(luò)的連接，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2.5Mbps，總線上可掛接32個(gè)采集單元，通信距離可達(dá)4000m。
為了加強(qiáng)程序運(yùn)行的可靠性，防止程序意外跑“飛”，在采集器部分還設(shè)置了看門狗電路。采用高性價(jià)比的MAX813L芯片，喂狗信號(hào)由單片機(jī)的
2.2 集中器部分 集中器以8031單片機(jī)作為控制中心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳送與接收。每個(gè)集中器可以管理99個(gè)采集器，集中器循環(huán)查詢采集器的計(jì)數(shù)值并進(jìn)行累加保存，集中器是整個(gè)通信系統(tǒng)的橋梁。一方面它通過(guò)串口與PC 機(jī)（主控機(jī)）通信，另一方面它用P1口通過(guò)RS-485與采集器通信。集中器作為上位機(jī)（主機(jī)）發(fā)出命令對(duì)采集器（從機(jī)）的數(shù)據(jù)接收并累加存儲(chǔ)到RAM中。本系統(tǒng)RAM芯片采用Dalas公司的DS1225Y，該芯片是一種容量為8K×8的SRAM，具有掉電保護(hù)功能，可以防止意外而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失。工作時(shí)集中器通過(guò)P1口進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，再將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)予處理后送到主控機(jī)（PC機(jī)），并保證做到整個(gè)通信過(guò)程的準(zhǔn)確無(wú)誤，且最終的結(jié)果通過(guò)PC機(jī)讀出。圖5為集中器的原理框圖。
圖5 集中器原理框圖 圖5中集中器與采集器的通信通過(guò)8031的P1口進(jìn)行，而與PC機(jī)的通信通過(guò)串口進(jìn)行。
2.3 調(diào)制解調(diào)器 本系統(tǒng)采用ST7537 作為電力載波器件。ST7537是專門為大樓管理自動(dòng)化設(shè)計(jì)的CMOS異步半雙工調(diào)制解調(diào)器集成電路，廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的各種從屬設(shè)備。它接收主控系統(tǒng)通過(guò)電力線發(fā)送的各種控制命令，并可將從屬設(shè)備的信息通過(guò)同一電力線發(fā)送回主控系統(tǒng)，即利用現(xiàn)有的電力線組成半雙工的低速小型局域網(wǎng)絡(luò)。其通信協(xié)議符合EN50061-1 Cenelec標(biāo)準(zhǔn)。外接單片機(jī)通過(guò)RS-232接口芯片與高性能PC機(jī)接口。ST7537除了具有數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能外，還具有載波偵聽和看門狗功能，其目的也是為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠地傳送。ST7537采用頻移鍵控（FSK）方式，使用的載波頻率為132.45kHz，數(shù)據(jù)傳送速率為1200bit/s。如果ST7537使用的晶體頻率為11.0592MHz，則當(dāng)調(diào)制器輸入為“0”時(shí)產(chǎn)生的載波頻率為133.05kHz，輸入為“1”時(shí)產(chǎn)生的載波頻率為131.85kHz。這兩個(gè)頻率都在上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)。采用移頻鍵控方式的好處一是可以減小電力線上的噪聲和其它干擾的影響，提高數(shù)據(jù)交換的可靠性；二是可以降低局域網(wǎng)絡(luò)的建造成本，有利于提高市場(chǎng)占有率。ST7537具有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的全部功能，只需外接一只線路變壓器及其驅(qū)動(dòng)電路。
3 軟件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要分為采集器部分，集中器部分以及PC機(jī)的管理程序，下面主要對(duì)采集器的軟件作一些介紹。 采集器主要負(fù)責(zé)各通道脈沖的計(jì)數(shù)和與集中器通信，將累加的脈沖及時(shí)地傳送到集中器的非易失性RAM中保存。采集器與集中器的通信采用主從方式，采集器的串行口中斷程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并對(duì)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC循環(huán)校驗(yàn)，主程序循環(huán)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的命令進(jìn)行分類，轉(zhuǎn)相應(yīng)的命令處理子程序處理，采集器主程序流程框圖如圖6所示。
4 系統(tǒng)抗干擾措施 抄表系統(tǒng)對(duì)精度的要求是相當(dāng)高的，尤其是電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)大的情況下，輕者會(huì)造成計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，重者會(huì)造成整個(gè)計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)丟失。因此，系統(tǒng)的抗干擾能力非常重要，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要采取了以下措施來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。
圖6 采集器主程序流程框圖
1．采用看門狗電路，防止單片機(jī)死機(jī)； 2．采用軟件陷阱，一旦程序落入陷阱區(qū)，則通過(guò)無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令，強(qiáng)制程序返回； 3．采用高性能電力載波芯片及掉電保護(hù)的RAM芯片，防止數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中受到干擾或因意外導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失； 4．在軟件中對(duì)脈沖的邊沿抖動(dòng)進(jìn)行處理，防止因“毛刺”現(xiàn)象引起的誤差，對(duì)數(shù)據(jù)及命令都進(jìn)行CRC校驗(yàn)；在采集器計(jì)數(shù)及集中器對(duì)脈沖進(jìn)行累加的過(guò)程中關(guān)中斷。 以上這些措施可以大幅度地提高抄表系統(tǒng)的精度和可靠性。
5 結(jié)束語(yǔ) 該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)相關(guān)部門技術(shù)鑒定，電表抄表的相對(duì)誤差在±0.5%之間，水表在±0.05%之間，證明該系統(tǒng)計(jì)數(shù)準(zhǔn)確。另外該系統(tǒng)還具有對(duì)各住宅用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，收費(fèi)管理，設(shè)備管理等功能?？梢詮V泛應(yīng)用于居民住宅小區(qū)、學(xué)校、工廠等，具有廣闊的應(yīng)用前景。
參 考 文 獻(xiàn) 1 白駒珩，雷曉平編著．單片計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用．成都：電子科技大學(xué)出版社，1994 2 王樹勛，王朝玉，張新發(fā)編著．MCS-51單片微型計(jì)算機(jī)原理與開發(fā)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990 3 徐惠民，安德寧編著．單片微型計(jì)算機(jī)原理，接口及應(yīng)用．北京：北京郵電學(xué)院出版社，1990 4 MAXIM．Maxim integrated products光盤．1998 5 HULOUX．SGS-THOMSON Microelectronics, ST7537—power line modem application． |
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