测控网络技术课程设计-自动抄表系统.doc

测控网络技术课程设计说明书目录1 系统设计任务及方案31.1 课程设计的目的31.2 课程设计的任务31.3 抄表方式31.4 课程设计的要求32 抄表系统总体方案设计42.1 系统总体方案的设计42.2 RS-485 总线简介及可靠性分析42.2.1 RS-485 总线具体参数42.2.2 RS-485 可靠性分析52.3 电量采集通信协议的确定62.3.1 在物理层对 RS-485 的规定62.3.2 数据链路层规定62.3.3 应用层的规定72.3.4 扩展的通信协议83 抄表系统软件设计93.1 抄表软件开发环境93.2 集中抄表系统需求分析93.3 自动抄表数据库设计103.3.1 抄表系统 E-R 模型103.3.2 系统数据表结构103.3.3 对数据库的操作103.4 抄表软件主要功能实现123.5 计算机和集中器及电表的通信123.5.1 使用 Mscomm 控件进行串口通信123.5.2 抄表主机与集中器的通信123.5.3 抄表主机与采集模块或智能电表的通信144 集中器的设计154.1 集中器硬件的设计154.1.1 处理器的选型154.1.2 电源模块154.1.3 通信模块164.1.4 下属从站信息保存模块174.1.5 集中器地址设置模块174.2 集中器软件的设计185 电量采集模块设计195.1 采集模块总体方案设计195.2 脉冲采集电路的构成195.3 脉冲采集软件设计205.4 掉电数据保存电路206 总结22参考文献231 系统设计任务及方案1.1 课程设计的目的为解决传统抄表方式带来的诸多弊端，例如抄收不及时、存在人为估读或误读情况、不能对用户行为进行有效的监控、数据处理繁琐、人工多、成本高且效率低等。随着科学技术的发展，电子技术、通信技术和计算机软件技术的进步，工农业生产以及家居智能化逐渐取代原有的状况。我们发现自动抄表系统，不仅会将人们从繁重的抄表工作中解放出来，而且为用电管理提供了各种实时、准确的数据。1.2 课程设计的任务自动抄表系统很好的解决了传统抄表的弊端，能够高效可靠的完成以下任务：1、可以检测设备的实时运行状态，可以在设备发生故障后及时报警。2、实现集中监视、测量、控制和管理企业的电、气、水等能源，不仅能够对发生的异常进行实时处理，还能够实现历史数据存储、查询、统计和分析等功能，实现能源管理的自动化和智能化。3、监测单个产品或批次的能耗、各工序的能耗及大功率设备的能源利用效率。4、分析各部门或各班次线路损耗和节能潜力，各部门、各车间，各生产线的能源消耗状况可以分层次计算。1.3 抄表方式自动抄表系统主要由抄收主站，数据采集模块，数据集中器以及数据传输信道等组成。根据数据传输方式的不同，抄表系统的构成，有以下几种：电力线载波抄收方式、无线抄表方式、红外传输方式、电话线通信方式、RS-485 总线抄收方式。1.4 课程设计的要求远程抄表系统中要求我们解决的几个关键技术问题：1、 电表数据采集的准确性及可靠性。2、 通信线路的可靠性问题。3、 采集效率的问题。4、数据的组织结构问题。2 抄表系统总体方案设计2.1 系统总体方案的设计电能表自动抄收系统的通信物理层可采用两级 RS-485总线，都采用“手拉手”方式进行连接。在数据链路层为提高软件的通用性，兼容两种多功能电能表通信协议。可将整个系统按软件与硬件划分为两部分。其中软件部分可以采用 Visual Basic 语言编写，以Access 2000作为后台数据库，可用于采集模块、集中器初始化调试和电能量的自动抄收。图 2.1 集中抄表系统总体框图为提高系统抄收电表的效率，在通常的数据采集中采用集中器循环抄收从站而主站抄收集线器的方式，为此为集线器设计设置硬件地址的功能以便在第一级总线中能够被唯一识别，采用为集中器扩展外部非易失性存储器的方法用于掉电保存集中器所下属的从站地址，采用扩展的通信协议与集中器通信。2.2 RS-485 总线简介及可靠性分析2.2.1 RS-485 总线具体参数RS-485 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输且多点、双向通信能力，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展总线共模范围。RS-485 使用差分方式传输信号，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为 B。图 2.2 RS-485 发送器逻辑电平规定数据发送端发送驱动器 A、B 之间的正电平在+2+6V，负电平在-2-6V。同样，在接收端接收器 A、B 线之间有大于+200mV 的电平时，确认为逻辑高电平，小于-200mV 时，确认为负逻辑电平。图 2.3 RS-485 接收器逻辑电平规定因为 RS-485 采用差分方式传输数据，且接收器一般具有很高的输入阻抗。2.2.2 RS-485 可靠性分析RS-485 在实际应用中需要综合考虑以下几个方面来提高其可靠性：1、 网络拓扑结构：一般采用终端匹配的总线型结构, 不支持环型或星型网络, 2、 通信速率：与总线实际情况不匹配的过高的通信速率会降低通信的可靠性。3、失效保护：在半双工的工作方式下，主机发送抄读命令后关闭发送驱动器，而使能接收器。图 2.4 利用终端电阻实现失效保护4、 总线匹配：由于在总线的两端总线结束时，会存在阻抗不匹配和阻抗不连续的情况，因此会出现信号的反射，降低了通信的可靠性。5、抗瞬态干扰和过流能力：通信过程的实际应用有可能存在高频瞬态干扰。2.3 电量采集通信协议的确定2.3.1 在物理层对 RS-485 的规定表 2.1 DLT 645 /2007 多功能电表通信规约对 RS-485 传输方式的规定2.3.2 数据链路层规定采取的是半双工的数据传输方式。每个从站都有一个唯一标志即通信地址。由主站主动发出的信息帧来控制通信链路的建立和解除。表 2.2 DLT 645 /2007 中的帧格式在每一帧中含有 8 位二进制码，传输时硬件会自动加上一个起始位(0)、一个偶校验位（E）和一个停止位（1），传输顺序为先传低位再传高位。图 2.5 DLT 645 /2007 中的控制码规定2.3.3 应用层的规定在应用层本设计所用到的功能为：读总电量、写总电量（初始电量）、读模块常数、写模块常数、写模块地址、更改模块地址。相应的规定如下表所示：1、主站读数据帧格式：表 2.3 主站读数据帧格式总电量数据长度为 4 个字节，脉冲常数为 3 个字节，加上数据标识。从站正常应答时数据标识与主站请求的数据标识一致，N1Nm为返回的数据。2、主站写数据帧格式表 2.4 主站写数据帧格式写数据帧中，PA 为操作者权限,P0P2 为操作者代码，C1C3 为密码。2.3.4 扩展的通信协议为提高通信效率，在每小时抄收中采用不直接抄读底层从站而抄收集中器的方式，因此集中器将作为第一级总线的智能从站。表 2.5 对集中器的操作代码在主站与集中器的通信中，集中器收到抄读命令后将准备好的电量信息帧按地址顺序依次发送给主站，主站每正确接收一个从站的电量信息后返回给集中器一个短应答帧，当主站收到的信息帧校验不正确时要求集中器重发当前从站电量信息，这时返回的应答帧是带有该错误从站地址的异常应答帧。表 2.6 上位机与集中器通信帧格式3 抄表系统软件设计集中式抄表系统软件由两部分组成：操作界面和后台数据库。前台操作界面完成系统用户管理、电表管理、通信链路的管理和数据采集、存储操作和提取分析。后台数据库则负责所需数据的存储。3.1 抄表软件开发环境集中抄表系统软件的任务有界面操作、数据采集和数据处理，采用 Visual Basic 语言编写，使用串口通信控件实现数据采集。Microsoft Access 关系数据库管理系统是一种小型的关系型数据库管理系统，其高效、可靠的数据管理方式，面向对象的操作理念以及强大的网络支持功能，使其受到很多小型数据库应用系统开发者的青睐。3.2 集中抄表系统需求分析集中式抄表系统完成的功能有：系统用户管理、建立通信的链路、电表用户的管理、采集模块、集中器调试，用电抄收和分析功能。图 3.1 抄表系统功能框图3.3 自动抄表数据库设计3.3.1 抄表系统 E-R 模型数据库中最常用的概念模型是实体-联系模型（Entity-Relationship Approach），简称 E-R模型。图 3.2 抄表系统全局 E-R 图3.3.2 系统数据表结构通过 E-R 图将系统中各个实体及其之间的各种关系表达出来，但在数据库中，实体及实体之间的关系是一种逻辑结构，这种逻辑结构在关系数据库中需要通过建立表格来表示，表格中不仅体现了各个实体的关系属性并存储大量的相关数据。3.3.3 对数据库的操作为了能够对数据库访问进行集中处理，软件中对数据库的操作代码放在模块中的公共函数 GoSql 中，供各个窗口调用执行数据库记录的插入、删除、修改和查询。以下部分为数据库操作的代码：Public Function GoSql(ByVal sql As String, msgstring As String) As ADODB .RecordsetDim cn As ADODB.ConnectionDim rs As ADODB.RecordsetOn Error GoTo Errsql 异常处理，如果异常则转到 ErrSQLsql = Trim(sql)Set cn = New ADODB.Connection 创建连接cn.Open Connectstring 连接数据库， Connectstring 返回连接字符串If Left(sql, 6) = LCase(insert) Or Left(sql, 6) = LCase(delete) Or Left(sql, 6) =LCase(update) Then 判断是哪一类 SQL 语句cn.Execute sqlmsgstring = Left(sql, 6) & 操作成功！Else 如果是 select 语句则返回记录集Set rs = New ADODB.Recordsetrs.Open sql, cn, adOpenKeyset, adLockOptimistic 执行 SELECT 语句，并得到查询结果Set GoSql = rs 返回记录集对象msgstring = 查询到 & rs.RecordCount & 条记录End IfGoSql_exit:Set rs = NothingSet cn = NothingExit FunctionErrsql:msgstring = 查询错误 & Err.DescriptionMsgBox Err.DescriptionResume GoSql_exitEnd Function例如在将部门总表添加到表格控件中时，采用的 sql 语句及执行的操作为：sql = select * from departmentem where concentratorNo= & ConNo & order by emaddascSet rs = GoSql(sql, msgstr)其中 departmentem 为所要查询的关系表名，concentratorNo 为所属集中器号，emadd为电表的通信地址。执行该语句后，返回到记录集对象 rs 中的即为按所属集中器号 ConNo、按照电表通信地址升序排列的部门总电表的所有记录。3.4 抄表软件主要功能实现在系统建立初期，需要对所有采集模块及集中器进行初始化或进行其他的调试功能操作。在下拉列表框中选择要执行的功能，点击执行后发送相应命令给集中器。图 3.3 用电分析窗体上图给出了用电分析窗体，在该窗体中可以根据历史采集记录生成用电曲线。在抄表系统中选择一块电表，执行用电分析功能后该窗体显示。3.5 计算机和集中器及电表的通信3.5.1 使用 Mscomm 控件进行串口通信Microsoft Communications Control（以下简称MSComm）提供了两种处理通信问题的方法：一是事件驱动方法，一是查询法。3.5.2 抄表主机与集中器的通信抄表系统每小时采集一次电量，在采集的过程中不允许有手工操作，手工抄收只能在自动采集的间隔中进行。在抄收过程中影响抄读时间的因素主要有：1、数据传输占用时间：则通信一次数据传输所占用的时间为：11*（18+3）*1/2400*250*2=48S2、从站处理时间从站在接收到主站的抄读命令之后需准备应答帧，包括电量值数据类型的转换、校验码的计算等。采用集中器循环抄读从站而主站抄读集中器的方法，减少抄读节点的个数并且集中器中的数据是事先从站处理好的，这样就大大的提高了抄读的效率。图 3.4 上位机与集成器的通信流程图在抄收集中器之前，系统将数据库中上次抄收的电表示数读入窗口的表格中。在主站与集中器的通信过程中，主站按照集中器号顺序由小到大发送抄读命令。所有电表抄收完成后将本次抄收的示数减去上次示数得出前一小时内各个电表的用电差值，连同本次示数和抄收时间存入到数据库中，供下次计算电量使用。3.5.3 抄表主机与采集模块或智能电表的通信在每月的结算抄收中，为确保数据的可靠性及准确性，抄表主机在进行电量采集时直接与处于第二级总线的脉冲采集模块或智能电表通信。其通信流程如图。图 3.5 上位机与采集模块或智能电表的通信流程图在抄收过程中，系统将所有电表根据集中器序号由小到大排序并自动勾选全部电表，点击“归档抄收”，系统对列在表格中的电表逐一读取。4 集中器的设计在集中抄表系统中，集中器是连接主站与电能表的纽带，起到了连接上下两级 485 总线的功能，作为第一级总线的智能从站和第二级总线的主站。图 4.1 集中器功能框图集中器的设计分为硬件和软件设计两个部分。4.1 集中器硬件的设计4.1.1 处理器的选型设计中选择的微控制器为STC12C5A60S2，是单时钟/机器周期的单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但是速度快 8-12倍，用于强电磁干扰的场合。4.1.2 电源模块为集中器设计为单相 220V 交流电提供电源，变压器分别为 485 驱动部分和微处理器单元提供隔离的电源，提高了数字电路部分的抗干扰性。为微处理器提供电源的部分采用单相全波整流的方式，在整流后通过三端集成稳压器 L7805 后得到稳定的 5V直流电源。在整流之后并入一个大小为 470F 的有极性大电容和一个无极性 0.33F 小电容。图 4.2 集中器处理器部分电源由于在设计中抄表主站与集中器的通信并不频繁，每小时只进行一次电量采集，所以可以采用低效率的半波整流方式，这样节省了元器件，提高了可靠性。图 4.3 集中器通信驱动部分电源设计为了实现过流保护，串联了一个自恢复保险丝，能有效、方便的保证了集中器电源回路的可靠性，防止极端情况如火灾的发生。4.1.3 通信模块MAX1487 用于将 TTL 电平和 485 差分电平的转换。是 RS-485 与 RS-422 通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。图 4.4 MAX1487 内部结构及连接方式该芯片各个的引脚功能见表 4.1：表 4.1 MAX1487 各引脚功能该芯片在使用时通常将 DE 与RE端短接，用单片机的一个 I/O 口来控制半双工通信方向的切换，即通信只有发送和接收两种状态。4.1.4 下属从站信息保存模块IIC 总线的 EEPROM 存储器 AT24CO4，具有 512 字节的存储空间，实际需要的空间为 32 个从站的地址、协议类型和总的个数，每个从站的地址及运行协议为 7 个字节，最大连接从站个数为 32 个，所以所需要的存储空间最大为 225 字节，可以满足存储空间的要求。图 4.5 AT24C04 与 STC12C5A60S2 的连接IIC总线是两行式串行总线，用于连接微控制器和外围设备。IIC 主要用在主从双向通信，通常微处理器作为主站，外围设备作为从站，主站控制 SCL 时钟信号的产生，SDA 线用于双向数据的传送。4.1.5 集中器地址设置模块设计为集中地址为硬件选择方式，即通过外部的拨码开关连接I/O口的方式，当个485总线最大节点数为32，因此需要5位的拨码开关即可设定集中器硬件地址。图 4.6 集中器地址设置模块为了方便用户更改集中器的地址，设计为当集中器地址改变时显示数码管部分会即时显示修改后的硬件地址，在主程序的执行中实时判断当前地址全局变量是否与 I/O 读回来的地址一致，不一致时显示当前地址，一致时则不作任何显示处理。4.2 集中器软件的设计主程序工作流程图如下图，其中上电初始化部分完成单片机主要功能模块的初始化，比如时钟配置，I/O 管脚功能配置，串口工作方式及通信波特率配置等工作。图 4.7 集中器主程序流程图为方便用户更改集中器地址，设计了程序检查当前集中器硬件地址是否改变，当改变时数码管会显示新的地址一段时间，用户不必根据拨码开关各位的权计算，以免计算出错影响使用。5 电量采集模块设计脉冲采集模块主要完成的功能是实现对电表输出的脉冲采集累加，根据电表设计的脉冲常数转化为电量。在主机或集中器发送命令时执行相应的功能并给予响应。因此设计的脉冲采集模块主要的功能模块有：电源模块、脉冲采集模块、RS-485 通信模块，数据保存模块。5.1 采集模块总体方案设计采集模块各个功能模块的组成如下图 ，其中两路电源分别为处理器部分和总线驱动部分供电，两个部分的连接用光电耦合器隔离。图 5.1 采集模块组成示意图SH79F166 保留了8051芯片大部分特性，还集成了外部 256 字节RAM，可兼容 8052 芯片的 16 位定时器/计数器。5.2 脉冲采集电路的构成图 5.2 脉冲采集电路系统中的脉冲采集电路如图，电表在使用中会连续发送脉冲，进入采集模块后经过经过 RC 滤波进入单片机的脉冲采集引脚，这里添加了一个发光二极管作为脉冲指示。在采集过程中进行滤波处理。5.3 脉冲采集软件设计脉冲采集部分的程序流程图如下图， 为单个采样点的采集子程序。在上升沿采集程序中，调用单个采样点的采集子程序获取当前采样值 Ni，运算完成后赋值给 Ni-1，供下次采样计算时使用。当有有效的脉冲上升沿出现后，脉冲总数 P自加1。图 5.3 脉冲采集流程图5.4 掉电数据保存电路有两路电源回路，分别为总线驱动部分和微处理器部分提高电源，需要的切换条件由 485 驱动部分的电源下降提供，即驱动部分的电源下降后通过光耦提供给单片机的外部中断 1，在外部中断程序中完成掉电数据的保存。图 5.4 总线驱动部分掉电检测如上图总线驱动部分掉电检测电路，电路中使用一个单限比较器来检测总线驱动部分的电压降低。将系统失电这一事件通知给单片机作为中断请求事件。当电源电压正常时VCC1 为正常+5V，调整 R2 和 R3 的值使得比较器的正向输入端电压大于反相输入端，比较器输出电源电压值，当系统失电时，反相输入端电压大于其正向输入端，比较器输出低电平，光电耦合器的二极管关闭，则在单片机的外部中断 1 输入管脚出现一个上升沿，将单片机的外部中断 1 配置为上升沿触发。6 总结本次实习中，虽然上位机对采集模块和智能电表的抄收实验已经完成，能够完成预期的功能，但是对于对集中器的抄收还处于实验阶段，相信在实验过程中能够发现一些涉及到抄表效率进一步优化和可靠性的问题，而解决这些问题需要进一步的研究和改进。由于抄表系统中采集并存储了大量的历史用电数据，为各种分析总结提供了数据支撑。为掌握企业的生产经营用电情况，可以将用电信息进行历史同期比较和其他类似生产机构比较，计算单位产品的电能量投入情况。电是商品，也是产品，在电能的使用过程中不仅涉及到数量的问题，也有质量上的优劣，设计的抄表系统只在企业的管理结构中实现了负荷曲线和线损的