基于ARM单片机的抄表系统集中器设计.doc

基于ARM单片机的抄表系统集中器设计摘要: 本文对多对象抄表系统的总体结构进行研究，设计了多对象远程抄表系统中集中器的软件和硬件系统，此抄表系统集中器可以实现多对象远程抄表，提高了数据处理能力，有效完成了上下行通信，可靠性强，稳定性高，结构简单。关键词: 抄表系统；集中器；ARM91 概述1.1 应用背景简述电表、水表、煤/燃气表、热量表涉及千家万户，多年来采用传统的人工抄表的方式，不可避免的存在以下问题：抄读数据存在误读，无法真实反映用户用电情况；操作难以规范化，造成不明损失增加；数据采集不及时，无法实时反映系统状况，不能对用户行为进行有效监控；耗费人工多、成本高、效率低1。近几年随着电子技术、传感技术、自动控制技术、计算机信息技术以及网络技术的迅猛发展，越来越多的高集成度，功能强大的电子器件被开发出来，使得多对象集中器越来越普遍。除此之外，实现电表、水表、煤/燃气表、热量表户外自动抄表也得到了国家政策上的支持，建设部2000年小康型城乡住宅科技产业工程城市示范小区规划设计导则(修改稿)中已明确提出：“推广使用户外计量(含水、电、暖、燃气表)技术”。在中国住宅户年品发展纲要中也明确提出：实现方便查表、不干扰住户、大量人工查表工作，逐步过渡到数字化传递，开展智能化水、电、气、热集中器装置及接口箱柜，智能化集中装置的开发要达到准确计量、抗干扰能力强、稳定性与耐久性好、使用安全、防盗等基本技术性的要求。由此可见智能表的户外自动抄表不论从技术上还是从政策上都具备了可行性。因此，它必将替代传统抄表方式成为住宅建筑的通用标准而不断地发展完善，从而为人们的生产生活提供更加舒适方便的服务。多对象自动抄表系统集中器的通信方式十分复杂，提高集中器数据处理能力、有效完成上下行通信是自动抄表系统目前需要解决的关键问题。1.2 设计的目标和功能集中器是一个数据集中处理器，是多对象自动抄表系统的通信桥梁，负责对各智能表的数据进行采集、存储和管理，及时有效地向上位机传输数据并执行上位机发送的指令。32位ARM9微处理器处理能力强，对于较复杂的通信与控制算法容易完成；不依赖硬件平台，有利于软件的开发、升级与移植；在缺乏多任务调度机制的情况下，应用软件较易实现，可靠性高；速度快、硬件性能高、低功耗、低成本，且集成了相当多的硬件资源，硬件的扩展和设计大大简化，ARM9(S3C2410)为工业级芯片，抗干扰能力强，能够适应运行现场的恶劣环境。基于ARM的多对象远程抄表系统集中器可以实现多对象远程抄表，提高了数据处理能力，有效完成了上下行通信，可靠性强，稳定性高，结构简单。2 系统总体结构和原理分析 自动抄表是指采用通信、计算机等技术，通过集中器自动采集和处理智能表数据，然后通过现场总线CAN将信息传至上位机，由上位机对数据进行处理、显示、存储、打印。多对象自动抄表系统主要由智能表(水、电、气、热量表)、数据集中器和上位机组成；其中智能表和数据集中器之间通过RS-485总线进行数据通信，数据集中器和上位机通过现场总线CAN进行数据传输2-4。多对象自动抄表系统的结构框图如图1所示图1 多对象自动抄表系统的结构框图由图1可以看出，系统的工作原理是前端智能仪表根据实际耗能情况产生耗能量，数据集中器对发送来的耗能量进行判断分析、接收处理、存储。ARM(S3C2410)芯片作为集中器微处理器，定时采集智能表的用量，并将用量送往集中器中CAN控制器的发送缓冲区，进而通过CAN总线收发器将数据传给上位机再进行处理。当上位机要求查询耗能情况时，通过CAN总线将命令传达给数据集中器，数据集中器在收到命令后把存储的数据信息发送给CAN控制器，然后传给上位机，这样就完成了一次数据交换，也可以说是完成一次查询任务。3 多对象集中器的硬件设计3.1 集中器系统结构在多对象自动抄表系统中，集中器是整个抄表系统的核心部分，在整个系统中起通信桥梁的作用。多对象集中器的主要功能是完成用水量、电量、煤/燃气量、热量的数据存储和数据显示，还要能与上位机进行通信。在多对象抄表系统中，集中器与智能表之间的通信采用RS-485总线的通信方式，集中器与上位机之间通过现场总线CAN进行通信5-7。多对象集中器系统硬件平台的整体结构框图如图2所示。多对象集中器硬件设计包括嵌入式处理器的设计选型、时钟电路、电源电路、复位电路、外围存储器扩展、LCD、通讯接口电路等设计。微处理器是集中器的核心，数据的采集、处理与传送都是在微处理器的控制下进行。实时时钟为集中器定时抄表提供时间标准；电源电路为集中器系统提供稳定电源；看门狗模块的设计保证系统的可靠运行，防止系统死机；数据存储器主要用于存储参数、变量、集中器自身的参数，负责智能表的参数以及智能表用量等。上行通道即集中器与上位机之间的通信线路，采用CAN现场总线进行通信；下行通道即集中器与智能表之间的通信，采用RS-485总线进行通信8。图2 集中器硬件平台的整体结构3.2 主要功能模块及系统描述3.2.1 微处理器选型随着近些年来计算机技术、微电子技术的快速发展，出现了很多性能更强、体积更小、功耗更低的微处理器。虽然8/16位微控制器仍然主导着标准产品市场，但在一些对性能、存储要求较高的场合，其缺点已经显现出来，主要表现为运算能力较差，难以完成较复杂的控制算法；硬件平台依赖性强; 分布式多任务处理能力差等9,10。因此，各大公司都将其产品重点逐渐转向32位微处理器。而ARM(Advanced RISC Machine)正是其中的佼佼者，在32位嵌入式RISC领域内有着广泛的影响，它已成为32位微处理器领域事业上的标准。S3C2410芯片中集成了以下部件：16KB指令Cache、16KB数据Cache、MMU、外部存储控制器、LCD控制器、NAND Flash控制器、4个DMA通道、3个UART通道、1个I2C总线控制器、1个I2S总线控制器、以及4个PWM定时器和1个内部定时器、通用I/O口、实时时钟、8通道10位ADC和触摸屏接口、USB主、USB从、2个互连的CAN接口，带有先进的验收滤波器、SD/MMC卡接口等。其内部结构如图3所示：图3 S3C2410微处理器的内部结构3.2.2 时钟电路设计时钟电路分为系统主时钟和RTC(Real Time Clock)。S3C2410集成了一个具有日历功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片时钟发生器。MPLL产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到203MHz。系统主时钟用于向CPU及其它接口电路提供工作时钟，RTC为系统提供确切的时间信息。在系统中，S3C2410使用两个无源晶振，一个用于实时时钟，频率为32.768KHz，另一个用于PLL电路，频率为10MHz，经PLL电路倍频后，最高可以达到66MHz，另外还为系统实时时钟提供了备用电池，在系统掉电时为系统时钟供电，时钟电路如图3-3所示11：图4 系统时钟电路3.2.3 复位电路设计在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的RC电路构成，成本较低，但抗干扰能力较差。另外也可使用其他的相对较复杂但功能更完善的专用电路。由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出更高的要求，本多对象集中器采用的是由系统复位芯片IMP706构成的电路，IMP706监控电路集上电复位、看门狗定时器、电源电压监控一体，是解决嵌入式系统设计中抗干扰问题很好的一种芯片选择12。系统复位电路如图5所示：图5 系统复位电路3.2.4 电源电路设计S3C2410微处理器均要使用两组电源，I/O口供电电源为3.3V，内核及片内外设供电电源为1.8V，所以需要使用5V和3.3V及1.8V的直流稳压电源。其中，S3C2410及大部分外围器件需3.3V电源，5V电源作为系统扩展用。为提高系统电源电路的供电质量和系统供电安全，加入了电源滤波和保护电路。首先由CZL1电源接口输入9V直流电源，二极管DL1用来防止电源反接，经过CL1和CL2滤波，然后通过稳压芯片将电压稳压到5V。经过稳压电路之后再使用LDO芯片稳定输出到3.3V和1.8V。电路原理图如图6所示：图6 系统电源电路3.2.5 存储器电路设计FLASH的数据总线宽度必须在系统启动前确定。本文所采用的FLASH数据总线为16。由于CPU是32位的，FLASH是16位的，故硬件连接时CPU地址线的最低位必须舍弃，从倒数第2根连上FLASH的最低位，其他引脚依次即可，FLASH存储器的扩展图如图7所示。图7 FLASH存储器扩展SDRAM存储器的扩展方式与FLASH存储器的扩展方式基本相似，SDRAM存储器的数据总线宽度可以在系统启动后通过配置寄存控制器决定。由于CPU是32位的，SDRAM存储器是16位的，故硬件连接时CPU地址线的最低位必须舍弃。图8是SDRAM存储器的扩展电路原理图，由于SDRAM存储器是同步动态RAM，所以与FLASH存储器的扩展电路原理图相比，多了一些用于同步控制的逻辑控制信号。图8 SDRAM存储器扩展3.2.6 LCD接口电路和电压驱动电路设计LCD液晶显示接口电路和电压驱动电路如图9所示：图9 LCD液晶显示接口电路和电压驱动电路3.2.7 RS-485通讯电路设计485接口电路如图10所示:图10 485接口电路3.2.8 CAN控制器S3C2410包含2个CAN控制器，可同时支持多个CAN总线的操作。S3C2410的CAN总线引脚描述：RX2、RX1，串行输入，来自CAN收发器；TX2、TX1，串行输出，输出到CAN收发器。CAN接口电路如图11所示，其中每个都有一个高速CAN收发器TJA1040，TJA1040是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器。图11 CAN接口电路4 多对象集中器的软件设计本多对象集中器应用在智能小区中，各住户以集散方式分布在小区内，针对于住户的水表、煤/燃气表、电表所建立起的集抄系统采用的就是集散型测控系统的形式。物业管理中心的PC机作为主控机(上位机)可以按照要求设定抄存的项目，抄收起始时间和时间间隔，定时、自动抄收存储在多对象集中器中的数据，也可以生成数据文件供其它系统使用。多对象集中器作为下位机接收上位机发送来的命令，并根据命令向上位机传送所需的数据信息和工作状态。多对象集中器一方面直接面对智能仪表，有利于及时掌握测量现场情况；一方面直接面对上位机，随时按照上位机指令传递信息。因此，它是联系用户家中现场和管理中心之间的纽带。由此可见，实现远程抄表的功能，不仅要解决智能表的数据采集问题，更要解决如何完成数据传递的问题。4.1 集中器各模块的软件设计4.1.1 集中器主程序的设计在多对象远程抄表系统中，集中器的主要作用是通信，它是智能表和上位机之间进行信息交换的桥梁和纽带。因此，可以在多对象集中器的主程序中使用串口查询方式。在集中器主程序中，当上位机发命令时，集中器的串口接收到数据，此时线状态寄存器将标志位置高。当在主程序中，检测到这个标志时，调用处理子程序。这时主程序处于等待状态，当处理成功之后，调用集中器向上位机应答子程序；当集中器将上位机发来的命令向智能表转发时，则调用集中器向智能表发命令子程序。集中器主程序流程设计如图12所示：图12 集中器主程序流程图4.1.2 集中器接收命令子程序的设计在集中器这个子系统中，根据任务要求，集中器中存在两个串口，故采用不同的串口进行通讯。由于集中器接收智能表应答的流程设计和集中器接收上位机命令的流程相似，故它们是交叉进行处理的。所以，本文仅以集中器接收上位机发命令子程序的流程设计为例，说明集中器中断接收上位机命令的工作流程。集中器接收上位机命令的工作流程图如图13所示，在图13中，只描述了集中器接收上位机命令的流程。集中器接收成功时也要做不同的成功标志，在等待接收中，以便查询区分。图13 集中器接受上位机命令程序流程图集中器处理命令子程序是在集中器接收上位机命令成功时，做处理命令工作的。因为在接收子程序中己经对接收命令的一部分进行了校验，所以，在集中器处理命令子程序中，只需验证一下校验码即可。当上位机所发命令为设置参数命令时，除了要把这些数设置到存储器中外，还要根据情况进一步向智能表转发这个命令，即调用向智能表发命令子程序；当上位机要抄取能耗或参数等时，要调用向智能表发命令子程序，注意这时要设置好相应的处理完标志。4.1.3 集中器向智能表发命令子程序的设计当多对象集中器接收上位机命令处理完后，如需进一步向智能表转发该命令，此时，就可以把上位机发来的命令进一步向智能表转发。这时要先把集中器发送智能表使能端打开，然后把上位机发来的命令的各个字节发出，其流程图如图14所示。图14 集中器向智能表发送命令程序流程图4.1.4 集中器向上位机应答子程序的设计当多对象集中器接收智能表应答成功或者不需要进一步向智能表转发上位机命令时，这时集中器就可以向上位机作应答了。首先，要把集中器发送上位机使能端打开，然后再把集中器向上位机应答命令的各个字节发出。集中器向上位机应答的形式与集中器向智能表转发命令的流程相似，只不过在进行“设置能耗或参数”时应答命令的数据缓冲区中的数据个数要置零。4.2 集中器通信的实现4.2.1 集中器上行通信协议集中器上行通信是指集中器与PC机之间的通信，上行通信是CAN总线通信，CAN总线协议依据国际标准化组织/开放系统互连(ISO/OSI)参考模型。4.2.2 集中器下行通信协议集中器下行通信协议指集中器与智能表之间的通信协议。数据集中器与智能表之间的通信协议采用主从结构的半双工通信方式，集中器为主站，智能表为从站。每个计费终端都有自己的地址编码，通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制13。1. 集中器向智能表发出的发送帧68HA0A1A2A3A4A568HCLDATACS16H(1)68H：是帧的起始位(2)A0A1A2A3A4A5：是地址域；其中A0表示水、电、气表的地址编码， A1，A2表示用户的地址编码，A3，A4表示数据集中器的地址编码。A5是空置的；(3)C：控制码（抄表/断电）；(4)L：表数据域DATA的字节长度；(5)DATA：数据域；(6)CS：是奇偶校验位； (7)16H：是结束符。2. 智能表向数据集中器发出的应答帧若智能表接收到的地址码是自己的地址，C=11H，该命令是抄表命令，则智能表发出的应答帧的信息帧格式如下：68HA0A1A2A3A4A568HCLDATACS16H4.2.3 集中器通讯的实现应用程序中使用了VC+的通讯控件Microsoft Communication Control。在要进行通信程序所涉及的对话框中嵌入此控件并进行相应设置，便能实现通讯功能。通讯采用查询方式，以问答的形式进行。每次通讯都由系统控制计算机向下发送命令，集中器执行命令并返回结果，在一段时间内系统控制计算机等待并不断查询是否收到信息，收到信息或等待时间到了便返回14。程序流程图如图15所示。图15 通讯程序流程图5 结论经过广泛的调查、研究、比较、反复地规划之后，完成了多对象远程抄表系统集中器的设计现。多对象集中器的设计借鉴了市场上其他产品的研究成果，采用高性能的ARM9自行设计，适用于对多对象智能表数据采集、存储、传输，投入资金少，开发周期短，特别适合于我国目前的国情，对我国目前大多数居民的多对象耗能表实现无人抄表具有指导意义，具有很高的实用价值和推广价值。本设计存在许多不足及后续研究工作，希望在以后的学习和研究中中可以进一步改进。参考文献1徐德军, 蔡键龙, 龚建荣. 用单片机实现远程自动抄表J. 电子工程师, 2007, 7(5):7-13, 51.2SABOLIC D. 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