（光学专业论文）智能电力监测系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 本文根据我国电力监测系统的现状及配电自动化的要求，在借鉴国内外众多 远程监测终端技术方案的基础上，针对目前配电监测终端的成本、测量精度、信 息传输手段和可靠性等方面存在的问题，采用模块化的设计理念，利用高精度电 能测量芯片a t t 7 0 2 2 b 和s t c 8 9 c 5 1 单片机核心，成功完成了智能电力监测系统终 端的设计。在整体结构上采用三层电路板，实现了强弱电信号的隔离，提高了系 统的抗干扰性。该终端采用r s 4 8 5 通讯接口、m o d b u s 通信协议，通过组态软件， 实现了监控机对终端的远程监测和控制。 本文开发了智能电力监测系统的单片机处理程序、串行通讯协议和上位机监 控系统，完成了智能电力监测系统的性能测试，运行情况良好。系统稳定性高， 测量准确，监控机软件功能全面，操作简单，达到了预期的设计目标。 关键词电力监测监测终端串行数据通信a t t 7 0 2 2 b a b s 仃a c t a b s t r a c t an e wd e s i g no fi n t e l l i g e n tp o w e rm e a s u r i n gs y s t e mw a sp r o p o s e di n “sp a p e r 7 n l en e wd e s i 印i sb a s eo nt l l ea n a l y s i so ft 1 1 ec u r r e n ts i t u a t i o no fp o w e rm e a s u r i n g s v s t e m ，t 1 1 en e e d so fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ni no u rc o u n t 巧a n dt l l ei n t e m a t i o n a la n d d o m e s t i c 刑r e s e a r c h t h ei n t e l l 追e n tp o w e rm e a s u r i n gs y s t e mi sb a s e do nt 1 1 ei d e ao f m o d e l ，t l l ed e s i g i lh a ss u p e r i o r i 够o np r i c e ，p r e c i s i o na i l dr e l i a b i l i 吼s t c 8 9 c 5 1w a l su s e d a sc o m r o l l i n gc o r ea n d1 1 i 曲a c c u r a c y ，m u l t i 如n c t i o n a lt h r e e p h a s ee n e 玛ym e t e r i n g 筒阿7 0 2 2 ba sd a t ac o l l e c t i n gc o r e t l l es y s t e md e s i g nc o n s i s t st i l i e ec i r c u i tb o a r d ， w h i c hc a l le m c i e n t l yi m p l e m e n ti s o l a t es 仃o n ga n dw e a ks i 印a l ，a n dc a l le 船c t i v e l y i m p r o v en o i s ei m m u i l i 以1 1 1 em o d u l ea d o p t s 也er s 一4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e 血c ea 1 1 d m o d b u s i u uc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ，t h r o u g ht h ec o n f i g u r a t i o ns o 小l i e ， t h e p e r s o n a lc o m p u t e rc a na c h i e v em eg o a lo fr e m o t em o n i t o r i n g o fo n - o 正 7 n l i sp a p e rd e v e l o p e dm c us o r w a r e ， s e r i a lc o m m u 】蚯c a t i o np r o t o c o la 1 1 dh o s t c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，c o m p l e t e dp e 墒m = 1 a n c em e a l s u r e d t h i ss y s t e m s i so p e r a t e di n t h eg o o dc o m m u n i c a t e d ，l o w - p r e s s u r es y s t e ma i l dt h eo p e r a t i o ni si nag o o dw a yi ti s v e r ys t a b l e a n dt h ew o f i ( i n gv o l t a g e s 啪g ei sb r o a d t h em o n i t o d n gs o 氰v a r e s m n “o na r ea 1 1 s i d e ，i t so p e r a t i o ni ss i m p l e ，t h eh u m a i lm a c h i n ei n t e r a c t i o ni n t e r f a c ei s g o o d i ta c h i e v e dt l l ea n t i c i p a t e dd e s i g n m e n tr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tp o 、v e rm e a s u r i n g ； d i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gt e m l i n a l ； s e r i a l p o r td a l t ac o m m u n i c a t i o n ； a t t 7 0 2 2 b 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：扭叁! 盈 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 日期2 华至。z 垒一 日期毒乒弛l 第一章绪论 第一章绪论 电力工业是国民经济的命脉，是重要的支柱产业。随着国民经济的迅速发展， 城乡用电负荷量与日俱增，供电质量和供电可靠性的要求也愈来愈高。因此，围 绕配电系统的相关研究成为了一个重要的研究方向，对电力监测系统的研究具有 十分广阔的应用前景。本课题就是针对智能电力监测而进行的一项研究与设计。 1 1 研究背景 电力系统状态监测与故障诊断是近1 0 年来发展较快的新技术，但由于局限于 技术的发展，传统的电力计量装置对其功能难以实现。传统的电力计量系统大多 采用机械式仪表( 包括电能表、电流表、电压表、功率表等等) 。这不仅使得计量 回路上仪表众多，故障率高，而且大大影响了电力信号测量的准确性。因为在传 统的计量系统中，电流表功率表的电流回路与电能表的电流回路串联在一起，在 大多数带有电流互感器的计量系统中，这样的连接方式实际上大大增加了电流互 感器二次回路阻抗，对电力信号测量结果的准确性影响较大。同时，传统的电力 计量系统无法实现数据的自动采集与分析，工作人员不得不通过定期循检来抄收 各种电力数据并确保计量回路装置工作正常。这些也给人工抄表带来了很多问题， 诸如抄读数据存在误差，操作难以规范化，数据采集不及时、耗费人工多、成本 高、效率低。 随着信息技术的飞速发展，为电力系统运行、监视、控制提供了新的技术手 段，同时也对生产和经营管理提出了更高的要求。现代化生产和经营管理不仅要 求对大量信息迅速进行科学处理，而且还要求对复杂的管理问题进行最佳决策， 传统的手工管理方式已经远不能适应这种需求，必须建立以计算机为核心的智能 电力监测系统。 从实际应用上讲，电力监测系统是一个对电力信号信息进行收集、传送、加 工、监测和管理的系统。从实现方式上讲，电力监测系统是一个以数据库技术、 计算机网络技术为基础，以b s 结构为支撑的一组有机联系的应用程序。 近年来美国加拿大和欧洲大停电事件为我国电力系统的安全运行提出了严肃 警示。电力系统的安全问题直接影响着人民生命财产安全和经济发展与社会稳定。 目前，电力不足问题已经对我国的经济发展产生严重影响，电力系统的超负荷运 行不但使供电质量降低，更为严重的是导致运行事故大量增加，直接影响到人身 安全和电气设备安全。因此，本研究课题以针对电力系统数据信号采集数据通信 以及电力系统状态监测为研究主题，研究设计出一种多功能电力监测系统，对电 力系统运行状况实现实时动态在线监测。 2 智能电力监测系统的设计与实现 1 2 电力监测系统的发展现状及发展趋势 电力监测系统在国外起步较早，大约2 0 世纪7 0 年代许多发达国家就开始了 电力监测系统的试点工作，监测终端己从早期的单一功能、简单的通信方式发展 到现在的智能化、小型化、多功能化并具备有多种通信方式。目前国外正在借助 于配电监测设备，积极开展有关电力系统电能质量监控的研究。如加拿大p o w e r m e a s u r e m e n t l t d 公司生产的高级电力综合监控仪，集采集、测量、控制、通信功 能于一体，采用了高性能的d s p 芯片用于数字信号处理，并增加了微机继电保护 功能。但是，国外产品由于其面板按键操作较复杂，技术实现上有所差异，加之 价格昂贵，不能完全适合我国配电网的现状和需求。 国内电力监测的研究起步于2 0 世纪9 0 年代，较发达国家约滞后2 0 年。由于 近年来计算机技术、通信技术以及电力事业的飞速发展，配电网综合自动化成为 必然趋势，国内许多厂家和研究单位纷纷研制和开发各种类型的配电监测终端【1 。】。 配电终端硬件设计从早期的单c p u 结构到多c p u 结构，发展到现在的 c p u + d s p + e p l d 技术。为了保证配电终端硬件设计的高可靠性、故障检测的实时 性以及谐波检测分析的需要，数字信号处理器的高速采样和数据处理技术以及冗 余设计、自诊断、自检等渐渐成为普遍采用的硬件设计技术。目前存在的终端硬 件设计有4 种基本类型1 4 8 j 。 我国早在2 0 世纪7 0 年代就出现了电子式电度表，随着数字电子技术的飞速 进步，电子式电度表的功能逐渐增多并同趋完善。电子式电度表一般由电能测量 机构和数据处理机构两部分组成，根据电能测量机构的不同，又分为机电脉冲式 电度表和全电子式电度表两大类。机电脉冲式电度表继承了感应系电度表结构牢 固、长期运行可靠和价格低廉的优点，因而在民用电能计量领域被广泛采用。全 电子式电度表大多采用单片的集成芯片电路，成本比较低廉，是目前现场用量最 多的一种。 近年来，随着用电管理的要求的不断提高，各种新型电子式电度表不断推出， 型号各异，功能众多，但其基本原理相同，主要功能可归为三个方面：计量、计 费功能，包括分时计量、最大需量计量和预付费等；保护功能，包括过电流、过 电压保护与防窃电等；通讯功能，可以是红外通讯、无线电通讯或载波通讯和i c 卡模式等。 在电表发展的带动下，抄表也经历了不同的时期，演化出很多抄表模式，实 现了从手动抄表到自动抄表的过渡，其中出现了以p d a 为代表的手持式抄表器、 i c 卡表自动抄表系统、电力载波自动抄表系统、区域远红外抄表、车载抄表系统 等。 第一章绪论 展望电力监测系统的发展趋势，正朝着“分布化、智能化、集成化、可视化 和协调化的方向发展，未来的配电监测终端将具备智能化、自动化、可互操作 性可扩充性强、灵活性可靠性高。 1 3 论文所作的主要研究工作 本文在阐述了我国电力监测系统现状和电力监测系统的研究背景和意义的基 础上，分析了国内外配电监测技术的发展现状和趋势，比较了目前各种配电监测 终端实现方法，针对实际应用中存在的精度、价格、通信、可靠性等问题，提出 了一种高精度、高可靠性的电力监测系统设计方案，并完成了样机的制作与调试。 本文主要工作内容的章节安排如下： 第一章是绪论，阐述了智能电力监测系统的研究背景，分析了国内外研究现 状，介绍了本论文的主要研究工作。 第二章对电力监测系统的结构与功能进行了详细的介绍，介绍了系统的基本 组成、功能特点，重点介绍了系统中多功能电能表和监控机的功能。 第三章介绍了电力监测系统中的r s 4 8 5 串行通信接口技术和m o d b u s 通信协 议，从基本含义、接口标准、接口电路和应用等方面着重介绍r s 4 8 5 串口通信技 术，针对r s 4 8 5 通信中易出现的各种问题，说明了r s 4 8 5 通信中的安装注意要 点和传输线上匹配方式。本章从m o d b u s 通信协议的基本概念开始，对m o d b u s 通 信协议的主从机制、传输模式、m o d b u s 信息帧的构成以及校验方法进行了深入的 分析和归纳，介绍了m o d b u s 通讯协议的通信模式和功能，为系统的串行通信软 件的实现奠定了基础。 第四章详细介绍了多功能电能表的设计原理，进而提出了完整的多功能电能 表的设计方案，讲述了多功能电能表的有功无功功率、能量、电压、电流等计算 的基本问题，为多功能电能表的开发奠定了理论基础。 第五章根据设计方案采用模块化设计的方法，完成了多功能电能表的硬件设 计，分别完成了数据采集计量模块、数据处理模块、电源模块、通讯电路等硬件 设计，介绍了本系统的电磁兼容性设计。 第六章结合设计方案和硬件设计，完成了智能电力监测系统的软件设计，包 括串行通讯协议设计、单片机控制软件设计、监控计算机软件设计等。 第七章完成样机设计的基础上，对样机进行了精度测试，给出了智能电力监 测系统的测试与运行情况，介绍了测试结果。 最后，总结了本课题的设计成果，并对今后的研究工作进行了展望，探讨了 下一步研究工作的具体目标与方向。 第二章电力监测系统的结构与功能 第二章电力监测系统的结构与功能 2 1系统结构 本系统是针对现有电力系统监测装置的缺陷与不足，提出的一种全新概念的 电力智能监测系统，把传统的电能表、现代电力系统网络智能检测及管理系统与 通信控制单元有机的结合起来，以实现电力系统动态检测、高精度电能计量与信 息通信、状态监测和故障诊断等功能，从而达到电力系统的实时监测与自动化管 理，为设备维护、维修提供决策依据。 一个完整的智能电力监测系统应该由监控计算机、信号传输网络和多功能电 能表组成，其结构可由图2 1 表示。 图2 1 智能电力监测系统结构 由此可以看出：智能电力监测系统包括信号采集层、传输层和监控层三部分。 本课题研究的主要部分是信号采集层和传输层，主要研究和设计了一种带有通信 接口的电力参数监测采集终端( 也称多功能电力仪表，以下称多功能电能表) 。 2 2 多功能电能表的功能概述 多功能电能表是功能齐全、价格较高的全电子式电能表，可计量正、反向有 功电能、四象限无功电能、最大需量，具有分时计费、失压记录、失流记录、缺 相记录、数据存储、远方通信等多种功能。多功能电能表可以使用在各电网交汇 处、枢纽变电站、关口变电所、大型发电机组网点等重要电量贸易结算点。多功 能电能表实现如下功能： 2 2 1 电能计量功能 作为电能表，最为重要的就是电能计量功能，多功能电能表具有输入、输出 6 智能电力监测系统的设计与实现 有功计量，输入、输出无功计量，四象限无功计量，视在电能计量等，还根据用 户要求可以计量组合无功( 如感性无功为i 象限和i i i 象限无功绝对值相加；容性 无功为i 象限和象限无功绝对值相加) 。 一般电能计量是累计电量，为用表以来的用电量的总和，多功能电能表还要 求记录多月电量，也就是历史电量。 输入有功一般也叫做正向有功，指电流从输入端子到输出端了的方向；而输 出有功也叫做反向有功，电流方向与正向相反。 输入无功指电流滞后于电压时，线路所具有的无功；而输出无功指电流超前 于电压时所具有的无功。 2 2 2 分时计量功能 将一天分成若干时问段，给每段时问规定其费率特征：尖、峰、平、谷。按 照费率特征分别累计电量，即得到电能的分时计量。规定不同的费率就实现了调 节用电量，从而达到削峰添谷、平衡负荷的作用，使发电机及供电网发挥最大的 功效。电能表的分时计量需要表计内部自带实时时钟，并且将时段参数设置到表 计中，电能表自动进行时段的切换。 复杂的时段表有节假日表、周休日表、季节表等，以满足不同需要。 为准确进行分时计费，要求表计内部时钟精度较高：日计时误差小于0 5 s ， 而时段切换误差小于5 s 。 2 2 3 最大需量计量 由于生产的特点，用户负载( 功率p ) 是随时间变化的，将一天2 4 小时分为若干 段，每一段时间为t ，在每一t 内的平均功率称为用户需量，t 称为需量周期。在一 定结算期内( 如一个月) ，所有用户需量中的最大值，即为该用户的当月最大需量旧1 。 大工业用户( 配变容量大于等于3 2 0 k v a 的大型矿企业) 申请接线时，必须申报 其变压器装机容量及最大需量，供电门根据容量或最大需量设计、铺设新线路及 配电供电设备。若申请需量大，实际负荷小，则供电容量占空，投资浪费；若中 请需量小，实际负载大，则设备线路过负荷，影响供电质量，甚至使设备损坏造 成事故。 多功能电能表采用滑差式方法测量最大需量。 需量周期一般为5 、1 0 、1 5 、3 0 、6 0 m i n 。 计算需量的问隔称为滑差步进时间，也称为滑差时间，一般为1 、3 、5 、1 5 m i n 。 最大需量的计量方法是：每个滑差步进时到时，计算截止到当前时刻的一个 需量周期的平均功率，并且与最大值进行比较。若大于最大值，则将其记录为最 大值。 第二章电力监测系统的结构与功能7 2 2 4 监控功能 多功能电能表可以实现一些监控功能，有以下几种： 功率监控：设定功率上限，当电能表计量的功率超过上限时报警，如果连续 超限将跳闸。 断相监测：当电能表检测到某相电压小于给定电压下限时，表明发生故障， 电能表将给出断相报警，并记录发生时间、发生累计次数、发生累计时间。 过流监测：当电能表监测到电流人于给定上限时，电能表给出过流报警，并 记录发生时刻、发生次数、发生累计时间。 失流监测：当电流发生不平衡时，电能表判断为失流，将记录累计时间以及 发生时刻，为故障分析作参考。 2 2 5 监测功能 多功能电能表可以测量各相瞬时电压、电流、有功功率、无功功率、各相功 率因素、视在功率等，高档表还可以分析谐波含量和相角等，这些功能可以用于 用电监测与判断，用电管理系统以及综合分析系统提供数据。 2 2 6 事件记录功能 多功能电能表可以记录多种事件的发生时间及当时的状态，以便进行故障分 析和判断。包括：电能表上电、清零、设置参数、最大需量清零、断相、失压、 过流、失流、功率超限、自检出错等。在多功能电能表中事件记录非常重要。 2 2 - 7 自检功能 多功能电能表功能较多，构成比较复杂，由于承担着电能量计费的重要功能， 使用可靠性要求高。电能表中各个部分都有可能会损坏，在损坏后，电能表会及 时发出信号( 显示报警或声光报警) 以提示用户尽快处理。 一般自检如下部件：电能表内部的时钟芯片、存储器( 包含数据存储器和程序 存储器) 、显示器等，电能表外部接线情况：逆向序、电流反向，线路故障：断相、 电流不平衡、电压过压、超功率等。 2 2 8 负荷曲线记录 为了满足用电监测、关口表竞价上网等功能，电能表需要带时标( 记录时刻) 记录多种电量，一般记录间隔可以设定为一分钟或几十分钟，记录的电量数据有： 有功电能、无功电能、电压、电流、有功功率、无功功率等。要求记录时间为儿 天、几个月甚至一年。通过手持装置或其他方式从电表内将这些数据读出，可以 画出不同记录电量的时间曲线。电能表内部一般设计有大容量数据存储器用于保 存负荷曲线记录数据n 0 | 。 8 智能电力监测系统的设计与实现 2 3 监控机的功能 将多台多功能电能表连接起来以后，还需要一台监控计算机来集中收集和处 理各块表所采集的数据，并对它们实施必要的管理与控制，才能组成一个监控网 络。监控计算机具有以下功能： 2 3 1 数据集中显示功能 监控机通过串行口通信端口获取各个仪表所采集的数据，并将所需的一些主 要数据实时显示在计算机的屏幕上，直观地表示出各个仪表所在电力节点的运行 状态，如该节点是否断电、仪表是否正常运行，各项参数是否处于正常范围之内 等。当出现异常情况时还可以发出报警信号，以通知管理员采取必要的措施。如 果需要对某一个电表进行重点监控，还可以查看该电表的详细信息。 2 3 2 数据存储及历史数据查询功能 当需要对某一段时间内的用电情况进行分析时，比如统计用电高峰，电压最 不稳等，监控计算计将实时得到的参数进行存储，并能够以图表的形式表示出来， 显示出某一段时间内各个参数随时间变化的曲线图。 2 3 3 控制功能 利用仪表上的开关量输入输出端口来控制同仪表输出端相连的开关量，监控 计算机可以读出每台智能仪表的开关量输入信号。管理员可根据当前的开关输入 量以及各仪表的运行状态，手工打开或关断各输出端口继电器，也可以由计算机 按照预先的设定自动将输出端口置为预定值，从而实现对电表的远程控制。 2 3 4 组态功能 提供一个组态软件，使用户能够配置一个监测网络。通过这个工具，用户可 以设置计算机的通信速率、通信端口号等，并且具有图形化的操作界面，可直观 的添加一个智能仪表到监测网络中去，设定它的通信地址，以及其口令、p t 值、 c t 值、时钟日历等系统参数，还可添加一些文字以描述该仪表的有关信息。 2 3 5 网络功能 监控计算机还可构成局域网，或被连在i n l e m e l ，i n l e a n e l 上，通过一定的协议同 更高层的计算机共享数据，从而使得电力监测网络具有良好的可扩展性，能够通 过计算机网络有机的融合到更大的信息系统中去，以更有效、更充分的利用智能 仪表测量到的数据，实现更大范围内的信息化管理。 第三章智能电力监测系统远程通信的实现9 第三章智能电力监测系统远程通信的实现 本课题设计的智能电力监测系统采用基于m o d b u s 通信协议的r s 4 8 5 通信方 式，实现了上位监控机对监测终端的控制，本章我们主要介绍r s 4 8 5 标准和m o d b u s 通信协议。 3 1r s 4 8 5 串行通信接口技术 3 1 1 接口标准 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、 电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应 用，许多厂家都建立了一套高层协议，或公开或厂家独家使用。【l l 】如录像机厂家 中的s 0 n y 与松下对录像机的r s 4 2 2 控制协议是有差异的，视频服务器上的控制协 议则更多了，如l o u t h 、o d e t i s 协议是公开的，而p r o l i n k 则是基于p r o f i l e 上的。 由于p c 上的串行数据通讯是通过u 舢玎芯片( 较老版本的p c 采用1 8 2 5 0 芯片或 z 8 5 3 0 芯片) 来处理的，其通讯协议也规定了串行数据单元的格式( 8 n 1 格式) ： l 位逻辑0 的起始位，6 7 8 位数据位，1 位可选择的奇( o d d ) 偶( e v e n ) 校验位，1 2 位逻辑1 的停止位。基于p c 的r s 一2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 标准均采用同样的通讯协议。 规定 r s 2 3 2r s 4 2 2r s 4 8 5 工作方式单端差分差分 节点数1 收、1 发1 发1 0 收l 发3 2 收 最大传输电缆长度5 0 英尺4 0 0 英尺 4 0 0 英尺 最大传输速率 2 0 k b sl o m b s1 0 m b s 最大驱动输出电压 十- 2 5 v0 2 5 v + 6 v7 v + 12 v 驱动器输出信号电平( 负载最小值) 负载 七| s n 七| 一、s n + - 2 o v+ 一1 5 v 驱动器输出信号电平( 空载最大值) 空载 十2 5 v+ - 6 v+ | 斟 驱动器负载阻抗( q ) 3 k 7 k1 0 05 4 摆率( 最大值) 3 0 v us n an a 接收器输入电压范围 + - 1 5 v1 0 v + 1 0 v7 v + 1 2 v 接收器输入门限 七| o n斗一2 0 0 m v+ - 2 0 0 m v 接收器输入电阻( q ) 3 k 7 k 4 k ( 最小) 1 2 k 驱动器共模电压 一3 v + 3 v1 v + 3 v 接收器共模电压7 v + 7 v一7 v + 1 2 v 表3 1r s 一2 3 2 、r s 一4 2 2 、r s 一4 8 5 通讯方式的区别 1 0 智能电力监测系统的设计与实现 1 r s 一2 3 2 标准 目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定义 为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传输方 式，即单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，如从d t e 设备发出的数 据在使用d b 2 5 连接器时是2 脚相对7 脚( 信号地) 的电平，d b 2 5 各引脚定义参 见图3 1 。典型的r s 2 3 2 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器 输出正电平在+ 5 + 1 5 v ，负电平在5 1 5 v 电平。当无数据传输时，线上为t t l ， 从开始传送数据到结束，线上电平从t t l 电平到r s 2 3 2 电平再返回t t l 电平。接 收器典型的工作电平在+ 3 + 1 2 v 与一3 一1 2 v 。由于发送电平与接收电平的差仅为 2 v 至3 v ，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最 大为约1 5 米，最高速率为2 0 k b s 。r s 2 3 2 是为点对点( 即只用一对收、发设备) 通讯而设计的，其驱动器负载为3 7 kq 。所以r s 2 3 2 适合本地设备之间的通信i l 引。 d 强 r s _ 2 3 2 嗽5 连接器；l 辫 图3 1r s 2 3 2 连接器引脚 2 r s 4 8 5 串行接口标准 由于r s 4 2 2 4 8 5 标准在电气特性上非常相近，在传输方式上有所区别。为便 于理解，下面将主要介绍应用比较普遍的r s 4 8 5 标准。 r s 4 8 5 标准与r s 2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方式( d i 艉r e n t i a l d r i v e rm o d e ) ，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 ，如图3 2 所示。 a b c 一一+ 6 容许范围 + 2 a b 电压范围 - 2 对r s 一4 2 2 是可选 对r s 一4 8 5 是必选一- 6 容许范围 图3 2r s 一4 8 5 发送器的示意 磷 嗷ml塞双仪舳 硌豫n埒9875532l 一 ，m”m哺”m” 巧m硌孜组曲垮培圩撼晤睡 =黻 e 第三章智能电力监测系统远程通信的实现l l 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2 6 v ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c ，在r s 4 8 5 中还有一“使 能 端，而在r s 4 2 2 中这是可用可不用的。“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a a 与b b 对应 相连，当在收端a b 之间有大于+ 2 0 0 m v 的电平时，输出正逻辑电平，小于一2 0 0 m v 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 v 至6 v 之间。 参见图3 3 。 传辘电匿慈曩 图3 3r s 一4 8 5 接收器的示意 定义逻辑1 ( 正逻辑电平) 为b a 的状态，逻辑o ( 负逻辑电平) 为a b 的 状态，a 、b 之间的压差不小于2 0 0 m v 。 t i e i a 4 8 5 串行通讯标准的性能如表3 2 所示： 规格t i 。a ，e i a 4 8 5 传输模式平衡 电缆长度 9 0 k b p s 4 0 0 0 r ( 1 2 0 0 m ) 电缆长度 1o m b p s 5 0 r ( 1 5 m ) 数据传输速度1 0m b p s 最大差动输出 6v 最小差动输出1 5 v 接受器敏感度o 2 v 发送器负载( 欧姆) 6 0 q 最大发送器数量3 2 单位负载 最大接收器数量3 2 单位负载 表3 2t i a e i a 一4 8 5 通讯方式的性能 r s 一4 8 5 标准的最大传输距离约为1 2 1 9 米，最大传输速率为1 0 m b p s 。通常， r s 4 8 5 网络采用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传输速率成反 1 2 智能电力监测系统的设计与实现 比，只有在2 0 k b p s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距 离下才能获得最高速率传输。一般来说，1 0 0 米长双绞线最大传输速率仅为l m b p s 。 注意：并不是所有的r s 4 8 5 收发器都能够支持高达1 0 m b p s 的通讯速率。如 果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限制。 r s 4 8 5 网络采用直线拓朴结构，需要安装2 个终端匹配电阻，其阻值要求等 于传输电缆的特性阻抗( 一般取值为1 2 0q ) 。在矩距离、或低波特率波数据传输 时可不需终端匹配电阻，即一般在3 0 0 米以下、1 9 2 0 0 b p s 不需终端匹配电阻。终 端匹配电阻安装在r s 一4 8 5 传输网络的两个端点，并联连接在a b 引脚之间。 在过去的十多年中，建议性标准r s 一4 8 5 作为一种多点差分数据传输的电气规 范，被应用在许多不同的领域，作为数据传输链路。目前，在我国应用的现场网 络中，r s 4 8 5 半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。 但是基于在r s 4 8 5 总线上任一时刻只能存在一个主机的特点，它往往应用在集中 控制枢纽与分散控制单元之间。 3 1 2r s - 4 8 5 接口电路 r s 4 8 5 接口电路的主要功能是：将来自微处理器的发送信号t x 通过“发送 器”转换成通讯网络中的差分信号，也可以将通讯网络中的差分信号通过“接收 器”转换成被微处理器接收的r x 信号。【h 任一时刻，r s 一4 8 5 收发器只能够工作 在“接收”或“发送”两种模式之一，因此，必须为r s 4 8 5 接口电路增加一个收 发逻辑控制电路。另外，由于应用环境的各不相同，r s 4 8 5 接口电路的附加保护 措施也是必须重点考虑的环节。 下面以选用s p 4 8 5 r 芯片为例，列出r s 4 8 5 接口电路中的几种常见电路，并 加以说明。同理，这一节提供的电路实例对r s 一4 2 2 接口设计也具有设计参考作用。 1 基本r s 4 8 5 电路 图3 4 为一个经常被应用到的s p 4 8 5 r 芯片的示范电路，可以被直接嵌入实际 的r s 4 8 5 应用电路中。微处理器的标准串行口通过r x d 直接连接s p 4 8 5 r 芯片的 r o 引脚，通过t x d 直接连接s p 4 8 5 r 芯片的d i 引脚。 囹3 4s p 4 8 5 r 的基本r s 一4 8 5 电路 第三章智能电力监测系统远程通信的实现 1 3 由微处理器输出的i 信号直接控制s p 4 8 5 r 芯片的发送器接收器使能：舳 信号为“1 ”，则s p 4 8 5 r 芯片的发送器有效，接收器禁止，此时微处理器可以向 r s 4 8 5 总线发送数据字节；舳信号为“0 ，则s p 4 8 5 r 芯片的发送器禁止，接 收器有效，此时微处理器可以接收来自r s 一4 8 5 总线的数据字节。此电路中，任一 时刻s p 4 8 5 r 芯片中的“接收器 和“发送器”只能够有1 个处于工作状态。 连接至a 引脚的上拉电阻r 7 、连接至b 引脚的下拉电阻r 8 用于保证无连接 的s p 4 8 5 r 芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高r s 一4 8 5 节点与网络的可 靠性。如果将s p 4 8 5 r 连接至微处理器8 0 c 5 l 芯片的u a r t 串口，则s p 4 8 5 r 芯片 的r o 引脚不需要上拉；否则，需要根据实际情况考虑是否在r o 引脚增加1 个大 约1 0 k 的上拉电阻。 s p 4 8 5 r 芯片本身集成了有效的e s d 保护措施。但为了更加可靠地保护 r s 4 8 5 网络，确保系统安全，我们通常还会额外增加一些保护电路。 电路图中，钳位于6 8 v 的t v s 管v 4 、v 5 、v 6 都是用来保护r s 4 8 5 总线的， 避免r s 一4 8 5 总线在受外界干扰时( 雷击、浪涌) 产生的高压损坏r s 一4 8 5 收发器。 当然，也选择集成的总线保护元件，比如o n s e m i 半导体的n u p 2 1 0 5 l 器件 ( s o t - 2 3 封装，集成2 个双向t v s 器件) ，作为s p 4 8 5 r 芯片的附加保护措施。 另外，电路中的l 1 、l 2 、c 1 、c 2 是可选安装元件，用于提高电路的e m i 性 能。图中附加的保护电路能够对s p 4 8 5 r 芯片起到良好的保护效果。 2 隔离r s 4 8 5 电路 图3 5 为一个使用光电隔离方式连接的s p 4 8 5 r 芯片的示范电路，可以被直 接嵌入实际的r s 4 8 5 应用电路中。微处理器的u a r t 串口的l d 、t x d 通过光 电隔离电路连接s p 4 8 5 r 芯片的r o 、d i 引脚，控制信号鼬，d 同样经光电隔离电路 去控制s p 4 8 5 r 芯片的d e 和l 迮引脚。 图3 5s p 4 8 5 r 的隔离r s 一4 8 5 电路 由微处理器输出的i 信号通过光电隔离器件控制s p 4 8 5 r 芯片的发送器接 收器使能：i 信号为“l ”，则s p 4 8 5 r 芯片的d e 和r e 引脚为“l ，发送器有 1 4 智能电力监测系统的设计与实现 效，接收器禁止，此时微处理器可以向r s 4 8 5 总线发送数据字节；i 信号为“o ”， 则s p 4 8 5 r 芯片的d e 和r e 引脚为“o ，发送器禁止，接收器有效，此时微处理 器可以接收来自r s 4 8 5 总线的数据字节。任一时刻，s p 4 8 5 r 芯片中的“接收器” 和“发送器”只能够有1 个处于工作状态。 连接至a 引脚的上拉电阻r 7 、连接至b 引脚的下拉电阻r 8 用于保证无连接 的s p 4 8 5 r 芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高r s 4 8 5 节点与网络的可 靠性。使用d c d c 器件可以产生l 组与微处理器电路完全隔离的电源输出，用于 向r s 4 8 5 收发器电路提供+ 5 v 电源。 电路中光耦器件的速率将会影响r s 4 8 5 电路的通讯速率。图3 5 中选用了n e c 公司的光耦器件p s 2 5 0 1 芯片，受p s 2 5 0 1 芯片的响应速率影响，这一示范r s 一4 8 5 接口电路的通讯速率只可保障在1 9 2 0 0 b p s 速率下正常工作；如果需要达到更高的 r s 4 8 5 通讯速率，则需要选用响应速度更快的光耦器件，比如a 鲥e n t 公司的超 高速光耦元件。【1 5 j s p 4 8 5 r 芯片本身集成了有效的e s d 保护措施。但为了更加可靠地保护r s 4 8 5 网络，确保系统安全，我们通常还会额外增加一些保护电路。当然，我们使用图 3 5 中介绍的保护电路，同样可以对s p 4 8 5 r 芯片起到良好的保护效果。 3 上电抑制电路 由多个r s 4 8 5 收发器连接而成的r s 4 8 5 多机网络中，任一时刻只能够有一 个r s 4 8 5 发送器工作在“发送”状态，其余节点必须工作在“接收”状态；这称 为“单主多从 通讯方式。在一个r s 4 8 5 网络中同时有2 个或更多个r s 一4 8 5 收 发器工作在“发送状态将会导致数据丢失、产生错误，严重的甚至损坏r s 4 8 5 收 发器，使r s 4 8 5 网络瘫痪。因此，在设计阶段时就应仔细考虑，避免后期可能出 现的种种事故隐患。 1 r i _ i h 卜衙2 h ” 4 c k 蚓：雾”尊i i 医焉h t 。 图3 6r s 一4 8 5 接口电路的上电抑制 图3 6 所示实例介绍了在一个应用系统上电阶段的r s 一4 8 5 接口电路设计窍 ? 。r s 一4 8 5 接口电路实现系统的通讯功能，但仅是一个完整系统中的一个有机部 第三章智能电力监测系统远程通信的实现 1 5 分，当然受到微处理器的状态控制。当微处理器在上电时，串行通讯接口的控制 信号s c ld e 并不能够确定处于高或低电平状态，这可能会导致该单元在上电阶段 向r s 一4 8 5 网络发送一组“无效”数据，破坏原来正常的网络通讯功能。设计时增 加一组由r 1 、c 1 、d 1 、u 1 简单元件组成的上电抑制电路，即可以避免在应用系 统上电时出现网络通讯事故。 4 r s 4 8 5 自动换向电路 前面的电路中，都使用了一个串行通讯接口的控制信号s c i d e 来控制r s 一4 8 5 收发器的发送器接收器使能引脚。图3 7 则演示了另一种自动控制r s 一4 8 5 芯片 的发送器接收器使能引脚的方式，通常称作为r s 一4 8 5 接口电路的自动换向功能。 当t x d 信号为“1 ”，即无输入信号时，s p 4 8 5 r 芯片工作在“接收”状态；当 t x d 为“0 ，即有信号输入时，即执行发送功能时，来自t x d 信号上的有效电平将 自动禁能接收器，使能发送器，从而将t x d 信号发送到r s 一4 8 5 网络。 图3 7r s 一4 8 5 接口电路的自动换向 r s 一4 8 5 接口电路的自动换向功能可以有很多种可实现的不同电路形式，但其 基本内容都是由t x d 信号来控制r s 一4 8 5 芯片中接收器发送器的开关切换。 由于r s 一4 8 5 接口电路的自动换向将占用一部分接口电路的切换时间开销、信 号驱动开销，因此，这一种低成本的r s 一4 8 5 接口电路可能并不适合所有的r s 一4 8 5 应用。比如，在需要可靠性或高速度长距离，尤其在节点较多、负载重的情况下， 强烈建议选用前面介绍的独立控制的r s 一4 8 5 接口电路收发控制方法。 3 2r s 4 8 5 应用中的基本问题 3 2 1r s 4 8 5 的网络安装注意要点 r s 4 8 5 支持3 2 个节点，因此多节点构成网络。网络拓扑一般采用终端匹配的 总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点： ( 1 ) 采用双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引 出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。图3 8 中 1 6 智能电力监测系统的设计与实现 的a ，c ，e 连接方式是错误的，在短距离、低速率能正常工作，但随着通信距离的 延长或通信速率的提高，其影响会越来越严重。【1 6 】b ，d ，f 才是正确的连接方式。 ( 2 ) 应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。 如总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安 装，再者是过长的分支线引出到总线等情况就容易产生不连续。 总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。 米旧 7 广 图3 8r s 一4 8 5 的连接方式 3 2 2 悠4 8 5 传输线上匹配的说明 对r s 4 8 5 总线网络一般要使用终接电阻进行匹配。但在短距离与低速率下可 以不考虑终端匹配。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射 信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。实际上难以掌握，m a x i m 公 司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度 时需要进行匹配：当信号的转换时间( 上升或下降时间) 超过电信号沿总线单向 传