（无线电物理专业论文）远程数据采集与传输系统的研究与设计.pdf

原创性声明 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作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责任由本人承担。 论文作者签名：囱垒翅 日期： 劲口，r 2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：囱趟 导师签名期：! ! ：墨! 山东大学硕士学位论文 摘要 远程数据的采集与传输在实时数据通信系统中占有重要的地位。通过远程数 据采集与传输系统实现了住宅小区智能化管理，适应了住宅小区智能化建设和公 共事业管理部门加强管理、改善服务的需要。传统的小区管理采用人工上户抄表 的方式，浪费大量人力物力，用电、水、等管理工作劳动强度大，而远程抄表系 统具有廉价、可靠、方便、开放的特点。进一步开发研究，可实现远程控制、系 统监控等功能。 远程抄表系统是以远程数据采集与传输系统理论为基础的小区智能化管理 系统的重要组成部分。其中的数据采集与传输是本论文研究的主要内容。文中分 析了远程抄表系统中的数据采集、存储、传输等问题，研究了各种数据总线康卿 用，研究和设计了远程抄表系统总线、终端采集器模块、集中器等内容。 本论文研究的各种数据总线包括仪表总线m e t e r b u s 、r s 一4 8 5 总线、电力线 载波通信等的原理与应用设计；远程抄表系统总线终端采集器模块的设计主要包 括仪表总线终端收发芯片t s s 7 2 1 的原理及应用，r s 一4 8 5 总线终端电平转换芯片 简介，采集器模块的微处理器及e e p r o m 芯片的采用和电路连接设计，数据采集 模块的软件流程设计等内容；集中器模块设计包括集中器的微处理器与外围设备 的电路连接设计，集中器的控制器与各类通信方式之间接口芯片的采用和转换电 路的设计，集中器的工作流程设计等问题。 远程抄表系统应用于居民小区中，既节省了传统人工抄表方式的人力物力， 出寒大学嫒学徒论文 又具有读数准确、快速方便的优点，可以防止用户恶意拖欠付费，保证按时收费。 该系统的应用适应了住宅小区智能化建设和公共事业管理部门加强管理、改善服 务等方面的需要，舆有较好的应用前景。 关键词：数据采集与传输，远程抄液系统，仪表总线，硬件方寨设计，软传流程设计 2 由衷大学疆士学整论文 a b s t r a c t r e m o t ed a t ar e a d i n ga n dt r a n s f e rt a k e sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nr e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e m o t ed a t ar e a d i n ga n dt r a n s f e rs y s t e mm a k e s i n t e l l i g e n t m a n a g e m e n tf e a s i b l e ，a n ds a t i s f i e st h en e e do f n e i g h b o r h o o d si n t e l l i g e n c ec o n s t r u c t i o n a n ds t r e n g t h e n i n g m a n a g e m e n ta n di m p r o v i n gs e r v i c eo fp u b l i cd e p a r t m e n t i ti sa t r a d i t i o n a lw a yt od om e t e r d a t a c o p y i n gb yh a n dt h a tw a s t e sl o t so fm a n p o w e r t h e m a n a g e m e n t o f e l e c t r i c i t ya n dw a t e ru s et a k e sm u c h w o r k t h ea u t o m a t i c a l l yr e a d i n g s y s t e mi sc h e a p ，r e l i a b l e ，c o n v e n i e n ta n do p e n t h r o u g hf u r t h e rd e v e l o p m e n t a n d r e s e a r c h ，f u n c t i o n so f r e m o t ec o m m a n da n ds u p e r v i s i o nc a nb er e a l i z e d t h er e m o t e r e a d i n gs y s t e mi san e i g h b o r h o o d si n t e l l i g e n c em a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do nt h et h e o r yo f r e m o t ed a t a r e a d i n ga n d t r a n s f e r t h em a i nc o n t e n to ft h i s a r t i c l ei sa b o u td a t ar e a d i n ga n dt r a n s f e r i nt h i sa r t i c l e ，h o wt or e a l i z et h ef u n c t i o n so f t h er e m o t er e a d i n gs y s t e mt h r o u g h r e a d i n g ，s t o r i n ga n d t r a n s f e ro fd a t ai sa n a l y z e d a sw e l l ，c o n t e n t sa b o u tt h e o r i e sa n da p p l i c a t i o no f i n t e l l i g e n c ed a t ab u s ，t h et e r m i n a l r e a d i n gm o d u l ea n d c e n t e rm o d u l ea l ea l s oc o n c e r n e d t h e t h e o r ya r i da p p l i c a t i o nd e s i g n o fm e t e r b u s 、r s 一4 8 5a n dp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ；t h e o r i e sa n da p p l i c a t i o no f m b u st e r m i n a lt r a n s c e i v e rt s s 7 2 i ， r s 4 8 5b u st e r m i n a lt r a n s f e rc h i p ，t h ea d o p t i o no fm i c r o p r o c e s s o ra n de e p r o m ， c i r c u i t r yc o n n e c t i o nd e s i g na n d w o r k f l o w d e s i g na r ed i s c u s s e di nt h ep a r to f r e m o t e r e a d i n gs y s t e mb u s t e r m i n a lc o l l e c t o rm o d u l e ；t h ec i r c u i t r yc o n n e c t i o no f 3 山东大学硕士学位论文 m i c r o p r o c e s s o ro f c e n t r a le q u i p m e n t ，t h ed e s i g no f c h i pa n d t r a n s f e rc i r c u i t r y ，t h e w o r k f i o w d e s i g no f t h ec o l l e c t o ra r ed i s c u s s e di nt h ep a r to fc o l l e c t o rd e s i g nm o d u l e t h er e m o t er e a d i n g s y s t e mi sw i d e l yu s e d ，c o r r e c t ，f a s ta n dc o n v e n i e n t ，i n t h e r e s i d e n t i a la r e a s ，w h i c he c o n o m i z e so nt h em a n p o w e ra n dp r e v e n t st h ed e l a yo fp a y i n g c h a r g e t h ed e v e l o p m e n t a n dc r e a t i o no ft h e s es y s t e m ss a t i s f yt h en e e do fr e s i d e n t i a l a r e a si n t e l l i g e n c ec o n s t r u c t i o na n ds t r e n g t h e n i n gm a n a g e m e n ta n di m p r o v i n gs e r v i c e o f p u b l i cd e p a r t m e n t k e yw o r d s ：d a t ac o l l e c t i o na n d t r a n s f e r ，r e m o t er e a d i n gs y s t e m ，m e t e r 。b u s h a r d w a r ep r o j e c td e s i g n ，s o f t w a r ew o r k f l o wd e s i g n 4 山东大学硕士学位论文 引言 在传统的小区管理方式中，对于用水、用电、煤气等采用人工上户抄表的方 式，浪费大量人力物力，劳动强度大，且会给居民带来不便。我国1 9 9 4 年开发 了磁卡电度表，接着出现了i c 卡电度表。1 9 9 6 年开始出现了远程抄表系统，即 用计算机通过各种通信方式，实现远程抄表。当时因为技术与设计原因，存在造 价高、安装困难等问题难以推广。 本论文研究了远程数据采集与传输的问题，结合小区智能管理的主要技术， 通过对小区内水、电、煤气等设备的数据采集、数据传输以及控制功能的研究， 本着通信可靠、实用的原则，设计了性能优良，价格较低的远程抄表系统。 本文所设计的远程抄表系统由系统终端数据采集模块、集中器、远程抄表主 站和它们之间的通信线路( m e t e r b u s ) 等部分构成。远程抄表系统的实现，省 去了人工抄表等行为，节省人力物力资源，对实现科学快捷的小区智能化管理， 具有积极的现实意义。 山东大学硕士学位论文 第一章远程数据采集与传输系统概述 本章首先介绍了远程数据采集与传输系统的现状，然后对常用通信系统进行了 简单介绍，通过远程数据采集与传输系统在实时通信中的应用，引出了在现代化 小区中应用的远程抄表系统，最后分析和研究了本论文的主要内容即远程抄表系 统中的数据采集、存储、传输等问题。 第一节远程数据采集与传输系统现状 人类社会建立在信息交流的基础上，通信是推动人类社会文明、进步与发展 的巨大动力。按照人类通信交流方式与技术的不同可以把历史划分为五个阶段。 第一阶段的通信方式是语言，人们通过人力、马力以及烽火台等原始通信手段传 递信息。第二阶段从发明文字以及邮政通信开始。第三阶段以发明印刷术为标志。 第四阶段从电报、电话和广播的发明开始，从此人们进入了电气通信的时代，通 信技术得到了迅速的发展。第五阶段为信息时代，随着现代科学技术和现代经济 的发展，社会对信息传递、储存和处理的要求愈来愈高，信源的种类愈来愈多， 不仅有语言，还包括数据、图像和文本等。在这第五阶段中，通信与计算机已经 而且必将更加有机地结合起来。 现代通信系统是信息时代的生命线。现代通信网己不再是单一的电话网或电 报文字通信网，而是一个综合性的为多种信息服务的通信网。为适应世界性的政 山东大学硕士学位论文 治与经济活动的需要，人类已经迅速建立起世界性的全球通信网。目前，这个现 代通信网连接有数十亿部的电话，还提供了大量的用户电报以及数据通信业务。 现代通信已成为最重要的信息技术服务。而且信息技术服务行业将会超过汽车、 能源等行业，成为世界上最大的行业。 第二节常用通信系统简介 数据通信系统主要包括发送设备、通信媒质、接收设备，即信源、信道和信 宿。对于数字通信系统来说，发送设备常常又可分为信道编码与信源编码两部分。 信源编码是把连续消息变换为数字信号；而信道编码则是使数字信号与传输媒介 匹配，提高传输的可靠性或有效性。发送设备还包括为达到某些特殊要求所进行 的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。从发送设备到接收设备 之间信号传递所经过的媒介，可以是有线的( 包括光纤) ，也可以是无线的，有线 和无线均有多种传输媒介。信息在传输过程中必然引入干扰，如噪声、脉冲干扰、 衰落等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。按收设备的基 本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带 有干扰的信号中正确恢复出原始消息，对于多路复用信号，还包括解除多路复用， 实现正确分路。 通信系统按传递消息的媒质不同可以分成两大类：一类是有线通信，用导线 作为传输媒质来传递消息，载荷信息的电磁波是沿导线传输的，其传输媒质为架 空明线、电缆、同轴电缆、波导管、光缆等。常用的有专用线路和公用线路如电 山东大学硕士学位论文 话线、有线电视信号线、电力线载波通信、网络通信等：另一类是无线通信，电 磁波在自由空间传播，载荷信息的电磁波在自由空间以定向或无定向方式传递消 息。如中、长、短波通信，微波通信等。常用的无线通信包括中、长、短波通信， 微波通信，红外通信，卫星通信等。 第三节远程抄表系统 远程数据的采集与传输在实时数字通信系统中占有重要的地位。在现代化的 住宅小区内应用远程数据采集与传输技术，可以实现住宅小区的智能化管理，包 括远程抄表、自动计费等功能。本论文研究和设计的远程抄表系统可以实现各类 仪表如水表、电表、煤气表等的数据读取和使用管理，应用于居民小区中，具有 读数准确、快速方便的优点，又节省了传统人工抄表方式的人力物力，还可以防 止用户恶意拖欠付费，保证按时收费。进一步开发研究，可实现声光报警、烟雾 报警、门窗安全报警等功能，可用于防火防盗、远程控制、系统监控等系统之中。 远程抄表系统适应了住宅小区智能化建设和公共事业管理部门加强管理、改善服 务的需要。 传统的小区管理采用人工上户抄表的方式，浪费大量人力物力，用电、水、 等管理工作劳动强度大，并给用户带来不便。我国1 9 9 4 年开发了磁卡电度表， 接着出现了i c 卡电度表。历经几年的推广，直至今天才开始在一定范围内得到 应用。磁卡电度表可以节省抄表人员、减少用电管理的劳动强度，但是不能给用 户带来任何好处，也不能解决用电管理中的关键问题，它还存在造价高、易被破 山东大学硕士学位论文 坏、易被造假卡、不易发现窃电等弊病。1 9 9 6 年为了解决磁卡电度表所存在的问 题，开始出现了远程抄表系统，即用计算机通过各种通信方式，实现远程抄表。 当时因为技术与设计原因，存在造价高、安装困难等问题难以推广。经过数年的 努力，现在的远程抄表系统已经具有了廉价、可靠、方便、开放的特点。本论文 设计的远程抄表系统由系统终端数据采集模块、集中器、远程抄表主站和包括有 线无线等各种通信方式的通信网络等部分构成。 远程抄表系统按照系统终端表计数据采集方式划分，分为脉冲计数式、电阻 分压式和直读式等几种。脉冲计数式表计有光电脉冲式和机械干簧管脉冲式两 种，它们有抗干扰性差、存在累计误差等缺点，必要时需要重新置数，因此它是 不完善的，现在一般很少采用。电阻分压式的表计采用a d 转换方式读数，这类 表计缺点是结构复杂、寿命短、造价高。直读式表计又称为非接触式，该技术直 接读取表计的计度器码盘数字即4 窗口值，表内不需设置表底数、表常数等参数， 无需存储数据，不存在累计误差，真正实现了读表。直读表计电子部分与表计 内的计度器等装置完全分离，不影响计量精度。本设计系统采用先进的直读式表 计做为终端表计。 按照数据传输类型划分，远程抄表系统可采用无线传输和有线传输。本设计 系统中终端数据采集模块与集中器之间的通信采用的是仪表总线，即m b u s 。系 统集中器与远程抄表主站通信方式有r s 4 8 5 专线通信、内置拨号m o d e m 通过公用 电话网通信、微波通信、光纤通信、i n t e r n e t 网络通信、专用网线通信等多种方 式，本论文简要介绍采用r s 4 8 5 专线通信、内置m o d e m 模块电话拨号通信和微波 通信等方式完成集中器与抄表主站之间的通信。 山末大学硕士学位论文 第四带论文的主瓣内容 本文分析和研究了远程抄袭糕缆中的数据采熊、存储、传输等请秽阎题，尤 其是在通信方式方面作了细致的讨论，并在远程抄激系统的设计方絮和实现等方 嚣，搀了大整王捧。 本论文主要蠹容氆籍t 1 。远鼹抄袭系统整体规划殿方案设计。该部分介绍了本论文所设计的远程 抄表系统的燕要组成模块、系统功能和系统的主隳特点等。 2 。番穆数嚣遵售方式豹舔缝及菠曩奔缨。该舔分奔终了系统w 采用魏各静 数据逶蔷方式的簌理及应矮竣谤，氆括便表总线m e t e r b u s 、r s 4 8 5 蕊线、窀杰 线载波通倍、微波无线通信罅方式的原理与应用设计。 3 。远程抄表系统总线终端数据采集模块的设计。包括终端各类仪袭数据的 读取与辖存帮分靛赣楚理器爱井瀑荐辖蕊冀豹设计连接；蚤释蟹筏慧线终蘧牧发 模块的设计；软件工作流程设计等内容。 4 远秘抄袭系统集中器的方粱设计。包括集中器中的微处理器、外擒e e p r o m 、 f l a s h r o m 、扩展r a m 等各静芯片的采用及努圈电路舱设诗；各静可采取的数据总 线懿转簌连接模块嚣设诗；繁中器专主靖蠢遥绩方寰设 等蠹容。 撞 山东大学硕士学位论文 第二章远程抄表系统中数据采集与传输的研究与方案设计 本章是本论文的主体部分，首先介绍了系统整体的设计方案，然后又介绍了 和研究各类常用数据通信方式及其应用，最后用大量篇幅详细的研究和探讨了系 统终端数据采集模块和系统集中器模块的设计和实现，包括它们的硬件方案设计 和软件流程设计等内容。 第一节系统整体设计方案及功能介绍 2 1 1 系统硬件平台的构造及特点 系统的硬件平台总体结构框图： 山东大学硕士学位论文 几点说明： 每个抄表主站可以连接的集中器平台数目“m ”，原则上不限。 每个集中器平台可以管理的终端数据采集模块的数目根据总线的通 信规则限制，如每个终端数据采集模块采用8 位地址码区分，其数目 “r l ”为晟大2 5 6 。 集中器与抄表主站之间可采取m o d e m 通过电话线通信、r s 4 8 5 口通信、 i n t e r n e t 网络通信、微波无线通信、专用网线通信或者光纤通信等不 同方式。 集中器与终端数据采集模块之间的数据通信总线一般使用双绞线作 为传输线路，通信距离要达到数百米至上千米，以满足同一建筑物内 表计数据采集与传输的距离要求，可采用仪表总线m e t e r b u s 方式。 硬件平台中各设备的主要特点 远程抄表主站：使用计算机管理，可以采用w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统和o f f i c e 2 0 0 0 应用平台。 集中器：系统集中器由微处理器、用来做读取数据暂存工作的e e p r o m 、片外 扩展r a m 、长期保存数据的外挂f l a s h r o m 和连接传输线路的转换电路等部分组成。 i 通过双绞线( m e t e r b u s ) 与终端数据采集模块通信，读取表计数据。 2 集中器内配有实时时钟，时钟可由主站进行设置，可实现分时段存储。 3 可对接收到的数据进行处理和存储，具有大容量的存储体，掉电数据不 丢失，可长期保存各种数据。 山东大学硕士学位论文 终端数据采集模块： 1 采用直接读表技术 该技术直接读取表计的计度器码盘数字即窗口值，表内不需设置表底 数、表常数等参数，无需存储数据，不存在累计误差，真正实现了读表。 直读表计电子部分与表计内的计度器等装置完全分离，不影响计量精度。 2 终端装置的微处理器采用m s p 4 3 0 系列单片机，可以编出高效的程序。 3 具有双向通信功能，表计内具有控制装置，可在户外、远程操作，灵活 方便。 2 1 2 系统中微处理器芯片撮述 集中器的微处理器采用8 9 c 5 1 r c 2 ，终端数据采集模块的控制芯片采用m s p 4 3 0 系列单片机。 8 9 c 5 1 r c 2 微处理器是8 0 c 5 1 微处理器的派生器件，是采用先进c m o s 工艺制 造的8 位微处理器，指令系统与8 0 c 5 1 完全相同。具有5 1 2 b 的r a m 、3 2 k 并行 可编程的非易失性f l a s hr o m 程序存储器。 m s p 4 3 0 系列单片机可以利用i a r 公司的w o r k b e n c h 和c - s p y 编译。直接下 载至片内f l a s h 内存，脱机运行。整个编译界面友好，调试过程中可以在上层软 件中看到各寄存器的内容并在线修改，支持单步运行，在线观察定义的各个变量 实时值。采用把所有相关文件放入一个项目中的组织方式，编译运行时软件会自 动将文件按内在联系自动组合在一起，支持汇编和c 语言的编程。追求效率的用 户，可自由选择只有2 7 条精简指令的汇编语言，直接实现对寄存器的控制：一 般的用户可以选择c 编程。i a r 的c 具有如下特点：与a n s i 的规格一致； 有可应用于嵌入式系统的标准函数库，具有可选用的源代码；i e e e 兼容的浮 粕采大学联士学攮论文 点算法；用户代码可与汇编子程序连接；长识别符，多达2 5 5 个有效字符， 3 2 0 0 0 个外部符号：快遴编译性能，代码的优化，灵活的变量分配和可移横性 麓，荔予理解豹崮锫和警告信意。这些都将大夫缩鬣开发掰期，降低帮发难度。 霹戳说m s p 4 3 0 瓣软释使建是攘当惹港、方倭、裹效戆。 2 i 。3 系统功髓 数据采集：指定抄取用电、用水、用气等数据。 费翔结算：按指定要求计算水费、电费、煤气费等。 数攒安全：逶逮嗣令实瑶焉户管理、仪表管理，进行投限设覆。 远纛表专 簸控：慰拖欠费曩懿用户，实藏停止供毫、供气笈裁，并其鸯豁盗 窃监视功能。 信息发布：网络实现信息发布、查询，网上付费。 报表打印：用户信息、消费量、付赞信息等报表打印。 图形分祈：窳电气等霞翔清躐图表分析。 系绞技时：系统志援技瓣，爨汪各集孛嚣数据鞋捶一致。 2 。1 4 系统的特点 本论文所做的远程抄表系统设计方案具有读数准确、通信可靠、成本费用低 等特点。 1 赢接读取表计数字，两嚣荼计赫猝换算； 2 。采用游焚类仪表鏊酝暹行标准m - b u s ，霹靠、方爱； 3 表计平时由集中器邋过啜绥供电，表计内没窍电池； 4 舆有对时和控制功能，保证及时收费； 山东大学硕士学位论文 5 在设计中，充分考虑成本因素，在保证功能和性能的前提下，实现低成本。 第二节各种数据通信方式的原理及应用研究 本节内容包括远程抄表系统中可采取的各种通信方式，包括终端数据采集模 块与集中器之间采取的仪表总线m e t e r b u s 通信方式、集中器与抄表主站之间可 采用的微波通信、r s 一4 8 5 通信、内置m o d e m 模块通过拨号网络通信等方式的介绍。 另外对应用设计等方面作了讨论和研究。 2 2 1 仪表总线的原理及应用 一、概述 仪表总线( m e t e r b u s 或简称m - b u s ) 是一种新型的仪表国际通用标准总线 结构，具有结构简单、造价低廉、可靠性高等特点，采用双绞线电缆连接，极 性无关，拓扑无关，方便管理维护。双绞线同时完成数据通信和提供表计电源， 可实现3 0 0 9 6 0 0 b p s 半双工异步通信。典型的应用是将m - b u s 用在各类消费仪表 ( 如水表、电表、煤气表) 上，可将表头数据收集并传递至集中器，再通过相应 的方式传送至主站，可实现远程抄表或智能抄表。进一步开发研究，可实现远程 控制、系统监控等功能。 二、o s i 模型中的m - b u s m - b u s 采用i s o o s i 模型的概念，其目的是实现一种可使用各种通信协议的 开放式系统。由于m - b u s 不是网络，所以在o s i 模型中它的传输层、会话层、表 山泶大学硕士学位论文 示层是空翡，哭舂兹理瑟、数撩链黪震、弼络层帮纛惩层有功蔻懿定义，鲡表2 - 1 所示。 表2 - 1 物理层、数据链路鼷、网络层和应用臌的功能定义 层功能标准 应用屡数搬结构，数据类型，动作e n l 4 3 4 3 表示瓣空 会话胺空 簧输篷空 网络朦扩展地址( 可选) 数摆链瓣屡绩辕参鼗，电报格式，地蛙 i 嚣e8 7 0 褥瑗蔗线缆，位裘示，线路连接，协议，电平指标m - b u s 三、基本操作漂理 t 。耪瑷搽露舔灌 m - b u s 是个主肤系统，由一个集中器进行撩储控制。一个m - b u s 熏统由一 个集中器、数个终端( 各类仪淡) 和两条传输线路组成，作为终端的备裟仪表都 并联在两条抟输线上，莠且每令终端罄垄自己豹憋皱鹨寒嚣分。当集中器淘终端 发送命令跨郝要热豢终端速蛙璃，终端接狡委集中嚣禽令黠善轰琵较禽令孛赘懿 1 6 山东大学硕士学位论文 遣缱码是黉耪自身建缝稻一致，魏不一致，赠对该命令不予晌疲。 为了实现系统的低成本，m - b u s 仅采用两条线的线缴传输串型数据。为实现 终端的远稷供电，总线上传输的数据位采用如下方法表累： 获集中器委终翡静信芍传赣采窝毫鬟僮豹交纯表示，由集中器控麓电压氆， 用+ 3 6 v 表示逻辑馕“1 ”，用降低1 2 vg p + 2 4 v 表示逻辑馕“0 ”。在稳定状态时， 线路上的馈为持续的“1 ”状态b p + 3 6 v 。如图2 - 2 ( a ) 所豕。 麸终端翻集中器的信弩传输莱霜毫流值豹交纯表示。用1 。5 嗽豹电流值表示 逻瓣“1 ”，当传辕“0 ”时，由终端控制傻电流馕增加1 1 - 2 0 m a ，在稳定状态辩， 线路上的俊为持续“1 ”状态即1 5 m a 。如图2 - 2 ( b ) 所示。 由终端到鬃中器发送“0 ”信号时，电流瀚增大昭微影响线路上的电压镳。 v n 麓a r k = 3 6 v v s p a c e = 2 4 v 譬 船厂 厂一 l s p a c e m a r k l( 0 ) ( 1 ) 圈2 - 2 ( a ) 由集中嚣向终端传输的( 电疆) 数捺码流 图2 - 2 ( b ) 由终端向集中器传输的( 电流) 数据码流 t 山东大学硕士学位论文 总线上一般持续状态都是逻辑“1 ”，也就是说集中器端电压值为+ 3 6 v ，各终 端上的持续电流为1 5 m a 。终端不向集中器发送信号时+ 3 6 v 的电压驱动整个系统， 由于线路阻抗的存在，实际上在终端检测到的电压值低于+ 3 6 v 。因此各终端不应 该实际测量绝对电压值，而应该在检测到电压值降低1 2 v 时，记录信号0 。接 收信号时，终端必须调整以保持1 5 m a 持续电流值。终端向集中器发送信号“0 ” 时必须调整使电流增加1 1 2 0 m a ，而该电流值要在集中器为+ 3 6 v 电压时产生。这 就意味着在任一时间内信息传输只能是单向的。因此，m - b u s 是一个半双工通信 系统。 由于集中器向终端传输信号时电压值变化范围为1 2 v ，而终端向集中器传 输信号时，电流变化的范围也至少为1 l m a ，因此，整个系统可以达到很强的抗 干扰性。 2 仪表总线的安装标准 总线结构由集中器、终端和通信线缆组成，各终端都有唯一的地址，集中器 可以将信号传换为r s 2 3 2 接口标准用以与计算机通信。集中器与终端之间的传输 线路采用普通的双线电话线。对于普通的电话线而言，终端与集中的器最大距离 为3 5 0 m ，在这个距离上线路阻值达2 9q ，传输波特率3 0 0 9 6 0 0 b p s ，采用8 位地 址结构，终端数目可达2 5 6 个。如果选取优质双导线或降低传输波特率或减少终 端数目，这个最大传输距离可被延长。为了保证终端的正常供电，总线上的电压 在传输信号“0 ”时不能低于+ 1 2 v 。 3 终端设计 终端接收信号时电流应处于稳定1 5 m a 状态，接收信号时电压值的变化导致 的输出电流变化不应超过0 2 每伏。为接收信号，电压最高值v m a x 为2 1 v 一4 2 v ， 当电压值降至v m a x - 5 5 v 时，应记录一个信号，当降至v m a x 一8 2 v 时，应记录 山东大学硕士学位论文 信号“0 ”。终端可由总线供电，也可自带电池供电，若自带电池供电，为保证低 的维护费用，电池寿命要达到几年。为便于终端安装，终端应为极性独立，即无 正反接的影响。为保证其中一个终端短路时不影响整个系统的工作，在终端电路 中应接有( 4 3 0 1 0 ) q 的短路保护电阻，保证了短路时最大电流不超过l o o m a ( 4 2 v 4 2 0q ) ，另外还要减少线路上的电能转化为热能。 在采用m e t e r b u s 的远程抄表系统中，m e t e r b u s 与终端之间的连接采用的 收发芯片是t i 公司生产的t s s 7 2 1 芯片。依照m e t e r b u s 的电气标准本论文设计 了集中器与m e t e r b u s 通信的转换电路。 2 2 2 r s 一4 8 5 总线的原理及应用设计 r s 一4 8 5 也是现代智能小区管理中常见的通信总线接口形式，将其用于集中器 与抄表主站间的通信，价格低廉，通信速率和通信距离都能很好的满足远程抄表 的要求。r s 一4 8 5 通信改进了r s - 2 3 2 通信距离短、速率低的缺点，其传输速率高 达1 0 m b s ，传输距离可达1 0 0 0 米，增加了多点、双向通信能力。 r s 一4 8 5 的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 + 6 v ，是一个逻辑状态；负电平在一2 一6 v ，是另一个逻辑状态。另有 一个信号地c ，在r s 一4 8 5 中还有一“使能”端。“使能”端是用于控制发送驱动 器与传输线的切断与连接。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 ”与“0 ”的第三态。接收器也作与发送 端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将从与阴对应相连，当接收端a b 之 间有大于+ 2 0 0 m y 的电平时，输出正逻辑电平，小于一2 0 0 m y 时，输出负逻辑电平。 接收器接收平衡线上的电平范围通常在2 0 0 m y 至6 v 之间。r s - 4 8 5 和r s 一2 3 2 有关 电气参数魏表2 - 2 掰示。 山系大学硕士学俄论文 袭2 - 2r s - 4 8 5 亵r s - 2 3 2 激气参鼗 规定r s 2 3 2r 4 8 5 工作方式肇端差分 节点数l 收、1 发1 发3 2 收 最大传竣赧缆长度5 0 荧尺4 0 0 英尺 最大传输速率2 0 k b sl o m b s 最大驱动羧出电压+ - 2 5 v 一7 ￥+ 1 2 v 驱动器输懑信号电乎 一5 v 负载+ - 1 5 v ( 负载最小值) 卜15 v 驱动器输爨信号电平 空载+ - 2 5 v + 一6 v ( 空载最大值) 驱动器受载隧菰( q ) 3 l ( 7 k5 4 摆率( 最大值)3 0 r us n a 接收器输入毫压范灏+ - 1 5 v 一7 v + 1 2 v 接收器输入门限+ - 3 v + 一2 0 臻v 接收器输入电阻( q ) 3 k 7 k1 2 k 驱动嚣慕横电压 一l ￥3 v 接收器共模电压 一7 v + 1 2 v 山东大学硕士学位论文 r s 一4 8 5 接口在远程抄表系统中的总线收发器可采用的芯片产品很多，如 m a x i m 公司的m a x 4 8 5 、i d a x 4 8 7 ，s i p e x 公司的s p 3 4 8 1 s p 3 4 8 5 ，t i 公司的s n 6 5 、 s n 7 5 系列产品中的一些芯片。后文将介绍r s 一4 8 5 接口芯片及转换电路的设计。 2 2 3 电力线载波通信 电力线载波通信是远程抄表系统中以往比较流行的通信方式。它的好处是不 需要再专门铺设通信线路，而是利用现有的低压电力线作为传输介质，实现点对 点的数据传输。在电力线上进行数据传输时，需要用电力线调制与解调电路将数 据进行调制与解调。在目前的电力线载波通信产品中，主要使用两种调制方式， 即窄带通信方式和扩频通信方式。因为利用窄带通信技术开发的产品价格低廉并 且较为容易实现，所以在以往的应用中比较流行。但另一方面，为了实现更高通 信速率和抗干扰性能，为了实现用于家庭或经济产品上的通信和控制网络，需要 更为可靠的多用户环境的电力线载波通信技术，目前国内许多厂商正在投入大量 的人力、物力开发，研制的扩频载波通信技术应当是未来发展的趋势。 一、窄带通信方式 电力线载波窄带通信的基本原理主要包括频率调制及解调技术的基本原理及 实现和谐振选频电路的基本原理及应用。 1 利用锁相环路实现信号的调制及解调 所谓锁相环就是自动跟踪输入信号的频率或相位( 要求输入频率要落在锁相 环频带范围内) ，并能给出相对应的输出信号。换句话说，锁相环是通过相应反 馈控制而实现环路输出信号的相位能跟踪环路输入信号相位的一种同步控制系 统。超出频带范围的信号能够得到有效的抑制，所以锁相环电路抗干扰能力是很 强的。现在，锁相环技术已经成为现代通信以及其他相关技术领域中不可缺少的 山东大学硕士学位论文 一种控涮技术。 锁榴环路般囊鉴胡器、环路滤波器和愿控振荡器三个基本部件组成。锁相 环是一种自动频率擦制系缆，它的工作原理建立于反馈控制理论。压控振荡器是 种输出频率受控制电压控制的振荡器。当控制电聪为0 时，压控振荡器输出固有 搬荡频率；当控制电压不为0 时，在其网有振荡器频率上下变动。根据镄相环鼯静 籍性要求，控翻电鹾总是逑使蚕控振荡器翡瓣葬孝振荡频率崮基凇辕入信号懿频率 靠攫，嶷至淤骧嚣个售号之间的频差，蠢达到甄谓“锁定”的状态。镂娟环路是 个相位负反馈系统，它能够跟踪输入信号棚位的变化。调频信号是种角调制 信号，设计一个适当的调制跟踪环路，就可以使它精确的跟踪输入调频信号的变 化，然后从环路中掇取出调制信号。 2 。谐振选频奄鼯懿蘩奉原瑗及应藤 在窄带方式魏数据逶继领域瘫，纛论毒线还是笼线接收设舔孛豹一令囊簧组 成部分就是选频电踌，它能从不同发送设备所发出的不同载频的调制信号及各种 干扰频率中选择出所需要的信号，完成这个选择任务的电路就烂谐振电路。 简单谐掇电路只包含一个l r c 回路。复合谐振电路是由两个( 或两个以上) 简 荦谐振电路遴过藕合元件使之稠互联系起来。信号出一个谐振酗路通过元释莠传 送舅贯令落振国鼹嚣羲爨。笺台谴掇毫路又称燕耩会谴强基鼹。谴缀电黪熬主 安作用就是选频，具体说就是要不失真地选撵出所簧频繁内的信号，同时又能抑 制频带外信号，即对不同频率的信号荫不同的响应。 二、扩频通信方式 扩频通傣相对乎窄带通信怒有一寇技术上的优势，主簧表蕊在挠干扰方璇。 鬻秀扩颓载波信号翡带宽逶零较大( 咒手k h z 至死谣k h z ) ，所获其受于撬熬簇率 燕困掰占比铡提对技小，瞧藏是说，裁是各转噪声仅毙影霸到其- - d , 郯分鼹篓转 山东大学硕士学位论文 输的信号，而大多数信号都能够完整、正确的到达目的地，所以对于各种类型的 干扰都具有较强的抗性。对于最常见的脉冲噪声而言，尽管窄带通信中的接收器 具有较窄的通带，使得仅有- - , j , 部分噪声能进入接收器，但由于此类接收装置中 的滤波器具有高品质因数，瞬间的脉冲噪声会使其发生自扰而引起它对传输来的 信号产生误操作；而使用低品质因数的滤波器又会使通带带宽加大，令更多的噪 声进入接收器，所以窄带通信对脉冲噪声的抵抗性比较差。而扩频技术则不同于 常规窄带通信技术，当接收到具有较大配置的噪声信号时，接收器会在噪声的高 能部分到达时自动停止工作，所以接收方仅对一小部分受影响的信号进行纠错解 码即可；另外，扩频接收设备使用的滤波器具有较低的品质因数，因而不会造成 系统自干扰，所以扩频技术具有较强的抗噪能力，所以说扩频载波通信是未发展 的趋势。 一般来讲，目前实现扩频主要有三种途径：即直接序列调制、跳频载波和利 用c h i r p s 扫描频率进行载波。 1 直接序列调制：此技术是将信号的能量平均分布于整个频带内，并通过 伪随机码序列将数据流倍加来使信号得以扩频，此序列具有数倍( 通常为1 5 倍、 3 l 倍等等) 于所传信号二进制位率的符号速率。 2 跳频载波：即扩频信号在某一频率上通过一段时间延续来代表数据的一 位、几位或一位的一部分。当信号在某一频率上受到干扰时，信号可切换到频率 带宽内的其他频率上去，因而大大降低了受干扰的程度，这种方法对于等幅波干 扰有较强的抵抗性。 3 利用扫描频率的c h i r p s 进行载波：此方法多用于类似予以太网的c s m a 网络，它利用一系列短促的，可自动同步的扫描频率c h i r p s 作为载体，每个c h i r p s 一般持续1 0 0 | ls ，它代表了最基本的通信符号时间。由于c h i r p s 信号的线性扫 山寨大学礤士学位论文 描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度是较高的，而蒋幅波干扰的频率加速 旋一般怒稳定的，所以只蘩将滤波器设计戚只能通过具有特定角加速魔豹信鼍， 裁哥戮将等箍波干扰箨豫在终。瑟羚，诧释c h i r p s 波形迩吴有缀强瓣鑫相关特 矬，这耱模糊逻辑蛇相关憾决定了瘊考连接在睡络上蛇设铸可以阉时识裂扶嘲上 任意设餐发出的这种独特波形，并且不霈要农发送葶接收设备间进行同步。 美嗣电子正业协会( e i a ) 所制定的用户电子总线标准( c e b u s ) ，即e i a - 6 0 0 ， 就是采闱的这种扩频方式实现数据在电力线和无线上的传输。这种方式又称为 s s c ( s p r e a ds p e c t r u m c a r r i e r ) 帮扩颓载波技术。磊祷国多 鲡i n t e l t o n 、d o m o s y s 等公司都可跌供满足c e b u s 标准物理屡敷数撂链鼹滋终议匏芯片，在嚣蠹已缀舞 始褥到一定成用。 2 。2 4 微波遥傣 利用微波作为传输媒介的通信方式，称为微波邋信。在远程抄表系统的集中 器和主站之间可以采取微波通信的方式，与其他专线通信方式相对比，免去了铺 设专用线路和设备的投资。由于微波具有与光波相儆的沿赢线传播的特性，通常 只能在两个没有障碍的煮黼建立点对点通信。如要在超视耀静两个点或多点闻建 立微渡遴信，赫须采稻孛继方式。为魏，可采翔多个徽波接力菇实现中继，域采 蔫对瀛豢熬教莉实袋孛继，凌采瓣至星窭嚣徽渡孛继。徽波逶藉_ 箨萁镌遥售方式 程 矬，夯吴舂信塞熬采集、努辑、热王、处逡、交换、效大、发送、键埝，豢至 按嫒、梭测、发交换、热王处理等过程。共主要特点是王黪予微波传辕售道。蚨 盛耀的溅点来爨，瑷代微波逶信蠢卫星遥售、微波接力逶傣、移动通髂、散慰逶 由东大学颈士学位论文 信和有线微波传输等几种方式。 根据微波通信的调制方式可以分为模拟通信和数字通信两貘。由于模拟信号 所占的频带较窄，其传输信道的频带利用率较高，同时模拟微波通信的设备较为 简单，且容易配套齐全，价格也较便寂，故当前仍用得根多。另类型的信号则 是数字信号，它以数字方式表 芷模拟信号。由于数字信号的优越性，给微波通信 带来好处，大大提高了微波通信的质嚣，从而形成了数字微波这种新型的邋信方 式。在远翟移表系统的綮中器与主站闯的道信就可戳采用模藏减数字徽渡通信酌 方式，当然数字徽波逶嵇更其优势。 院较鼗字徽滚逶信黧摸熬徽滚_ i 羲信，数字徽浚逶落懿毒下列霞点： ( 1 ) 数字痿号霹在中继弦委生瑟没有失真，遂寰于麓屡量趣长距离传簸。 ( 2 ) 数字擞波避痿畚统可与数字疆控交换撰羹接提连，不嚣要模数转换设 备，阉时也遥台传送综会数字她务喇( i s d n ) 的信号，倒如霹直接传送包括数握、 电报、传真、电子信函、文件资料和可视电话等业务，窀要比模拟微波传送的效 率高褥多。 ( 3 ) 数字信号其本身抗干扰性强，同时也可降低对其他通信系统的干扰。 ( 4 ) 易予加密处理，以解决无线邋信不能保密的重要问题。 山东大学硕士学位论文 第三节终端数据采集模块的设计与实现 系统终端数据采集模块的基本结构框图如图2 - 3 所示。 图2 - 3 终端数据采集模块的基本结构框图 本节研究和讨论的是总线终端的数