（精密仪器及机械专业论文）基于MSP430单片机的远程抄表系统.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 荽屹之专掷有言绷红 委员：甸煅铆弦吨吹吾刁表砭 童三乞舭槲1 撇 导师：彬彳铱7 此乒么桶 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：摩核 签字日期：z 叫年午月z z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂：有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目曼工业太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：阵铉 签字1 9 期：2 叫f 年牛月2 2 ，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 日 基于m s p 4 3 0 单片机的远程抄表系统 摘要 传统的水电气暖四表的抄表工作会有以下问题：收费分散，实时性差，准 确性差，效率低。近年来，随着城市居民小区建设的发展，广大居民对电器智 能化的要求越来越高，远程抄表系统的应用越来越广泛。远程抄表系统增加了 数据传输的准确度，提高了效率，提高了数据的记录和管理水平。 结合近年来国内外抄表技术的研究与发展情况，并对各种抄表技术进行比 较，本文研究并设计了一种基于g s m 的远程抄表系统。 系统由采集器、中集器、管理中心和它们之间的信道组成。本文的设计包 括硬件设计和软件设计两个部分。硬件设计包括数据采集、显示、存储、通信 等模块的设计。该系统的核心控制器选用m s p 4 3 0 单片机。数据采集器和集中 器构成的本地抄表通讯网络，其通讯部分采用r s 4 8 5 总线网络。中集器与管理 中心的数据远程通讯用西门子公司的g s m 模块t c 3 5 i 实现。软件设计以通信 协议和自动抄表系统的性能要求为依据，设计了数据采集、存储、串口传输、 控制手机模块等流程。 本文对四表数据抄录都进行了分析和设计；使用低功耗单片机作为控制芯 片，更加节能；使用g s m 模块，无需布线，单独建立基站，准确性高；本文 还在抗干扰、防窃电、防断电等方面进行了设计，保证数据传输的稳定性和可 靠性。 四表远程抄表系统实现了水、电、气、暖数据信息的远程自动抄录和分析， 解决了城市住宅区能耗信息人工处理过于繁琐的问题，实现了能耗信息快速、 准确的记录，和高效的管理，市场应用前景广阔。 关键词：远程数据采集；串行通信；g s m ；m s p 4 3 0 单片机；低功耗 t h er e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do n m s p 4 3 0m i c r o c o n t r o l l e r a b s t r a c t t r a d i t i o n a lm e t e rr e a d i n go fw a t e r , e l e c t r i c i t y , g a sa n dc a l o r i eh a ss o m e p r o b l e m ss u c ha si n d e p e n d e n tc h a r g i n gf o r t h ea b o v em e t e r s ，b a dr e a l t i m i n g m e a s u r e dd a t a ，l o we f f i c i e n c y , i n a c c u r a c y i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o f c i t ym i n i s t r y o fc o n s t r u c t i o n ，n e e do fi n t e l l i g e n te l e c t r i c a l a p p l i a n c eo fh i g h e rs t a n d a r d s ，t h ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mh a sb e e nu s e d m o r ew i d e l y t h i ss y s t e mi m p r o v e st h ed e g r e eo fm e a s u r i n ga c c u r a c y e f f i c i e n c y a n da b i l i t yo fr e c o r da n dm a n a g e m e n t t h i sp a p e ra n a l y s e ss o m ek i n d so fm e t e rr e a d i n gt e c h n o l o g yi na n da b o a r di n r e c e n ty e a r s ，c o m p a r e sv a r i o u sm e t e rr e a d i n gs y s t e m s ，a n ds t u d i e sa n dd e s i g n sa r e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do ng s m t h em e t e rr e a d i n gs y s t e mc o n t a i n sc o l l e c t o r , c o n c e n t r a t o r , m a s t e rs t a t i o na n d c h a n n e l sb e t w e e nt h e m t h ep a p e ri n c l u d e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sm o d u l e so fc o l l e c t i n g ，d i s p l a y i n g ，r e a d i n g ，r e c o r d i n g t h i sp a p e ru s e sm s p 4 3 0s i n g l e c h i pa st h ec o n t r o l l e r r s - 4 8 5i su s e di nt h ec h a n n e l b e t w e e nc o l l e c t o ra n dc o n c e n t r a t o r t h i sp a p e ra d o p t st c 3 5 ig s mm o b i l ep h o n e m o d u l eo fs i e m e n s c o m p a n y t or e a l i z er e m o t ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o n c e n t r a t o ra n dm a s t e rs t a t i o n s o f t w a r ed e s i g ni sb a s e do nc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fr e m o t em e t e rr e a d i n gs y s t e m s o f t w a r e d e s i g ni n c l u d e st h ef l o wo fd a t aa c q u i s i t i o n ，r e c o r d i n g ，s e r i a lt r a n s m i s s i o n ，a n d c o n t r o l l i n go fg s m m o d u l e f o u rm e t e r sa r ea n a l y z e da n dd e s i g ni nt h i sp a p e r ；w eu s el o wp o w e r - c o n s u m p t i o nm c u a sc o n t r o l l e r ，m o r ee n e r g y e f f i c i e n t ；w eu s eg s mm o d u l e ，n o w i r i n g ，n on e e dt o b u i l db a s es t a t i o n ，h i g ha c c u r a c y ；t h i sp a p e ra l s o d e s i g n s a n t i - ja m m i n g ，p r e v e n t i n ge l e c t r i c i t y s t o l e n ，p r e v e n t i n ge l e c t r i c i t yc u t o f fa n do t h e r a s p e c t s ，t og u a r a n t e et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n r e m o t em e t e r r e a d i n gs y s t e m r e a l i z e sd a t a sa u t o m a t i c r e c o r d i n g a n d a n a l y z i n g i ts o l v e st h ep r o b l e m so fc o m p l i c a t e dm a n u a ld a t ap r o c e s s i n g ，r e a l i z e d f a s ta n da c c u r a t er e c o r d i n go fr e a d i n gd a t a ，a n de f f i c i e n tm a n a g e m e n t i th a sa b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h em a r k e t k e yw o r d s ：r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；g s m ；m s p 4 3 0 m i c r o c o n t r o l l e r ；l o w p o w e r 致谢 在论文完成之际，我感谢在硕士课题研究期间，老师和同学的帮助。 本论文是在导师张辉教授的悉心指导下完成的。张老师知识面开阔，治学 精益求精，鼓励创新，理论与工程应用相联系，对待学生提问有耐心，诲人不 倦。张老师的指导开拓了我的知识面，增长了我的学识，使我受益匪浅。 感谢高峰学长给我提供相关的单片机资料，给我借实验器材，学长学姐都 很谦虚谨慎，平易近人，他们给我的学习资料使我收获很大。 感谢舒迎飞、杨晓波、陶冉同学在我毕业设计中提供帮助与鼓励，例如电 路的设计，绘制电路的方法，购买元件等。 感谢学弟学妹，他们热爱学习，工作勤奋，营造了浓厚的科研氛围。实验 室同学一起整理设备，购买元件，我在硬件设计和软件设计中遇到了问题，和 他们一起讨论。 感谢我的家人，他们对我的硕士研究生学习很支持，为我默默地付出。 感谢百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。 还有许多关心帮助过我的老师、同学和朋友们，在此表达我衷心的谢意! 作者：陈松 2 0 1 1 年4 月1 2 日 目录 第一章绪论1 1 1研究背景与意义l 1 2国内外远程抄表系统概况2 1 2 1国外远程抄表系统概况2 1 2 2国内远程抄表系统概况2 1 3系统设计的主要技术指标：3 1 4 系统实现功能3 1 5论文内容4 第二章系统总体设计5 2 1系统概述5 2 2 各组成部分的功能6 2 3方案选择：7 2 3 1控制芯片的选择7 2 3 2 有线传输方式的选择7 2 2 3 无线传输方式的选择一7 第三章系统硬件设计9 3 1采集器的设计9 3 1 1基表的类型和选择9 3 1 2 控制芯片的选用1 8 3 1 3 时钟模块1 9 3 1 4 存储模块2 1 3 1 5 液晶显示模块一2 2 3 1 6电源电路2 5 3 2中集器的设计2 5 3 2 1存储模块2 5 3 2 2r s 4 8 5 总线2 6 3 2 3无线通信模块2 7 3 2 4电源电路2 8 第四章软件设计3 0 4 1采集器的软件设计3 0 4 2 中集器的软件设计3 2 4 34 8 5 通信协议3 4 4 4g s m 业务理论与应用3 6 4 4 1g s m 通信原理3 6 4 4 1 g s m 通信原理3 6 4 4 2 s m s 业务原理与应用3 8 第五章上位机管理软件设计4 5 5 1串口编程4 5 5 2 数据库设计4 7 5 3管理软件具体设计4 8 第六章系统的调试与结论5 0 6 1 系统的调试5 0 6 2可靠性分析5 2 6 2 1 防断电能力5 2 6 2 2 防窃能能力5 2 6 2 3 抗干扰能力5 3 6 3功耗分析5 3 6 4 结论5 4 参考文献5 6 攻读硕士学位期间发表的论文：5 9 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 10 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 1 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 插图清单 远程抄表系统基本结构5 采集器结构图6 中集器结构图6 终止于m t 的短信业务示意图一8 起始于m t 的短信业务示意图8 a d e 7 7 5 5 结构框图9 电能表电路图1o 水表电路图13 热能表流量测量原理1 5 热量表温度检测电路1 6 内部比较器测量电压的原理图1 6 脉冲处理电路1 7 d s l 3 0 2 电路图2 1 a t 2 4 电路图2 2 l c d l6 0 2 电路图2 5 欠压报警电路2 5 r s 4 8 5 电路图2 7 t c 3 5 i 外围电路图2 7 中集器电源电路2 9 卡诺图3 0 采集器采集程序流程图31 采集器接收命令程序流程图3 2 中集器向从机发送命令程序流程图3 3 中集器接收管理中心命令程序流程图3 3 g s m 系统结构3 6 帧、时隙和突发脉冲序列3 7 p c 机管理软件功能结构图4 5 串口设置界面4 6 g s m 模块通信界面4 7 基表数据管理界面4 8 管理软件主界面4 9 表3 1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表3 8 表3 - 9 表3 10 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 10 表4 11 表4 12 表4 1 3 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表格清单 通道1 的增益选择1 1 f 1 4 的频率选择( c l k i n = 3 5 7 9 m h z ) 1 1 f 1 和f 2 的最高输出频率o 1 l c f 的最高输出频率1 1 d s13 0 2 管脚功能19 d s13 0 2 控制字19 d s1 3 0 2 的日历、时钟寄存器及其控制字2 0 a t 2 4 系列器件地址2 1 1 6 0 2 液晶的管脚名称及功能2 3 1 6 0 2 指令说明2 4 脉冲输入信号与稳定脉冲信息3 0 t c 3 5 i 模块a t 指令与分析3 4 帧的格式3 4 字节传输序列3 4 主机功能码3 5 从机功能码3 5 接收端p d u 数据与含义3 9 号码类型字段含义4 0 接收短消息的p d u 文件头含义4 0 发送端的p d u 编码4 l 发送短消息的p d u 文件头含义4 1 发送数据各字段说明4 2 接收数据各字段说明4 3 用电量数据比较51 用水量数据比较51 燃气量数据比较5 2 热量数据比较5 2 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 目前水电气暖四表的抄表工作主要是通过人工入户抄表的方式完成，工作 人员到住宅区依次进入各个住家户中，记录四表的数据显示值，并带回到经营 部门进行整理。随着人们生活水平的提高，现代科技的进步，这种抄表方式的 弊端也显现出来，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 管理费用高。需要不同能耗的管理人员到用户家中抄表，t 并对大量数 据记录统计。抄表费用问题制约着能源供应公司的发展。 ( 2 ) 费时费力。现代住宅区楼层越来越高，管理人员工作更加费力，时间 耗用更多，记录存储过程长，实时性差。对能耗信息的统计分析工作量大。 ( 3 ) 准确性差。人工抄取数据，一般一个能耗表只由一个人读数记录，准 确性不能保证。 ， ( 4 ) 入户比较困难。现代居民越来越注重财产安全，个人隐私，而且工作 较忙，入户抄表的时间一般是早晨和晚上，可入户抄表时间短，导致有时出现 漏抄，漏收费的现象，实际收费少于应交费用。 ( 5 ) 安全隐患。有人冒充抄表工作人员，入室作案，造成社会的不安定。 有的用户拒绝交费，与工作人员产生纠纷。 远程抄表是一种新的智能抄表方式，它不需要工作人员到住家户中逐个抄 录数据，只需在管理中心发送控制命令，就可以将住宅区各个用户的四表数据 抄录并存储下来，并统计数据，分析各个用户能耗情况。 在实际工作中设计出一种对水电气暖四表信息进行远程抄录的系统，其意 义在于： ( 1 ) 自动抄表系统是将各表计量数据自动采集、传输和处理的系统，它克 服了传统人工抄表模式的低效率和不确定性，推进了住宅区管理现代化的发展 进程。 ( 2 ) 远程自动抄录过程，不仅仅提高了效率，而且具备了一定的智能化管 理功能：不仅能进行日常的抄表计费，而且还具备了干扰分析、窃电分析、能 耗分析等功能。 ( 3 ) 利用g s m 模块实现远程抄表功能，相对于其他方法具有很多优点， 它无需布线，不需要线路维护，不需要单独建立基站，节省很多投资。 ( 4 ) 物业管理正在向规范化，自动化的方向迈进，基于g s m 模块的抄表 技术虽然在理论上已经研究多年，但在实际中并没有广泛应用，市场前景很好。 1 2 国内外远程抄表系统概况 1 2 1国外远程抄表系统概况 2 0 世纪7 0 年代，一些发达国家开始对远程抄录电表数据的进行研究。在 这个阶段，抄表系统主要采用电缆、光缆等作为传输介质。l9 8 2 年英国 t h o r n e m i 抄表系统选用的介质为电话线路；1 9 8 5 年日本九州电力公司利用 电力输配电线载波和光缆通信实现远程抄表；美国波士顿边生公司使用配电线 载波远程抄表系统；澳大利亚的电能数据远程抄表系统使用邮电线路。但由于 成本较高，这些系统均用于用电大户。 1 9 9 0 年后远程抄表系统发展较快。1 9 9 2 年埃及开罗配电公司研发出双模式 住宅区电能监测与抄录系统。1 9 9 8 年，美国最大的计量系统t m r 投入运行。 1 2 2国内远程抄表系统概况 上世纪8 0 年代末，中国开始了自动抄表系统的试点工作。9 0 年代，北京 供电局开始使用电话抄表系统。1 9 8 9 年，全国第一套跨省电量抄录与计费系统 在华北电网投入运行。9 0 年代中期，中科院研制出煤气表户外自动抄表装置， 常州研制出y h 5 5 5 1 型集中自动抄表系统。 随着城市住宅小区智能化的推广，四表远程抄表系统在逐渐投入使用，但 很多未能正常运行，仍由人工抄表。 目前，国内自动抄表系统主要有以下几种方式【1 。6 】： ( 1 ) 有线总线通讯，常见的有c a n 总线方式，优点是技术成熟、简单， 通讯可靠、稳定。缺点是布线时施工工作量大，通信信道容易受到人的故意或 无意损坏，损坏后难以检测故障。一般应用在己经布网的区域或布网方便的区 域。 ( 2 ) 光纤通讯方式，优点有：精确，抗干扰性强，频带宽，传输速率高， 缺点是投资费用太高。 ( 3 ) 公用电话网方式，此系统技术也比较成熟，应用超过2 5 年。建设成 本不高，维护工作量也较少。缺点有：线路接通时间较长，控制中心与中集器 之间通信的效率受到中集器数目的影响。系统运行有固定费用，且不能用于大 容量系统。 ( 4 ) 电台传送方式，系统后期的应用成本较低。但前期投入巨大，需建立 多个电台。 ( 5 ) 电力载波方式，此种方式是应用比较多的，可分为高压和低压两种方 式。高压电力线载波传输距离长但设备复杂，低压电力线载波成本低但损耗大， 波动大。 ( 6 ) g s m 传输方式。g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ，中 文名称为全球移动通讯系统，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准。它的特 2 征包括防盗拷能力佳、网络容量大、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死 角少、手机耗电量低。它基于时分多址技术，相对于g p r s 方式来说更成熟， 应用更广。基于g s m 的远程抄表系统相对于其他抄表系统来说，具有覆盖范 围广、建设成本低、可进行远程控制等特点，适合在国内推广和应用。 短消息服务业务s m s ( s h o dm e s s a g es e m i t e ) 是g s m 网络的一种基本业 务，随着g s m 的迅速普及，也更加完善。短消息是指通过g s m 网路传输有限 长度的文字或数字信息。按s m s 实现方式可以分为点到点短消息业务和小区广 播消息业务。发送的消息经过编码后消息长度为1 4 0 个字节。将s m s 技术应用 于自动抄表系统，以g s m 通信系统作为无线传输网络，不需要能源管理部门 专门建立基站，投资费用少，具有很好的经济效益和社会效益。 1 3系统设计的主要技术指标 根据公司要求和当前住宅区建设的状况，制定了如下的技术标准： ( 1 ) 通信波特率：1 9 2 0 0 b p s ( 2 ) 计量精度：在系统选用的基表中，系统所用的基表一一电表、水表、 燃气表和热量表需分别符合g b t 17 2 15 - 2 0 0 2 、g b t 7 7 8 1 3 - 2 0 0 7 、 g b 6 9 6 8 1 9 9 7 和c j1 2 8 2 0 0 0 的要求。 ( 3 ) 中集器所带的采集器个数为4 0 个，每个采集器所带的基表为电表、 水表、燃气表和热量表各一个。 ( 4 ) 市电断电情况下，有后备电源供电，系统仍然可以正常运行超过4 8 小时。 1 4系统实现功能 此系统要实现的功能有： ( 1 ) 能耗采集：对水电气暖四表数据进行采集，将脉冲信息转变为相应的 能耗值。 ( 2 ) 可以存储数据，防止掉电时数据丢失。 ( 3 ) 采集器可以显示数据，数据可以从液晶显示器上读到。 ( 4 ) 中集器将各个用户的能耗表数据传输到物业管理中心的电脑上，管理 中心可以远程获取能耗信息。 ( 5 ) 管理软件具有读取数据、数据修改、历史数据查询、参数设置、文档 打印和权限设置等功能。管理员可以通过管理软件对用户的能耗情况进行记录， 分析。 ( 6 ) 系统的稳定性和可靠性，系统防窃能，防断电，有很好的抗干扰能力。 1 5 论文内容 论文的后续章节作如下安排： 第二章主要介绍系统总体设计方案，说明采集器、中集器、管理中心三个 组成部分的工作原理功能，介绍数据远程传输的基本原理。 第三章主要介绍硬件设计的内容，主要介绍采集器和中集器各个模块的工 作原理和功能，这些模块包括能耗信息采集、液晶显示、存储、有线传输和无 线传输模块等。 第四章主要介绍软件设计的内容，包括采集器和中集器的程序结构和流程， 说明如何通过软件编程实现采集数据和传输数据的功能，介绍了r s 4 8 5 通信 协议、g s m 网络工作原理与通信协议。 第五章主要介绍管理软件的设计，管理软件可以实现串口通信功能和数据 库功能。 第六章论证了系统的可靠性，系统有防断电、防窃能功能，有较好的抗干 扰能力；给出了低功耗分析；最后给出了结论。 4 第二章系统总体设计 2 1 系统概述 针对目前居民住宅区的电、水、燃气和热能等能耗计量中出现的各种问题， 本文设计了一种基于m s p 4 3 0 单片机的四表远程抄录系统。系统以m s p 4 3 0 作 为控制芯片，它是采集器和中集器的核心。采集器安装在用户家中，对用户的 四种能耗信息进行采集，显示给用户查看，储存到存储芯片，并通过r s 4 8 5 总线将能耗数据传到中集器。工作人员在管理中心使用抄表管理软件可以通过 t c 3 5 i 手机模块与中集器通信，当工作人员向某栋楼的中集器发送抄表命令后， 中集器将这栋楼中所有用户的能耗信息发送到管理中心的电脑上并存储。远程 抄表系统基本结构如图2 1 所示。 广工 i 管理中心l i 服务器i 1 _ j 图2 1远程抄表系统基本结构 各个楼栋的中集器装有手机s i m 卡，中集器的个数没有限制。在本设计中 每个中集器可以带4 0 个采集器，每个采集器连接电表、水表、燃气表和热量表 各一个。 它的优势有以下几个方面： ( 1 ) 利用电子技术和计算机技术等，提高数据传输的速度和准确性。 ( 2 ) 选用的单片机和通信模块可以进入低功耗状态，节省电能。 ( 3 ) 有线和无线传输相结合的方式，采集器和中集器之间使用r s 4 8 5 总 线进行通信，抗噪声干扰性好；使用g s m 模块，不需要像有线模块在楼道之 间布线，减少施工，而且数据传送准确率高，距离远。 ( 4 ) 防止出现窃取能耗的行为。 ( 5 ) 管理软件功能齐全，可以收集数据，辅助统计分析，检查出能耗异常 的情况。 5 ( 6 ) 减轻人工劳动强度，减少费用支出，提高经济效益。 2 2 各组成部分的功能 本文所设计的远程抄表系统由三个子系统构成，包括采集器，中集器，管 理中心。 每个用户家中装有一个采集器。采集器由四个基表、单片机、液晶模块、 存储模块、有线通信模块组成。它采集基表数据并进行处理，存入存储器，并 在液晶屏上显示。当它收到中集器的参数设置命令后，对地址、波特率等参数 进行设置。当它接收到抄表命令后，把数据信息发送给中集器。采集器的基本 结构如图2 2 所示。 每个楼栋中安装一个中集器。中集器由单片机、存储器、有线通信模块、 无线通信模块组成。它接收管理中心p c 机的口令，判断是参数设置命令还是 抄表命令并执行命令。它可以通过有线信道收集采集器的基表数据和故障数据， 通过无线信道将数据发送给管理中心p c 机。中集器的基本结构如图2 2 所示。 管理中心主要由无线模块、计算机、管理软件组成，它接收各个中集器传 来的基表数据，并进行记录和存储，可以辅助工作人员统计和分析。 图2 2 采集器结构图 图2 - 3中集器结构图 6 2 3 方案选择 2 3 1控制芯片的选择 选用的控制芯片是m s p 4 3 0 系列单片机。m s p 4 3 0 单片机的低功耗模式和 活动模式耗电都很低。具有丰富的寻址方式；简洁的2 7 条内核指令：大量的寄存 器以及片内数据存储器都可参加多种运算，这些特点保证了可编制出高效率的 源程序。 2 3 2有线传输方式的选择 楼栋中采集器和中集器之间的传输选择r s 4 8 5 总线传输方式。r s 4 8 5 标 准是电子工业协会( e i a ) 制订并发布的，并经通讯工业协会( t i a ) 修订，命 名为t i a e i a 4 8 5 a ，也称为r s 4 8 5 标准。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，分别定义为a 和b 。相对于r s 2 3 2 通信 来说，它的总线节点多，传输可靠性高，距离远，速率高。r s 4 8 5 接口采用差 分方式，只需检测两线之间电位差，抗共模干扰能力增强，抗噪声干扰性好。 数据最高传输速率为1 0 m b p s 收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应相连。对于发送器，a 、b 之 间的电平在+ 2 + 6 v 之间表示正逻辑电平；a 、b 之间的电平在一2 6 v 之间 表示负逻辑电平。对于接收器，当在接收端a 、b 之间有大于+ 2 0 0 m v 的电平 时，输出正逻辑电平；a 、b 之间电平小于2 0 0 m v 时，输出负逻辑电平。 2 2 3无线传输方式的选择 中集器和管理中心之间的无线传输选择g s m 模块进行数据传输。 g s m 全名为g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，中文名称为全球移 动通讯系统。利用g s m 传输数据的远程抄表系统具有节点数量多，可远程控 制、覆盖范围广、建设成本低等特点。 g s m 远程传输系统包括短消息中心，移动交换中心，移动终端等部分。 每个终端归属于某个短消息中心( s m c ，s h o r tm e s s a g ec e n t e r ) ，它负责存 储与向归属m t 发送短消息，用户数据的管理与用户计费。 移动交换中心( m s c ，m o b i l es w i t c hc e n t e r ) 包括s m s g m s c ( g a t e w a y m s cf o rs h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 和s m s - i w m s c ( i n t e r w o r k i n gm s cf o rs h o r t m e s s a g es e r v i c e ) ，m s c 为p l m n 中的业务交换节点，与h l r 、v l r 等数据库 相连接组成移动交换子系统，具有短消息功能。 当前移动终端( m t m o b i l et e r m i n a l ) 都有发送短信的功能，发送给被呼 m t 的归属s m c ，接收来自所归属s m c 的短信息，将所接收短信存入存储空间， 并给网络发回确认接收的消息。 终止于m t 的短信业务( s mm t ) 流程如下：对终止于m t 的短信业务， 首先发送到被呼m t 的归属s m c ，经s m c 送到与其相连接的入口交换机 s m s g m s c 。s m s g m s c 根据被呼号向h l r 查询，得到被呼手机所在位置， 7 并将短信通过n o 7 信令网送到被呼m t 所在的m s c 。m s c 查询v l r ，得到被 呼手机目前所在位置区( b s c ) ，并对这个b s c 所有基站发出寻呼信号。业务 流程示意图如图2 - 4 所示。 图2 - 4终止于m t 的短信业务示意图 起始于m t 的短信业务( s mm o ) 流程如下：一个移动终端发出短消息， 由该移动终端所在m s c 接收，m s c 查询v l r ，得到被呼手机目前所在位置区， 将短消息和被呼号码送n o 7 信令网。n o 7 信令网根据被呼号码查询被呼手机 所归属的s m s i w m s c 和s m c 。业务流程示意图如图2 5 所示。 图2 5起始于m t 的短信业务示意图 通讯模块选用西门子公司推出的新一代无线通信g s m 模块：t c 3 5 i 。它自 带r s 2 3 2 通讯接口，可以方便地与p c 机、单片机连机通讯。t c 3 5 模块主要由 g s m 基带处理器、g s m 射频模块、供电模块、闪存、z i f 连接器、天线接口六 部分组成。t c 3 5 i 模块由a t 命令集控制，支持文本和p d u 模式的短消息。可以 利用a t 命令实现发送、读取、删除短消息等功能。该模块可以收发短消息， 设置波特率，具有电话簿功能，漫游检测功能。 8 第三章系统硬件设计 智能表的硬件部分包括采集器，中集器，管理中心。采集器包括采集模块、 存储模块、显示模块、r s 4 8 5 通信模块，中集器包括存储模块、r s 4 8 5 通信 模块、g s m 无线通信模块等。本文的硬件设计就按照这些模块的设计来依次说 明。 3 1 采集器的设计 3 1 1基表的类型和选择 ( 1 ) 电表的设计 本系统中的电子式电能表以a d e 7 7 5 5 集成电路为核心，具有准确度高、稳 定性好、可靠性好等优点。它支持5 0 h z 6 0 h zi e c6 8 7 10 3 6 标准的准确度要求， 在5 0 0 ：1 的动态范围内误差小于0 1 系统使用a d e 7 7 5 5 芯片作为电能计量电路的核心。电流和电压两个信号分 别送入a d e 7 7 5 5 ，经过1 6 位二阶模数转换器，数字化的电流和电压信号相乘， 得到了瞬时功率信号，然后对瞬时功率信号进行低通滤波得到有功功率分量。 再通过电压频率转换器转换为频率信号并输入单片机。芯片的结构框图见图 3 - 1 图3 - la d e 7 7 5 5 结构框图 a d e 7 7 5 5 使用3 5 8 m h z 晶振，晶振接c l k o 、c l k i 管脚。g o 和g 1 接高 电平或低电平，由它们的逻辑输入状态确定p g a 的增益。s 0 、s 1 、s c f 的逻 辑输入状态确定f 1 、f 2 、c f 管脚输出的脉冲频率。 集成电路v 1 p 和v 1 n 之间所能承受的最大差动输入电压4 7 0 m v 。输入电 路采用5 0 0 uq 锰铜片作电流采样器，锰铜分流器和电磁式电流互感器相比，具 有线性度好和温度系数小等优点。当流过的电流为4 0 a ( 4 倍的额定电流) 时， 这两点之间的电压为2 0 m v ，这个电压通过r 1 ，r 2 以差动电压形式加至芯片5 、 6 脚。输入电路以5 v 电源地为基准，对输入电压采用电阻器分压采样，调节可 变电阻可完成增益调节。为了提高分压网络分压系数的稳定性，保证电能表的 测量精度，一般用误差小于1 ，温度系数小于1 0 0 p p m 。c 的贴片电阻。电能表 9 电路图见图3 - 2 图3 - 2电能表电路图 电能表输出频率可以通过下述方法确定。通道1 和通道2 两个电压信号输 入a d e 7 7 5 5 ，乘积经过低通滤波，得到有功功率。再通过电压频率转换器转 换为频率信号，即低电平有效的脉冲信号，从引脚f 1 和f 2 输出。这个输出频 率与平均有功功率成正比，有功功率的平均过程是隐含在数字频率转换中完成 的。输出频率与两个输入电压信号有关，由式( 3 1 ) 确定【7 ，8 1 。 f = ( 8 0 6 u 1 u 2 c r u e 一4 ) ( 3 1 ) 式中： f 一一f 1 ，f 2 引脚输出的脉冲频率值( h z ) u 1 一一电流通道差动输入电压有效值( v ) u 2 一一电压通道差动输入电压有效值( v ) g u 一一增益值，由g o 和g l 的逻辑输入确定，见表3 1 f 1 4 一一分频频率，由主时钟分频获得，由s o 和s 1 确定，见表3 2 v r e f 一一基准电压( 2 5 v 士8 ) ( v ) 由上式和f 1 4 可以求得f l 最高输出脉冲频率，见表3 3 。 高频标准脉冲输出端( c f 端) 输出的频率比较高，它与瞬时有功功率成正 比。c f 输出频率也是由两个通道输入的电压信号经过相乘和低通滤波获得的。 有功功率累计的时间非常短，在数字频率转换过程中完成的平均作用较小，所 以c f 端输出对功率波动的响应比较敏感。 f 1 4 频率选得越低，c f 的倍率越高( 高频方式除外) 。