（计算机应用技术专业论文）数字式多费率电能表自动抄表系统的研发.pdf

武汉理上人学颂l ：学位沦文 摘要 随着人们生活水平的提高，一，一表甚至一户多表成为可能，而且电 能表费率也由以前的一成不变，改为由时段来决定“峰、平、谷”这三种 或更多的费率。这种发展趋势致使抄取电能表数据成为一个庞杂的工程， 而传统的手工抄表方式已经远远不能满足人民生活的需要，因此，新的、 便捷的抄表方案急待推出。 作者在分析了电力线抄表、电话线抄表、红外线抄表、无线射频抄表、 i c 卡抄表等一系列抄表方案的优劣后，根据客户要求和现场实际，提出了 将无线红外通信和有线串行通信相结合的抄表方案。本文系统地介绍了作 者参与研制与) 1 ：发的多费率电能表抄表系统，它很好的解决了传统手工抄 表的效率低、成本高、准确性差等诸多缺点。该系统主要由三大模块组成： 电能表、手抄器、上位机。本文以各个模块之间是如何协同工作的，以及 电能表数据在这几个模块中如何传输作为主要线索，通过该线索分别阐述 了电能表与手抄器之间的红外通信，手抄器与上位机的r s 一2 3 2 串行通信， 以及电能表与上位机的r s 一4 8 5 r s 一2 3 2 串行通信。本系统中，电能表的微 处理器是在m i c r o c h i p 公司提供的p i c 系列单片机，其汇编程序是在m p l a b 编译环境下开发和调试的；手抄器是l a n d 公司的f i t 一2 8 0 0 型掌上电脑， 其应用程序足在该公司提供的模拟仿真平台上，使用h t b a s e 语言设计、 开发：上位机系统的开发是使用v b 6 0 ，并采用a c t i v e xd a t ao b j e c t s 技 术通过a d o 对象访问a c e e s s 数据库，从而实现数据管理的目的。 本论文研究的自动抄表系统是名副其实的跨学科跨专业的课题，它涉 及了电子电路、传感技术、单片机控制、嵌入式系统、计算机通信和计算 机软件等多种学科，因此本系统在电能表行业中具有很高的自动化程度。 该系统把人工抄表和自动抄表相结合，成功的实现了通过p c 机、掌上电 脑对电能表数据的传输，存储，管理的自动化。不仅方便了供电部门的管 理人员，也方便了电能表用户。该系统已经在江苏地区推广使用近一年， 运行稳定，可靠，取得了很高的经济效益。受到用户好评。 关键词：多费率电能表，自动抄表系统，红外通信，r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 通信， a d o 武汉理二l ：人学硕士1 学位论文 a b s t r a c t w i t hs t a n d a r do f 】l y i n gd e v e l o p i n g 。i tb e c o m e sp o s s i b l et h a t oneh o u s eh a soneo re v e nm o r ew a t t h o u rm e t e r s a n de l e c t r i c i t y r a t ej sn o tu n c h a n g e a b l e1i k eb e f o r e 。t h er a t eo fp e a k ，f 】a t ，v a l l e y c a nb es e ta c c o r db yt i m e s or e a d i n gm e t e rs y s t e mb e c o m e sah u g e a n dm u l t i f a r i o u sp r o j e c t t r a d i t i o n a lm a n u a lr e a d i n gs y s t e mn o 1 0 n g e rm e e t st h en e wr e q u e s t ，a n dn e wc o n v e n i e n tr e a d i n gm e t e r s y s t e mise x p e c t e d a u t h o rh a sa n a l y z e dm a n ys c h e m e ss u c ha se l e c t r i cc a b l er e a d i n g s y s t e m ，t e l e p h o n el i n er e a d i n gs y s t e m ，i n f r a r e dr a yr e a d i n gs y s t e m ， h e r t z i a nw a v e sr e a d i n gs y s t e m 。i cc a r dr e a d i n gs y s t e m w ed e s i g n anews c h e m eo fc o m b i n gi n f r a r e dc o m m u n i c a t i o na n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o nb a s e do nc l i e n tr e q u e s ta n dl o c a lc o n d i t i o n t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ed i g i t a lm u l t i r a t ew a t t h o u rm e t e ra u t o m a t i c r e a d i n gs y s t e m 。w h i c hi sd e v e l o p e db ya u t h o r t h i ss y s t e ms o l v e s t h et r a d i t i o n a lm a n u a lr e a d i n gm e t e rp r o b l e mo fi n e f f i c i e n t ，h i g h c o s ta n d l o wp r e c i s i o n ，t h r e em o d u l e sarem a d eu po f t h es y s t e m ， w h i c hi n c l u d e sw a t t h o u rm e t e r ，h a n d s e ta n dp c t h ep a p e r sm a i n t h r e a di sh o we a c hm o d u l e sw o r kt o g e t h e ra n dh o wd a t at r a n s m i t s t h r o u g h ，t h e s em o d u l e s m e t e r sm i u i sm i c r o c h i pp r o d u c t ，a n d a s s e m b l e ri sc o m p i l e db yp i ea s s e m b l el a n g u a g ei nm p l a bc i r c u m s t a n e e t h eh a n d s e ti sl a n dc o sp r o d u c t ，w h i c hp r o g r a mi sc o m p i l e db y h t b a s el a n g u a g e m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e dw i t h v b 6 0 ，a n du s e dh c t i v e xd a t ao b j e c t st e c h n o l o g yc o n n e c t i n ga c c e s s d a t a b a s e t h i sp r o j e c ts t r i d e so v e rm a n ys u b j e c ts u c ha se l e c t r o c i r c u i t 。 s e n s o r ，s i n g l e c h i p ，e m b e ds y s t e m ，c o m p u t e rc o m j n u n i c a t i o n ，a n d s o f t w a r ee n g i n e e r i n g s ot h i sr e a d i n gm e t e rs y s t e mi sah i g h a u t o m a t i cl e v e ls y s t e m t h es y s t e ms u c c e s s f u l l yi n t e g r a t e s 武汉理一l 人学硕士学位论文 a u t o r e a d i n ga n dm a n u a l r e a d i n g ，a n dr e a l i z e sa u t o m a t i cm a n a g i n g d a t a ，w h i c hn o to n l yc o n y e n i e f l o em a n a g e r ，b u ta l s ec o e v e n i e n c eu s e r t h i ss y s t e mh a sb e e nr u ns t e a d il yi nj i a n g s up r o v i n c ef o ro n ey e a r ， a n do b t a i n e dh i g he c o n o m yb e n e f i t k e y w o r d ：m u l t i r a t ew a t t h o u rm e t e r ，a u t o m a t i cr e a d i n gm e t e rs y s t e m ， i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ，r s 一2 3 2 r s 一4 8 5s e r i e sc o m m u n i c a t i o n ，a d o 武汉理工大学硕士! 学位论文 第l 章自动抄表系统简介 1 1 机械式电能表与数字式电能表 电能表按主要零件的类型可分为机械式电能表( 模拟电能表) 和数字 式电能表( 电子电能表) 。机械式电能表一直占据国内的大部分市场。但 是数字式电能表以其结构简洁，功能多样，数据采集方便等多种优点已逐 渐取代机械式电能表0 1 。根据中国机械工业信息研究院产业与市场研究所 编写的中国机电产品市场报告，未来几年内，各类电能表的年需求量约 在4 ，8 0 0 万台，其中数字电能表所占的比例将从目前的3 0 左右快速上升。 数字电能表在9 0 年代末开始形成规模，2 0 0 0 年后，数字电能表成为市场 的主流。特别随着近几年电网建设的飞速发展，用电管理要求的日益提高， 市场对以数字电能表为核心的自动化，智能化抄表系统的需求很大，在此 形势下我们开发了数字式多费率电能表自动抄表系统。经过在江苏地区半 年的使用。运行稳定，使用方便，满足了市场需求，取得了良好的经济效 益。 1 2 自动抄表系统的发展背景 随着我国电力事业的迅速发展，工业和民用电能表日益增多，出现了 一户一表，甚至一户多表的情况。为了促进均衡用电，很多地方采用分时 计费策略。如此一来，电能表的管理和电量数据的采集成了一项非常繁杂 的工作。传统的抄表方式是派遣专人逐户手工抄取用电量，这将不可避免 地出现以下问题：数据统计不准确，无法真实反映用户用电情况：当需要 抄取多项数据时( 特别是多费率电能表) ，操作繁琐难以实施；用户众多 造成了抄表的延时性，不能及时反映系统用电状况：消耗大量人力、物力， 成本高且效率低。现在无论是用电管理部门还是用户都迫切需要现代化管 理手段的介入，这样管理部门能及时根据抄回来的数据调整供电方案，而 用户则能及时查看自己的用电情况来调整自己的用电安排。 自动抄表系统( a u t o m a t i cr e a d in gm e t e rs y s t e m - - a r m s ) 是将数据 武汉理：l ：大学硕一 ：学位论文 采集、传输和处理应用于电能供应与管理系统中的一项新技术，采用通讯 和计算机网络等新技术自动读i 艇羽i 处理表计数据。它从根本上克服了传统 的人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化创造了良好的条件。目前， 美国、欧洲等发达国家已把自动抄表技术广泛应用于配电管理。虽然我国 对自动抄表技术的研究起步较晚，但足发展速度很快。随着电力市场管理 改革的不断深入，对自动抄表技术的研究已经成为热点。 1 3 几种自动抄表系统的特点与比较 随着电子技术、通讯技术和嵌入式技术的发展，自动抄表系统呈现多 元化发展，涌现了多种实现的方案。按数据采集的位置可以分为本地抄表 和远程抄表。前者需要人员到现场抄取数据。但与以往不同的是，不再是 纸和笔的操作，而是通过手抄器或i c 卡实现的。后者无需人员到场，电 能表数据通过有线或无线的方式直接传给供电管理部门。按照数据传送的 媒介可分为有线传送和无线传送。有线传送包括电话线、电力线和专线， 无线传送则包括红外线和无线射频。下面就这几种方案分别介绍。 通过电力线抄表：卜 电力线载波通信技术出现于谁世纪二十年代初期。它以电力线路为传 输信道，具有投资少见效快、与电网建设同步的优点。但是利用电力线对 数据传输有许多限制。 ( 1 ) 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在 一个配电变压器区域范围内传送； ( 2 ) 三相电力线间有很大信号损失。通讯距离很近时，不同相间信号可 能会互相干扰各自的信号，般电力载波信号只能在单相电力线上传输； ( 3 ) 不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同； ( 4 ) 电力线存在本身固有的脉冲干扰； 另外电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想 的通讯媒介。虽然国内的电网发展速度非常快，但是电网的稳定性以及国 内现有的相关设备都还未达到国外先进的水平。因此电力线载波抄表还没 达到大面积推广的程度。 武汉理工人学硕士学位论文 通过电话线抄表： 基于电话的自动抄表技术是一种己经应用了2 5 年的成熟的技术。电 能表可以经过专用的调制解调器通过公用的电话网与供电管理部门进行 通信。电话线抄表方案充分利用了现有资源，无需投入大量资金进行线路 改造而且现在的电话线的通信质量非常商，特别适合快速传送大量的数 据。但是供电部门需要向电信部门租用电话线，因此该方案只适合城市和 电话网络普及的地区。 通过红外线抄表： 红外通信由于价格低廉，使用方便，因而被广泛使用在抄表系统当中。 为了实现各类产品的互连，国际红外数据通信协会( i r d h ：i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 制定了一系列的红外通信标准。这些标准规范了产品的设 计，同时还进一步扩展了红外通信的功能和应用领域。 红外通讯技术的特点： ( 1 ) 它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的 硬件和软件平台所支持； ( 2 ) 通过数据电脉冲和红外光脉冲之问的相互转换实现无线的数据收发。 ( 3 ) 主要是用来取代点对点的线缆连接； ( 4 ) ；方向性强，点对点直线数据传输，保密性强 其缺点是： ( 1 ) 易受外界环境( 温度、热源、光源) 的影响，通讯距离短，通讯过 程中不能移动，遇障碍物通讯中断。 ( 2 ) 目前广泛使用的s i r 标准通讯速率较低( 11 5 2 k b i t s ) ( 3 ) 红外通讯技术的主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能 单一。 通过无线射频抄表： 无线射频抄表是以电磁波作为载体传输电能表数据。与红外抄表相 比，它克服了距离短、方向性强和不能有障碍物等缺点，是红外抄表很好 的替代方案。为了达到远距离传输的目的，无线射频需要在每个数据采集 点设置大功率的电台，而且必须向有关部门申请并租用所需的频道。它与 红外抄表相比，成本高，功耗大是它的缺点。由于无线电波自身具有的衍 武汉理：i ：大学硕士学位论文 射特性，其保密性差，易受干扰是主要的问题。总之无线射频抄表适用于 远距离且人员不易到达的地区。 通过i c 卡抄表： i c 卡抄表是一种本地抄表模式，也是一种预付费模式。用户先到供电 部门买电，供电部门将所买电量数据存入i c 号中，h f 户再把i c 卡插入自 己家中的电能表，将电量数据转存入电能表中，同时电能表也将当前的状 态存入i c 卡中，电能表在电量用完后自动跳闸。这种方式实际是把以前 抄表员的工作转嫁到了用户身上。 1 4 收费方式 当前电能表收费系统有多种，至于采用哪种，不仅与当地的实际情况 有关，还与当地电力管理部门的决策有关。上文提到的多费率抄表系统就 是其中的一种。它对于用户来说就是“先用电后买电”，供电部门每月派 人上门抄表，用户根据用电清尊付费。“先用后买”比较符合用户的心态， 现在多费率电能表收费系统已在上海、深圳、广州、福州等地使用，而江 苏省也正在推广使用。与“先用电后买电”相对应的是“先买电后用电”。 后者是从供电部门利益出发，比较符合供电方的心态。浚种形式的代表就 是i c 卡电能表付费系统。i c 卡收费系统已在北京及周边地区使用。 1 5 多费率红外抄表系统的构成 ， 该系统的主要组成部分和它们之间的数据传送关系见图卜1 。 在系统的数据传送通道的设计中，我们还特别设计了手动输入数据记 录和上位机通过r s 一4 8 5 r s 一2 3 2 接口直接遇电能表通信的功能。前者供在 现场抄表时，若电能表红外接口出现故障，可以将电能表的记录数据以及 状态通过按键输入手抄器内的数据库，供故障分析之用。后者为电能表的 生产与测试维修提供了方便快速的数据通道。 武汉理工大学硕士学位论文 图i - i 系统结构 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电能表通信规约 本系统的通信规约采用江苏省电力公司制定的单相电子式多费率电 能表技术规范。它规定了单相电子式多费率电能表的费率装置与手持单元 ( h h u ) 进行点对点的或一主多从的数据交换方式，以及它们之间的物理 连接、通信链路及应用技术规范。 2 1 物理层 多费率电能表同时具有红外通信接口和r s - 4 8 5 通信接口。用于参数 设置及抄表两种接口在物理层上相互独立。 标准红外通信接口，可与国内市场上通用的手持式终端进行通信。 红外线波长：9 0 0 1 0 0 0 n m 通信距离：4 m 通信角度：15 。 抗干扰性能参照d l t 6 1 4 9 7 ，g b t 1 7 2 1 5 - 9 8 相关要求执行。为保护 电能表，r s 一4 8 5 通信接口必须和电能表内部电路实行电气隔离，并有失效 保护电路。通信距离：1 2 0 0 m ( 每两个接点之间) 驱动能力不小于3 2 个 接口。 2 2 链路层 本协议为主一从结构的半双工通信方式。手持单元或其它数据终端为 主站，费率装置为从站。每个费率装置均有各自的地址编码。通信链路的 建立与解除均由主站发出的信息帧来控制。每帧由起始符、从站地址域、 命令、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符等譬个域组成。 每部分由若干个字节组成。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 字节格式 每字节含8 位二进制码，传输时加上一个起始位( 0 ) 、一个偶校验位 和一个停止位( i ) ，共1 l 位。其传输序列如图2 - 1 。d o 是字节的最低有效 位，d ，是字节的最高有效位。先传低位，后传高位，详见图2 - i 。 传 起始位8 位数据偶校验位停止位 图2 - i 字节格式图 2 2 2 帧格式 帧是传送信息的基本单元。帧格式如表2 1 所示。 表2 - 1 帧格式表 说明代码 帧起始符 6 8 h a 0 a a ， 地址域 a 3 a 凡 帧起始符6 8 h 命令码 c 数据长度域 l 数据域d a t a 校验码 c s 结束符 1 6 h 7 武汉理工大学硕士学位论文 命令码c ： 命令码格式如图2 2 所示。 图2 2 命令码格式图 d ，= o ：由主站发出的命令帧 d ，= l ：由从站发出的应答帧 d 。= 0 ：从站正确应答 d 。= 1 ：从站对异常信息的应答 d 。= 0 ：无后续数据帧 d 。= o ：有后续数据帧 d 4 d 。：请求及应答功能码 0 0 0 0 0 ：保留 0 0 0 0 1 ：读数据 0 0 1 0 0 ：写数据 0 1 0 0 0 ：广播校时 0 1 0 1 0 ：写设备地址 0 1 1 1 1 ：修改密码 数据长度i 。： l 为数据域的字节数。 数据域d a t a ： 数据域包括密码( 在写命令中) 和数据等，其结构随命令码的功能而 改变。有时通过红外接口传送的数据有可能是全0 或全“l ”的数据， 很容易引起程序的误判断，造成错误。为了防止这类错误。在传输时发送 方按字节进行加3 3 | 1 处理，接收方按字节进行减3 3 1 1 处理。采用这种防误 武汉理i = 大学硕士学位论文 措施，增强了传输的可靠性，同时对于数据的内容和格式无任何影响。 校验码c s ： 从帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模2 5 6 的和，即各字节 二进制算术和，不计超过2 5 6 的溢出值。 2 2 3 传输 前导字节： 在发送帧信息之前，先发送1 个或多个字节f e h ，以唤醒接收方。 传输次序 所有数据项均先传送低位字节，后传送高位字节。 传输响应 每次通信都是山主站向按信息帧地址域选择的从站发出的请求命令 帧开始，被请求的从站根据命令的帧要求作出响应。 收到命令帧的响应延时t d ：2 0 m s t d 5 0 0 m s 。 字节之间停顿时间t b ：1 2 m s t b 3 0 0 m s 。 差错控制 字节校验为偶校验，帧校验为纵向信息校验和，接收方式无论检测到 偶校验或纵向信息校验和出错，均放弃该信息帧，不予响应。 传输速率 传输速率为1 2 0 0 b p s 。 r 2 3 应用层 2 3 1 读数据指令 主站请求帧 功能：请求读数据 控制码： c = 0 1 h 数据长度：l = 0 2 h 武汉理工大学硕士学位论文 数据标识：d i 。d i 帧格式：6 8 t l 凡a la ： 几a 。6 8 1 10 1 1 1 0 2 1 id i 。d i c s1 6 h 从站应答帧 功能：从站应答 控制码： c = 8 1 h 数据长度：l = 0 2 h + m ( 数据长度) 1 9 贞格式： 6 8 ha 。a a 。a ：a a 。6 8 h8 1 ild i 。d i n 1 n mc s1 6 h 2 3 2 写数据指令 写数据请求帧 功能：主站向从站请求设置数据( 或编程) 控制码：c = 0 4 h 数据长度：l = 0 6 h + m ( 数据长度) 数据标识：d i 。d i 密码：p mp 0 。p l 。p 2 。( 编程密码) 数据域： n l n m 帧格式： 6 8 ha oa - a za aa ta s6 8 h0 4 hld i od i 。p a 。p o 。p l 。p 2 。n 1 n mc s1 6 h 从站应答帧 功能：将请求命令执行的结果告知主站 控制码： c = 8 4 h 数据长度：l = 0 0 1 t 帧格式： 6 8 ha 。a a 。a 。a 。a ；6 8 h8 4 ho o hc s1 6 h 修改密码请求帧 功能：修改编程密码 控制码：c = o f h 数据长度：l = 0 8 h 。 数据域：p a 。p o op 1 ，p 2 。p a 。p o 。p 1 。【，2 。 0 武汉理l ：人学硕士学位论文 ( 旧编程密码，新编程密码) p a 。p a 。分别为旧密码与新密码的权限， 清零密码的权限为0 ，编程密码权限为1 。 帧格式：6 8 ha 。a ，a ：a 3a 。a 。6 8 ho f h0 8 hp a o p o op top 2 0p a p o p 1 一p 2 一 c s1 6 h 修改密码应答帧 控制码： c = 8 f t l 数据长度：l = 0 4 1 i 数据域：p a p o 。p lwp 2 一 帧格式： 6 8 t la 。a a ：a 。 a 。6 8 1 i8 f 1 10 4 t ip a p o p 1 、p 2 nc s1 6 h 广播校时 控制码： c = 0 8 h 数据长度：l = 0 6 h 数据域： s si n n lh hd d y y 帧格式： 6 8 h9 9 h9 9 h 9 9 h9 9 h9 9 h9 9 h6 8 1 t0 8 h0 6 hs sf i l mh hd d 删 y y c s1 6 h 广播校时无应答帧 设置电能表表号 控制码： c = o a h 数据长度：l = 0 6 h 数据域：a 。a ，a 。a ，a 。a s 帧格式： 6 8 h9 9 h9 9 h9 9 h9 9 t t9 9 h9 9 h6 8 ho a i - 10 6 ha 。a ，a 。a 。扎a 5 c s1 6 h 设置电能表表号应答帧 控制码： c = 8 a h 地址域： a 。a 。a 。a 。a 4a 5 数据长度：l = o o i 帧格式： 6 8 ha 。a a za ，凡a 56 8 h8 a ho o hc s1 6 h 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章多费率电能表构成 3 1 电能表结构组成 数字电能表其内部的计量i c 是体现整体性能、功能和价格的核心。 目前数字电能表多为a d c + d s p + m c u + 计量软件，或专用计量i c + 高性能m c u 的双芯片或三芯片解决方案。1 。专用计量i c 主要是国外芯片，不仅价格昂 贵，而且功能固化在芯片中，很难根据实际情况进行修改和删减，所以我 们研制的电能表采用的是前一种方案( 该方案中的d s p 包含在m c u 当中) ， 既降低了成本，而且还提高了产品设计的灵活性。 数字式多费率电能表主要分为如下几个主要模块：电源模块、a d 转 换模块、时钟模块、显示模块、r s 一2 3 2 r s - 4 8 5 模块、红外通信模块、e e p r o m 和微处理器，具体结构见图3 一l 。 图3 - i 电能表结构组成 武汉理t 大学硕十学位论文 3 2 微处理器 多费率电能表的微处理器使用的是美国m i c r o c h i p 公司所生产 p i c l 6 c 6 6 ( 或p i c l 6 f 7 6 ) 单片机。之所以选择p i c 单片机，是因为它具有以 下优点“： 哈佛总线结构 p i c 系列单片机不仅采用了哈佛体系结构，而且还采用了哈佛总线结 构，也就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度， 如图3 2 所示。这样做的好处是，便于实现指令提取的“流水作业”，也 就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作；便于实现全部指 令的单字节化、单周期化，从而有利于提高c p u 执行指令的速度。 图3 - 2p i c 单片机内部结构 指令单字节化 因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程 序存储器r o m 和数据存储器r a m 的寻址空间( 即地址编码空间) 是相互独 立的，而且两种存储器宽度也不同，这样设计不仅可以确保数据的安全性， 还能提高运行速度和实现全部指令的单字节化。在此所况的字节，特指p i c 单片机的指令字节，而不是常说的8 位字节。 精简指令集( r i s c ) 技术 p i c 系列单片机的指令系统( 就是该单片机所能识别的全部指令的集 武汉理：l ：火学硕十学位论文 合，叫做指令系统或指令集，i n s t r u c t i o ns e t ) 只有3 5 条指令。这给指 令的学习、记忆、理解带来了很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、 修改、交流都带来了极大的便利。 代码压缩率商 i k b 的存储器空间，刈_ j 二像m c s 一5 1 这样的单片机，大约只能存放6 0 0 条指令，而对于p i c 系列单片机则能够存放的指令条数可达1 0 2 4 条。从 图3 3 中可以看出，与几种典型的单片机相比，p l c 是一种最节省程序存 储器空间的单片机。 图3 3 典型单片机代码紧凑性比较 抗干扰能力强 有功能强大的软件仿真器，可以在线编程，_ 丌发成本低。 3 3a d 转换模块 t a d 模块的核心芯片采用的是美国模拟器件公司( a d i ) 的电力计量产 品a d e 7 7 5 5 。该芯片是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过 了i e c l 0 3 6 规定的准确度要求。a d e 7 7 5 5 集成电路中，只在a d c 和基准源 中使用了模拟电路，所有其它信号处理( 如相乘和滤波) 都使用数字电路， 这使a d e 7 7 5 5 在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准度和长期稳定性。 武汉理工大学硕士学位论文 a c 2 2 0 v 图3 4a d 模块结构罔 v 1 p ，v 州是电流通道的正、负模拟输入引脚：v 2 n ，v 2 p 是电压信道的 正、负模拟输入引脚；f l ，f 2 是低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均 有功功率的大小；c f 是频率校验输出引脚，其输出频率反映瞬时有功功率 的大小；r e v p 引脚是检验负功率的输出引脚，当电压和电流信号的相位差 大于9 0 度时，该引脚输出逻辑高电平，当再次检验测到正功率时，该引 脚的输出复位。为了给a d 7 7 5 5 提供必要的电流、电压转换，本设计采用 分流器( 2 0 0 ，疵) ，分流器的材料为锰铜合金，阻值仅2 0 0 脾，具有较低 的功耗。电压采样采用了简单的分压网络，在电能表出厂前，通过通、断 分压电阻来调整电压采样精度。a d 模块的工作原理如下：电度表接入线路 后，通过分流器、分压电路分别对电流和电压信号进行采样：电流通道和 电压信道的信号经放大器放大后，通过a d 7 7 5 5 内部的模数转换器转换为 两路数字信号，然后经乘法、低通滤波、数字频率变换等电路的处理后， 从a d e 7 7 5 5 的c f 端口输出与瞬时功率成正比的脉冲。脉冲信号经过光电 隔离器后，送至p i c 微控制器的r a 4 t o c k l 端口。p i e 微控制器通过中断 方式，根据设定的不同时段累计脉冲数，并将脉冲数转化为电量送到l c d 上显示。 武汉理工人学硕士学位论文 3 4 实时钟模块 由于多费率电能表为分时计费，所以电量计算是与时间有密切关系的。 为了保证时钟的精度，本系统采用外置的串行实时钟d s l 3 0 7 。d s l 3 0 7 是 一种低功耗，全b i n a r y c o d e dd e c i m a l ( b c d ) 码，且带有- _ 组5 6 字节非易 失性的s r a m 的实时钟。该芯片是通过2 条双向串行线( 1 2 c 总线) 传输地 址信息和数据信息的。它的数据信息包括了，秒、分钟、小时、星期、日 期、月、年，而且每月的天数会自动进行3 1 天或少于3 1 天的调整，甚至 包括了闰年的对2 月影响的调整。时间的格式有2 4 小时和1 2 小时( 上午 下午) 两种。当d s l 3 0 7 的电源检测电路检测到电压降到危险数值以下时， 会自动切换到后备电源。 + d s l 3 0 7j = 图3 5 时钟模块图 备电池 3 6 v i ih s c l ( s e r i a lc l o c ki n p u t ) 是数据同步信号输出引脚：s d a ( s e r i a ld a t a i n p u t o u t p u t ) 是串行数据i o 引脚。片内存放数据的地址如表3 - 1 所示。 6 武汉理j i ：大学硕士学位论文 3 5e e p r o m 模块 s e c o n d s ( o o h ) m i n u t e s ( 0 仆1 ) h o u r s ( 0 2 h ) d a y ( 0 3 h ) d a t e ( 0 4 1 1 ) m o n t h ( 0 5 h ) y e a r ( 0 6 1 t ) c o n t r o l ( 0 7 h ) r a m ( 0 8 1 t ) 5 6 * 8 ( 3 f h ) 表3 - 1d s l 3 0 7 片内地址表 电能表的数据的安全可靠性是电能表设计者首要考虑的问题，所以本 系统添加了片外独立e e p r o m 芯片，为微处理器内的e e p r o m 的数据作同步 备份使用。e e p r o m 采用的是m i c r o c h i p 公司的2 4 l c l 6 b ，其中集成了8 组 2 5 6 字节的存储单元。 图3 - 6e e p r o m 接口图 2 4 l c l 6 b 采用i2 c 总线通讯，与实时钟模块d s l 3 0 7 1 司样拥有数据同步信 号输出引脚s c l 和串行数据i o b l 脚s d a ，而且2 4 l c l 6 b 平n d s l 3 0 7 处在同 串行总线上。当电能表出现故障，无法从微处理器读出数据时，就可从 e e p r o m 接口直接将2 4 l c l 6 b 中同步备份数据取出来。 武汉理工人学硕士学位论文 3 6 红外通信模块 3 6 1 异步串行传输方式 本系统的红外通信采用的是异步串行通信方式。在线路上，异步传送 的数据是以字符为单位来传送的( 即面向字符) 。其特点是，在线路上传 送的字符可以是断续的也可以是连续的，这完全由发送方根据需要来控 制。另外，在异步传送时，起同步作用的时钟脉冲，并不传送到接收方， 即收、发双方各自使用各自的时钟源，来控制发送的速率和接收的检测( 采 样) 时刻。为了克服数据传输时，双方时钟的不一致性以及时钟的偏差的 积累而引起数据接收的错误，异步传送过程中采用了两项技术：一是通信 双方在通信速率、每个字符的总长度上，必须要作预先的约定：二是接收 方需要采用字符再同步技术，即每接收一个字符都要进行一次起始位的识 别和定位。 由于字符的发送是随机进行的，因此，对于接收方来说就是一个判断 何时有字符送来，何时是一个新的字符丌始的问题。所以，在异步通信过 程中，对于被传送的字符必须进行必要的包装，必须预先规定一种双方认 可的信息格式，即每个字符的信息格式由4 部分组成：起始位、数据位串、 奇偶校验位和停止位。这样一组信息就称为一个数据帧或简称一帧。一帧 信息的传送由起始位开始，停止位结束。 p i c t 6 c 6 6 片内自带一个通用同步异步收发器一u s a r t 模块( 或称为 串行通讯接口s c i - - s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) ，再配合外围的红 外收发管电路，整个系统就可实现串行异步红外通信了。模块结构图详见 图3 7 。 武汉理工人学硕士学位论文 v o c p i c l 6 c 6 6 图3 7 红外通信模块图 接收的数据通过r c 7 r x d t 引脚传入微处理器，发送的数据则通过 r c 6 t x c k 引脚传出并驱动发送管，同时在r c l t 1 0 s i c c p 2 引脚上要加上 3 8 k h z 的载波信号。这是因为，要传输的数据从微处理器的引脚出来时， 一般频率很低，如果不经调制直接驱动红外发射管，则抗干扰能力较差， 因此需要将数据“载”在频率较高的载波信号上进行调制。调制方式很多， 我们采用脉冲调幅调制方式，载波频率为3 8 k h z 。因为从微处理器送出的 信号本身就是脉冲信号，是具有“0 ”和“l ”两种电平的脉冲信号，经过 脉冲幅度调制后，数据变成断续的等幅高频信号，调制过程见图3 - 8 。 起始位d od 11 ) 2b 3d 4 d 5i ) 6d t 停止位 t 异步串行信号 n 厂1 门厂丌 z 3 8 k 皿载被信号_ j | | i | il l | | | i il s 载被调制信号j | iu | | il j | ju i 图3 - 8 载波调制图 武汉理工人学硕士学位论文 由于发射管发出的是脉动的红外光，且具有特定变化频率，而日光、 灯光、等光线均不是脉动红外光，因此，可以通过接收电路使它们与红外 脉动光分离开，将干扰光线过滤掉，这样就保证了红外通讯在一般环境下 能够可靠工作。 p i c l 6 c 6 6 系列单片机内部集成的u s a r ，i 模块，所需的两条外按引脚是 与r c 端口模块公用的r c 7 和r c 6 两条口线。在开发期间，r c 端口模块必 须放弃对于r c 6 和r c 7 两条口线的使用权，不仅不使用而且还不能干扰这 两条引脚。理想的做法是，阻断r c 模块与这两条引脚的电气连接，实际 上，令方向寄存器t r i s c = l l ，在r c 模块一侧设置这两条引脚为输入 模式( 对外呈现高阻状态) 即可。 3 6 2u $ a r t 异步发送器 u s a r t 异步发送器结构如图3 9 所示。其核心是发送移位寄存器t s r 和发送缓冲器t x r e g 。t x r e g 与内部数据总线直接相连，是一个软件可读 写的寄存器，用户程序把要发送的数据写入t x r e g 内：然后由硬件自动控 制把数据从t x r e g 装载到t s r ，并且与来自寄存器t x s t a 的t x 9 d 位共同组 合成9 位数据( 如果选定9 位格式) ；再在前面添加一位起始位0 ，在后面 添加一位停止位1 ，构成一个完整的帧结构；最后在波特率时钟的控制下， 再由移位寄存器t s r 把数据一位一位地依次发送出去，同时也就完成了“并 行专串行”的变换。 r 内部数据总线 图3 - 9u s a r t 异步发送器结构图 2 0 c k 武汉理j ：大学硕士学位论文 因此，对异步发送方式的程序编写，遵循了以下几个步骤： ( 1 ) 选择波特率后，把经过计算得米的移j 始值写入寄存器s p b r g 中； ( 2 ) 置s y n c = o 及s p e n = i ，使u s a r t 工作于异步串行工作方式： ( 3 ) 如果需要中断处理功能，置t x i e = l ； ( 4 ) 如果要传送9 位数据，置1 l x 9 = l ； ( 5 ) 置t x e n = i ，使u s a r t 工作于发送器方式，这也会使t x i f 被置l ； ( 6 ) 如果选择传送9 位数据，这时要把第9 位数据置入t x 9 d ： ( 7 ) 把即将发送的8 为数据送入t x r e g ，并启动发送，硬件开始自动发送 3 6 3u s a r t 异步接收器 u s a r t 异步接收器结构如图3 一l o 所示。其核一t 3 是接收移位寄存器r s r 和接收寄存器r c r e g 。进行通信的对方送米的异步串行数据，从r c 7 r x d t 引脚输入；在波特率发生器提供的采样定时信号控制下，由数据检测和恢 复电路对于输入的信号波形进行采样，以恢复数据的本来面目；然后在波 特率发生器提供的移位时钟脉冲控制下，把恢复得来的8 位( 或者9 位) 串行数据，以及起始位和停止位，一步一步地移入r s r 寄存器。一旦采样 到停止位，接收移位寄存器r s r 就把收到的8 位数据，装载到接收寄存器 r c r e g ( 如果r c r e g 为空的话) ；以及把第9 位( 如果有的话) 装载到r x 9 d 位；同时也就完成了“串行专并行”变换。实际上，r c r e g 是一个双缓冲 寄存器，可以看作是数据从上边进入，下边送出的，具有2 级结构的先进 现出( f i f o ，f i r s ti nf i r s to u t ) 队列。同样，r x 9 d 位也是2 级机构的。 因此，这就允许移位寄存器r s r 连续接收2 帧数据，并且依次装入队列中 进行缓冲，之后第3 个数据还可以再移位到r s r 寄存器中。一旦检测到第 3 个数据的停止位，如果r c r e g 队列仍是满的( 二级缓冲器都还装着前2 次接收到的数据) ，溢出错误标志位将会被置1 ，而在r s r 寄存器中的数据 将自动丢失。采用2 级f i f o 队列的设计手法，可以提高单片机的运行效 率，减少被中断打扰的次数。 武汉理一l ：人学硕士学位论文 波特率 发生器 内部数据总线 图3 1 0u s a r t 异步接收器结构图 因此，对异步接收方式的程序编写，应当遵循以下几个步骤： ( 1 ) 选择波特率后，把经过计算得来的初始值写入寄存器s p b r g 中； ( 2 ) 置s y n c = o 及s p e n ：i ，使u s a r t 工作于异步串行工作方式； ( 3 ) 如果需要中断处理功能，置r x i e = 1 ； ( 4 ) 如果要传送9 位数据，置r x 9 ：i ： ( 5 ) 置c r e n = i ，激活接收器； ( 6 ) 当一个字节接收完成后，通过中断请求，进入中断处理； ( 7 ) 读r c r e g 寄存器中已经收到的8 位数据； ( 8 ) 如果发生了接收错误，通过霄c r e n = 0 以清除错误标志位： 一 3 7r s - 4 8 5 异步串行通信模块 电能表仅有红外通信是不够的，因为当电能表红外模块出现故障或者 有大量的电能表等待同时通信时，那么就需要采用有线通信的模式。虽然 计算机一般都配有标准的r s 一2 3 2 串行端口。但是由于其传输距离、抗干 扰能力、连接方式的局限性，使其不适用于工业环境中，因此电能表被设 计为r s 一4 8 5 串行通信方式。 r s 一4 8 5 标准总线是由电子工业协会( e i a ) 于1 9 8 3 年制订并发布的具 武汉理工大学硕士学位论文 有e e 垂并标准