（机械电子工程专业论文）居民小区自动抄表系统中集中器的研究与设计.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 本文结合当前实际情况，设计了一种以低压电力线和g p r s 网络为数据传输信 道，以a t 8 9 c 5 1 单片机为主控制器件的自动抄表系统集中器。其中，低压电力线 载波技术使自动抄表系统充分利用了现有的低压电力线网作为信息的传输介质， 省去了其它方式所需的大量铺线工作，是一种非常经济方便的抄表方式。而g p r s 技术以其实时在线和按数据流量计费的特点，使得自动抄表系统集中器的数据可 以接入网络，传输到远程的主站控制系统，实现广域范围的管理和控制。该集中 器具有成本低廉、工作性能稳定可靠、系统安装方便等特点。 集中器处于自动抄表系统的中间位置，其主要功能是接收主站系统下发的各 种命令，上传下属采集器或是电能表的用电数据。本论文中，首先介绍了我国自 动抄表系统发展背景及概况，说明了其系统组成及其主要功能特点，并探讨了我 国自动抄表系统的应用模式。接下来从硬件、软件方面介绍了集中器的设计原则、 结构方式、通讯方式等，并具体介绍了集中器的软件、硬件的配置情况及其各单元 部分的工作原理，同时还给出了集中器的硬件组成框图、软件主程序流程图以及 串行通信协议。 最后，对集中器的稳定性进行了分析和研究，列出了有关可靠性的几个指标， 分析了干扰串入的主要渠道，并提出了行之有效的软件及硬件抗干扰措施。 关键词：自动抄表系统；g p r s ；电力线载波；集中器；串行通讯 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sac o n c e n t r a t o rw h i c hc h o o s e st h el o w p o w e rl i n ec a r r i e ra n d t h eg p r s 勰t h ec h a n n e l sf o rt r a n s m i t i n gt h ed a t a t h i sc o n c e n t r a t o rt a k e st h ea t 8 9 c 5 1 s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra st h eh o s tc o n t r o l l e r t h e r e i n t ot h et e c h n o l o g yo fl o w p o w e rl i n ec a r r i e re n a b l e st h ea r m s t om a k ea s eo f e x i s t i n gl o wp o w e rl i n en e t w o r k 越 c o r r e s p o n d i n gm e d i u mt ot r a n s m i ti n f o r m a t i o na n dd a t a i tc a r ls a v es om u c hw o r ko f p a v i n gl o t so fl i n e sf o rc o m m u n i c a t i o nl i k eo t h e rw a y s ，a tt h es a m et i m ei ti sr e g a r d e d a sav e r ye c o n o m i c a la n dc o n v e n i e n tw a yf o rc e n t r a l i z e dr e a d i n gs y s t e m b e s i d e ，b yt h e s p e c i a l i t yo fo n l i n ef o r e v e ra n dc h a r g eo nd a t af l u x ，t h et e c h n o l o g yo fg p r sc a l lm a k e t h ea r m sc o n n e c ti n t ot h ei n t e r a c ta n dc o m p l e t ec e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dc o n t r o l i nv e r yw i d ca r e a o t h e r w i s et h i sc o n c e n t r a t o rp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o w - c o s t , s t e a d ya n dd e p e n d a b l ec a p a b i l i t y , c o n v e n i e n c ef o ri n s t a l l i n ga n ds oo n t h ec o n c e n t r a t o ri si nt h em i d d l eo ft h ea r m s ，i t sp r i m a r yf u n c t i o n sa r e r e c e i v i n g ，a n a l y z i n ga n dd i s p o s i n ga l lk i n d so fc o m m a n d sw h i c hc o m ef r o mt h e 。m a s t e r m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gc o m p u t e ra sw e l l 硒t r a n s m i t i gt h ed a t ao fa c q u i s i t i o ns y s t e m o ra m m e t e r s i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n da n d g e n e r a l s i t u a t i o no fa r m si no u rc o u n t r y ja n dl i s ti t sc o m p o s i n gp a r t sa n dm a j o rf u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ea p p l i c a t i o n sm o d eo fd o m e s t i ca r m sa r ea l s od i s c u s s e d t h e n t h ed e s i g n i n gp r i n c i p l e ，m o d e so fs t r u c t u r ea n ds e l e c t i o no fc o m m u n i c a t i o nm o d eo f c o n c e n t r a t o r 玳d i s c u s s e do nt h ea s p e c t so fh a r d w a r ea n ds o r w a r e m o r e o v e r , t h e h a r d w a r ea n ds o r w a r e c o n f i g u r a t i o no fc o n c e n t r a t o ra n di t sw o r k i n gp r i n c i p l eo fe v e r y u n i ta r ep r e s e n t e di nd e t a i l a tt h es a m et i m e ，t h ed i a g r a mo fh a r d w a r es t r u c t u r e ，t h e f l o wc h a r to f s o r w a r ea n dt h ea g r e e m e n to f s e r i a lc o m m u n i c a t i o i l sm o d e sa r el i s t e d a tl a s t ，b yt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fs t a b i l i t yo fc o n c e n t r a t o r , t h e r ea r es e v e r a l g u i d e l i n e sa b o u td e p e n d a b i l i t ya r ep o i n t e do u t a n a l y z et h em a i n l yi r r u p t i v ew a y so f i n t e r f e r ea n dl i s to u ts o m ee f f e c t i v em e a s u r e so fa n t i - j a m m i n gb ys o f t w a r ea n d h a r d w a r ea r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：a r m s ；g p r s ；l o w p o w e rf i n ec a r r i e r ；c o n c e n t r a t o r ；s e r i a l c o m m u n i c a t i o i l sm o d e s 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：座凼 日期 ：庐叼年；月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：赡铂 日期：枷哪? d 2誓剥币签袭嘲n 二日期：。k 黟f 歹、，二 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 集中抄表系统中集中器简介 在当今社会，随着高新技术迅猛地发展以及人们服务意思的不断提高，公共 事业收费实现网络化、智能化的呼声越来越高，尤其是广大群众居住的住宅小区， 将个人用户的电表，实现远程集中自动抄表( a m r ) ，这是形成家庭智能化管理， 提高物业管理水平，减少劳动强度的有效措施。同时，自动抄表系统也是大力发 展中的智能建筑，楼宇自动化项目中的重要组成部分。 自动抄表系统是一种不需要人员到达现场，利用特定的通信方式将用户处的 电能表所记录的各种数据传送到远程主控站的计算机网络中，并由软件对数据进 行统计、分析和计算的系统。该系统的英文名称为a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e m 。 简称a m r 。自动抄表系统是新兴的、先进的抄表方式，融合了当今最先进的计算 机和通信技术，并随着通信技术系统的硬件和软件不断发展而更新“1 。集中器是抄 表系统中重要的设备之一，它的作用是将多台电表或是采集器连接起来，集中器 处于信息通路的中间位置，起桥梁的作用。它能够传输，存储，处理各种电能数 据。因此，对于集中抄表系统中的重要设备一集中器的开发尤其重要。 1 2 课题研究的目的及意义 自动抄表系统的核心问题是各个计量表的数据通信问题，尤其是集中器的向 上向下的数据传输通道。目前有很多方案可供选者，主要包括：总线、载波、无 线等数据通讯方式。这些方案都有一个共同的特点，就是都要用到电。而供电网 本身就是一种资源，在解决技术上的问题前提下，就可以利用现有的电力线网进 行数据传输。这样既可以免去繁杂施工布线，免除日常维修，又利用了现有的资 源，为自动抄表系统提供了良好的选择。本课题正是基于这一点，以发达的覆盖 面广的低压电力线网作为下行数据传输通道，实现各个采集器到集中器之间的数 据传输。这在经济性和便利性上是其他通信方式( 如r s 4 8 5 ) 无法比拟的。 另外，无线通信数据网络的迅猛发展，也使无线远程自动抄表成为未来集抄 系统发展的必然趋势。目前，无线移动通讯网络g s m 的发展特别是g p r s 的出现 1 沈阳理工大学硕士学位论文 和发展，为远程自动抄表提供了又一个方便的数据传输载体。g p r s 具有以数据流 量计费、覆盖范围广泛、数据传输速度快的等诸多优点，是目前解决移动无线通 信的一种较完美的业务。与有线网络相比，中国移动的g p r s 网络具有租用费用 低、覆盖面广、通信质量高等特点。自动抄表系统利用中国移动的g p r s 无线数 据网络的方式，将集中器中的数据与远程管理中心连接，构成远程用户数据抄收、 存储分析、计算和控制的系统，实现真正的管理自动化。 1 3 国内外研究的动态和趋势 在国外，自动集中抄表技术发展较早，二十世纪八十年代中期，国外就开始 安装和投入使用集中抄表系统。现在已有不少i 亘# l - 著名的厂商设计生产出自动抄 表系统产品。而且对其研究也越来越深入了。美国在1 9 8 6 年成立了自动抄表技术 协会( a m r a ) ，每隔一年半开一次国际性的会议。近年又成立了欧洲自动抄表技 术协会和英国自动抄表协会。英国的w e s t e r nm a s s a c h u s e t t s 电力公司，在其管辖 区内4 0 的用户都已经使用自动抄表系统来消费电能，利用手持式抄表器来读取 用户的用电量。另外基于低压电力线载波技术的抄表方式在国外发展也比较成熟。 但由于各国的情况不同，迄今为止仍没有统一的自动抄表标准，导致抄表方式多 样化。现有产品系统内部的信号采集多利用专门接口，如l o n w o r s 、c a n 、r s 4 8 5 等数据采集线路，布线系统一般都存在成本高、安装施工繁杂的困扰。国外也有 使用无线抄表系统的，这种方法省去了布线的工作，但是系统成本高，在我国不 宜推广。在载波抄表方面，以色列、美国、德国起步比较早。国外的低压用户是 根据其居民分散式居住环境而设计的，并不适合我国的居住环境，因此，发达国 家的载波产品并不是十分的适合我国的低压电力线网。 近年来，我国的智能小区发展建设也比较快，尤其是沿海地区，都不同程度 地建设了智能化示范小区。建设部( 2 0 0 0 年小康型城市住宅科技产业工程城市示 范小区规划设计导则( 修改稿) 中已经明确提出：“推广应用户外计量( 包括电、 水、煤气表等) 技术”。在中国住宅户年品发展纲要中也明确提出：“实现方 便抄表，不打扰用户，使大量人工抄表逐步过渡到数字化传送。开发智能化的水、 电、气计量装置及接1 ：3 。智能化计量装置的开发要达到准确计量、抗干扰能力强、 稳定性与耐用性强、使用安全防盗等基本技术性能要求m ”。目前，自动抄表系统 第1 章绪论 的应用事例有：深圳的梅林二村小区和上海的邮电二村小区等。 随着中国的无线通讯网络的迅猛发展，g p r s 无线接入i n t e r a c t 技术的应用正 逐渐广泛。g p r s 技术以其覆盖面广，数据传输快的等诸多特点也被引入到集中抄 表系统当中来。 但是，寻求简单可靠的自动抄表方法仍是一个热门的话题。特别是在美国， 欧洲和日本，有很多公司从事着这个领域的研究与开发。国内也有不少公司在进 行这方面的研究。i c 卡、电力载波、远传抄表是国内外目前普遍采用的一种耗能 户外计量的方式。但是，目前正在使用的任何一种自动抄表方式都因其自身存的 缺点，导致没有任何一种系统占有绝对的市场优势。对于电力行业，越来越多的用户 希望采用安全、准确、稳定、可靠、安装简便、容易维护的抄表系统“， 由于数字化时代的到来，计算机和网络在各个领域得到普及，在电力系统管 理上也应当如此。集中抄表技术的实现既节省了大量的劳动力，也减少了抄表方 式落后所带来的损失，同时也充分地利用了现有的资源。我国是一个用电大国， 集中抄表技术将会是一个很有发展前途的研究课题。 1 4 课题研究目标及系统总体方案 1 4 1 课题研究的目标 课题目标在于：研究设计一种利用现有的低压电力线网和中国移动g p r s 网 络作为信息载体，以单片机作为主要控制器件的自动抄表系统中的集中器：该集 中器向下通过低压电力线与采集器或是电能表进行数据传输，向上则通过g p r s 网络与主站系统进行数据通讯。完成对采集器电能数据抄收和处理等多项功能。 1 4 2 系统总体方案 在我国，电能计量方式都是采取一户一表制，这就决定了抄表系统主要有两 个方面的特点：一是数据采集点多，数据量大；二是系统覆盖面要广。集中抄表 系统有两个通道：上行信道和下行信道。上行信道主要是主站( 用电管理中心) 和集中器之间的通信信道；下行信道就是集中器与采集器或是电能表之间的信道。 本课题中上行信道利用方便的中国移动g p r s 网络，下行信道利用覆盖面广的低 沈阳理工大学硕士学位论文 压电力线网。系统采用分布式体系结构，如图1 1 所示。 第一级数据采集与传输，由电能表，采集器和集中器组成。存放在采集器里 的各个居民的用电数据通过2 2 0 v 的低压电力线传送到集中器。集中器里汇集了同 一个变压器下的所有用户的电表数据。在硬件上，集中器包括了向上的g p r s 接 1 2 和向下的载波接口电路。第二级数据传输是由g p r s 网络和主站系统构成。各 个集中器通过g p r s 接口将所采集到的数据接入到主站，以便主站可以及时准确 的管理和控制。 1 0 l ( v 配电变压器 主站控制系统 g p r s 移动电话网 集中器 匹匝麴垂圜 厂1 再面 厂甄夏面酾鳓孺 低压电力线网 业，。广斗业一 数据采if 数据采ff 数据采ff 数据采 集器l i 集器1l 集器11 集器l 磊幂幕鬻 电能il b r i g l l 电能l | 电能l1 电能电能1i 电能 电自 到刨刨刨剀刨刨圈 图1 1 电力线载波自动抄表系统结构原理图 1 5 课题研究的主要内容 1 载波通信接口 电力线载波接口用于集中器与下属设备( 采集器和电能表) 通讯。它实际是 一个电力线m o d e m 。载波通信接口是实现载波通信的关键功能模块，它可以把 数字量的计量数据转换成模拟量调制到电力线上，同时也能把电力线上的模拟量 变成数字量传到控制器件中去。 第1 章绪论 2 g p r s 无线模块 g p r s 模块可以将集中器中的数据接入到中国移动的g p r s 网络中，进而传输 到主站系统，实现数据的集中和管理。该模块实际上相当于一个嵌入式的g p r s 调制解调器，它位于集中器和主站管理中心p c 之间。 3 集中器软硬件设计 集中器是本课题的主要研究对象。它实际是一个数据处理电路，向下通信各 个采集器，向上通信主站系统。 集中器的硬件设计主要是以a t 8 9 c 5 1 单片机为主要的控制器件。向下信道选 择低压电力线，向上选择中国移动的g p r s 网络。软件的设计主要是实现数据的 传输、存储、处理等功能。 集中器的软硬件设计和调试是本课题的主要内容，无论是硬件还是软件，反 复调试是必不可少的。这几乎占据了研究工作的大部分时间。 第2 章低压电力线载波接口的设计 第2 章低压电力线载波接口的设计 2 ，1 电力线载波技术简介 电力线通信，简称p l c ( p o w e i l i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，是以电力网作为信道进 行载波通信的一种有线通信方式。电力线载波通信与其它通信方式相比，能充分 利用现有的电力线资源，即利用电力线进行通信，实现信息的传输m 。其历史可以 追溯到二十世纪2 0 年代，那时主要集中在l l k v 以上的高压传输。到二十世纪5 0 年代，该技术已经广泛应用到监控、远程指示和语音传输等领域了。到9 0 年代， 电力线载波通信就开始应用到中压和低压电网上了，其主要开发主要集中在电力 线自动抄表、电网负载控制和供电管理等领域，但并没有导致电力线载波通信的 大量产品及服务的出现。因而，电力线通信具有很好的开发前景和应用价值。 载波原理框图如图2 1 ： 电- 1 功率的皤h 电；嗽t m o d e m 力 舍 1 墁电 路 一带选逮渡嚣 前i 放大器 图2 1 载波原理示意图 电力线是一种分布非常广泛的线路资源。人们一直想利用其进行数据或是语 言的传输。与中、高压电力线的载波通信不同，低压配电网由于直接面向用户， 这一固有的特点使电力线通信环境恶劣，许多技术上的问题一直无法解决。突出 表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且时变性大等特点m 。因 此，要实现高性能的低压电力线载波通信有相当大的困难。 尽管低压电力线载波通信存在种种困难，但是用低压电力线作为通信信道是 可行的，只是需要采用一些特殊的技术手段。采用常规载波技术( 包括振幅调制、 频率调制等常规调制技术) 已经不能满足实际的需求。目前，低压电力线载波通信 已经朝着使用扩频通信技术的方向发展，采用高抗干扰能力的载波调制技术如扩 频载波调制技术，能在很大程度上克服电力线的强衰减、强干扰的缺陷，大大提 沈阳理工大学硕士学位论文 高通信系统的生存能力。国外在扩频载波技术方面起步较早，且有成熟的产品， 如美国的i n t e l l o n 公司和e c h e l o n 公司、以色列的u i l i q i l e 公司、加拿大的s t a n f o r d 公司、法国和意大利的s t 公司的产品。其产品的共同特点是：通用的电力线载波 扩频通信芯片、按照纯扩展频谱原理，硬件电路实现信号的调扩与解扩、应用方 式面向家庭内部自动化控制。但这些都是针对北美和欧洲地区的电网特性和结构 而设计，导致这些国外产品难以直接在国内应用n ，。 2 2 低压电力线载波通信 2 2 1 在集中抄表系统中的应用 利用低压电力线载波技术的自动抄表系统与传统的有线通信技术相比有很大 的优越性。传统的自动抄表系统采用有线通讯技术，以其稳定性占优势，但是线 路铺设工程浩大，浪费资源而且还容易被自然或是人为地破坏。电力线载波通讯 技术能有效地解决上述问题，而且2 2 0 v 电网覆盖面广，同时充分利用了现有的网 络资源。基于此，许多公司不约而同地把低压电力线载波通讯作为首选。 低压电力线载波通讯是指在国家规定的低压( 3 8 0 v 2 2 0 v ) 载波频率范围内进 行载波通信，电力线作为载波通信线路。载波信号电平不超过5 v ，不会对电力线 传输电能造成影响，从而使低压电力线成为一种能量传输和通信相结合的网络m 。 随着居民住宅的智能化管理的不断发展，远程集中自动抄表系统已经获得越 来越广泛的应用。在其推广和发展的过程中，利用低压电力线作为通信信道的技 术已日益体现出优越性。 2 2 2 相关问题 1 工作频段 早在二十世纪9 0 年代，欧洲就提出了b se n 5 0 0 6 5 标准。此标准对在低压电 力线上载波通信的频段、频带和电平等做出了具体的规定。迄今为止，全世界范 围内的低压电力线载波通信都是遵守这个规定。这一标准是唯一的针对性的标准。 b se n5 0 0 0 6 5 标准规定：3 k h 7 _ , - - 9 k h z 为电力公司专用；9 k h z c - 9 5 k h z 为电力公 司和经电力公司许可的用户使用的频段；9 5 k i - i 厶1 4 8 5 k h z 为其他用户使用频段。 第2 章低压电力线载波接口的设计 鉴于此抄表系统使用的频段应该选择在9 5 k h z 以下。关于这一点，在我国的电力 标准低压电力用户集中抄表系统技术条件( d l t 6 8 9 1 9 9 9 ) 中已经明确提出。 2 传输速率 载波通信的传输速率是自动抄表系统的一项重要技术指标，也是载波通信技 术水平的一项重要标志。但是通信速率( 波特率) 与误码率是一对矛盾，波特率越高 误码率就越高，通信成功率就越低，因此波特率的设计十分重要。对于抄表系统 而言，考虑到成本的因素不宜追求太高的传输速率，在性价比合适的前提下，通 常速率应在2 4 0 0 b i f f s 以下。对实际使用来讲，在3 0 0 也4 0 0 b i 以都是可行的。如果 太低( 如3 0 0 b i t 以下) ，仅用于抄表尚可使用，但如果系统具备较强的管理功能，如 多费率数据、相位平衡数据、线损数据和频繁抄表等，太低的传输速率就无法满 足。另一方面速率太低，多数情况下需要设备( 电能表端和集中器) 长时间处于发送 状态，整体功耗就会很大。 3 双向通信 在自动抄表系统中，低压载波通信必须是双向的，其原因是多费率和管理的 需要( 如校时、修改时段等功能，要求通信必须是双向的) 。同时系统的任何扩展都 需要载波通信是双向的。 4 调制解调方法 由于电力线信道中存在着大量的无规律干扰源。有窄带的，也有宽带的，且 电力线的阻抗随机变化，对载波信号的衰减很大。目前市场销售产品的调i t i 解调 方法大致分为点频和扩频。通常点频方式需要较大的发送功率，载波信号幅度有 可能超出规定标准，所以应用范围小。相比之下扩频是一种比较经济的方法。 扩频( s s c ) 技术的真正全面研究是从2 0 世纪5 0 年代美国麻省理工学院成功研 制的n o m a c 系统开始的。1 9 7 6 年, r c d i x o n 撰写了第一部关于扩频通信的概述 性专著“s p r e a ds p e c t r u ms y s t e m ”。1 9 8 2 年j k h o l m e s 撰写的“c o h e r e n ts p e c t r u m s 蛳”是第一部扩频通信的理论性专著m _ m 。扩频技术是一种信号传输方式，其信 号所占有的频带宽远远大于所传信息必须的最小带宽，频带的宽度是通过编码和 调制的方法来实现的，与所传的信息是无关的。在接收端，则利用相同的扩频码 进行相关解调，来解扩及恢复所传信息数据。扩频通信原理如图2 2 所示。扩频( s s c ) 技术具有良好的抗随机干扰能力、保密性好、可实现码分多址通讯等特点。对于 沈阳理工大学硕士学位论文 抑制电力线上的脉冲干扰也非常的有效。 实现扩频调制有直扩序列调制( d s d 、跳频载波f h ) 、线性调频或( c h i r p ) 三 种方式n ”。 图2 2 扩频通信原理图 国内的深圳市亚奇通电子技术有限公司采用直序扩频频率调制解调技术实现 电力线载波通信。应用先进的模数转换、数字滤波、数据压缩、相关判决、纠错 编码等数字处理技术，极大地提高了数据交换的可靠性和准确性。在噪声很大的 情况下，即使信噪比s n i 的情况下依然可以正常通信。并且已生产出了相关的产 品，用于自动抄表系统、楼宇自动化等方面。 2 3 低压电力线载波通信模块的选择 电力载波m o d e m 主要负责集中器与采集器的数据交换，本系统采用深圳市 亚奇通电子技术有限公司生产的p l c l 0 1 s - 1 2 作为电力载波m o d e m ，它可以方便 的和具有r s 2 3 2 接口的产品连接，提供双向半工的通信功能，具有标准的数据输 入输出接口，连接到电力线上不需要任何额外的耦合电路和器件。该产品与用户 的设备或系统之间的通信协议无关，电力线到用户之间是透明信道。因此，多个 p l c 可以连接在同一电力线上，不会相互影响m 一。图2 3 是一个简单的p l c l 0 1 s - 1 2 应用示意图。 p l c l 0 1 s 1 2 把采集系统所采集的数据经过调制耦合到电力线上，并且通过电 力线载波把数据传送至电力线另一端，然后再通过p l c l o l s 1 2 解调把数据还原并 传送到集中器。同样集中器也可以通过p l c l 0 1 s 1 2 把信号传给采集系统。 第2 章低压电力线载波接口的设计 p w rp w rp 矾喂p w r r x r x d 低压电力线 l u or x t xt x dt 为dt x g n dg n dg n dg n d 采集嚣p i 上l o l s p i c l o l $ 集中毒 图2 3 利用p l c l 0 1 s 数据交换示意图 表2 1 和表2 2 是p l c l 0 1 s 1 2 的各个数据端口定义和电力线耦合端口定义。 表2 1p l c l 0 1 s 1 2 的数据端口定义 接线符号定义方向 1+ 1 2 v 正电源输入输入 2g n d 电源地输入 3+ 1 2 v 负电源输入输入 4r x d - 2 3 2 r s 2 3 2 c 电平数据输入输入 5 t x d 2 3 2r s 2 3 2 c 电平数据输出输出 6r x d 1 t l 1 1 l 电平数据输入输入 71 x d 皿 下r l 电平数据输入输出 8n c 空 表2 2 电力线耦合端1 3 定义 接线符号定义方向 1 l 相线 输入 2n中线 输出 在p l c l 0 1 s 1 2 左侧有三个指示灯，分别标有t x c 、r x c 、p w r 。初上电时， 该m o d e m 进行初始化，三个灯全部亮。3 秒钟后，发送数据指示灯( t x c ) 和 接受数据指示灯( r x c ) 熄灭。电源指示灯 ”后就可以输入要发送的 内容，以c t r l + z 结束。m 3 2 返回“o k ”确认信息。发送短消息前要设置好短 消息中心，在执行a t 指令和发送数据时，如果没有返回正确的确认信息，将在提 示出错后重新执行这一步骤 沈阳理工大学硕士学位论文 m 3 2 的一些a t 命令集见表3 1 。 表3 1 m 3 2 的部分a t 命令集 a t 指令功能 a t + c m g cs e n da ns m sc o m m a n d ( 发出一条短信的命令) a ：r 斗c m g dd e l e t ea ns m sm e s s a g e ( 删除s i m 卡内存的短消息) a t - 屺m g fs e l e c t s m sm e s s a g ef o r m a t ( 选择短消息格式：0 - p d u ；1 - 文本) l i s t s m s m e s s a g e f r o m p r e f e r r e ds t o r e ( 列出s i m 卡内的短消息的信息 舭m g l 格式2 “s t o u n s n e t ”为待发；3 。s t os n e t ”为己发：4 “a i 工” 为全部。) a = r 斗c m g rr e a ds m sm e s s a g e ( 读短消息) a 1 k m g ss e n ds m sm e s s a g e ( 发送短消息) a 1 w m g ww r i t es m s m e s s a g e t o m e m o r y ( 向s i m 内存中写入待法短消息) a 1 k m g ss e n ds m sm e s s a g ef r o ms t o r a g e ( 从s i m 内存中发送短消息) a ：n c n m in e ws m s m e s s a g ei n d i c a t i o n ( 显示新收到的短消息) a 1 k p m sp r e f e r r e ds m s m e s s a g es t o r a g e ( 选择短消息内存) a t + c s c as m ss e r v i c e c e n t e r a d d r e s s ( 短消息中心地址) a ：i - + c s c bs e l e c t c e l lb r o a d c a s t m e s s a g e ( 选择蜂窝广播消息) a ：升c s s e t s m s t e x t m o d e p a r a m e t e r s ( 设置短消息文本模式参数) 1 s 第4 章集中器的设计 4 1 集中器功能概述 第4 章集中器的设计 集中器是本课题主要研究设计的主要部分，它是一种智能集中控制器i 是自 动抄表系统中的关键部分，处于信息传输通道的中间位置。集中器的主要功能一 方面是接受局域范围内各个采集器的数据，另一方面又要将这些数据进行处理后 通过i n t e r a c t 传输到管理中心( 主站系统) 。 集中器具体功能如下n 巳 1 集中器与采集器之间 集中器与采集器之间的通讯采用广播方式，当每个集中器向采集器发出命令 时，每个指令带有采集器和电能表的表号( 地址) 。采集器接受到指令后，必须是 设备号相同的才应答，否则不应答。若集中器在一段时间没有受到回应，则报错。 具体功能为： ( 1 ) 设置参数：可由主站进行设置，包括时钟、表号、表箱号、电表位数、 抄读间隔、冻结时间等。当地或远方设置抄读间隔及自动抄表日，兼有防止非授 权人员操作的功能； ( 2 ) 抄读数据：根据设定的抄读间隔自动采集各采集器或用户电能表的数据 和状态，或应主站要求，在任一时间点抄任一电表的数据和状态； ( 3 ) 存储数据：自动将抄回数据存储。能储存两个抄表周期的用电量数据； ( 4 ) 冻结数据：自动在设定时间或实时将所有电表或任意电表数据冻结起来； ( 5 ) 可以对采集器或电表进行采集、写入购电量、后付费初始化、预付费初 始化、发布欠费通知、取消欠费通知、欠费自动停止供电和取消停止供电等操作。 还可以进行分时计费； ( 6 ) 校时功能：能与采集器、主站进行校时； ( 7 ) 集中器最多可以采集2 5 6 个采集器，可管理1 0 0 0 到2 0 0 0 个电表( 同一 个台变下) 。有密码保护。断电后数据可以保持不少于4 0 天。 2 集中器与主站之间 ( 1 ) 接受主站的各种指令，从而对同一个台区内的电表进行相关的操作； 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 自动定时或实时向主站传输数据和下属设备的状态。与主站进行校时。 为准确的线损统计提供准确的数据： ( 3 ) 远程监控功能。集中器支持后台系统远程实时监控电能表运行情况，对 电能表运行情况进行分析。上报异常信息，例如：智能电表的故障( 上报与清楚 上报) 、停电信息( 停电时间及当时的相关数据) ； ( 4 ) 自诊断和异常信息记录功能。可自动进行系统自检，集中器通信中断时， 记录中断时间( 月、日、时) 。 4 2 集中器的硬件设计 为了能够实现规定的各项功能，集中器的包含了两个方面的硬件电路：电力 线载波接口电路和g p r s 无线模块接口电路。这两个部分的接口模块的选择已经 在前面详细介绍过了。 集中器的硬件结构相对来讲是比较简单的。在此设计了一种以a t 8 9 c 5 1 单片 机w 为主要控制器的自动抄表系统中的集中器。其硬件结构原理图如图4 1 所示。 集中器实际上是一个数据处理电路。它主要包括：电力线m o d e m 、主c p u 板、数 据存储器e 2 p r o m 、时钟模块、电源模块、看门狗电路和g p r s 数据转换模块。 图4 1 集中器硬件原理图 硬件电路示意图如图4 2 所示： 第4 章集中器的设计 图4 2 集中器硬件电路示意图 4 2 1 单片机型号的选择 自动抄表系统中的集中器是以单片机为核心的数据转发系统，其可靠性要求 尤为重要，同时还要考虑性能价格比及其实用性。在此，我们选择a t 8 9 c 5 1 单片 机作为集中器的核心控制单元。 4 2 1 1a t 8 9 c 5 1 单片机的性能及特点 a t 8 9 c 5 1 单片机是一种低功耗、高性能的8 位c m o s 微控制器，使用高密度、 非易失存储技术制造。 a t 8 9 c 5 l 的主要性能包括m ，： 片内有4 k b 可在线重复编程的快闪擦写存储器( f l a s hm e m o r y ) 存储器可循环写入，擦除1 0 0 0 次；存储数据保存时间为1 0 年； 宽工作电压范围：v e t 可为2 7 6 v ； 全静态工作：可从0 h z 至1 6 m h z ； 程序存储器具有3 级加密保护； 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 8 8 位内部r a m ； 3 2 条可编程i 0 线； 两个1 6 位定时器计数器； 中断结构具有5 个中断源和2 个优先级； 可编程全双工串行通道： 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。 4 2 1 2a t 8 9 c 5 1 单片机硬件结构及引脚 其引脚配置如图4 3 所示。 4 2 2 时钟电路 p i o p 1 p 2 p 3 p t 4 p 1 6 p e p ，7 食s t ( r x o ) p 3 o f t x d ) p 3 i 搿鬻浇； f r d ) p 3 t t ”p 36 m 限1p 3 ，o # ip 3 7 x t l 2 x t l t i t o d 图4 3a t 8 9 c 5 1 引脚配置图 时钟电路的引入使得系统自动工作成为可能。时钟芯片提供实时时钟，通过 此芯片设定具体采集各户电表数据的时间，从而完成定时采集工作。在此本系统 选择d s l 3 0 2 时钟芯片。 4 2 2 1d s l 3 0 2 引脚功能及其特点 d s l 3 0 2 是d a l l a s 公司推出的串行接口实时时钟芯片。它既能提供实时时 钟，又把关键的数据位存储于r a m 。芯片使用简单，外部连接少，在智能化仪表 及自动控制领域具有广泛用途。管脚图如图4 4 所示m 芷， 町卸舢”町n玛 仰惦”仰的幻中啊 tittt c怍平阿 c m j 2jj一7n巳胃 c o o o o o o o o 一 l 墨 町町”町， 11111，口 7 5 3 7 ， 2 2 2 2 2 2 2 0 p p p p p p p p 第4 章集中器的设计 v c c 2 x 1 勉 g n d v o ：t s a j ( 帕 r 盯 图4 4d s l 3 0 2 管脚图 x 1 ，x 2 2 7 6 8 i - i k z 晶振管脚 q 叩l - 接地 r s t - 一复位脚 i ，旺数据输入输出引脚 s c i k 串行时钟 v c c i ，v c c 2 电源供电管脚 其主要特点是： 简单的三线串行i o 接口； 2 5 5 5 v 的电压工作范围( 在2 5 v 工作时耗电小于3 0 0 h a ) ： 与t t l 兼容( v c c = 5 v 时) ； 实时时钟包括秒、分、时、日、月、星期和年( 闰年) 等信息； 3 1 x 8 静态r a m 可供用户使用； 可选的涓流充电方式； 工作电源和备份电源双引脚输入； 备份电源可由大容量来替代。 4 2 2 2 时钟模块电路 时钟电路模块如图4 5 所示。d s l 3 0 2 与c p u 的连接仅需要三条线，即时钟端 s c l k 接p i 4 、输入输出i o 端接p 1 5 、复位端r s t 接p 1 6 。v c c l 在单电源与 电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。v c c 2 在双电源系统中提 供主电源，在这种运用方式下v c c l 连接到备份电源，以便在没有主电源的情况 下能保存时间信息以及数据。d s l 3 0 2 由v c c l 或v c c 2 两者中的较大者供电。当 v c c 2 大于v c c i + 0 2 v 时，v c c 2 给d s l 3 0 2 供电。v c c 2 小于v c c l 时，d s l 3 0 2 由v c c l 供电。d s l 3 0 2 用3 2 7 6 8 k h z 晶振，配两个2 0 p f 的电容8 ，叭。 沈阳理工大学硕士学位论文 2 3 6 v n v c d 桃 3 2 7 6 8 亿 4 2 3 串行存储器电路 图4 5 时钟电路模块原理图 1 4 1 5 1 6 串行e 2 p r o m 是可电擦除和电写入的存储器，总线扩展接线灵活，极易形成 用户的模块化结构，同时大大简化系统结构，串行器件不仅占用很少的资源和i o 线，同时具有体积小，工作电压宽、抗干扰能力强、数据保存不易丢失、在线编 程、功耗低等特点，在单片机系统中应用十分普遍。 4 - 2 3 1 串行存储器芯片a t 2 4 c 6 4 基于本课题中设计的集中器采集和处理的数据量较大，采集到的各个采集器 的表号、电能常数、功率限额等参数及其他电能参数都存于这个e 2 p r o m 中，本 论文选择容量较大的a t 2 4 c 6 4 芯片作为串行存储器。 a t 2 4 c 6 4 为串行电擦除的可编程c m o s 只读存储器。支持器件地址编码，同 一串行总线最多可同时连接8 片。擦除，写入周期寿命一般都可达到1 0 万次以上。 片内数据保存寿命可达4 0 年以上。采用单一电压+ 5 v ，低功耗工作电流l m a ，备用 状态时只有1 0 u a 。端口为三态门输出，与t t l 兼容。其引脚功能如下： s c 卜串行时钟端，用于对输入和输出数据的同步； s d a 一串行数据输入输出端，漏极开路结构； a d ，a 1 ，a 2 一片选或页面选择地址输入，用于e 2 p r o m 器件地址编码。将 这三个引脚配置成不同的编码值，可选中不同的芯片； 第4 章集中器的设计 w 卜写保护，用于硬件数据保护功能。当该脚接地时，可以对整个存储器 进行正常的读写操作：当其接电源v c c 时，芯