远程自动抄表系统设计

远程自动抄表系统设计 摘要自动抄表是指采用计算机技术和通信技术自动读取和处理表具数据的一种手段，是提高能耗管理部门自动化水平的需要，也是计算机技术和通信技术迅速发展的必然。它不仅可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表差错，而且具有抄收速度快，抄表实时性好等优点。 本课题通过方案对比以及系统的需求和功能分析，选择了在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务通用分组无线业务(GPRS)。本文构成的自动抄表系统采用点对多点的结构形式，设计了GPRS带功能的数据采集终端，该终端向下通过RS485方式和 智 能 电 表 连接，向上 通 过 接入Internet，利用GPRS通信方式和监测中心服务器通信。重点介绍了电子式电能表和数据采集终端的软硬件结构，以他们为依托构建整个系统，并以此实现多功能的远程抄表系统。通过查阅相关资料和近几年的研究成果，此系统基本上可以实现远程自动抄表系统对用户电能表的远程数据采集、记录和实时监测的功能。关键词：自动抄表；硬件；软件；数据采集终端 目录摘要.I第一章绪论.1 1.1自动抄表系统概述.1 1.2 自 动 抄 表 系 统 的 研 究 背 景 及 意 义.1 1.2.1 研究背景.2 1.2.2 研究意义.2 第二章 电能远程自动抄表系统整体构建.3 2.1 系统方案的选择32.1.1 自动抄表系统构建.3 2.1.2 数据传输形式的选择.4 2.1.3 组网方式的选择.5 2.1.4 GPRS系统原理.5 2.2 系统整体方案的设计.6 2.3 系统的功能和特点.7 2.4 本章小结.8第3章 电能远程自动抄表系统的硬件设计.93.1 电能表的概述.9 3.1.1 电能表的 选 择.9 3.1.2 电子式电能表的简介.10 3.1.3 电子式电能表的硬件设计.10 3.2 RS485总线.11 3.2.1 什么是RS485.12 3.2.2 RS-485串行接口标准.123.3 终 端 主 控 制 器 和外围电路的设计.13 3. 3 .1 AT 8 9 C 5 1 芯片基本结构和特点. 133.3.2 微控制器外围电路的设计.15 3.4 终端 通信 模 块 硬 件设计. 16 3.4.1 通信模块的比较选择.16 3.4.2 SIM100简介. 17 3.4.3 GPRS模块SIM100和外围电路设计. 183.5 本章小结. 20第四章电能远程自动抄表系统的软件设计. 21 4.1 主程序设计.21 4.2 系统软件特点. 22 4.3 子程序设计.234.3.1 电能表的软件设计. 23 4.3.2 RS485串行通信子程序. 24 4.3.3 串口通信子程序. 264.4 本章小结. 27第5章 总 结 和 展 望. 28 5.1总结. 28 5.2展望.28参考文献. . .29 致谢.30 第一章 绪论 1.1 自动抄表系统概述 远程自动抄表系统一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况，并且通过一定的通信方式，自动将记录的数据和客户信息通过信道传回电力用电管理中心，并由系统进行数据处理，自动完成电力系统用电客户的电能量计费和管理功能的系统。作为自动化系统中的重要组成部分，自动抄表技术从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给电管理的自动化带来了方便。在电力系统中，对广大的电力客户实现自动抄表，就是将智能化电表通过通信网络和控制中心的计算机联络，实现对电量的自动、集中、定时抄录，并进行统计和分析。电力客户抄表自动化是配电自动化的一个基本功能，是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。低压客户自动抄表系统主要是面向大量的低压客户，量多面广，整个系统的设备数量多，投资巨大。自动抄表是信息时代发展的总趋势，自动信息交换为人们日常生活和工作带来了极大的方便，节约了大量的人力和时间，快捷、准确的信息传递提高了现代数据管理的科学性、先进性。1.2 自动抄表系统的研究背景及意义1.2.1研究背景在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费，再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。随着我国电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。传统的人工抄表模式的弊病越来越突出，主要表现在： 1. 查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大； 2. 错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形象； 3. 窃 电 问 题 严 重，尤 其 是 工 业 大 用 户 的 窃 电 问 题，由于 数 额 较 大，严 重 地 损 坏 了电 力企业的利益，扰乱了供用电秩序。 以上这些问题一直困扰着电力部门，并成为制约电力部门提高效益、实现电网自动化的瓶颈。国家如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。1.2.2研究意义随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。远程自动抄表技术具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接和营业计算机联网等突出的优点。采用远程自动抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损等。它从根本上克服了传统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。采用远程自动抄表系统有如下优势：1. 采用远程自动抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方便用户。2. 随着一户一表的推广及城网、农网的改造，电表的数量迅速增大，抄表的工作量越来越大，所需抄表人员越来越多，人力成本大幅度上升。采用远程自动抄表，能节约人力资源实现减员增效。3. 远程自动抄表，对加强用电管理，防止窃电，电费催收，杜绝贪污腐败等都有积极的意义。4. 采用远程自动抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成账单错误，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。5. 电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、配电变压器的监测、线损的准确统计、分时电量和负荷曲线等，远程自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。 第二章电能远程自动抄表系统整体构建远程自动抄表系统是近年来发展较快的一种管理信息系统，从宏观的角度，它分为硬件平台和系统软件两部分。作为电力配电自动化系统的一个功能模块，远程自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分，该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平。本课题的远程自动抄表系统硬件平台采用当今比较新的GPRS技术实现数据传输，对用户电表数据实现远程自动采集和实时监控的功能。2.1 系统方案的选择2.1.1自动抄表系统构建 “一户一表，集中抄表，银行联网”已成为电能计量计费信息化的长期发展目标，这就决定了抄表系统的两个基本特点：系统数据采集点多，采集点具有分散性，数据量大，系统是一个覆盖面很广的通信网络。目前存在的抄表方式各有其适用场合：红外抄表 适 合 于 短 距 离 人工 手持 抄 表，小 功 率无 线 电 波、RS-485总 线 的 通 信 距 离 较 近，适 用 于居民小区和楼宇的集中抄表，适合底层数据采集。电话交换网、大功率无线电波、低压电力线载波、以太网、GSM/GPRS通信 网 的通信 距离相对较远，可以作为上层 的 数 据 传 输方式 。 本文构建的自动抄表系统整体由四部分组成：监控中心、集中器、采集器和用户电表；分为两层结构，包括集中器和采集器的底层通信和监控中心和集中器的上层通信。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和采集器的底层通信信道方案和管理中心和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和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GSM/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GSM/GPRS网络作为上层通信方式。监控中心服务器和集中器构成上层通信系统。底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、采集器和集中器。采集器的定义非常广泛，它既可以是标准的采集模块，也可以是带有RS-485接 口 的 智 能 型 仪 表；采 集 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总线把比较接近的采集器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GSM/GPRS网络把数据传送给上位供电部门管理中心。在本文中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。下面两章将对数据采集终端的软硬件设计做详细介绍。2.1.2数据传输形式的选择 GSM/GPRS网络被选为上层通信方案的通信基础。基于GSM/GPRS网络的数据传输通常有四种方式，第一种是基于短消息的数据传输，第二种是基于Data方式(种以电路交换为基础的传输方式)的数据传输，第三种是通过语音方式进行数据传输，最后就是通过IP( Internet Protocol )方式的数据传输。下面对四种基于GSM/GPRS网络的无线数据传输方式的各自特点作简单介绍。基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用AT指令对通信模块控制，然后将数据按照短消息的格式发送给目标机。目标机接收到短消息后，利用AT指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成了一次数据通信。 基于短消息的数据传输方式的特点是资费较低(0.1元/条)，组网使用方便，但实时性较差，数据容量较低(140字节)。短消息数据传输方式适合小数据量，中低采集频率的无线采集系统使用。基于Data方式的数据传输是利用GSM的Data(和传真同)传输方式，通过AT指令来进行数据拨号，等待数据连接建立后，只需将ASCII码数据送入通信模块即可。通信模块会按照设定好的通信协议将数据传出，目标机接到数据呼叫后，送出应答信号，然后便可按照相同的协议接收ASCII码信息。基于Data的数据传输方式数据传输安全、实时性好、数据传输量大，但成本较高，适合于可靠、少次、海量数据传输。 通过语音方式进行数据传输，主要是利用话音通道将数据调制到话音频率传输出去，目标机将数据解调出来。该方案还可以通过语音通道传输双音多频DTMF( Double Tone Multiple Frequency )编码进行数据传输，通信方式和语音方式一样。该方案主要的优点是可以用来传输音频模拟数据，实时性很好(电路交换方式)，但由于GSM系统的语音编码方式的局限，对数据的压缩还原会造成数据的失真。该方案基本不被采用，但可以作为备选方案用于无线安防系统中。 基于IP的数据传输方式是GPRS系 统 独 有 的，因 为GPRS是在GSM网络基础之上新增两个节点( SGSN和GGSN )而形成的移动分组数据网络。由于GPRS数据传输的基础是TCP/IP协议，因此基于IP的数据传输方式核心的内容是TCP/IP协议的 转 换。基于IP的 数 据传 输方式的优点是 数 据 传 输 的 成本比较低，实时性 较 好，但 缺点是GPRS终端开发成本高，使用复杂度较高，因为涉及复杂的组网方案。鉴于以上四种数据传输方式，本系统将采用第一种基于短消息的数据传输方式，把GPRS作为上层通信信道进行无线数据传输。同时GPRS又具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个数据采集点的数据。数据采集终端的通信模块也将相应的选择GPRS模块。2.1.3组网方式的选择GPRS是目前较好的无线传输方式，利用单片机实现GPRS的远程通信接口的设计，需要解决的一个关键问题是GPRS终端如何自动附着到GPRS网络上，对于这个问题，实际上也就是选择GPRS远程通信系统的组网方式。利用GPRS通信方式组网有三种方式，下面分别进行介绍。 1. 专线接入方式，从移动公司到用户的远程监控中心的服务器端接一条DDN专 线，通过数据专线将数据由GPRS网关服务器GGSN传送到监控中心，移动公司在GGSN上为用户配一个专门的APN节点，从而在GPRS终端和监控中心之间构成一条无线虚拟专网(VPN)通道。 2. GPRS接入方式，用户的远程监控中心向移动公司申请APN服务，获得GPRS内部网固定IP，所有的GPRS终端在拨号上网后将获得的动态IP向监控中心的监控软件进行注册，以便监控中心至终端的下行通信。 3. Internet接入方式，用户的远程监控中心采用ADSL等和Internet建立连接，申请一个公网IP地址，通过Internet将数据由GPRS网关服务器传送到监控中心，也可采用以下方式：远程监控中心在连接Internet时向域名服务器注册动态IP地址，而GPRS终端拨号上网向域名服务器索取监控中心的动态IP地址。 比较三种组网方式，第一种方式适合于实时通信或数据量特别大的场所，安全性较高，但成本也高。第二种方式的数据传输全部在GPRS网内进行，安全性高，远程的GPRS接口终端通过GPRS方式，将数据传送到监控中心，但是该方案要求由移动公司提供网内IP，而该类IP很难申请到。第三种方式要求远程监控中心用有一台连接Internet的服务器和公网IP地址，用户通过Internet，利用监控中心的数据服务器和前端软件，运行相应的程序，可以查询到对应远程接口终端的数据。这种方式资费低，前期投资小，实施方便，适于仪器的远程通信系统选用。本系统正是采用第三种组网方案，通过GPRS接入Internet实现数据的传输。 2.1.4GPRS系统原理 MS和GSM基站通信，但和电路交换数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到SGSN，而不是通过移动交换中心(MSC)连接到语音网络上。SGSN和GGSN进行通信GGSN对分组进行相应的处理，再发送到目的网络。来自Internet标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到MS。SGSN通过帧中继和BTS相连，是GSM网络和MS之间的接口。SGSN的主要作用是记录MS的当前位置信息，并在MS和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收)。GGSN通过基于EP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，将GSM网络中的GPRS分组数据包进行转换，并传送到远端的外部分组交换网。GGSN是连接GSM网络和外部分组交换网( Internet和Intranet )的网关。其原理图结构如图2.2所示：2.2 系统整体方案的设计系统主要是由电度表、带GPRS模块的采集终端、带系统软件的主站组成。1. 监控中心服务器 GPRS通讯模块是以浮动IP地址的方式连接到Internet的,其IP地址每次连接时都不一样。监控中心的服务器本身必须绑定了一个固定的IP地址,并且以此IP地址接入Internet,便于GPRS模块和服务器连接。这样监控中心服务器就可以从绑定的IP地址上接收每个GPRS通讯模块发送来的数据。接收到电能表数据后,监控中心软件对电力数后按照和监控服务器的通讯协议,把数据进行封装处理, 利用短消息的方式发送到监控服务器。 3. 智能电能表监控用户的用电情况， 智能电能表的功能是计量用电量的大小，监控用户的用电情况，并把这些数据用RS485的方式传送给数据采集终端。可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四 象 限 无 功 电 能，还 具 有 多 费 率 控 制 ，负 荷 曲 线 记 录 ，各 相 失 压、过 压 、频 率 超限 记 录 ，数据LCD显示等多种功能。主站可以通过RS-485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作。 系统数据传输的工作原理如下：终端通过RS232/485接口接收用户电表的数据，然后将数据打包成IP协议包，通过GPRS模块内置的SIM卡搜索GPRS网络后接入，处理后以GPRS分组的形式发送到GSM基站，分组数据经SGSN封装后，发送到GPRS IP骨干网，然后将分组数据包经GGSN进行协议转换后，发送到外部Internet网络，再通过GPRS服务器，将数据发送到数据监控中心。其数据传输流程图如图2.3所示： 2.3 系统的功能和特点由于系统中采用GPRS作为传输方式，并采用智能电能表，因此该系统具有以下功能： 1.定时抄表功能：对系统所有电能表进行定时抄表，抄表时间及抄表次数可设置，如： 存储两个抄表周期电量（月末或抄表日零点数据） 正向电量：有功总、尖、峰、谷、平、需量； 无功感性无功（I）、容性无功（IV）。 反向电量：有功总、尖、峰、谷、平、需量； 无功感性无功（III）、容性无功（II）。2. 实时抄表功能：实时抄收任一时间数据及状态，如： 正向电量：有功总、尖、峰、谷、平、需量； 无功感性无功（I）、容性无功（IV）。 反向电量：有功总、尖、峰、谷、平、需量； 无功感性无功（III）、容性无功（II）。 其它数据：电压（Ua、Ub、Uc）电流（Ia、Ib、Ic）、费率、时段等，抄表数据可以任意打包3. 预付费控制功能：当用户发生欠费或违章用电时可切断电源。4. 电能表监测功能：当电能表或脉冲线发生故障时，系统能自动提示。5. 系 统 管 理 功 能 ：对 通 信、费 率 等 参 数 进 行 设 置，对回 收 数 据进 行 统 计、分析、查询、备份、报表等。 基于GPRS的无线网络的抄表系统结构简单，控制容易，不需要重新组网，可方便的推广到不同地域使用。GPRS网络技术，由于引入分组概念，为设备无线接入Internet提供了一种先进的有效的手段。使用GPRS的电能远程抄表系统具有以下特点： 1 、实时性强：由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个/所有数据采集点的数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。 2、可对电表设备进行远程控制：通过GPRS双向系统还可实现对电表设备进行远程控制，进行参数调整、开关等控制操作.3、建设成本少低：由于采用GPRS的无线公网平台，只需安装好设备就可以，不需要为远程抄表进行专门布线，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低；4、集抄范围广：GPRS覆 盖 范 围 广，在 无 线 GSM/GPRS网 络 的 覆 盖范 围之内 ，都 可以完成对集抄的控制和管理。而且，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。5、系统的传输容量大：配电数据中心要和每个电表数据采集点保持实时连接。由于电表数据采集点数量多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。6、数 据传送 速 率高 ：每个电 表 数 据 采 集 点 每 次 数 据 传 输 量在10Kbps之内。GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s，目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps左右，完全能满足本系统数据传输速率（10Kbps）的需求。7、通信费用低：采用包月计费方式，运营成本低。8、方便抄表工作：远程自动抄表提供了电能表数据抄录的计算机管理，抄表人员足不出户就可以对电能表的数据及时准确地进行抄录，极大地方便了抄表工作。2.4 本章小结 本章通过对比自动抄表系统的实现方案，构建了一种底层通信基于RS-485总线，上层通信基于移动通信系统的复合式自动抄表系统。分析了基于GSM/GPRS的四种数据传输方式，基于短消息的数据传输方式适用于本系统。分析了GPRS通信的三种组网方式，Internet接入方式资费低，前期投资小，实施方便，适于远程通信系统选用。简单介绍了GPRS的原理及远程抄表系统的优点。从而在系统构建数据传输和组网方式上完成了复合式自动抄表系统的构建。 第三章电能远程自动抄表系统的硬件设计 任何一个系统功能的实现都离不开硬件的支持，它是系统功能实现的物质基础。硬件的设计要根据功能的要求和系统的工作原理来进行。上一章介绍了基于GPRS的自动抄表方案的整体系统构建，对于该系统来说，最关键的部分是集中器即数据采集终端的实现，它连接上位监控中心服务器和下端抄表采集器。本章将主要介绍数据采集终端的硬件系统设计。3.1 电能表的概述 电能表(也称电度表)是记录电能累积值的专用仪表，是所有电气测量仪表中使用量最多的仪表。在发电、供电、用电过程中，其发电量、供电量、用电量的多少离不开电能表的计量。电能表的种类型号很多，但它们的基本结构大同小异。由驱动元件、转动元件、制动元件、积算机构(记度器)、调整装置及辅助部分组成。3.1.1电能表的选择 目前我国的电能表按其用途可分为以下几类： 1. 单相电能表：单 相 电 能 表 广 泛 应 用 于 计 量 居 民 、机 关、商 店 等 的 照 明 、家 电 等 用电量，这是使用最多的一种电能表。 2. 三相有功电能表：三相有功电能表使用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的有功电量，这是最重要的一种电能表。 3. 三相无功电能表：三相无功电能表使用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的无功电量，安装后可用来反应无功电量，间促使用户提高功率因素。 4. 最大需量表：最大需量表使用于计量工厂企业使用有功电量，同时还能指示出在指定时间间隔内平均最大功率的电能表。 5. 复费率电能表：复费率电能表又叫分时计费电能表，它是将昼夜里指定几个时段进行累计每个时段的用电量。根据系统的设计需求，本设计选用属于复费率电能表一类的电子式电能表，它能够很好的实现自动抄表系统所需要的各种功能。电子式电能表的框图如下图3.1所示：3.1.2电子式电能表的简介 这是一款智能型高科技电能计量产品，该表可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能，还具有多费率控制，负荷曲线记录，各相失压、过压、频率超限记录，数据LCD显示等多种功能。主站可以通过RS-485总线对该电表进行查表、设表、抄表等操作。软件代码采用C/C+语言编写，编 码 效 率 高，可维护 性 好，便于实现模块化设计，可据用户的需求对功能模块进行裁剪。3.1.3电子式电能表的硬件设计多功能表总体结构 电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器，它负责按键输入扫描、工作状态检测、计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及和外界的通信控制等。其主要功能单元包括MCU主控制器单元、电量计量模块、红外和RS-485通信模块、校表模块、EEPROM存储阵列等；其他辅助模块主要有：时钟日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。多功能表总体结构框图如图3.1所示。高性能主控制器单元 主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品PD78F0338。该款单片机为120脚QFP封装，单片集成有60kB Flash、一个异步通信串行口、404段LCD驱动器、高达10MHz的总线时钟和10路10位精度的ADC，并可通过简单的接口进行在系统编程，极大地方便在线调试和软件升级。并且支持高级语言，较好地满足了多功能表任务繁多、数据量庞大、算法较复杂的功能要求。串口复用通信单元 本电能表设有红外本地抄表和RS-485集中抄表两种串行抄表方式，因为PD78F0338仅有一个串口，故通信电路设计时采用串口复用技术。由9012、9014和若干电阻等器件组成互补开关，由MCU的一个I/O口来控制红外和RS-485通信方式的切换，如图3.2所示。 高精度电量计量模块计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904、电流互感器和其他外围电路元件组成。SA9904是Sames公司生产的一款三相双向功率/电能计量芯片，可以计量有功/无功功率、电压、频率、相序异常等，可以单独计量每一相的用电信息，符合IEC521/1036标准，可达到1级交流电能表的精度要求，各数据寄存器具有24位精度，可通过三线SPI接口和CPU交换数据。从而可以较好地适应多功能表需要计量多种电量数据的要求。SA9904引脚及其外围电路图如图3.3所示。 其中，CLK、DO、DI构成和MCU控制器的接口,用于传输控制命令和测得的电量数据，IIPs、IIPt、IIPr用来对电流取样，IVP1、IVP2、VP3用来对电压取样。3.2 RS485总线 RS485的接口是TLA/EIA-485所描述的接口。RS-485总线抄表系统 结构如图3.4所示。RS-485总线抄表一般使用双绞线作为网络总线，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冲击的收发器，直接使用RS-485驱动芯片即可构成通信网络。RS-485总 线 抄 表 方 式 技 术简 单、成 熟，易 于 实 现，且总 线 传 输 速 率 高 ，可 靠 性 好。3.2.1 什么是RS485 典型的串行通讯标准是RS232和RS485.它们定义了电压,阻抗等但不对软件协议给予定义区别于RS232, RS485的特性包括1. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两 线间 的电压差为+（26） V表示；逻 辑 “0” 以 两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS -232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平和TTL电平兼容，可方便和TTL 电路连接。2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 3. 3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。4. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，和智能终端RS485接口采用DB-9（孔） ，和键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。 3.2.2 RS-485串行接口标准（1）平衡传输 RS-422、RS-485和RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2V6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使 能”端是用于控 制发送驱动器和传输 线的切断和连接。当“使 能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”和“0”的第三态。 2）RS-485电气规定RS-485总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。使用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS-485最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mbps。平衡双绞线的长度和传输速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mbps。3.3终端主控制器和外围电路的设计 用单片机作为智能系统的核心部件，是目前作为智能仪表设计的一般方法，在工业测控现场，占主导地位的还是8位机和16位机，对本课题涉及的带有GPRS模块功能的数据采集终端的设计，运用单片机的主要目的是构成一个既能和GPRS模块进行交换数据，又能和电能表交换数据的计算机系统，它所处理的信息量和复杂程度用8位机己经足够了，对单片机主要的要求是带有串行通信功能即可满足要求，本课题选用Atmel公司的AT89C51芯片主控制器，其结构特点介绍如下。3.3.1AT89C51芯片基本结构和特点 本设计中选用的单片机芯片T89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机。AT89C51单片机可提供许多高性价比的使用场合，可灵活使用于各种控制领域，主要性能参数如下： AT8 9C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的 工作 ，但 允 许RAM，定 计 数 器，串 行 通 信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。其芯片引脚如图3.5所示：时钟振荡器：A T8 9 C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XT A Ll和XTAL 2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器和作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3.6 外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pFl0pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF10F。 也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图3.7所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTALl端，即内部时钟发生器的输入端，XT AL2则悬空。51单片机内部的基本功能模块如图3.8所示，它可以划分为CPU、存储器(RAM和ROM)、并行口、串行口、定时器/计数器和中断系统等部分。 3.3.2微控制器外围电路的设计 通信接口电路由两部分组成，一个通过MAX485和有RS-485总线标准的采集器相连接，负责采集采集器的数据，并根据相关协议，发出相应的命令，使采集器上传相应的数据。另外一个通过MAX232和留有RS232标准接口的GPRS模块相连接，从而实现对GPRS模块的控制，并把采集所得的数据通过GPRS模块传送到Internet网络，实现和用电管理中心的通信。下面对两部分电路进行具体的介绍。RS-485接口部分示意图如3.9所示： 图3.9 RS-485接口电路图 本接口部分通过RS-485总线实现控制器（终端）和采集器的连接，每一个主控制器通过RS-485总线可以最多挂接多达128个采集器，可以实现一片控制器对多个点数据量的测量和传输。在总线末端接一个匹 配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该和总线的特性阻抗相当(120欧)。网络接口均采用MAXIM公司的半双工485总线收发器MAX485。其控制十分简单，RE为接收控制端，DE为 发 送 控 制 端。用AT 8 9 C5 1的一个串行口和 两个控 制 端 相 连，平时置P1.0为低，使控制器串口处于侦听状态，当要发送数据时使P1.0为高。GPRS控制接口电路为RS-232标准接口，如图3.10所示。 通过标准RS-232接口可以把相应的设置命令，以及需要传递的标准数据发送给GPRS模块，从而使GPRS模块完成相应的动作网络接口采用了Maxim公司的MAX232总线接口芯片，该芯片可以把一侧的TTL电平转换为另一侧的RS-232电平，也可以把RS-232电平信号转换为TTL电平的信号，从而实现GPRS模块和单片控制器的通信。3.4 终端通信模块硬件设计3.4.1通信模块的比较选择通信控制单元是数据采集、传输子系统的核心部分，它通过AT指令实现对短信收发模块的控制，把电能数据以短消息的形式送至管理端，并通过接收到的控制字符采取相应的控制动作。 目前，用于工业系统的GPRS数据传输模块比较多，主要有西门子公司的MC系列、摩托罗拉的G18和G20、Wavecom公司的产品以及SIMCOM公司的SIM系列等。下面对这些产品进行一下对比： 鉴于普通的GPRS模块在使用时有很大的局限性，另外考虑到价格方面的原因，我们选择了SIMCOM公司的SIM100模块作为本设计的GPRS模块。3.4.2SIM100简介 SIM100芯片具有以下特点： 1. 单面高集成度精巧结构设计( 53mm33mm3.0mm )； 2. GPRS Class10多时隙功能，ClassB操作模式； 3. 支持GSM900D/CS1800双频； 4. 电路交换数据传输(最高14.400kbps)，电路交换传真(最高9600kbps)； 5. 短消息业务，电路交换语音( EFR/FR/HR )； 6. GSM07.07，GSM07.05和增强型A 命令集； 7. 电源电压范围：3.3V到4.6V直流，待机电流：4mA； 8. 外部SIM卡，外部天线； 9. 60针外部系统连接器； 10. 工作温度：-35+75。 SIM100管脚封装如图3.11 所示。 SIM100模块共有60个引脚，这60个引脚分为5类，即电源、数据输入和输出、音 频 接 口、控 制 接 口 。第1-17脚为电源部分，其中1-8脚均为电源电压输入端，9-14脚接地，16脚VANA为模拟电压输出，17脚为数字电压输出。19-25脚为SIM卡引脚，27-46脚中奇数脚为键盘输入引脚，偶数脚为接RS-232输入输出引脚，53-60脚为音频接口，即麦克风和受话器输入脚，20脚为SPI时钟。34脚为模块启动开关，36脚为模块复位信号。3.4.3GPRS模块SIM100和外围电路设计 1. 电源电路： SIM100工作时共有三组电源，一是SIM100模块使用电源PWR，其范围3.3V-4.6V，电源应该具有至少2A的峰值电流输出能力；二是用于保证模块和外部数字接口的电平匹配的电压VDD_EXT，其范围2.7V-3.5V，该电源具有50mA的输出能力；三是用于给音频电路提供电源VANA，其电压为2.5V，且该电源具有50mA的输出能力。显然对于我们只传输数字信号的系统，用于模拟信号系统的VANA电压是不再需要的。本设计根据相关资料提供的参考电路设计了如图3.12所示的电源变换电路。2. 工作状态电路的设计SIM100的30脚提供网络状态指示灯输出信号。网络状态指示灯电路设计如图3.13所示。根据SIM100的文档说明，可以从网络指示灯上的亮熄信息来判断SIM100的工作情况。状态指示灯的亮熄情况和工作状态关系见表3.2.3. 卡座电