（电路与系统专业论文）水电气表自动抄收系统的采集器设计.pdf

硕士论文学生公寓水电气表自动计量抄收管理系统的采集器设计 摘要 水电气表自动抄收计费管理系统( 简称三表抄收系统) 是公共事业局信息化 的重要的涉及到干家万户的基础平台，也是公共事业局城市信息化建设的重要内 容。论文对三表抄收系统作了全面的研究与讨论，介绍了三表抄收系统的总体设 计方案，并对系统中采集器终端的设计进行了深入的研究。在此基础上，笔者自 行设计了一块采集器终端电路板，并使用c 语言和汇编语言混合编程的方法编写 了采集器终端的软件。 论文中详细介绍了采集器终端供电模块、微控制器( 单片机) 模块、电路监 控模块、数据存储模块、通讯模块、显示模块和时钟模块的软硬件设计。对各模 块的硬件设计，先简单介绍所选芯片的特点及使用方法，再给出该模块的电路连 接图，最后介绍了电路的工作原理。对各模块的软件设计，论文重点介绍了采集 器终端的通讯协议、1 2 c 协议的软件实现、表数据采集和信号去抖动等关键模块 的软件设计。论文中还对现今流行的单片机系统的c 语言和汇编语言混合编程、 单片机系统集成开发环境m e d w i n 进行了介绍。 最后，论文对笔者在三表抄收系统采集器终端的设计过程中所遇到的困难、 取得的宝贵经验、和软硬件调试过程中遇到的问题进行了总结。 关键词：三表抄收系统，采集器，水电气表，混合编程，m e d w i n 自动计费系统，模块化设计 硕十论文学生公寓水电气表白动计量抄收管理系统的采集器设计 a b s t r a c t w a t e rm e t e r a m m e t e ra n d g a sm e t e ra u t o m a t i cd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，s h o r t e n e d f o r mt h r e em e t e rd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，i st h e i m p o r t a n tb a s i cp l a t f o r ma n dt h e i m p o r t a n t c o n t e n to ft h e c i t y i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n t h e p a p e r s t u d i e sa n d d i s c u s s e sr o u n d l yt h ea p p l i c a t i o no fw a t e rm e t e r ，a m m e t e ra n dg a sm e t e ra u t o m a t i c d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m a tf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tf o r e g r o u n da n d d e s i g nb l u ep r i n to ft h r e em e t e rd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m s e c o n d l yt h ep a p e r h a sa n i n d e p t hs t u d ya n dd e t a i l e di n t r o d u c t i o na b o u tt h es u b s y s t e mo ft h r e em e t e rd a t a c o l l e c t i o ns y s t e m - - - c o l l e c t i o nd e v i c et e r m i n a l b a s e do nt h ea b o v es t u d y , p e n m a n d e s i g n sac o l l e c t i o nd e v i c et e r m i n a lc i r c u i tb o a r d ，a n dd e s i g n st h ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r eb yc l a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g em i xp r o g r a m m e t h o d t h e p a p e rh a sad e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h ep o w e r c i r c u i t ，m i c r o c o n t r o l l e rc i r c u i t ，p o w e rs t a k e o u tc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，d a t a s t o r a g ec i r c u i ta n dd i s p l a y c i r c u i to f t h ec o l l e c t i o nd e v i c et e r m i n a l f o rt h eh a r d w a r e d e s i g no fe v e r yf u n c t i o nm o d u l e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec h i p s f e a t u r e sa n du s a g e m a n u a l ，s h o w st h ec i r c u i td i a g r a m ，a n di n t r o d u c e st h ew o r kp r i n c i p l ei nt h ee n d f o r t h es o f t w a r e d e s i g n o f e v e r y f u n c t i o n m o d u l e ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lp r o g r a m ，m e t e r - d a t a c o l l e c t i o n p r o g r a m a n dr e m o v e d i t h e r i n gp r o g r a mi m p o r t a n t l y a t t h es a m et i m e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec l a n g u a g e a n d a s s e m b l yl a n g u a g e m i xp r o g r a mm e t h o da n dt h e i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tm e d w i n a tt h ee n do ft h ep a p e r , p e n m a ns u m m a r i z e st h eq u e s t i o n s ，d i f f i c u l t i e s a n d e x p e r i e n c e s m e ti nt h ed e s i g n k e y w o r d s ：t h r e em e t e r d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，c o l l e c t i o nd e v i c et e r m i n a l ，w a t e r m e t e la m m e t e r g a sm e t e 5m i xp r o g r a m m e d w i n ，a u t o m a t i cc o l l e c t s y s t e m ，m o d u l a t i o n a ld e s i g n i l 硕士论文 学生公寓永电气表自动计量抄收管理系统的采集器设计 1 绪论 1 1 概述 随着i n t e r n e t 潮络在我国的邈逮蔷及，信息化问题得刭了溺家政府的离度 重视。信息化发展水平程一定程度上反映了某个国家或企业的社会生存、竞争能 力和科学技术水平。信患化涉及了社会的各个领域，其中公共事业局水、电、气 表叁动诗冀壤集 乡系统怒公共事盈麓髂感纯戆重饕戆涉及到手家万户静墓鹬平 台。这也是公共事业局城市信息化建设的重要内容。 学生公寓水电气自动计量抄收管璁系统是针对大中专院校学嫩宿舍、公共用 农( 热求) 、鼷电豹现状，缝台理达公淫( 毫京瑾王大学校办产渡) 在校园卡 通系统方西的技术优势，正在开发的新一代智能卡水电气自动计量抄收管理系 统。该系统的特点是计擞控制精度高、容量大、计赞方式公平合理、安全可靠、 操作简便、实用性强，可以作为一卡通系统的一个予系统投入使用。 虽然瑷在泰殇上己缀密现了不少公蘧开发匏三袭移竣系统，如残都汇中方程 科技有限责任公司开发的h z 智能楼字控制系统、率安科技有限责任公司开发的 智能化小区等，但因为这熄公司只是单纯的做三表抄收和其他一魑智能系统，因 魏对予这些瓷添不能 薮弼整台裁爱；蠢凑哀理速秘技实韭寿袋公镯嚣发戆其鸯宠 全自主知识产权的产品肖“理达银校一卡通系统”、“理达高校财务收费管理系 统”、“理达智能卡上机收费管理系统”、“理达校园消费一卡通系统”、“理达智能 卡皇动计量蛰理系统”、“太平洋安全一卡逶系统”、“理达智能卡祭撵管理系绫”、 “理达考勤门禁管理系统”等，公司毫经其有了潮上收费系统开发的缀多经验， 并且通过和交通银行进行合作，有很多产品已经在备大高校使用。因为已经具有 了上层资源，因此虽然进入三表抄收系统的时间较晚，但后期产晶与网络的整合 辩蘑涛会缓鬣，放恧爨然矮褥理达公霉嚣发懿学生公寓求毫气叁韵诗量抄浚警疆 系统在市场上占有重要的一席之地。这也是为什么鼹开发这套产晶的原因。 唾，2 系统方案 根据学啦公寓水电气表自动计量抄收管理系统的特点，我认为学生公寓三液 集抄收费系统宜采用如下方案： 每螽采集器警邂秘读取多令滚数据。 每台集中器管避多个采集器。 集中器和采集瓣之间的通讯方式采用总线方式或p o w e r l i n e 方式。 硕士论文 学生公寓承电气表自动计鬣抄收管理系统的采集器设计 计算机和集中器之间采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 标准串口方式或调制解调嚣电 话羧号方式( 远距离) 逶逐。 这种方案的优点是低成本、高可靠、便于维护和升级( 故障分析、设备维护、 设备更换、设备升级等) 。系统构成示意图见下面三图。 图1 2 - a 为系统总体糖图： 图1 2 学生余寓水电气表自动计量抄收管理系统总体框图 圈1 2 - b 为单元房间布局图： 固l 。2 吨单元房f 霉农弱 图1 2 - c 为三表抄收系统设备组成网： 2 硬士论文 学生公塞永电气袭垂动诗量抄投管理系统熬袋集嚣设计 图1 2 - c - - 栽j , 收装绞设备组成图 系统原理简述： 系统中的每台采集器以定的时间间隔采集其所涟接的表具数据( 即表发 寒戆寒毫平壤专) ，莠存敖奁袋褰器戆存懿搽中。采集嚣在采集表具数握的司对， 检测表具的工作状态( 连接线的通、断等) ，从而大大摄高了系统的可维护性。 集中器则统一管理其所挂按的采集器，以一定的时间间隔读取采集器中存放的表 具数据，存放予大容量的电子攥土，莠记泶读取采集器的对阐，从蕊为收费提供 趸霄力的依据。集中器与计舞梳之离可采髑两种通舔方式。当计算梳与集中器之 间躐离小于1 5 米时，可直接用r s 2 3 2 通讯方式：当距离大于1 0 米小于1 0 0 0 米 时w 用r s 4 8 5 电缆通讯方式；当计算机与集中器置于髀地时，可用电话拨号通 谖方式。读取蘩孛爨数据霹戎耱建营褒诗葵壤土运嚣专建枝费管理软磐帮虿。 集中控制器位置可根据物业公司与小隧的距离丽定。如果是单- d , 区，可放 在物业公司内；如果有多个小区，且小区与小区之间距离较远，则可采用多个集 中控裁爨，著分别放在各爨敬小区中。如小区与小嚣距懑程对集中，剡集孛控期 器之阿可采用惑线互联方式滋行通讯。如小区与小医鼷鬻稽对较远，嬲可透过亳 讯局电话拨号方式进行通讯。 计算机与繁中嚣、集中器与采集器之阗采用标准r s 2 3 2 或r s 4 8 51 ：3 通讯格 式，涎集器酶谈电毫源在鸯条 孛弱壤况下霹统一供亳，蔽便于管理。耋鼙有不霞， 碾士埝文学生公寓承电气袋蠢动诗量抄嫂管理系统懿袋集器菠毒卡 也可就近供电。每个采集器的输入通道在实际使用时，可留有1 2 个通道备用， 以便于维护。电表采集器与电袭一起放到同电表箱中。 每决东表袋气表都有4 0 e r a 零有金属较罄糅护信号连接线，著穆蘧线接至 固定于墙上的8 6 盒中。其他连接线均采用p v c 管( 彤15 或中2 5 ) 穿管后连接 起来。8 6 盒距地面3 0 c m 。 系统硬件特点： 两线制方式，模拟智能化数据处理。 集中器控制核心采用p c i 0 4 2 8 6 d x ，大容量存储。 系统霹梭溺爱户表囊( 求、气) 逐羧线静逶、繇，为合法镬瘸表其提供 了有效的监督手段。 可对各种水、电、气淡进行数据抄收，且无累计误差。 系统褥台嚣家e m c 舔准。 表数据研跨区传输，从而便于物渡公司扩展表其数据集抄管理渣务。 系统软件特点： 通用性设计 逶避辩系统醚震袭懿簦改帮霞耀不霹豹系绞裙始纯霞秘，本系统在 大部分的功能上都自够满足要求。 高度集成性 零系统集衷、魄、气表司嚣繁理。节省了系绞资源。 实时操作 谯操作过程中自够对违规操作情况进行史时监控，并能够及时提醒 翔户。并提供各釉蜜询方式。 界面美躐、操作麓傻 系统在开发阶段对界面的设计进行了严格的定义，采用w i n d o w s 风格。因此，本系统的用户界面风格一致、简单易懂、操作方式一致， 捷焉户l 够攘浃熬憨秘痉薅零系绕。溺嚣在数据采集过程审袋弱了资溪 管理器的形式，形象、直观。 运行效率高 零系统在设计、编码、编译殓段都进行了傀纯考虑，最簇完残的程 序文伟大小3 m 左右，运行效率簿、速度侠、占褥空阊小。 任意组查询 本系统对每一个功能模块都提供了一个专用的查询功能，满足用户 任意静蠢询要求。亵询结栗霹戳邋孳亍摄表蠡鼋簿操终；嚣辩锌毒蚕形显 硕士论文学生蛰妻隶惫气袭鸯囊计量抄投篱瑾系统憝采集器设诗 示，并可打印图形。 1 3 竣备性罐指标 数传燃气袭 图1 3 a 必数转燃气袭实物图： 图1 3 - a 数传燃气表 数传燃气表分舞0 6 、l 、1 6 、2 , 5 、4 、6 璐堍六瓣焱捂。透瘸子天工爨 气、天然气、液化气、液化石油气的流量计量及数据远传。信号传输方式 为两线制计数脉冲。 4 工雪馨瞧压 9 v d c + 平翰功耗o 5 m w 脉冲当量标准型0 1 m _ 个脉冲( 可选型o 0 1 m 3 个脉冲) 数转水凌( 热水表) 蚕i 3 b 海羧簧永裘癸物器： 爨i 。3 啼数雉末表 颈士 奎文 学生公寓承电气袭叁动毒于量拶牧管理系统懿袋蔟器澄计 数传水表适用于自来水、供热水的流量计量及数据远传。分为d n l 5 、 d n 2 0 、d n 2 5 等规格。信号传输方式为两线制计数脉冲，并有线路开路、 短路售惠。 + 工作电压9 v d c + 平均功耗 0 5 m w + 脉冲警量标准黧1 , 0 m 3 卜脉冲( 可选型o ，l m 3 ，个脉冲) 数传瞧裘 图1 3 - e 为数传电表实物图： 图1 3 - e 数愕电表 数传毫能表分为d d 8 6 2 a - 4 型5 ( 2 0 ) a 、d n 2 8 2 慰5 ( 1 0 ) a 等援接。适用 于居民用户髑电的电能计豢及数据远传。信号传输方式为两线制计数脉冲。 + 工作电压9 v d c 4 平均功耗 o 5 r o w ；赫洚警量标毽篷e 1 k w h 个繇洚 1 4 本论文的主要工作 本论文斡圭嚣工作是戳肇片税( m c u ) 为核心，设计学生公寓水电气表鑫 动计量抄收管理系统中的采集器终端。 主要工作分为下面几个郝分： ( 1 ) 采集嚣总诲谖诗方寨论涯。 ( 2 ) 采集器的硬件设计。 ( 3 ) 采集器的软件设计。 ( 4 ) 对采繁器软硬磐设诗、调试j 妻羧孛遇妥魏润糕及采取麓撂楚进行介 绍。 硕士论文学生公寓水电气表自动计量抄收管理系统的采集器设计 2 采集器总体设计方案 在采集器的总体设计方案中，采集器的软硬件设计都将采用模块化的设计方 法，即把采集器的软硬件部分都分成几个独立的模块来进行设计，这样做的好处 是使得采集器的开发层次分明。 如下面采集器的层次开发图所示，在采集器的开发过程中，首先进行采集器 软件和硬件的底层模块设计，设计完成后，再利用底层模块进行采集器软件和硬 件的顶层设计，在采集器硬件电路板和软件设计完成后，对采集器进行测试，若 发现问题，先分析问题是由那个模块产生的，再进入出现问题的模块进行修改， 修改完后重新连接各底层模块并调试，直到没有问题为止。最后还要对采集器进 行性能测试，看是否能够达到预期的性能指标。 图2 为采集器的层次开发图： 图2 采集嚣层次开发图 下面对采集器的功能和模块划分进行介绍。 2 1 采集器功能 在三表抄收系统中，采集器( 下位机) 的功能是对其所控制的水、电、气表 硕士论文学生公寓水电气表白动计量抄收管理系统的采集器设计 传送来的数据( 高电平脉冲) 进行准确的记录，并可以和集中器( 上位机) 之间 按设计好的通讯协议进行通讯，采集器根据管理机送来的命令执行相应的任务 ( 如：读单个多个表数据、写单个多个表数据、核对表数据等) ，并把命令要求 的数据回送给管理机。 2 2 采集器底层模块划分 根据采集器功能的要求，采集器应具有以下功能模块： 通讯模块 表数据采集模块 数据存储模块 显示模块 时钟模块 监控模块 供电模块 这些模块的软硬件设计将在后面两章中进行详细的介绍。 硕十论文学生公寓水电气表自动计量抄收管理系统的采集器设计 3 采集器硬件设计 为了便于下面介绍，这里先给出采集器硬件电路的原理图和p c b 图，在三 表抄收系统的开发过程中，我先设计了一块采集器实验板，在实验板上我们只设 计了最重要的几个硬件部分( 表数据读取、存储器、通讯) 以完成对三表抄收系 统采集器软件最为关键部分的调试。之后我又设计了一块较完整的采集器板，在 该板上加入了时钟芯片( d s l 3 0 2 ) 、显示模块( m c l 4 5 2 3 b ) 、载波通讯模块、电 路监控模块( m a x 8 1 3 l ) 。 由于采集器实验板和完整板的电路原理图太大，完整显示在论文中时，其板 上的具体连接线根本看不清，所以附录中只给出实验板和完整板的p c b 图，具 体的采集器硬件原理图在下面各模块的介绍中按功能分别给出。 因为采集器中微控制器( 单片机) 的连接和采集器的每一个模块都有关系， 所以这里先给出采集器中单片机的电路连接图。如下： 图3 来嶷嚣完整板的微控制嚣( - g t 片机) 连接图 本章是按采集器各个模块进行介绍的，除了存储模块是以采集器实验板为模 样外，绝大部分都是以采集器完整板为例。因此上图只给出完整板的微控制器连 接原理图，实验板的微控制器连接原理图在存储模块一节中单独给出。 硕士论文学生公寓水电气表自动计量抄收管理系统的采集器设计 3 。1 通讯部公 采集器与集中器之间的通讯方式采用了r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 、载波通讯三种方 式，分别适用于不同的条件下进行通讯。 当袋集器与集中器置于困一位嚣，且距离小予1 5 米鲢，可直接援r s 2 3 2 电缆通讯方式； 当采集器与集中器置于同一位置，且距离小于3 0 0 米时( 适当的降低数 据佟输输率，传输距离可达到12 0 0 m ) ，可囊接用r s 4 8 5 电缆通讯方式； 当袋集器与集中器置予异遮辩，可爱载波逶添方式。 下面先对采集器所使用的通讯方式进行介绍，再给出通讯模块电路图，并结 合电路图对通讯模块进行介绍。 3 1 。1 通讯方式介绍 ( 1 ，r s 2 3 2 c 串行邋讯方式介绍t 3 1 1 5 1 r s 2 3 2 c 是鑫美鏊魄予工整瓷会( e l a ) 正式公布鹅辜髫慧线标准，氇爨嚣 前最常用的串行接口标猴，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的 数据通讯。r s 2 3 2 c 串行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于1 5 m ，传 输速率最大燕2 0 kb i f f s 。 通常的标准串行接掰的电器特性，都有满足可靠传输时静最大通讯速度和最 大传输距离指标。但这二个指标之间具有相关性，遥当地降低通讯速度，可以提 高通讯距离，反之亦然。对于采用r s 2 3 2 c 标准传输数据时，最大数据传输速 率秀2 0 kb i g s ，最大传输踅离为1 5 m 。 在保诚不超过r s 。2 3 2 0 标准规定的使用范围时，r s 2 3 2 c 标准接口有一定 的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。 按瓣痿号 一个究憋的r s 2 3 2 c 接口有2 2 根线，采用标猴的2 5 芯插头座。表3 - t 1 给 出了r s 2 3 2 c 串行总线标准接口信号的定义及信母分类。 硕士论文 学生公寓水电气表自动计量抄收管理系统的采集器设计 表3 一卜1r s 2 3 2 c 串行总线标准接口信号 引脚号缩写犄信号隽向 说明 1屏蔽( 保护) 地 2t j 从终端到调制解调器 发送数据 3r x d从调制解调器到终端接收数据 4r t s从终端到调制解调器请求发送 5c t s从调制解调器到终端清除发送 6d s r从调制解调器到终端数据装首就绪 7信号地 8d c d从调制解湄器到终端接收鲢信号检出( 载i 克检测) 9保瞽供钡斌用 1 0保留供测试用 l i未定义 1 2d c d从调制解调器到终端辅信道接收线信号检出 1 3c t s从调制解调器到终端辅信道清除发送 1 4从终端至调制解弱器辅信道发送数据 1 5趴调制解调器到终端发送器信号定时 1 6r x d从调制解调器到终端辅信道接受数据 1 7从调制解调器到终端接收器信号定时 1 8未定义 1 9r t s从终端至蜩制解调器辅信道请求发送 2 8d t r从终端到调制解调器数据终端就绪 2 1从调制解调器到终端信号质量检测 2 2从调制解调器到终端振铃指示 2 3从终端到调制解调器数字信号速率选择器 从调制解调器到终端 2 4从终端到调制解调器发送器信号定时 2 5未定义 电器特性 r s 2 3 2 c 采用负逻辑，即： 逻辑“i ”：一5 v 一1 5 v 逻辑“0 ”：+ 5 v + 1 5 v 下表列出了r s 一2 3 2 c 接口的主要电器性能 表3 - 1 2r s 2 3 2 c 电气特性表 带3 - - 7 k q 负载时驱动器的输出电平逻辑“1 ”：一5 v 1 5 v 逻辑“0 ”：+ 5 v + 1 5 v 不带负载时驱动器的输出电平一2 5 v 到+ 2 5 v 驱动器通断时的输出阻抗 3 0 0 q 输出短路电流 o 5 a 驱动器转换速率 3 r t s4 1 请求发送广j 坠 4 计c t s5 , - - 4 清除发送l j 马 5 算d c d8 卜_ j 载波检出 |! 婴 8终 机d t r 2 0 数据终端就绪厂j 塑堕l2 0 端 d s r6j 数据设各就绪 l 旦坠一+6 信号地g n d ( b ) 图3 1 卜d 计算机与终端的最简单连接形式 r s 一2 3 2 c 标准接口的实现及电平转换 构成r s 2 3 2 c 标准接口的硬件有多种，如i n $ 8 2 5 0 、i i l t e l 8 2 5 1 a 、z 8 0 - s i o 等通讯接口芯片。通过编程，可使其满足r s 一2 3 2 c 通讯接口的要求，如i b m p c 系列微机配备的标准r s 2 3 2 c 接口就是由i n $ 8 2 5 0 芯片构成的。 r s 2 3 2 c 规定了自己的电气标准，而此标准并不能满足t t l 电平传输要求， 硕士论文学生公寓水电气表自动计量抄收管理系统的采集器设计 因此当r s 2 3 2 c 电平与t t l 电平接口时，必须进行电平转换。 目前r s 一2 3 2 c 与t t l 的电平转换最常用的芯片是传输线驱动器m c l 4 8 8 和 传输线接收器m c l 4 8 9 ，其内部结构与管脚配置图不再给出。其作用除了电平转 换外，还实现正负逻辑电平的转换。 m c l 4 8 8 的供电电压为1 2 v ，输入为t t l 电平，输出为r s 2 3 2 c 电平。 m c l 4 8 9 的供电电压为+ 5 v ，输入为r s 2 3 2 c 电平，输出为t t l 电平。 ( 2 ) r s 4 8 5 串行通讯方式介绍3 咖5 1 1 1 6 1 1 r s 一4 8 5 串行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于3 0 0 m ，传输速率 最大为1 0 mb i f f s 。r s 一4 8 5 标准串行接口的电器特性，可以满足可靠传输时的最 大通讯速度和最大传输距离指标。但这二个指标之间具有相关性，适当地降低通 讯速度，可以提高通讯距离，反之亦然。 对于采用r s 4 8 5 标准传输数据时，最大数据传输速率为1 0 mb i f f s ，最大传 输距离为3 0 0 m 。 在长距离传输时，使用r s 4 8 5 标准，能有效的抑制共模信号干扰。 ( 3 ) 载波通讯方式介绍： 本采集器载波通讯部分的设计仅仅是使用特定的载波通讯模块实现而已，在 此不再详述。 3 1 2 通讯模块电路图 下面给出采集器中三种通讯方式的连接原理图。 图3 1 2 - a 为采集器r s 2 3 2 方式通讯的连接图，图左为m a x i m 公司r s 一2 3 2 方式通讯芯片m a x 2 3 2 e p e 的连接图，右图为芯片对应的一个d b 9 接头的连接 图。图中引脚r x d 2 3 2 、t x d 2 3 2 与选择通讯方式的跳线插座上的对应引脚相连， 因为该芯片为全双工工作，所以不需要接收发送控制信号。 硕+ 论文学生公寓水电气表白动计量抄收管理系统的采集器设计 x ；c 讯。薹稽斟辫嬖甜簿i ； 警薹 j i 口u l 一 2 l a | | ie n i 【l 。! ，i u 、 。 ； 睁 蔓瞬忑挝擀j _ 汁量享 簿 荆一肄# j 一 一臻娄# 慝 ! ；。 】 j 砸i ：亨挪j 娶嚣耋三釜瓣r io b 盯礤嚣雾赫簿! 斟黼蚌 e 慕壶蟠 。甘腿 ；鬲习科f 等u 肝1 ： 号 肾 飘紧c 2 + 隧群尝眸磷翠鞯 o 一 l3 毫i s1 li l z ；l l ， 嚣鹾：辫匪莲莹磷芝鞋 n b ( 3 m !j 一i u 一 一、j ! 一 一 图3 1 2 - a 采集器通讯模块r s - 2 3 2 方式连接原理图 图3 i 2 - b 为采集器r s 一4 8 5 方式通讯的连接图，图左为m a x i m 公司r s 一4 8 5 方式通讯芯片m a x 4 8 5 e p a 的连接图，右图为芯片对应的一个d b 9 接头的连接 图。图中引脚r x d 4 8 5 、t x d 4 8 5 、r t 4 8 5 分别与选择通讯方式的跳线插座上的 对应引脚相连，引脚r t 4 8 5 的作用是控制芯片m a x 4 8 5 e p a 收发功能的切换， 这是因为该芯片为半双工工作模式，同一时间只能接收或发送数据，所以需要收 发转换控制信号。 i ji i - j ； -t 、- ；5 ；出。，hh 一卜 卜r h - 哥卜h 一卜i 卜 皓h 苦3 旧2 留孓 r x i ) 4 8 5 鞲蠢熊蕾群； 漆蚕匡 刚t 帖 r ，t 邪 t 】由4 8 5 ! 嚣繁挂斟：謦it ：附, i r ! i 暑。巨i 丰鼹：圉： ! ! 篝 7 d b 啦 图3 1 2 b 采集器通讯模块r s - 4 8 5 方式连接原理图 图3 1 2 - c 为采集器载波方式通讯的连接图，图左为载波模块的连接图，板 间载波模块通讯是通过2 2 0 v a c 电力线传输信号的，由图的2 端接口把2 2 0 v a c 信号引出。图中引脚r x d p l i 、t x d p l i 、r t p l l 分别与选择通讯方式的跳线插 座上的对应引脚相连，引脚r t p l i 的作用是控制载波模块收发功能的切换，这 是因为该模块为半双工工作模式，同一时间只能接收或发送数据，所以需要收发 转换控制信号。( 由于实验环境所限，该通讯方式后来没用) 硕士论文学生公寓水电气表自动计量抄收管理系统的采集器殴计 z ! ：j ： ! l j 2 1 1 ；-f _ 。l 一l l 嘲j i ： = = 曩；型量 替够f ! 。h 自i ：_ ； 毒= 丰| j il z 吐t a l 工l ： t ”r 【 ， p i 口v bj ；：。 0 专lh - 一商嗣一一 _ 王j ； j h t # r 帆曲 。， t 王l j ol _ ： i l ； ：t ；： i 图3 1 2 - c 采集器通讯模块载波通讯方式连接原理图 图3 1 2 - d 是一个2 0 脚的双排跳线插座，其作用是方便调试人员选择使用的 通讯方式( r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 载波) ，图中引脚r t 、r x d 、t x d 是从单片机引来的 信号，t x d 是单片机的串口数据发送引脚信号，r x d 是单片机的串口数据接收 引脚信号，r t 是单片机的一个通用i ，o 口的信号，用来切换通讯芯片的数据收 发功能( 仅r s 4 8 5 和载波方式需要) 。下面举一例子，当选则r s 4 8 5 方式通讯 时，应用跳线头把选择通讯方式跳线插座上的1 和2 、7 和8 、1 3 和1 4 引脚相连， 这样r s 4 8 5 方式就备选为当前所用的通讯方式了。 ：! - 卜卜； 0 一 垒l 1 _ “+ 卜十 ： r t ， r t 4 如 - 卜 l 3 i ： ；：r ，t 2 站i _ ! i ! l5 r ； r j ，r ，t p l 矗 r 血 ! ；ll- ! ：r x l m $ 5 捂 ； i l ： l尊j ；r r , d 2 3 2 lm 。 ； ：；i n ? h ；7 ；i 疑】击p l i 啦 ii t x d 1i i 】3 窖曲4 8 5f1 4 1 ； l ， 出 ： ： 1 了】击2 3 2 蝤 ：；l 玎! ff t !，藩】o p l z i 船 _ ： ill ； 由： r ； l ：。l 2 0 ； ： l ： i ： ：o il 2 0 _ 趟 l 图3 1 2 - d 选择通讯方式的跳线插座 3 2 数据采集部分 采集器的数据采集就是要能够准确记录下数控水、电、气表送来的高电平脉 冲，这其中的关键问题就是去抖动问题( 如何识别出干扰信号) 。出于减少成本 的考虑，加之单片机的运行速度在完成其他任务后还有很大部分余量，我选择了 磺n ：论文学生公寓永电气表自动计量抄收管理系统懿袋集器设计 软件去抖动的方法( 具体实现见采集器软件设计章节) ，所以采集器数据采集部 分的硬件连接比较简单。 踅3 。2 - a 为集器囊爰豹a t m e l 公霹a t 8 9 c 5 2 葶片瓿魏连接愿遴踅，单片 枫的通用i o 引脚p 1 5 和p 1 7 分别作为表数据采集引脚。 j j ；一： ；! ； j ；j ，! i ；j 。!l 磋l ，t ! i ：i t ii | l l 趋；l2 ；l p0 ，r 2 泣d o ) 鞠露 lr s t 2 ；- 3 pl ，r 2 e x ( a d l ) p 0 1 ：3 8 ； 辞t a l ；彳 抖 鼍i ： p2 (ad2)p02 ；3 7 | 呻勰f p3 ( a d 3 ) p 0 3 l 8 6 l 曲弗j j ；i ；m l s 6 j p4(ad4)po4 ；5 l ld 讳 l ； 二7 ： p5 渔d s ) p o5 3 4 珥t a 51 ， i | l 拜二p；鬟i ps 渣d 鹭鞠落 ；曼3 ii 掘弗t ， p， ( 直d 刁秘7 i 3 2 ； 娃t a 7 i i ； 一 _ 一甜 鑫、 ； i 1 2 e p 3 3 ( i n t i ) ( a d 8 ) p 2 0 2 2 ll 捆 ，、 l； ； r p 3 2 ( i n t o )( d 9 ) p 2 ，l 2 3 la d d l d ；、 ! | r s t 3 ：1 5 ：l ( a m 0 ) p 2 2 辨l 啦l 。、 - 。ll 骊鸯：1 4 。l 勰，5 ( t 1 ) ( a o n ) p 2 3 ；珏| 搬1 2i 、 ；平 | ； 。 p 3 4 ( 鞠)f 矗d l 霉p 2 ，4 泌ll 礤l 、 ( a o l 3 ) 豫5 ：2 7 a d d l i - 、 _ 螽矗i 1 9 e a v p p ( a d l 4 ) p 2 6 ( a d l 习p 2 7 2 8 j ；c l | 0 4 ，e ； ： l 职) i l 2 - 1 8 j 汀a l l ；i it 。! lilj ；i x t a l 2 i l l | 邵t li 垂； 下一l 吞f箍蛰；i i f f ；：f 燎e t ( r x 劭转矗 li 稍d ： ：1 7 l - ( t x d l p 3 1 i i i l 强d ，li 砌q：1 6 l 三 p 3 7 ( r d ) a l e 伊r o g 1 b 0 l此西 ； ； ： ! _p 3 6 ( w r 】p 3 e n酋毕tlv e t ；r r i 细i 鼻o 1 l 1 ：j 铡dv c c ；暑 勰甓瞻酴：ji 。i ! ； ；j li 图3 2 - a 采集器单片机连接原理图 在调试的辩候，可以直接粑数控求、漱、气表的数强线和其中一个弓 脚裙连， 进行数据采集部分的软件调试；当实际应用该采集器的环境很容易受到干扰时， 可以为每一个数据采集通路煳个简单的硬 牛去抖动电路，以提高采集器记录表 数据豹难确往，疆俘去挥动壤潍觅图3 2 b 。 硕士论文 学生公寓水电气表自动计量抄收管理系统的采集器设计 h i 话、 ；i _ 1 篆誉 e 3 l 一 嘴r i ! ： 下i o l 。jj 1 ； r 中 ： ； i l l；! ； ；：4 ；- ；| | 。：i 1 ； l il 寸中。丝； j l 车墨：。! f 李j i 警誉；i 壬 j 一 “ 醛：鞋 | | 擗， 1 0 ii 。j 。【e 王 跫，一l i ：j t ；- - 4 l j 1 1： 一l j j 腿i 一0 l _ l醑l ； ! l；： | 1 l 强；1= 一l l 4 蝉；：； + i l 皓一卜r 矗毒什开二一h 十 u o 一上j 0 土j 毒；，i i 。 | l i | |：i 。! ； | i 一 i i “基蔓 ；_ 。；j 了f | 。| 3 3 数据存储部分 图3 2 - b 采集器硬件去抖动电路 3 3 1 存储模块的电路图 在采集器实验板中，我选用了a t m e l 公司的a t 2 4 c 0 2 ( 2 5 6 x 8 b i t s2 - w i r e s e r i a lc o m se 2 p r o m ) 存储器1 2 3 1 , 主要的考虑是该存储芯片价格低、连线少， 在采集器中只用很少的连线就能实现存储器硬件设计，这在下面的单片机和存储 芯片的连接图及采集器p c b 图中可以很清楚的看到。 图3 3 1 一a 为采集器实验板中单片机p 8 7 l p c 7 6 4 的连接原理图： - j 一 p 8 7 l p c 7 6 4 一 ；i u ；、 删h j l“ l 靠f h i f g - e a 蛐h 一 卜卜一 p i】0 t o m 砚 舶1 c i n 2 b 锄一 f 3f p7p 02 c i n 2 a 一十 争一_ 一o 一l j ，t - , p6p 0 3 j c i n i b r 一 卜一一 卜 = = =+ 斗罄。l 。 。斗j p j r t s l 。p 0 4 c q l a ，。 p0贮h球ref l g l l - 1 t 姗 争， 卜卜卜 0 2 j ，o u tm p l一l ；： 叶一 s l n t lp0rel - 一 lcli b 一 3 m t o j s d a 0 ，) o ! 2 r r o j s c l1 庄b o 一 _ 1 2 ，d 卜+ 一- ； 3 卜a 采集器实验板中单片机p 8 7 l p c 7 6 4 的连接原理图9 硬士论支学生公寓隶惫气豪叁囊计量抄毂管莲系统鹣采集器夔诗 图3 3 1 - a 中，单片机p 8 7 l p c 7 6 4 他2 1 的p 1 2 引脚作为1 2 c 协议中的数据端 s d a ，p 1 3 引脚 乍为1 2 c 协议中的时钟控制端s c l ，分别于存储芯片a t 2 4 c 0 2 豁s d a 黎s c l 萼| 罄耪连，嚣逶造较薛在攀冀褪嚣p t 2 簿p t ；3 雩l 辩上产生芬台 存储苍片a t 2 4 c 0 2 要求的1 2 c 数据读写协议，这样就能够完成数攒的存储了。 燕于1 2 c 协议在本节下面会进行简要的介绍。 图3 3 1 b 为袋集器实骏扳中毒德芯片a t 2 4 c 0 2 麴连接菝理墨： 。 1 j l 卜； | 、 i 上 ；玉 i - - i i ； j ll i ； n ；l 如 毒 一j ：i 川 = e 矗t 奎l 轷絮1 2 8 鑫睦 a 8 ￥端 一 。+ 童 、r + 争t ”v a lw p 薄 卜4 rt a 2s c l 西一 | s 秘舟 l v s ss d 亍 ? “ l ! 沁喜乙i i i ；i ；： 睦卦 _ n l 千 一 汁；- 隆h - 一i 图3 ，3 1 吨采集器实验板中a t 2 4 c 0 2i i c 存储端连接原理圈 蓬3 3 o 为采集器窦验授懿p c b 窝： 霾3 + 3 。i c 泰察器突验蔽豹慈8 鼹 3 3 。21 2 c 通讯按议介缨 ( 1 ) 概述 在现代电予系统中，有为数众多的i c ( 集成电路) 嚣要进行棚拦之间以及 与餐赛鬟逶詹。凳了鬟离骥传鼹效率黎麓纯窀露羲设诗，p h i l t p s 野菠了一种瘸 顿+ 论文 学生公寓东瞧气表自动计量抄媛管理系统懿采集嚣设计 于内部i c 控制的简单的双向两线串行总线i 。1 2 c 总线支持任何一种i c 制造工 艺，并且p h i l i p s 和其他厂商提供了种类非常丰富的i2 c 兼容芯片。作为一个专 裂涎控麓总线， 已经残为镦爨瞧款工业标准。 图3 3 2 为便用两个微擦制器的1 2 c 总线配置举例： 图3 ，3 2 掰个微控制器鹣1 2 c 总线配鬣铡图 每个器件郡有一个唯一的地址，而髓w 以是单接收的器件( 侧如：l c d 驱动 器) 或者可以接收也可以发送的器件( 例如：存储器) 。发送器或接收器可以在 主模式或从模式下操 乍，这取决于芯片慰秀必须启动数据豹传输还是仅仅被寻 簸。1 2 e 是一个多主总线，霹它可蓉由多个连接静器佟接翻。 基本的1 2 c 总线规范予2 0 年前发布，其数据传输遽率最高为l o o k b i t s s ， 采用7 位寻址。但是由于数据传输速率和应用功能的迅速增加，i 总线也增强 为快速模式( 4 0 0 k b i t s s ) 葶羹1 0 整寻蛙浚滚是更裹速瘦弱曼大寻蛙窆阉戆零求。 1 2 c 总线始终和先进技术保持同步，假仍然保持其向下兼容性。并且最近还 增加了高速模式，其速度可达3 4 m b i t s s 。它使得1 2 c 总线能够支持现有以及 掇采戆裹速串行馋输痤矮，铡如e e p r o m 鞠f l a s h 存德嚣。“”1 ( 2 ) 1 2 c 总线簸箍筒述： 对于面向8 位的数字控制应用，譬如那些要求用微控制器的，鼹建立一些设 计标准： 一个完熬懿系统逶鬻痰至乡一个檄投毒l