远程抄表系统总线终端数据采集模块的设计.doc

天津大学仁爱学院08届本科生毕业设计（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及远程抄表系统中的数据采集，存储，传输等问题。1.1 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，社会对信息传输，存储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，现代通信网已不再是单一的电话网或电报文字通信网，而是一个综合性的多种信息服务的通信网。为适应世界性的政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。1.2 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转换方式的选取。接收设备的基本功能是完成发送设备的反转换，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。通信系统按照传递消息的媒质不同可以分成两大类：一类是有线通信，用导线作为传输介质来传递消息，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话先 ，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物定向方式传递消息，如中，长，短波通信，微波通信，红外通信，卫星通信等。1.3 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。本论文主要研究和设计远程抄表系统中的集中器模块，通过MBUS总线采集、存储各用户的用量及费用信息；将存储的信息通过RS-232或RS-485等传输给管理层的计算机。远程抄表系统可以实现各类仪表如水表，电表，煤气表等数据读取和使用管理，应用与居民小区中，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，水电等管理工作劳动强度大，并给用户带来不便。我国1994年开发了磁卡电度表接着出现了IC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，易被破坏，易被造假卡，不易发现窃电等弊病。1996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价廉，可靠，方便，开放的特点。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组成。本论文主要研究各种数据总线包括仪表总线Meter-Bus，RS-485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，RS-485总线终端电平转换芯片简介，采集器模块的微处理器，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。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-Bus。系统集中器与远程抄表主站通信方式有RS232专线通信，内置拨号MODEM通过公用电话网通信，光纤通信，INTETNET网络通信，专用网线通信等多种方式，本论文简要介绍采用RS232专线通信，内置MODEM模块电话拨号通信 等方式完成集中器与主站之间的通信。1.4 论文的主要内容本文分析和研究了远程抄表系统中的数据采集，存储，传输等诸多问题，尤其是在通信方式方面作了细致的讨论。本论文主要内容包括：1.各种数据通信方式的原理及应用介绍。该部分介绍了系统可采用的各种数据通信方式的原理及应用设计，包括仪表总线Meter-Bus，RS-485总线，RS-232总线，电力线载波通信，微波无线通信等方式的原理与应用设计。2.远程抄表系统总线终端数据采集模块的设计。包括外围存储芯片的设计连接；收发数据电路设计。3.系统集中器的方案设计。包括集中器的微处理器，M-Bus的收发电路；集中器与主站间通信方案设计等内容。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2.1 系统整体设计方案及功能介绍本章是本论文的主体部分，首先介绍了系统的整体的设计方案，然后又介绍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。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：图2-2 本论文重点设计部分几点说明：l 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“n”为最大256，但据工程实际测试，小于200个效果更好。l 集中器与抄表主站之间可采取MODEM通过电话线通信，RS485口通信，INTERNET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。l 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，采用仪表总线Meter-Bus方式。集中器：系统集中器由微处理器，片外扩展RAM和连接传输线路的转换电路等部分组成。1 通过Meter-Bus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。终端数据采集表计1. 终端装置的微处理器采用AT89C51单片机，可以编出高效的程序。2. 具有双向通信功能，表记内具有控制装置，可在户外，远程操作，灵活方便。2.1.2系统中微处理器芯片概述集中器的微处理器采用AT89C51，它的数据总线8位，地址总线16位，数据存储器128B，程序存储器4MB，有4个8位并行口和一个全双口串行口。2.1.3 系统功能1数据采集：指定抄取用电，用水，用气等数据。2费用结算：按指定要求计算水费，电费，煤气费等。3数据安全：通过口令实现用户管理，仪表管理，进行权限设置。4远程表计监控：对拖欠费用的用户，实施停水停电，供气控制，并具有防盗监视功能。5信息发布：网络实现信息发布，查询，网上付费。6报表打印：用户信息，消费量，付费信息等报表打印。7图形分析：水电气等使用情况图表分析。2.14 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. 采用M-BUS，可靠，方便。2. 表计可由集中器通过总线供电，也可自带电池，如用电池供电，配置的电池需保证两年以上的使用时间，否则在实际应用上带来不便。3. 具有对时和控制功能，保证及时收费；4. 在设计中，充分考虑成本因素，在保证功能和稳定性的前提下，实现低成本。2.2 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Meter-Bus通信方式，集中器与抄表主站之间采用的RS-232通信，RS-485通信，内置MODEM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（Meter-Bus或简称M-Bus）是一种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3009600bps半双工异步通信。典型的应用是将M-Bus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OSI模型中的M-Bus M-Bus采用ISO-OSI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-Bus不是网络，所以在OSI模型中它的传输层，会话层，表示层是空的，只有物理层，数据链路层，网络层和应用层的功能定义，如表2-1所示。 表2-1 物理层，数据链路层，网络层和应用层的功能定义层功能标准应用层数据结构，数据类型EN1434-3表示层空会话层空传输层空网络层扩展地址（可选）数据链路层传输参数，电报格式，地址IEC 870物理层线缆，位表示，线路连接，协议，电平指标M-Bus* 数据链路层M-Bus 数据链路层传输协议基于国际标准IEC 870-5，该标准对远程设备和系统的通信协议进行了定义。M-Bus 数据链路层传输协议源于IEC 870-5 但是没有使用到其中的全部功能。该协议采用异步串行传输方式，信息帧的同步由起始位和结束位来实现，由于总线的静止状态为逻辑1（MARK），因此起始为必须是逻辑0（SPACE）而结束位是1（MARK）。此外M-Bus 数据链路层还采用IEC 870-5数据完整性类别I2 的信息帧格式来处理传输过程中可能产生的传输故障。* 应用层M-Bus 的应用层协议参照数据交换标准EN1434-3 中的标准化应用层协议。这个标准同样也适用于其它共用事业仪表如燃气表和水表等。然而EN1434-3 中仅定义了回应方向上的数据结构，M-Bus 应用层协议还对主机到从机通信的数据结构进行了定义。应用层协议可以完成包括数据传输、制造商识别码设定、从设备配置，以及应用层的故障甄别等功能。三基本操作原理1.物理操作标准M-Bus是一个主从系统，由一个集中器进行通信控制。一个M-Bus系统有一个集中器，数个终端（各类仪表）和两条传输线路组成，作为终端的各类仪表都并 联在两条传输线上，并且每个终端都由自己的地址码来区分。当集中器向终端发送命令时都要加带终端地址码，终端接收到集中器命令时首先比较命令中带的地址码是否和自身地址码一致，如不一致，则对命令不予响应。总线上传输的数据为采用如下方法表示：(1) 由集中器向终端仪表终端传输的信号采用电压值的变化来表示, 即集中器向终端仪表终端发送的数据码流是一种电压脉冲序列, 用+ 36 V 表示逻辑“1”, 用+ 24 V 表示逻辑“0”。在稳态时,线路将保持“1”状态,图2-1(a) 部分所示是由集中器向终端仪表终端传输的数据码流图。图2-1 集中器与终端间的数据码流图2-2 从集中器向终端仪表传输的信号波形图2-3 终端仪表向集中器的信号传输波形(2)从终端仪表终端向集中器传输的信号采用电流值的变化来表示, 即由终端仪表终端向集中器发送的数据码流是一种电流脉冲序列, 通常用1. 5 mA 的电流值表示逻辑“1”,当传输“0”时,由终端仪表终端控制可使电流值增加1120 mA。在稳态时, 线路上的值为持续的“1”状态。当终端仪表终端接收信号时, 其电流应处于稳态“1”,在接收信号时, 其电压值的变化所导致的电流变化不应超过0. 2 %/ V。图2-1 (b) 部分的所示是由终端仪表终端向集中器传输数据的码流图。(3)当终端仪表子站向主机发送的电流信号相互冲突时,则产生如图2-1 (c) 所示,总线电流相互叠加,总线电压由于瞬间消耗电流增加产生瞬间较图2-1 ( b) 时大,通过这一点可以判断终端仪表子站通讯有否冲突。通讯系统采用总线供电,当远距离传输时,总线上的分布电阻将导致总线电压下降,终端接收芯片应以该终端仪表子站站点总线上的电压差的绝对值为接收信号, 即具有动态接收信号的能力。实际接收情况为:任一子站电压最高值Vmax 范围应为2142 V ,子站处的电压值比该点的Vmax 低5. 5 V 时, 应记录一个标记,当比该点的Vmax 低8. 2 V 时,应记录信号“0”。终端微处理器可以选择3 种供电方式(1) 仅由总线供电; (2) 仅用自带电池供电; (3) 由总线供电,自带电池做备用电源,当总线供电失败时,终端自动切换到电池供电。为保证其中任何一个子站短路时不影响整系统功能, 在各子站电路中应接有430 10 的短路限流电阻, 以保证短路时的该支路最大电流不超过100 mA，另外还要减少线路上的电能转化为热能。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，集中器可以将信号转换为RS232接口标准或RS485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绞电话线。对于普通的电话线而言，终端与集中器最大距离为350m，在这个距离上线路阻值达29欧，传输波特率300-9600bps，采用8位地址结构，终端数目可达256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+12V。3.终端设计终端可由总线供电，也可自带电池供电，若自带电池供电，为保证低维护成本，电池寿命要达到几年。为方便终端安装，终端应为极性独立，即无正反接的影响。在采用Meter-Bus的远程抄表系统中，Meter-Bus与终端之间的连接采用的收发芯片是TI公司生产的TSS721芯片。依照Meter-Bus的电气标准设计集中器与Meter-Bus通信的转换电路。2.2.2 RS-485总线的原理及应用设计 RS-485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。RS-485通信改进了RS-232通信距离短，速率低的缺点，其传输速率高达10Mb/s，传输距离可达1000米，增加了多点，双向通信能力。RS-485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+6V，是一个逻辑状态；负电平在-2-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端。“使能”端视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AA与BB对应相连，当接收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV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200mV至6V之间。RS-485和RS-232有关电气参数如表2-2所示。表2-2 RS-485和RS-232电气参数规定RS-232RS-485工作方式单端差分节点数1收，1发1发，32收最大传输电缆长度50英尺400英尺最大传输速率20Kb/s10Mb/s最大驱动输出电压+/-25V-7V+12V驱动器输出信号电平（负载最小值）负载+/-5V+/-15V+/-1.5V驱动器输出信号电平（空载最大值）空载+/-25V+/-6V驱动器负载阻抗（欧）3K7K54摆率（最大值）30V/sN/A接收器输入电压范围+/-15V-7V+12V接收器输入门限+/-3V+/-200mV接收器输入电阻（欧）3K7K12K驱动器共模电压-1V+3V接收器共模电压-7V+12V2.3 集中器模块的设计与实现图2-4 集中器的基本框图集中器通过双绞线以M-Bus与仪表终端通信，读取各表计数据，对数据进行处理和存储，并通过MODEM或RS485口传送给远程抄表主站。远程抄表主站可通过电话线路，宽带网，光纤等通信方式主动将数据传送至设在电力局，燃气公司，自来水公司等管理部门的抄表管理中心。2.3.1 集中器的功能和特点：l 数据集中功能经M-bus读出各表计数据，并存储。l 转发控制功能在表计具有电动闸门或开关的情况下，可以转发主站发出的控制命令，开关表记的闸门或开关。l 时钟功能集中器内置实时时钟，以便满足分时段计费的要求。时钟可经主站进行设置和对时。l 数据存储功能集中器具有大容量的存储体，掉电后数据保持长时间不丢失，可长期保存各种数据。数据存储可带校验措施，避免无效数据送出。集中器还可存储由主站下发的表记地址，通信规约等运行参数。l 数据通信功能集中器配置M-bus接口，RS485/232接口和MODEM，其中M-Bus接口，RS485接口可实现与表计的通信，RS485/232可与固定主站或移动主站间通信，或用modem通过公用电话网或专线实现与主站通信。2.3.2 集中器器件的选用及原理框图集中器采用的主要器件及原理框图如下图所示。图2-5 集中器原理框图微处理器：集中器的微处理器采用89C51，具有512的RAM、32K并行可编程的非易失性FLASH程序存储器，并可实现对器件串行在系统编程ISP和在应用中编程（IAP）。该器件有4组8位I/O口、3个16位定时/计时器、多中断源嵌套的中断结构、1个增强型UART、片内振荡器及时序电路。EEPROM：集中器通过I/O口接连一片串行工作EEPROM，用来存储该集中器的地址和所连接的表计地址，本系统设计采用EEPROM24C64，其CLK端和IO端分别和微处理器89C51的P15、P16相连接。扩展RAM：集中器连接一片片外RAM，扩展RAM至32K，这里采用CY7C199，它是32K*8位静态RAM。通过一片8位锁存器74HC573对地址低8位进行锁存，使89C51的P0口作为地址、数据线复合使用。集中器发出读数命令后，依次采集到的表头数据存储到该RAM芯片中。外挂FLASHROM：集中器将表计数据长期保存在外挂FLASHROM中，实现数据存储功能。采用两片512*8位的FLASH MEMORY AM29F040,19位地址线的低14位使用89C51的P0口和P2口的P20P25，高5位使用89C51的P10P14。为了满足集中器的时钟功能，系统连接一片时钟芯片DS12887,在进行数据处理时可将时间参数加入到表计数据中去，并可以满足分时段计费的要求。看门狗：设计采用一片IMP813看门狗芯片，用P17连接DOG，IMP813的RST端接89C51的复位端，系统定时产生DOG信号，如系统在一定时间不能产生DOG信号，则被判断为出错，IMP813看门狗芯片产生RST信号使系统复位。2.3.3 集中器的软件流程设计集中器向终端发出命令格式为“起始位+终端地址码+命令代码+校验位”，其中命令代码包括“读数代码（例如00）”，“切断命令代码（01）”，“重新开启命令代码（10）”等。传输线路上的常态为“1”。所以起始位应为“0”。终端地址码为一个8位二进制代码，所以每个集中器最多可连接256个终端。如需进一步开发实现如火警，盗警等其它一些功能，只需扩充一定的命令代码即可。系统读取终端传回的数据格式为“起始位+地址码+校验位”，经过集中器的处理，加入时间参数并可保存在外挂FLASHROM中。前导字节帧起始符仪表类型从站地址域控制码数据长度数据域纵向校验码帧结束符集中器定时抄取终端数据（假定每小时抄取一次）并进行存储，当抄表主站与集中器进行通信时，集中器可将完整的数据信息传送至主站。图2-6 M-Bus帧格式集中器的工作流程为：1） 集中器的存储器存储着一个下属各个仪表终端的地址码表，当时钟计时达到一小时，向终端进行一次读数操作。集中器首先读取地址码表中第一个终端地址码，按照“起始位+终端地址码+读数命令码+校验位”的格式向终端发出读数命令。2） 在规定的时间内将接收到来自终端的表计数据，如果超时，再次向同一地址码发送读数命令，再次计时等待。如又超时，视为该终端出错，进行保存和记录。3） 集中器将依次读取地址码表中下一个地址码并发送读数命令。全部终端数据读取并保存完毕后（地址码表最后设置末尾标志），集中器转入数据处理过程。过程为从片外RAM中依次读取各终端数据，加入时间等参数存入外挂FLASHROM中。4） 当集中器接收到抄表主站的读取数据命令后，向抄表主站发送该集中器下属各终端表记数据，抄表主站将汇总各终端表记数据和时间参数，不同表记类型的数据统计以及数据报错的终端等。抄表主站可以定期抄取各集中器的数据，完成对各终端的仪表用户的信息统计和处理工作，包括与终端数据报错的用户采用其它手段进行抄取表记数据的行为等。集中器的工作流程图如下图所示。图2-7 集中器读取终端表记数据流程图M-Bus 仪表总线协议信息帧的控制由主站发出, 每帧由前导字节、帧起始符、仪表类型、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符等9个域组成, 每个域由若干字节组成。帧的格式见下图。每字节含8 位二进制码, 传输时加上1个起始位(0)、1个奇偶校验位和1个停止位(1) 共11 位。D0 是字节的最低位, D7 是字节的最高位, 先传低位后传高位。0D0D1D2D3D4D5D6D7P1 | 8位数据位 | 起始位 奇偶校验位 停止位图2-8 字节传输序列图2-9 控制码格式(1) 前导字节由主站或从站发送的所有帧前面有一串规定数目的十六进制的字符 FE , 这些字符称为帧的前导字节。前导字节本质上是一种物理层的要求, 经常用来使接收器适应和同步, 一般是2 4 个字符。(2) 帧起始符帧起始符68H, 表示一帧信息的开始。(3) 仪表类型仪表类型(T) 是指参与通信的从站属于哪种类型的计量仪表。T 0H 19H 20H 29H 30H 39H表示仪表类型 水表 热量表 燃气表(4) 地址域地址域由7 个字节组成(A0A1A2A3A4A5A6) , 每个字节为2 位BCD 码格式。地址长度为14 位十进制数。其中A6A5 为厂商代码, 低地址在前, 高地址在后。当某一字节以AAH 寻址时, 忽略该字节地址。当地址为AAAAAAAAAAAAAAH 时, 为广播地址。(5) 控制码 D7: 0-表示由主站发出的控制帧;1 -表示由从站发出的应答帧;D6: 0 -表站对异常信息的应答;D5 D0: 控制码000000: 保留;000100: 读计量数据;000101: 读地址;001000: 广播校时;001100: 更改通信速率;010010: 写机电同步数据;010100: 写时域;010101: 写阀门控制;011010: 设定密钥;1XXXXX: 厂商自定义。(6) 数据长度数据长度字段包含一个表示字节数的整数, 用十六进制表示, 是数据长度字段和校验字段之间(不包括该两个字段) 的数据字节的计数值。读数据时数据长度小于或等于64H。写数据时数据长度小于或等于32H, 数据长度等于零表示无数据域。(7) 数据域(DATA)数据传送时, 发送方按字节进行加33H 处理, 接收方按字节进行减33H 处理。(8) 校验码(CS)一个字节从帧起始符开始到校验码之前的所有各字节进行二进制算术累加, 不计超过FFH 的溢出值。所有多字节数据域均先传送低位字节, 再传送高位字节。例如, 传送数据域的值为12345678, 其传输次序如图2-7所示。图2-10 传输次序图每次通讯先由主站发出命令帧, 被选择的从站根据命令帧的要求做出响应。传输响应的时序见下图。数据通信过程中, 若接收方检测到校验和奇偶校验或格式出错, 均放弃该信息帧不予响应。图中Tbit= 1/ 波特率秒-二进制位传送时间Tbyte= 11Tbit -字节传送时间Td 1= Tbyte -延迟时间Tframe= 帧字节数* Tbyte -帧传输时间Tbyte= 11Tbit -字节传送时间Td 1= Tbyte -延迟时间Tframe= 帧字节数* Tbyte -帧传输时间Tr= 50 ms+ 30* Tbyte -最长响应时间Tfba= 实际帧字节长度* Tbyte -实际帧传输时间Tb 1Tbyte -字节间的停顿时间图2-11 主机请求失败图图2-12 主机请求成功图2.3.4集中器的通信接口部分集中器的通信接口电路是保证集中器通过总线与终端数据采集模块通信，集中器与主站进行通信的重要部分。这里叙述的内容主要包括：在于终端数据采集模块通信中，与M-Bus通信的电平转换接口电路，与抄表主站通信的485口通信的电平转换接口电路，MODEM模块。图2-13 集中器接口电路框图简要说明：l 集中器与M-Bus总线通信的转换电路模块通过微处理器芯片的RXD，TXD端连接；l 集中器连接一个UART芯片ST16C2550，它是一个16位通用串行异步收发器。通过连接微处理器的RD端和WR端来完成与外围的串行通信功能。设计系统既可以使用RS485/232通信，又可以通过MODEM和主站通信，因此使用带选通端的芯片FIF0芯片74LS125，用来满足不同通信方式的集中器与主站通信的要求。一 与M-Bus总线通信的转换接口电路 前文已述，通过M-Bus传输的数据位由集中器向终端传输的信号采用电压值的变化表示，其典型值为，用+36V表示逻辑“1”，用+24V表示逻辑“0”；从终端向集中器传输的信号采用电流值的变化表示，用1.5mA的电流值表示逻辑“1”，用电流值增加11-20mA表示“0”，M-Bus在系统终端采用的收发芯片为TSS721，这里介绍的是集中器转换电路的设计问题。集中器M-Bus发送电路的设计：根据M-Bus传输的数据由集中器向终端传输的信号采用电压值的变化表示，转换电路的设计有两种方法。一种是利用信号作为开关电路的控制信号，使信号为“1”时传输线路上电压为+36V，信号为“0”时传输线路上电压为+24V。实现电路基本原理框图如图2-12所示。2-14 集中器与M-Bus间的转换电路原理框图1另一种方法是利用电压控制芯片LM317，传输信号作为控制电路中调压电阻的控制信号，通过改变电阻达到输出电压的调整，实现电路基本框图如图2-13所示。2-15 集中器与M-Bus间的转换电路原理框图2集中器M-Bus接收电路的设计：根据M-Bus由终端采集模块向集中器传输的信号采用电流值的变化表示的特点，接收电路的设计采用电流值差值比较电路，利用比较器的输出信号作为转换后的接收信号，当总线上电流值突然增大时比较器正端值由于电容的存在而不能迅速变化，因此负端电流的增大使比较器输出一个正信号。2-16 接收电路基本原理框图二 与485口通信的电平转换接口电路前文已经指出，RS-485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，本论文研究的集中器与485口通信的电平转换接口电路是通过MAX487收发芯片实现的。MAX487芯片是MAXIM公司生产的低功耗RS-485/RS-422收发芯片，其功能是完成集中器信号和485总线信号的转换工作。其管脚定义和功能如表2-3所示。表2-3 MAX487的管脚定义和功能编号名称功能1R0接收输出端：当AB达200mV，输出高电平；当AB达200mV，输出低电平2RE接收输出使能端：RE为低电平，R0有效；-RE为高电平，R0为高阻态3DE驱动输出使能端：当DE为高电平，A、B为输出驱动端；当DE为低电平，A、B为高阻态，这时如-RE为低电平，则芯片为总线接收状态4DI驱动输入端：DI为高电平，输出AB；DI为低电平，输出AB5GND接地端6A连接总线的输出端和输入端7B连接总线的反向输出端和输入端8VCC电源5VMAX487的R0和DI端分别连接集中器的信号输入和输出端，将RE端和DE端一并连接集中器的输入和输出端，将集中器接收总线信号时，使低电平，RE低电平有效，集中器自R0端接收总线信号；反之，当集中器向总线通信时，使DE为高电平，使芯片处于驱动总线状态，将DI端的信号送向总线至抄表主站的微机。另外485总线的两条线路是有极性的，与M-Bus不同，所以连接至485总线应注意连线的极性。三、232接口设计图2-17 简易232M-Bus转换器原理图简易主机设计1、主机发送如图2-17所示,系统通过电阻R10 和T5 给总线供电。232 电平在发送“0”时,TXD 脚上出现高电平信号, T2 、T5截止,T4导通,总线通过电阻R11 下拉到负电源,实现主机发送“0”,同时T3 截止,RXD 被R4下拉到负电源,无接收数据。而当232 电平在发送时“1”, TXD 脚上出现低电平信号,T2 、T5导通,T4截止,总线通过电阻R10 上拉到正电源,实现主机发送“1”。2、主机接收当TXD 脚的232 电平为“1”,低电平信号, T2 、T5 导通,T4 截止,总线通过电阻R10 上拉到正电源,允许接收,所以TXD 脚又可以同时作为接收允许的控制脚。当有从机在发送数据时,其将总线的电流值增加1120mA ,通过R10得到电压约为0. 8 1. 6 V , T3 导通将RXD 脚上拉到正电源电平,实现RXD 脚对应232 电平“0”的接收。当有从机在发送数据“1”时,没有附加电流消耗,T3截止将RXD 脚上拉到负电源电平,实现RXD 脚对应232 电平的接收。3、接口负载能力计算为了保证收发器的正常工作, 电源通过R10给M-Bus总线供电的稳态电流其上产生的压降不能超过T3的开启电压Vt ,此开启电压Vt 值一般为0. 3 V。因此电源通过R10给M-Bus 总线供电的稳态最大电流为300 mV/82 -30 V/220 K = 3.52 mA而根据M-Bus 总线供电规定,单一从机的允许最大消耗为1. 5 mA。所以给收发器能实现232 电平到2个从机的通讯。实际通讯系统中我们可以减少R10 的电阻值从而可以提高系统的负载能力,但R10的电阻值不是可以无限减小。这需要保证给最大个数从机提供稳态电流同时保证不会导致在RXD 的接收脚上不会有错误数据收到,同时在收到从机发送数据时也能收到。但过大的负载导致通讯噪声敏感。理论上总线上允许挂的从机最大值为:11/ 1. 57 ,系统的电流冗余为0.5 mA。此时通讯系统对噪声特别敏感,一旦有从机的瞬间消耗电流加大或其他干扰导致通讯总线电压波动就可能导致RXD 收到错误数据。此时通讯的接收控制需要减小R10 来防止误触发接收,但过小的R10将正常的接收无法实现。理论上还可以根据实际悬挂的仪表数目手动确定总线上稳态供电电流(此时如图2 -17包含右上虚线部分) ,同时通过瞬间总线消耗电流的变化来识别M-Bus“0”电平，但实现上甚为麻烦,而且不能实现在系统仪表个数自动处理,不符合智能管理系统的需要,为此需要研制出既能驱动多达几百个仪表同时通讯的232 M-Bus 总线转换器。多负载主机接口设计从上面的分析可以发现,232M-Bus 总线转换器需要有很强的驱动能力,同时也能识别单个仪表通讯引起的瞬间总线消耗电流变化。为此提出图2-16 所示的发送器电路如图2-18 虚线以外部分所示,从主机到从设备从机方向的信息来自232 - TTL 转换器的TXD 信号,通常需要加隔离电路。此信号还不能直接放到M-Bus总线上,必须经过总线驱动器IC103 放大后,形成+ Bus 总线上的电平变化。总线电平由电阻R7、R8和232-TTL输出的TXD电平设定。直到电容C106上的电压达到C104 一样的电平。当稳压段的操作未处于调制状态时,电阻R12上没有导通电流,选择合适的时间常数可使数据调制时负载的电压不会随总线电压变化。接收器和冲突检测电路。图2-18 232M-Bus转换器原理图接收器如图2-16虚线内部分所示,在从设备向主设备传送数据时检测电流脉冲。从设备中的电流下降沿使得终端电阻R12，R6 +R17，R4(接收器)上的电压降低。D104、D102和R12R6、R17、R4一起设定开关门槛,它使得电容C102 中存储的电压长时间保持恒定,当比较器检测到一个小的电压它就能恢复辨别出来的信号,同时还有益于消除总线上的高频干扰信号。输出RX1由总线电压+ BO 通过二极管D103和电阻R9供电。冲突检测电路冲突检测电路实现冲突检测,通用的转换器硬件没有检测控制标志,无法实现冲突判断,此硬件提供了冲突侦测。当子站通讯冲突发生时,在总线上发送的总电流增大,在检测电路处的电压较正常接收时要低。冲突检测电路的原理和接收器的原理是一样的,具体电路可参见接收器电路(如图2-18虚线内所示) ,其通过总线电压的瞬间微小变化检测到子站发送数据时发生冲突,只是其识别电压阈值较接收电压要大。如图2-16虚线部分所示,在接收电路通常R6 =2. 0 k，R4 = 1. 5 M, C102 = 1F ,此时完全正常通讯 。其中电阻R6 、R4 取值是按照M-Bus 标准要求当从机发送“0”时消耗1120 mA 瞬间电流来选择的。在测试中发现当R6取值稍大数据出现不稳定,电阻值进一步增大(R6 2. 5 k) ,则不能正确收到应答数据。而当有两个以上的子站在应答而发送 0 冲突时,在总线上就会出现消耗22 mA 以上瞬间电流的情况。根据试验发现,当将接收电路作为冲突监测电路使用且冲突发生时,若冲突监测电路中的R6 = 8. 3 k时可以正确收到冲突应答数据,取值稍大数据出现不稳定,电阻值进一步增大(R6 9. 1 k) 则不能收到应答数据。从以上论述可以得到:若R6 取2. 58. 3 k 中间的值时则可以识别出接收冲突,为此在冲突检测电路中该电阻取中间值4. 7 k。冲突检测电路检测到子站数据发送冲突,并可发送到串口从而触发对应串口中断,通过软件处理中断。线路连接（1）发送电路如图所示，当TXD发送高电平“1”时，三极管Q2 导通，光耦U4 导通工作，驱动三极管Q1 工作，同时+36 V 电源为负载供电，即输出高电平；反之，输出低电平。在该电路中，光耦合器起到不可忽视的作用，它以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用，可以减少电路当中存在的干扰，增强电路的可靠性。（2）接收电路在实际应用当中，M-BUS系统是一个带有通信控制机的多级系统，它是由主站和一定数量的从站(终端仪表)通过两根电缆连接而成，所有的终端负载都并联连接在M-BUS 总线上，总体电路图中接收部分的内部详细电路图如图所示。当仪表向采集器返回数据时，通过改变仪表的电流大小来实现高低电平的变化。电阻R0 为10 ，电流变化，电压V1 随之改变。如果负载挂接100 块仪表，稳态时流经电阻R0的电流为1.5 mA100=150 mA，仪表返回数据时，若返回数据“1”，流经R0 的电流为150 mA；若返回数据“0”，仪表调节自己的输出电流，此时流经电阻R0 的电流为150 mA+(1120）mA，按165 mA 计算，V1=16510=1.65 V。首先经过U1 一级运放，该运放实质是一个射级跟随器，其优点是可以避免下一级电路对V1的影响，V2V1；然后进行U2 二级运放，该运放是一个比例放大器，本电路设计时参数（R2+R2)/R1=10，V3V2R2/R1=16.5 V，该运放的供电电压决定了带负载的能力，如果选择供电电压小于16.5 V,就会过载；最后经过U3 三级运放，该运放功能本质是一个比较器，极性电容C1，稳压二级管D1和肖特基二级管D2 在电路当中起到关键性的作用。在负载处于稳态“0”的时候，通过示波器可以看到：比较器的反向输入端的电压波形趋于水平，C1 和D1 一起确定比较器的基准电压。C1 在这里主要有两个作用：一是它能使得存储的电压长时间保持稳定，准确地为比较器提供基准电压，当有数据流“1”和“0”向采集器返回，稳态被打破，同向输入端的电压和上一状态的反向输入端电压进行比较，V4 得到的就是高低电平的矩形波信号；二是有利于消除线路上的高频信号，起到抗干扰的作用。D1 这个稳压管在电路当中起到保护比较器的作用，当负载电路由于某种原因导致电流增大时，那么V3 必然增大，稳压管可以防止V3 这个电压增长过大，导致比较器及外围电路损坏。比较器的同相输入端的电压ViV3R4/（R3+R4），这里R3R4 的值不宜过大，如果过大，由上式所求Vi 的值会过小，与基准电压偏离太大，比较器将失去比较功能，V4 不会得到经比较器比较后的方波信号，波形将会变成一条直线。肖特基二极管D2 在返回数据而且保证数据的正确性有重要意义，该比较器的优点在于它的动态比较性，如果没有D2，Vi 这个输入电压就会反作用于基准电压，使基准电压的变化紊乱，从而数据的可靠性降低。反向输入端收到极性电容的影响其波形缓慢变化。在实际的电路当中，第三级运放的同相输入的信号波形并没有像上图那样稳定，是带有噪声的，正是经过比较器，同向输入端不断和反向端前一状态比较才使得V4 的波形稳定，从而增强了信号的可靠度。通过比较器得到V4 这个方波信号，经稳压管D3 转换为TTL电平返回到采集器的接收端RXD。图2-19 电路板框图电路板各部分简介l 总线电压调制（转发器）当从主机传送数据到从机时l 总线电流检测（接收器）当转送数据从终端到集中器时l 总线电源l 远程供电（通过TSS721）l 总线电流过载检测（过载警告）l 系统扩展（中继器）l 电压调制（电源电压）l 终端接口（RS232驱动器）以上电路为各个部分的框图，电源电压U1（+18V），应由外部电源另外提供。所有电压必须通过高电阻与地隔离，还必须有短路保护和电流限制。辅助电压Vcc是来自电源电压。通过一个DC/DC转换器，可将+U1转换成需要的-BUS=-30V。通过使用DC/DC转换器（IC101）简化了多电源供应的测量总线的供电。辅助电源Vcc确保放大器的输入电压在稳态工作点。图2-20 电源供应和RS232连接5V单电源供电的RS232驱动器IC103直接连接仪表总线主机与PC或通过调制解调器连接。半双工RS232传输在300 - 9600波特与测量总线兼容。主机发送数据时，信号TX1控制总线的电压调制，信号RX1是从机电流调制的结果。主机到从机方向的信息传输是通过总线电压的调制传输的。调制脉冲通过输入TX2（图2-21）的RS232驱动器IC103（见图2-20）或隔离光耦OC502作为中继操作（见图2-24）。调制幅度(12v)由电阻R204，R205和Vcc电压设定。图2-21 转发器电源放大器IC201（图2-21）配置为与地共模模式，以确保参考电压Vcc与总线电平相同和总线低阻抗相匹配。这样能够设置输出（引脚3,6）相对于地能精确达到12V。 在中央单元使用元件（R208+R213和C206）设置了指定的数据传输速率工作点：外部电容（布线，连接从机的数量）对于脉冲上升和下降时间的影响可以被保持在有限范围内。该电路的其它部分提供从机传输数据到主机的总线电流，同时还提供从机的远程供电。总线电流只有在总线电压保持恒定时才能检测，即负载微小的波动必需被控制。控制先从充满状态下的电容C202开始。总线上电压变化被比较器IC202检测到，然后通过电流源晶体管T202电流补偿直到电容C204两端电压