（电力电子与电力传动专业论文）基于at89c51的远程抄表系统设计及抗干扰技术的研究.pdf

江苏大学硕j ：学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ( a m r s ) i sam o d e ma d m i n i s t r a t i o n s y s t e mw h i c hc o l l e c t sa n dr e a d s r e m o t ec o n s u m p t i o nd a t at h r o u g h m o d e mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a n i sc a nb eu s e di nt h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e ma n ds u c hp u b l i cd e p a r t m e n t s d a t a - c o l l e c t i n gd e v i c ei so n e o f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t so f t h es y s t e m i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ea m r st or e a l i z e t h em a i nf u n c t i o no ft h ed a t a - c o l l e c t i n gd e v i c ei nt h em a r k e tw e r e d e s i g n e dn o w f i n i s ht h ef u n c t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e rd a t a - c o l l e c t i n g 、 d a t a - m a n a g i n g 、d a t at r a n s m i s s i o na n dt h em a n a g e m e n t i nt h i st h e s i s ， a b o u tt h eh a r d w a r e ，ap a r t i c u l a re x p l a n a t i o no f t h ec h o i c eo f c p u 、i n s p e c t c i r c u i t 、d a t am e m o r ye t cw e r eg i v e n a n dt h es o f t w a r e ，w eg i v et h e p r o g r a mo f i m p u l s ec o l l e c t i o n 、c o m m u n i c a t i o n 、d i s p l a ye t c i na d d i t i o n , a n t i i n t e r r u p t i o np e r f o r m a n c ea n da d o p ta c c o r d i n gt h e p r e c a u t i o nb a s e do nt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e ，t oi m p r o v et h e s y s t e m sr e l i a b i l i t y g i v es o m em e t h o d s t os o l v et h ee m i e m cp r o b l e m o ft h ep r i n t e dc i r c u i t e m u l a t et h ee m c e m ip e r f o r m a n c eo ft h ep r i n t e d c i r c u i ti nt h ea n s o f ts o f t w a r e g e n e r a l l y , t h es t u d yo i lt h et o p i cw i l l d e v e l o pah i g hl e v e lo nt h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mm a n a g e m e n t a n d i t i sv e r yw o r t h yo fg e n e r a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r e m o t em e t e rr e a d i n g ，a n t i i n t e r r u p t i o n d a t a - c o m m u n i c a t i o n ，a t 8 9 c 51 江苏丈学颂l 学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名确麓豫粥 签字开期：2 0 0 7 年6 月8 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：全力 签字同期：2 0 0 7 电话： 邮编： 江苏人学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已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。 学位论文作者签名。粼 日期：2 0 0 7 年6 月8 日 江苏太学硕士学位论文 第一章绪论 1 1远程抄表系统的国内外概况钉乜瑚 远程抄表系统又称自动抄表系统，国外称为a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g s y s t e m ，通常缩写为a m r s 。它是将终端用户电表单元的数据采集后，通过现代 传输通讯技术送到远端管理部门进行数据处理的系统。采用远程抄表技术，不仅 能节约人力资源，更为重要的是可以提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造 成帐单出错，使供管部门能及时准确获得数据信息。由于用户因此不再需要与抄 表者预约上门抄表时间，还能迅速查询帐单，这种技术越来越受到用户的欢迎。 远程抄表系统广泛应用于电力部门。随着公用事业部门的现代化管理需要， 智能化住宅概念的推广，此项技术在近年来在国内外取得了迅猛的发展。对该项 技术的研究也从各个角度展开，从国内外相关技术拓展报道看，市场前景广阔。 九十年代以来，美国在a m r 技术的开发和应用上取得了长足的进步。据资 料披露，美国在1 9 9 0 年度，共有7 9 1 项a i v i r 应用项目，其中约有5 5 0 万台电 表实现了自动抄表；而这个时期主要是采用的e m r ( r e a d i n ga n de n t e r i n gd a t ao n a h a n d - - - h e l dc o m p u t e rk e y b o a r d ) 采用手持计算机的人工抄表；随后开发了o m r ( o f f s n cm e t e r - - r e a d i n g ) 无线方式的户外抄表。是指通过车载无线电自动抄表。九 十年代以后，随着电子及通信技术的发展，出现了以电力载波、电话网、有线电 视网、无线通讯为媒介的a m r 技术，并在以美国为代表的西方发达国家广泛的 推广应用。 随着我国的城市公用事业和人民居住状况的不断提高和改善，人工抄表已远 远不能适应这一发展需求。九十年代后期，在国内一些大城市内相继出现了一些 具有a m r 特征的产品，标志着国内已有“远程抄表技术”的需求和a m r 技术 已开始起步。近几年来，我国电力系统的用电部门也已经在一些小的范围内进行 了应用实践，取得了不少宝贵的经验。从目| i 国内的a m r s 试点的情况来看， 其主要区别是在于通讯方式的不同。 一般来说，几乎所有的a m r s 系统的整体都采用分布式体系结构。这种机 构分为上下两层：上层( 用电管理中心与集中器之间) 通信采用星型结构；底层( 集 江苏大学颂。i ：学位论文 中器与采集器之间) 通信采用总线型结构。 1 1 1 上层星型通信方案5 】【6 1 星型通信系统是以安装在供电局管理中心的系统工作站为中心点，以发散形 式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，形成一对多的连接形式。在 这种方式下，信道的通信数据量较大，要求有一定的传输速率和带宽。根据信道 的介质可以分为光纤、电话线和无线三种模式。 ( 1 ) 光纤通信 光纤通信具有带宽、传输速率高、传输距离远以及高抗干扰性等特点，非常 适合上层通信网的要求。因为光纤本身难以实现t 型连接，不能实现总线结构( 除 非采用光纤环网技术) ，因此特别适合于星型连接。由于目前星型连接节点造价 高，安装费用也比较高，在a r m s 系统中无法采用。随着光纤技术和网络技术 的发展，不久以后再a r m s 系统中使用光纤通信网进行上层通信将是一种很好 的选择。 ( 2 ) 电话线网 由于电话线网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也是一个 经济有效的方案。利用电话通信，只需在数据集中器和管理中心主机加调制解调 器( m o d e m ) e p 可，其通信速率可达2 4 k b s 、9 6 k b s 甚至5 6 k b s 。主机对集中器的 呼叫主要通过拨号由交换机自动完成。 ( 3 ) 无线通信网 利用无线电波进行无线通信，对于范围广、布局分散的集中器进行数据通信， 是一种较好的选择。其特点是传输频带较宽，通信容量较大( 可达几千台) ，通信 距离较长( 一般几十公罩，还可以通过中继站延伸到更远) 。在进行通信时，管理 中心主机控制无线电台发出呼叫命令，各集中器收到命令后进行地址对比，如正 确则发出应答信号，完成数据链接的建立，然后进行数据通信。使用这种通信方 式，安装调试方便，主要缺点是要申请频点使用权，如果频点选择不合理，相邻 的两个信道会产生相互的干扰。一般情况下，小型无线电台的通信速率较低，常 用6 0 0 b s 或者1 2 0 0 b s ，且设备安装成本较高，所以这种通信方式的使用场合有一 定的限制，多用于大用户电力负荷的无线电监控及用电管理系统中。 2 江苏大学硕士学位论文 1 i 2 底层总线型通信方案【4 1 忉 总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的，这种方式以一条串行总 线连接各分散的采集器或电度表，实现各节点的互联。在这种方式下，信道上节 点较多，传输速率不高( 与通信介质有关) ，传输距离短，不超过2 0 0 0 m ，因此一 般用于底层电能数据的采集。常用的模式有低压f 电力线载波通信、r s - 4 8 5 网等。 ( 1 ) 低压电力线载波通信 利用低压电力线作为a m r 系统的底层数据通道其运行成本低，无疑是非常 经济的方案。在发送数据时，发送器先将数据调制到一高频载波上，再经过功率 放大后通过耦合电路耦合到电力线上。信号频带一般为5 0 3 0 0 k h z ，峰峰值电压 不超过1 0 v ，因此不会对电力线路造成不良影响。此高频信号经线路传输到接收 方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经过解 调电路还原成二进制数字信号。低压电力载波通信网的系统结构与r s - 4 8 5 系统 结构相同，采用总线结构。在同一变压器区域下，一个集中器采集若干个采集器 或电度表的数据，构成一个总线型图。但是，利用低压电力线作为传输信道还存 在许多问题。 首先，低压电力线信号特性决定了电力载波传输的复杂性。低压电力线的衰 减( 高频信号) 是低压电力线载波通信所遇到的一个问题。信号的衰减与距离的关 系，一般来说，成正比关系，传输的距离越长，信号的衰减程度也就越大、衰减 得越厉害。但是由于电力线是非均匀的、不平衡的传输特性，其接上的负载阻抗 也不匹配，所以信号也会遇到反射、驻波等现象；信号衰减与频率的关系，一般 来说，频率越大，则衰减得越厉害；信号衰减与跨相传播的关系，通常的同相传 播的信号要比跨相传播衰减要小；信号衰减与电源相位的关系，有时高频信号在 工频电源的每个相位范围时会发生较大的衰减变化，这些电路上通常有大容量电 容器或大功率电器，会引起高频信号的急剧变化，而开关电源会向电力线上释放 大量的高频干扰，从而影响正常的通信工作；信号衰减与负载的关系，信号衰减 会随着负载在电力线上的连接和断开而表现出不同的特点，由于负载变化的不可 知性，所以信号的衰减也是随之变化的。 其次，电力线上的干扰非常大。电力线上的用电设备等人为的干扰，以及自 然现象中如雷电等非人为的干扰；周期性脉冲干扰和随机产生的突变性干扰，用 江苏人学硕士学位论文 电设备会在工频交流基波的某个固定的相位释放干扰。还有大量的用电设备释放 出干扰，而这些干扰的瞬动频率，周期、相位、变化很大，即产生连续变化的干 扰；高压开关的操作，雷电，较大的负荷变化，以及电力线上的短路故障，通常 持续时闻较短，强度较大，不可预测性，能量高，频谱宽等。因此如何抑制干扰， 提高通信的可靠性是首要考虑的。 再次，不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷 情况都回对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响。即使是同一段电力 线路，其传输特性也会随着各种电力负荷的投切而改变，所以通信设备的稳定性 和适应不同线路的能力也很重要。输入阻抗是电力线传输特性的一个重要参数， 它关系着传输信号的频率，没有任何电力线是一根均匀分布的传输线，由于分布 电感和分布电容的影响，很显然输入阻抗将随着频率的变化而变化，不同的时候， 电力线上的输入阻抗是不同的，哪怕在同一地点，也会随着负载随机的断丌和随 机的闭合而不同。同一电力线，在不同地点的等效阻抗也不完全相同，从戴氏定 理可知，不同的等效端口得到的等效输入阻抗是不一样的。电力线上阻抗的剧烈 变化，如果用电力线即电力载波方法传输信号，那么发送机功率放大器的输出阻 抗是不等于接收机功率放大器的输入阻抗，并很难在阻抗上匹配。当静市场上应 用于电力线上的调制解调器一般是基于移频键控( f s k ) 调制方式，由于传输速率 低f 一般不超过2 4 0 0 b s ) ，而且抗干扰性能差、传输距离短，所以基本上是已经被 淘汰，而被广泛使用的是扩频调制解调器。扩频系统分发送端和接收端两个部分， 接收端可简化为调制和扩频两个模块。在发送端，信号首先对某个载频进行调制， 调制器输出的窄带已调信号再送及扩频器进行二次解调，输出的信号为宽带已调 信号。由于扩频器是利用一高速伪随机码( 踟序列对发射信号调制，因此获得的 输出信号的频谱密度大大地降低了。接收端由解扩和解调器构成，在接收端，利 用与发送端相同的伪码序列对收到的扩频信号进行解扩( 扩频的反变化) 处理，还 原成窄带已调信号再经过解调器后，原始信号就解调出来。由于扩频信号带宽与 窄带滤波器带宽之比越大，信噪比也就越大，所以扩频通信是以较宽的带宽换取 高信噪比，并提高通信的抗干扰能力、增强通信的隐蔽性。因此这种调制方式将 是低压电力线载波通信的发展方向。 ( 2 ) r s - 4 8 5 网 4 江苏大学颈：j ：学位论文 e i ar s - 4 8 5 是c c i t t 标准化v 1 1 x 2 7 兼容的平衡式电器特性标准。该标 准采用集成电路，在一对平衡的互联电缆上传送差分信号，在接收端用差分接收 器进行信号判决。这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能较好，信 号发送频率最高可达1 0 m h z 。在使用双绞线，信号速率小于1 0 0 k b s 时，传输距 离可达1 2 0 0 m 。r s - 4 8 5 接口在一个通道上可以进行半双工通信，所以只需要两 根线便可使双向通信，并可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络， 一般使用双绞线作为网络总线。总线上挂接的节点个数因选用的接口驱动芯片而 异，最多可以接1 2 8 个节点。对要求较高的系统可以考虑选用带光隔离的、抗雷 电及抗静电放电的冲击的收发器，在进行系统设计时应综合考虑这些因素。 1 2 本课题研究的目的和意义 基于单片机为主结构搭建一个远程自抄表系统，以取代目自 广泛使用的人工 抄表，并消除其带来的种种弊端，达到实时报表，准确无误，节省人力资源的目 的。本设计中，力求搭建出远程抄表系统的整体框架，利用单片机为主体，结合 通信技术，控制技术，网络技术和数字电子技术等设计出一套远程抄表系统。并 最大限度的提高系统的稳定性，抗干扰性，实时性和经济性。 该方案能为供电管理部门和用户提供多方位的、科学的服务。当然该系统中 还有很多的技术难题亟待解决和研究。目前在国内远程抄表系统这个方面起步比 较晚，与国外相比，有较大的差距。因此深入的研究远程抄表系统有很高的商业 价值，具有深刻的理论意义和实用价值。 1 3 远程抄表系统 1 3 1 抄表系统的选型及其特点 失。 ( 1 ) 抄表系统的选型，主要考虑以下几个方面的功能 具有储存功能，在出现特殊情况下，保证以前的所有记录的数据不会丢 具有后备电源，停电时系统能正常工作。 具有较强的干扰能力，工作的稳定性较高。 江苏人学硕士学位论文 灵活的系统组成方案，可适用于小区、高层住宅、零散分布的住户及其 其他情况的特殊小区，具有较好的扩充性能。 ( 2 ) 完成功能 完全实现自动抄表功能，电表的读数由安装在电表内部的或者外部的计量、 通讯模块、实时功能、数据的上传和下载，通过电话网络将这些数据抄送到管理 处或供电管理部门等用电管理功能。 1 3 2 远程抄表系统构成 图1 1 远程抄表系统的组成 系统组成如图1 1 所示。 ( 1 ) 如图1 1 所示的自动抄表系统体系。其中每个采集器要采集十几户到= 十几户的电表脉冲，处理后变成抄表数据传输到集中器中。 ( 2 ) 通过电话线或者其他的接入网络传到传入网络。考虑到抄表系统的数 据传输量不大和易于接入等因素，可使用电话线m o d e n 实现远程信息传输。 ( 3 ) 对于整个抄表系统的数据采集，数据传送，以及芯片功能的实现，将 会在后面的章节中详细介绍。 1 4 本文的主要研究内容 本文以整个远程抄表系统的设计为研究内容，对国内外现状进行详细的了解 后，结合自己所学知识，以a t 8 9 c 5 1 为内核，搭建一个远程抄表系统，实现电 能数据的采集，传送，后台处理等功能。重点对硬件电路的设计、软件流程的设 计，以及抗干扰技术的研究做了详细的阐述。本文主要分以下一些章节： 第一章绪论部分详细介绍了远程抄表系统目前的发展情况及其趋势。 6 江苏丈学硕上学位论文 第二章详细地阐述了远程抄表系统的硬件电路设计。 第三章给出远程抄表系统的软件流程和硬件电路的相应驱动。 第四章抄表系统的抗干扰技术设计以及印制电路板的电磁兼容仿真。 第五章实验结论及其总结与展望。 7 江苏大学硕：l 学位论文 第二章抄表系统的模块功能设计 2 1抄表系统的整体结构 在了解国内外现有的a m r 产品特点的基础上，为了使抄表器的功能更加完 善，设计的抄表器具有脉冲计数、数据存储和数据处理、电量及其状态的显示、 与控制中心通讯等基本功能。整体结构如图2 1 所示。 l r a m 叫r a mp i 保护 r 网小 s络区 接 一网k士 l 模块 l 时钟pm c u 2 3 入 l 络i 机 i ，一 通 讯 2 设 网- a 接备 t口 8 同 l 时段l b 母 9路 u 乙 c r脉冲 s采集 5 4 计数 l 兰鎏堡曼i l 8 模块 5 l 竺皇竺竺p 辅助电路电源 图2 1抄表系统的整体结构框图 系统的整体工作流程如下： ( 1 ) 脉冲采集计数模块根据脉冲计算出电表的数据，存储于内部的r a m 中 ( 2 ) a t 8 9 c 5 1 根据时钟模块的时间设定，定时向脉冲计数模块发送数据传 输命令，收集其电表中的数据，并根据设置好的约定，存储于外部的r a m 中， 等待上位机的查询，并把没反应过来的上位机的号码记录下来，上传给上位机。 ( 3 ) 上位机操作中，有定时抄和随时抄送两种模式：定时抄送，即上位机 根据系统设定的时间，查询各脉冲采集计数模块中的数据。随时抄，指在某种特 殊的情况下，需要单独的对某个用户进行复查等。在两种模式下，对没有反应的 8 江苏大学硕士学位论文 p c 机做备份，并警告等。 2 2 抄表系统的各功能模块设计嘲叫伽 这是整个抄表部分的核心部分，由图2 1 可知，主要由c p u ( m c u ) 、直流稳 压、断电控制、显示、系统保护、时钟、外围储存电路、数据的上传、数据的下 递、电源、数据采集等组成。每一个部分的正确选择与设计，及其电路的连接对 该系统的硬件电路而言是十分重要的。 2 2 1o p u 的选型 ( 1 ) c p u 是整个系统的核心部件，它直接影响系统的性能，对于本系统中 选用的a t 8 9 c 5 1 单片机，现对其功能引脚，电路特征作一个详细的介绍。 o 与m c s 5 l 系列的单片机相容。 内有4 k 的可编程r o m 和1 2 8 个字节的r a m 。 在0 h z 到2 4 h z 之间可以全静态操作。 芯片有3 2 条可编程i o 引脚。 芯片有2 个十六位定时器( 计数器) 。 共有6 个中断源，2 个中断优先级。 可编程串口通道。 具有低功耗的工作模式和掉电的工作模式。 a t 8 9 c 5 1 是一种性价比高，功能先进的8 位微处理器，在许多的嵌入式系 统中得到了广泛的应用，尤其是内部4 k 字节的e p r o m 为使用者提供了很大的 方便，当应用程序较小时，不用为c p u 添加外扩的r o m 。空闲工作模式和掉电 保护模式可以保证c p u 工作在低耗的状态下，内部的r a m 的数据不会丢失。 ( 2 ) a t 8 9 c 5 1 芯片主要引脚介绍： v c c ：a t 8 9 c 5 1 电源正极输入，接+ 5 v 电压； g n d ：电源接地端； x t a l i ：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大器 输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡时，该引脚应接地； x t a l 2 ：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反向放大器输出 9 江苏大学硕士学位论文 端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的 输入l r s t ：a t 8 9 c 5 1 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片复位时， 只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，a t 8 9 c 5 1 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内部均被设为已知状 态： 爿三e p r o g ：a l e 是英文 “a d d r e s si ( r c he n a b l e ”的 缩写，表示地址锁存允许信号。当 访问外部存储器时，a l e 信号的负 跳变来触发外部的8 位锁存器( 如 7 4 l s 3 7 3 ) ，将端口p o 的地址总线 ( a 0 - a 7 ) 锁存到锁存器中。在非访问 外部储存器期间，a l e 引脚的输出 频率是系统工作频率的1 1 6 ，因此 可以用来驱动其他的外围芯片的 p 1 ol 4 0 23 9 33 8 43 7 i嚣 i a t $ 9 c 5 1 3 3 4 3 舀嚣 1 22 9 攉篓 1 72 4 1 92 3 1 9 2 2 2 0 2 l 图2 2a t 8 9 c 5 1 外形引脚 v c c p 0 0 ( a d 0 ) p 2 7 ( a 1 5 1 p 2 0 f a s ) 时钟输入。当访问外部存储器期闯，将以1 1 2 振荡频率输出； e a v p p ：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码( 存于外部e p r o m ) 柬执行程序，在8 0 5 1 中，e a 引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。 如果是使用a t 8 9 c 5 1 或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使 程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针p c 值超过片内程序储存地址( 如 8 0 5 1 8 7 5 1 8 9 c 5 1 的p c 超过0 f f f h ) 时，将自动转向外部程序储存器继续运行。 此外，在程序代码烧录至8 9 5 1 内部e p r o m 、8 9 c 5 1 内部f l a s h 时，可以利用 此引脚来输入提供编程电压( a t 8 9 c 5 1 为1 2 v ) ； p s e n ：此为“p r o g r a m s t o r e e n a b l e ”的缩写。访问外部程序存储器选通 信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二 次p s e n 信号，在执行片内程序储存器指令时，不产生p s e n 信号，在访问外部 数据时，亦不产生删信号； 江苏大学硕士学位论文 p o 、p l 、p 2 、p 3 口 p 0 口( p o 0 - - p 0 7 ) 是一个8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据 时，它是地址总线( 低8 位) 和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作为 一般的双向l 口用。p o 口每一个引脚可以带8 个l s r r l 负载； p 11 3 ( p 1 0 - - p 1 7 ) 是具有内部提升电路的双向i o 端口( 准双向并行i ot a ) ， 其输出可以带4 个l s t t l 负载。仅供用户作为输入输出用的端口； p 2 口( p 2 0 - p 2 7 ) 是具有内部提升电路的双向i o 端口( 准双向并行i o 口) ， 当访问外部程序存储器时，它是高8 位地址。外部不扩展而单片应用时，则作为 一般双向i o 口用。每一个引脚可以推动8 个l s t t l 负载： p 3i = 1 ( p 3 0 - p 3 7 ) 是具有内部提升电路的双向i ot a ( 准双向并行i o 口) ，它还 提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器 内容的读取或写入控制等功能，其特殊功能引脚分配如下： p 3 0r x d 串行通信输入 p 3 1 t x d 串行通信输出 p 3 2 i n t 0 外部中断0 输入，低电平有效 p 3 3烈t i 外部中断1 输入，低电平有效 p 3 4t o 计数器0 外部事件计数输入端 p 3 5t l 计数器1 外部事件计数输入端 p 3 6w r 外部随机存储器的写选通，低电平有效 p 3 7r d 外部随机存储器的读选通，低电平有效 2 2 2 外围存储及其监控电路模块n 1 住 x 5 4 0 5 是一种性能较高的可编程看门 狗芯片，它集中了三种功能：看门狗定时 器、电压监控、和e 2 p r o m 组合在单个封 装之内。x 5 4 0 5 具有简单的三线总线工作 的串行外设接口( s p d 和软件协作。 x 螂 图2 3x 5 4 0 5 芯片引脚 其电路结构如图2 - 3 所示，八引脚封装。 该芯片内的串行e e p r o m 是具有x i c o r 公司的块锁保护c m o s 串行 江苏大学硕e 学位论文 e e p r o m ，它被组成8 位结构，它由一个四线结构的s p i 总线方式进行操作，其 擦写周期至少有1 0 0 万次，并且写好的数据能保存1 0 0 年。 ( 1 ) 特性： 可选时间的看门狗定时器； v c c 的降压检测和复位控制； “喂”狗信号检测 数据保护逻辑 羽 诹1 i i m 一_ 口 1 k i 召 一互 2 kb 晦f 薹 s i 8 q - s c k 数据寄存 器 命令解码 羟制逻辑 i ：电复位 逻辑控制 v t t i p 看门狗定 时嚣复位 肴门狗及其定 时器复位时基 上电复位 和降j k 复 位，土成 图2 4x 5 4 0 5 内部电路结构图 五种标准的开始复位电压； 使用特定的编程顺序即可对低压电压检测和复位丌始电压进行编程： 复位电压可以低至v c c = i v ； 省电特性：在看门狗打开对，电流小于5 0 u a ；在看门狗关闭时，电流 小于1 0 u a ；在读操作时候，电流小于2 m a ； 具有数据的块保护功能，可以保护1 4 ，1 2 全部的e e p r o m ，当然也 可以设置不保护状态；用指令允许写操作写保护引脚；时钟可达3 3 m s ； 短的编程时间，1 6 字节的页写模式，写时由器件内部自动完成，典型 的器件写周期5 m s 。 ( 2 ) 功能及其引脚描述 本器件将四种功能容为一体，上电复位控制，看门狗定时器，降压管理以及 具有模块功能的串行e e p r o m ，有助于简化系统的设计，减少印制板的占用面 积，提高可靠性。 c s w d i ：芯片选择输入，当c s 是高电平时，芯片未选中，并将s o 置 江苏大学硕士学位论文 为高阻态，器件处于标准的功耗模式，除非一个向非易失单元写的周期开始，在 c s 是高电平时，将c s 拉低将使器件处于选择状态，器件将处于工作功耗状态， 在上电后任何操作之前，c s 必须有一个高变低的过程。看门狗输入，在看门狗 定时器超时并产生复位之前，一个加载w d i 引脚上的由高到低的电平的变换将 复位看门狗定时器。 s o ：串行输出，s o 是一个推，拉串行数据输出引脚，在读数据时，数据 在s c k 脉冲的下降沿由这个引脚送出。 w p ：写保护，当w p 引脚是低电平时，向x 5 0 4 5 中写的操作被禁止， 但是其他的功能正常，当引脚是高电平时，所有操作正常，包括写操作，如果在 c s 是低的时候，w p 变为低电平，则会中断向x 5 0 4 5 中写的操作，但是，如果 此时内部非易失性写周期已经初始化了，w p 变为低电平不起作用。 s i ：串行输入，s i 是串行数据输入端，指令码、地址、数据都通过这个 引脚进行输入，在s c k 的上升沿时进行数据的输入，并且高位w s b 在前。 s c k ：串行时钟，串行时钟的上升沿时通过s i 引脚进行数据的输入，下 降沿通过s o 引脚进行数据输出。 r e s e t ：复位输出，r e s e t 是一个开漏型输出引脚，只要v c c 下降到最 小允许v c c 值，这个引脚就会输出高电平，一直到v c c 上升超过最小允许值之 后2 0 0 m s ，同时它也受看门狗定时器控制，只要看门狗处于激活状态，并且w d i 引脚上电平保持为高或者为低超过了定时时阃，就会产生复位信号，c s 引脚上 的一个下降沿将会复位看门狗定时器，由于这是一个开漏型的输出引脚，所以在 使用时候必须接上拉 电阻。 ( 3 ) x 5 0 4 5 的电 路连接如图2 5 中的 看门狗对系统提供保 护功能，当系统发生 故障而超过设置时间 时，电路中的看门狗 将通过r e s e t 信号向 图2 5x 5 4 0 5 的电路连接 江苏大学顾十学位论文 c p u 做出反应。它提供了三个时间值，供选择，它所具有的电压监控功能还可 以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围之内时，系统将自动复 位。x 5 0 4 5 储存器与c p u 可以通过串行通信方式接口，共有5 k 字位，来储存抄 表数据。 如何保证w d t 正常运行也是一个关键的问题，要针对w d t 失效的原因，采取 多种措施，防止失效，从而进一步提高系统得可靠性： 尽量减少干扰源的存在，并且降低不可去除干扰的影响，如电源电压的 波动，尖峰，浪涌等，它们都是强度比较大的干扰源，要加强过滤与去除； 对本机任务进行分流，合理的配置c p u 的操作任务，能在上位机运行的 功能，一般应放在上位机上运行，因为上位机的运行环境良好，便于控制，从而 减少本机出错的概率； 对地址指针、过程控制程序中判断转换的条件状态等关键数据进行实时 备份，当由于数据被改而使w d t 失效时，可以从备份r a m 中恢复这些关键数据， 从而也使得系统恢复。对没有用到的e p r o m 和r a m 区，一律写成f f t t 或者0 0 h ， 当c p u 由于干扰“跑飞”到这些不用区域中时，不会产生误操作。 采取以上措施，可以较好的提高w d t 的稳定性，有利于系统的j 下常运行。 2 2 3 数据的上传模块棚 所谓的数据上传，即把采集器中采集到的电表数据通过异步串行的方式发送 网络传输设备中，这个模块起到一个电平转换的作用。 ( 1 ) 串行通信总线标准接日【1 5 1 1 1 6 1 标准异步串行通信接口主要有以下几类： r s 2 3 2 c 、r s 2 3 2 e ；r s - 4 4 9 ( r s - 4 2 2 、r s - 4 2 3 、r s - 4 8 5 ) ；2 0 m a 电流环： u s b 通信接口。 所谓标准接口，就是明确定义了若干信号线，使接口电路标准化，通用化， 借助于串行通信标准接口，同类型的数据通信设备可以很容易的实现他们之间的 串行通信。 采用标准接口后，很方便的把各种计算机、外部设备等有机的结合在一起， 进行串行通信，r s 2 3 2 c 是由美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的在异步串行通 1 4 江苏大学硕上学位论文 信中应用最为广泛的标准总线，即在传输电器和机械特性方面的规定，适合于短 距离和带调制解调的场合，为了提高数据的传输距离和传输速率，e i a 又公布了 r s - - 4 4 9 串行总线接口标准。2 0 m a 电流环是一种非标准的串行接口电路，但他具 有简单的特点，对电器噪声不敏感的优点，因而在串行通信中也得到了广泛的应 用。为了保准通信可靠性的要求，在选择接口标准时，必须注意两点：1 ) 通信速 度和通信距离；2 ) 抗干扰能力。 通信速度和通信距离 通常标准串行接口的电气特性都有满足可靠性传输的最大距离和最大传输 速度的指标，但这两个指标之间具有相关性，适当的降低通信速度，可提高传输 距离，反之亦然。例如采用r s - 2 3 2 c 标准进行单向数据传输时，最大数据传输 速率为2 0 k b s ，最大传输距离为1 5 米， 可达1 0 m b s ，最大传输距离为3 0 0 米， 达1 2 0 0 米。 抗干扰能力 而改用r s - 4 2 2 标准时，最大传输速率 适当的降低数据传输速率，传送距离可 通常选择的标准接口，在保证不超过其适用范围时都有一定的抗干扰能力， 以保证可靠的信号传输，但在一些工业控制系统中，通信环境十分恶劣，因此在 选择接口标准，通信介质时要充分考虑其抗干扰能力，并采取适当的抗干扰措施。 例如在长距离传输时，是用r s - 4 2 2 标准能有效的抑制共模干扰信号，使用2 0 m a 电流环技术，能大大的降低对噪声的敏感程度。在该方案中，单片机与网络接入 设备连结在一起，在传输距离上不受什么影响，并且速度可以适当的放宽，所以 在上行传输模块中可以采用r s 2 3 2 c 标准，来完成1 v r l 电平到c m o s 电平的转 换。 ( 2 )r s 2 3 2 c 总线标准、芯片及接口电路 r s 2 3 2 c 总线标准接口 目前使用的最为广泛的串行通信总线接口是e i a 推出的r s 2 3 2 c 。 r s 2 3 2 c 标准接口的全称是“使用二进制进行交换的数据终端设备( d t e ) 和 数据通信设备( d c e ) 之间的接口”。计算机，外设，显示终端都属于数据终端设 备，而调制解调器则属于数据通信设备，r s 2 3 2 c 在通信线路中的连结方式图 2 6 所示： 江苏大学顾t 学位论文 图2 6r s 2 3 2 通信示意图 “r s 2 3 2 c ”中的r s 是r e o m m e n d e ds t a n d a r d ，2 3 2 是标识符，c 表示该 标准协议经过了三次修改，原来有过r s 2 3 2 a 和r s - 2 3 2 b 标准。 r s 0 2 3 2 c 定义了2 0 根信号线，其中最为常用的信号线的定义、分类及其功 能如下表2 1 引脚号信号名称简称方向功能 l 保护地接设备外壳，安全接地 2 发送数据 t x d 向d c ed t e 发送串行数据 3接收数据 r x d 背向d t ed t e 接收串行数据 4 请求发送 r t s向d c ed t e 请求切换到发送方式 5 清除发送 c t s背向d t ed t e 已切换到准备接受 6 数传设备就绪d s r背向d t ed c e 准备就绪 7 信号地信号地 8 载波检测d c d背向d t ed c e 已接受到远程信号 2 0 数据终端就绪 d t r向d c ed t e 准备就绪 2 2振铃指示r i背向d t e通知d t e ，通信线路已好 表2 1r s 2 3 2 信号线的定叉 r s 2 3 2 c 是为了促进公用电话网络的通信而制定的标准，其逻辑电平对地是 对称的，与1 1 i l ，m o s 逻辑电平完全不同；逻辑0 电平规定为+ 3 v , - + 1 5 v 之间， 逻辑l 电平规定3 v 乙1 5 v 之间，因此r s 。2 3 2 c 驱动器与t t l 电平必须要经过电 平转化。r s 2 3 2 c 规定的逻辑电平与一般的微处理器、单片机的逻辑电平不一样， 在实际的运用中把微处理器和单片机的信号电平( t t l ) 转换成为r s - 2 3 2 c 的电 平，或者对两者进行逆转换，这两种电平的转换由专门的电平转换芯片实现。 r s 2 3 2 c 总线标准连接系统 用r s 2 3 2 c 连接系统时，有近程通信方式和远程通信方式之分，近程通信 1 6 江苏大学硕士学位论文 是指距离小于1 5 米的通信，这时用r s 0 2 3 2 c 电缆直接连接。1 5 米以上的长距离 通信则需要加调制解调器( m o d e m ) 。而本系统中，单片机和网络接入设备的距 离很近，可以直接连接，即选用近程通信方式。当两台p c 系列机近距离点对点 通信，或p c 系列机与外部设备进行串行通信时，可将两个d t e 直接相连，而 省去作为d c e 的调制解调器m o d e m ，这种连接方式称之为零m o d e m 连接。 在这种连接中计算机往往貌似m o d e m ，从而能够使用r s 2 3 2 c 标准。在进行零 m o d e m 连接时，不能进行简单的引线相连，而应采用专门的技巧建立正常的信 息交换接口。 零m o d e m 方式与r s 2 3 2 c 连接通常有三种方式：1 ) 具有较好的硬件握手 功能，“数据发送”和“数据接收”相互交叉相连，使得两台设备都能正常的发 送和接收。“数据终端就绪”和“数据设备就绪”两根线也是交叉相连，使得两 台设备都能检测出对方是否已经准备好。2 ) 相比前一种具有更好的硬件握手功 能，它们的“请求发送端( r t s ) ”与自己的“清除发送端( c t s ) ”，使得当设备向 对方发送请求时，随即通过自己的“清除发送端”表示对方已经响应。这里的“请 求发送”线往往还连接着对方的“载波检测”线，这是因为“请求发送”信号的 出现类似于通信通道中的载波检出。3 ) 最简单的连接方法就是仅仅将“发送数据” 与“接收数据”交叉连接，共用地对接，其他的信号悬空不用。这种连接方式需 要通过软件来实现其握手功能，其连接图2 7 所示： 计t x dt x d计 算算 、一 r x d 机 机r x d 终终 端 端 g r a n dg r a n d 图2 7 终端计算机与终端计算机连接的最简单的方式 在本设计方案中，一端是单片机的电平转换芯片，而另一端是网络接入设备，两 者三线相连，可以把p c 机中的数据上传到网上，实现远程传播。 ( 3 ) 电源电平转化芯片及其接口电路 r s 一2 3 2 c 电平转换芯片比较多。如i n t e r s i l 公司的i c l 2 3 2 是弹片集 1 7 江苏大学顾上学位论文 成双r s - 2 3 2 发送接收器，采用单一的+ 5 v 电源供电外接至多4 个电容、2 只电 阻可以构成标准的r s 2 3 2 通信结构。当然也有m a x i m 公司及其h a r r i s 公司 等，虽然它们来自不同的厂家，但是他们的引脚功能是相互兼容，甚至可以互为 代替。下面作重阐述一下该系统所用m a x i m 公司的m a x 2 3 2 电平转换芯片。 m a x 2 3 2 芯片及其接口电路 m a x 2 3 2 芯片是由m a ) ( i m 公司生 产，包含了2 路接收器和驱动器的芯片， 适用于各种e i a 2 3 2 c 和v 2 8 2 4 的通信 接口。m a x 2 3 2 内部有一个电源变压器， 把输入的+ 5 v 电压转换成为r s 2 3 2 c 输出 电乎所需的1 0 v 电压，所以采用此芯片 接口的串行通信系统只需单一的+ 5 v 电源 i1 6 21 5 3 1 4 4 1 3 5 1 2 6 1 1 7 l o 8m a x 2 3 29 供电就够了。对于没有1 2 v 电源图2 8v d d ( 2 3 2 引脚图 的场合的实用性更强，且其价格适中，硬件接口电路的简单，都被广泛的应用。 m a x 2 3 2 芯片引脚如图2 8 所示。 m a x 2 3 2 a 与m a x 2 0 2 及m a x 2 3 2 是兼容的，只是他们的电容不一样。 m a x 2 3 2 的工作电路如图2 9 所示： 图2 9 中上半部分电容c 1 、c 2 、c 3 、c 4 ，