【本科优秀毕业设计】远程自动抄表系统系统设计

远程自动抄表系统设计摘要自动抄表是指采用计算机技术和通信技术自动读取和处理表具数据的一种手段，是提高能耗管理部门自动化水平的需要，也是计算机技术和通信技术迅速发展的必然。它不仅可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表差错，而且具有抄收速度快，抄表实时性好等优点。本课题通过方案对比以及系统的需求和功能分析，选择了在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务通用分组无线业务GPRS。本文构成的自动抄表系统采用点对多点的结构形式，设计了带GPRS功能的数据采集终端，该终端向下通过RS485方式与智能电表连接，向上通过接入INTERNET，利用GPRS通信方式与监测中心服务器通信。重点介绍了电子式电能表和数据采集终端的软硬件结构，以他们为依托构建整个系统，并以此实现多功能的远程抄表系统。通过查阅相关资料和近几年的研究成果，此系统基本上可以实现远程自动抄表系统对用户电能表的远程数据采集、记录和实时监测的功能。关键词自动抄表；硬件；软件；数据采集终端目录摘要I第一章绪论111自动抄表系统概述112自动抄表系统的研究背景及意义1121研究背景1122研究意义113国内外远程自动抄表系统的发展及现状214主要内容及安排2第二章电能远程自动抄表系统整体构建321系统方案的选择3211自动抄表系统构建3212数据传输形式的选择4213组网方式的选择5214GPRS系统原理522系统整体方案的设计623系统的功能和特点724本章小结8第三章电能远程自动抄表系统的硬件设计931电能表的概述9311电能表的选择9312电子式电能表的简介10313电子式电能表的硬件设计1032RS485总线11321什么是RS48512322RS485串行接口标准1233终端主控制器与外围电路的设计13331AT89C51芯片基本结构和特点13332微控制器外围电路的设计1534终端通信模块硬件设计16341通信模块的比较选择16342SIM100简介17343GPRS模块SIM100与外围电路设计1835本章小结20第四章电能远程自动抄表系统的软件设计2141主程序设计2142系统软件特点2243子程序设计23431电能表的软件设计23432RS485串行通信子程序24433串口通信子程序2644本章小结27第五章总结与展望2851总结2852展望28参考文献29致谢30第一章绪论11自动抄表系统概述远程自动抄表系统AMR，AUTOMATIONMETERREADING一种可以自动采集和记录电力系统客户负荷的用电情况，并且通过一定的通信方式，自动将记录的数据和客户信息通过信道传回电力用电管理中心，并由系统进行数据处理，自动完成电力系统用电客户的电能量计费和管理功能的系统1。作为自动化系统中的重要组成部分，自动抄表技术从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给水、电、气管理的自动化带来了方便。在电力系统中，对广大的电力客户实现自动抄表，就是将智能化电表通过通信网络与控制中心的计算机联络，实现对电量的自动、集中、定时抄录，并进行统计和分析。电力客户抄表自动化是配电自动化的一个基本功能，是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分。低压客户自动抄表系统主要是面向大量的低压客户，量多面广，整个系统的设备数量多，投资巨大。自动抄表是信息时代发展的总趋势，自动信息交换为人们日常生活和工作带来了极大的方便，节约了大量的人力和时间，快捷、准确的信息传递提高了现代数据管理的科学性、先进性。12自动抄表系统的研究背景及意义121研究背景在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费，再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。随着我国电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。传统的人工抄表模式的弊病越来越突出，主要表现在1查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大；2错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形象；3窃电问题严重，尤其是工业大用户的窃电问题，由于数额较大，严重地损坏了电力企业的利益，扰乱了供用电秩序。以上这些问题一直困扰着电力部门，并成为制约电力部门提高效益、实现电网自动化的瓶颈。国家如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。122研究意义随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必然。远程自动抄表技术具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。采用远程自动抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损等。它从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。采用远程自动抄表系统有如下优势1采用远程自动抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方便用户。2随着一户一表的推广及城网、农网的改造，电表的数量迅速增大，抄表的工作量越来越大，所需抄表人员越来越多，人力成本大幅度上升。采用远程自动抄表，能节约人力资源实现减员增效。3远程自动抄表，对加强用电管理，防止窃电，电费催收，杜绝贪污腐败等都有积极的意义。4采用远程自动抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成账单错误，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。5电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、配电变压器的监测、线损的准确统计、分时电量和负荷曲线等，远程自动抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。13国内外远程自动抄表系统的发展及现状目前许多国家和地区都已广泛采用自动抄表系统代替传统的人工抄表，主要集中在煤气表、电量表和水流量表的自动抄表，特别是煤气抄表已经有几十年的发展历史。抄表技术的快速发展得益于80年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展，使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程迈出了坚实的一步，达到了可以大规模推广的实用性阶段。我国内所采用的抄表方式大致可以分为三种一是传统的人工抄表方式，抄表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理；二是预付费方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门购买磁卡、IC卡等，按购买额提供用量，完成收费工作；三是远程抄表方式，监控中心通过远程通信系统例如公用电话网、电力线载波、数据网等自动获取远程仪表数据的方式。当前在我国国内大量使用的是预付费方式，部分地区已经开始了远程抄表的试点。14主要内容本文以远程自动抄表系统的设计为研究内容，对国内外抄表系统的现状进行详细了解后，结合自己所学知识，以AT89C51为控制芯片，搭建了一个远程抄表系统，实现电能数据的远程采集，传送等功能；对硬件电路、软件流程的设计做了详细的阐述。第二章电能远程自动抄表系统整体构建远程自动抄表系统是近年来发展较快的一种管理信息系统，从宏观的角度，它分为硬件平台和系统软件两部分。作为电力配电自动化系统的一个功能模块，远程自动抄表系统是用电营业管理自动化的一个重要手段和组成部分，该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平。本课题的远程自动抄表系统硬件平台采用当今比较新的GPRS技术实现数据传输，对用户电表数据实现远程自动采集和实时监控的功能。21系统方案的选择211自动抄表系统构建“一户一表，集中抄表，银行联网”已成为电能计量计费信息化的长期发展目标，这就决定了抄表系统的两个基本特点系统数据采集点多，采集点具有分散性，数据量大，系统是一个覆盖面很广的通信网络。目前存在的抄表方式各有其适用场合红外抄表适合于短距离人工手持抄表，小功率无线电波、RS485总线的通信距离较近，适用于居民小区和楼宇的集中抄表，适合底层数据采集。电话交换网、大功率无线电波、低压电力线载波、以太网、GSM/GPRS通信网的通信距离相对较远，可以作为上层的数据传输方式2。本文构建的自动抄表系统整体由四部分组成监控中心、集中器、采集器和用户电表；分为两层结构，包括集中器与采集器的底层通信和监控中心与集中器的上层通信。系统组成框图如图21所示。自动抄表系统的通信信道方案包括集中器与采集器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。底层数据采集采用RS485总线型通信方式。上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，信道的通信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。鉴于GSM/GPRS网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用GSM/GPRS网络作为上层通信方式。通讯模块集中器模块采集模块1GPRS网络INTERNET网采集模块2采集模块N监控中心服务器RS485RS485RS485电能表2电能表1电能表NSIM卡图21远程自动抄表系统组成框图监控中心服务器与集中器构成上层通信系统。底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、采集器和集中器。采集器的定义非常广泛，它既可以是标准的采集模块，也可以是带有RS485接口的智能型仪表；采集器通过RS485串行总线把采集到的数据传送给集中器。集中器的主要功能就是数据的采集、汇总和转发。本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。集中器利用RS485总线把比较接近的采集器的数据汇总过来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GSM/GPRS网络把数据传送给上位供电部门管理中心。在本文中集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分。下面两章将对数据采集终端的软硬件设计做详细介绍。212数据传输形式的选择GSM/GPRS网络被选为上层通信方案的通信基础。基于GSM/GPRS网络的数据传输通常有四种方式，第一种是基于短消息的数据传输，第二种是基于DATA方式一种以电路交换为基础的传输方式的数据传输，第三种是通过语音方式进行数据传输，最后就是通过IPINTERNETPROTOCOL方式的数据传输。下面对四种基于GSM/GPRS网络的无线数据传输方式的各自特点作简单介绍3。基于短消息的数据传输是通过短消息作为数据传输的载体，利用AT指令对通信模块控制，然后将数据按照短消息的格式发送给目标机。目标机接收到短消息后，利用AT指令将短消息读出并将信息还原，这样就完成了一次数据通信。基于短消息的数据传输方式的特点是资费较低01元/条，组网使用方便，但实时性较差，数据容量较低140字节。短消息数据传输方式适合小数据量，中低采集频率的无线采集系统使用。基于DATA方式的数据传输是利用GSM的DATA与传真同传输方式，通过AT指令来进行数据拨号，等待数据连接建立后，只需将ASCII码数据送入通信模块即可。通信模块会按照设定好的通信协议将数据传出，目标机接到数据呼叫后，送出应答信号，然后便可按照相同的协议接收ASCII码信息。基于DATA的数据传输方式数据传输安全、实时性好、数据传输量大，但成本较高，适合于可靠、少次、海量数据传输。通过语音方式进行数据传输，主要是利用话音通道将数据调制到话音频率传输出去，目标机将数据解调出来。该方案还可以通过语音通道传输双音多频DTMFDOUBLETONEMULTIPLEFREQUENCY编码进行数据传输，通信方式与语音方式一样。该方案主要的优点是可以用来传输音频模拟数据，实时性很好电路交换方式，但由于GSM系统的语音编码方式的局限，对数据的压缩还原会造成数据的失真。该方案基本不被采用，但可以作为备选方案用于无线安防系统中。基于IP的数据传输方式是GPRS系统独有的，因为GPRS是在GSM网络基础之上新增两个节点SGSN和GGSN而形成的移动分组数据网络。由于GPRS数据传输的基础是TCP/IP协议，因此基于IP的数据传输方式核心的内容是TCP/IP协议的转换。基于IP的数据传输方式的优点是数据传输的成本比较低，实时性较好，但缺点是GPRS终端开发成本高，使用复杂度较高，因为涉及复杂的组网方案。鉴于以上四种数据传输方式，本系统将采用第一种基于短消息的数据传输方式，把GPRS作为上层通信信道进行无线数据传输。同时GPRS又具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个数据采集点的数据。数据采集终端的通信模块也将相应的选择GPRS模块。213组网方式的选择GPRS是目前较好的无线传输方式，利用单片机实现GPRS的远程通信接口的设计，需要解决的一个关键问题是GPRS终端如何自动附着到GPRS网络上，对于这个问题，实际上也就是选择GPRS远程通信系统的组网方式。利用GPRS通信方式组网有三种方式，下面分别进行介绍3。1专线接入方式，从移动公司到用户的远程监控中心的服务器端接一条DDN专线，通过数据专线将数据由GPRS网关服务器GGSN传送到监控中心，移动公司在GGSN上为用户配一个专门的APN节点，从而在GPRS终端和监控中心之间构成一条无线虚拟专网VPN通道。2GPRS接入方式，用户的远程监控中心向移动公司申请APN服务，获得GPRS内部网固定IP，所有的GPRS终端在拨号上网后将获得的动态IP向监控中心的监控软件进行注册，以便监控中心至终端的下行通信。3INTERNET接入方式，用户的远程监控中心采用ADSL等与INTERNET建立连接，申请一个公网IP地址，通过INTERNET将数据由GPRS网关服务器传送到监控中心，也可采用以下方式远程监控中心在连接INTERNET时向域名服务器注册动态IP地址，而GPRS终端拨号上网向域名服务器索取监控中心的动态IP地址。比较三种组网方式，第一种方式适合于实时通信或数据量特别大的场所，安全性较高，但成本也高。第二种方式的数据传输全部在GPRS网内进行，安全性高，远程的GPRS接口终端通过GPRS方式，将数据传送到监控中心，但是该方案要求由移动公司提供网内IP，而该类IP很难申请到。第三种方式要求远程监控中心用有一台连接INTERNET的服务器和公网IP地址，用户通过INTERNET，利用监控中心的数据服务器和前端软件，运行相应的程序，可以查询到对应远程接口终端的数据。这种方式资费低，前期投资小，实施方便，适于仪器的远程通信系统选用。本系统正是采用第三种组网方案，通过GPRS接入INTERNET实现数据的传输。214GPRS系统原理MS与GSM基站通信，但与电路交换数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到SGSN，而不是通过移动交换中心MSC连接到语音网络上。SGSN与GGSN进行通信GGSN对分组进行相应的处理，再发送到目的网络。来自INTERNET标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到MS。SGSN通过帧中继与BTS相连，是GSM网络与MS之间的接口。SGSN的主要作用是记录MS的当前位置信息，并在MS和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN通过基于EP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，将GSM网络中的GPRS分组数据包进行转换，并传送到远端的外部分组交换网。GGSN是连接GSM网络和外部分组交换网INTERNET和INTRANET的网关。其原理图结构如图22所示BTSBSCPCUMSCSGSNGGSNPSINISDNPLMNPDNINTERNET图22GPRS系统原理图22系统整体方案的设计系统主要是由电度表、带GPRS模块的采集终端、带系统软件的主站组成。1监控中心服务器GPRS通讯模块是以浮动IP地址的方式连接到INTERNET的,其IP地址每次连接时都不一样。监控中心的服务器本身必须绑定了一个固定的IP地址,并且以此IP地址接入INTERNET,便于GPRS模块与服务器连接。这样监控中心服务器就可以从绑定的IP地址上接收每个GPRS通讯模块发送来的数据。接收到电能表数据后,监控中心软件对电力数据进行校验、计算、存储、分析、管理等,并对异常情况进行报警,同时对用户使用情况实现实时监控。2电能表数据采集终端GPRS模块是嵌入到数据采集终端中的,与采集终端MCU的串行口连接,进行RS232通讯。采集终端通过RS485采集智能电能表的数据，对数据进行简单的分类存储,然后按照与监控服务器的通讯协议,把数据进行封装处理,利用短消息的方式发送到监控服务器。3智能电能表智能电能表的功能是计量用电量的大小,监控用户的用电情况，并把这些数据用RS485的方式传送给数据采集终端。可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能，还具有多费率控制，负荷曲线记录，各相失压、过压、频率超限记录，数据LCD显示等多种功能。主站可以通过RS485总线或手持红外抄表器对该电表进行查表、设表、抄表等操作。系统数据传输的工作原理如下终端通过RS232/485接口接收用户电表的数据，然后将数据打包成IP协议包，通过GPRS模块内置的SIM卡搜索GPRS网络后接入，处理后以GPRS分组的形式发送到GSM基站，分组数据经SGSN封装后，发送到GPRSIP骨干网，然后将分组数据包经GGSN进行协议转换后，发送到外部INTERNET网络，再通过GPRS服务器，将数据发送到数据监控中心。其数据传输流程图如图23所示电表数据执行指令接收、控制采集、发送异常报警调度指令汇总分析接收处理报警信息智能电表数据采集监控中心服务器RS485GPRS图23自动抄表系统数据传输流程图23系统的功能和特点由于系统中采用GPRS作为传输方式，并采用智能电能表，因此该系统具有以下功能1定时抄表功能对系统所有电能表进行定时抄表，抄表时间及抄表次数可设置，如存储两个抄表周期电量（月末或抄表日零点数据）正向电量有功总、尖、峰、谷、平、需量；无功感性无功（I）、容性无功（IV）。反向电量有功总、尖、峰、谷、平、需量；无功感性无功（III）、容性无功（II）。2实时抄表功能实时抄收任一时间数据及状态，如正向电量有功总、尖、峰、谷、平、需量；无功感性无功（I）、容性无功（IV）。反向电量有功总、尖、峰、谷、平、需量；无功感性无功（III）、容性无功（II）。其它数据电压（UA、UB、UC）、电流（IA、IB、IC）、费率、时段等，抄表数据可以任意打包。3预付费控制功能当用户发生欠费或违章用电时可切断电源。4电能表监测功能当电能表或脉冲线发生故障时，系统能自动提示。5系统管理功能对通信、费率等参数进行设置，对回收数据进行统计、分析、查询、备份、报表等。基于GPRS的无线网络的抄表系统结构简单，控制容易，不需要重新组网，可方便的推广到不同地域使用。GPRS网络技术，由于引入分组概念，为设备无线接入INTERNET提供了一种先进的有效的手段。使用GPRS的电能远程抄表系统具有以下特点1、实时性强由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个/所有数据采集点的数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。2、可对电表设备进行远程控制通过GPRS双向系统还可实现对电表设备进行远程控制，进行参数调整、开关等控制操作。3、建设成本少低由于采用GPRS的无线公网平台，只需安装好设备就可以，不需要为远程抄表进行专门布线，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低；4、集抄范围广GPRS覆盖范围广，在无线GSM/GPRS网络的覆盖范围之内，都可以完成对集抄的控制和管理。而且，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。5、系统的传输容量大配电数据中心要和每个电表数据采集点保持实时连接。由于电表数据采集点数量多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。6、数据传送速率高每个电表数据采集点每次数据传输量在10KBPS之内。GPRS网络传送速率理论上可达1712KBIT/S，目前GPRS实际数据传输速率在40KBPS左右，完全能满足本系统数据传输速率（10KBPS）的需求。7、通信费用低采用包月计费方式，运营成本低。8、方便抄表工作远程自动抄表提供了电能表数据抄录的计算机管理，抄表人员足不出户就可以对电能表的数据及时准确地进行抄录，极大地方便了抄表工作。24本章小结本章通过对比自动抄表系统的实现方案，构建了一种底层通信基于RS485总线，上层通信基于移动通信系统的复合式自动抄表系统。分析了基于GSM/GPRS的四种数据传输方式，基于短消息的数据传输方式适用于本系统。分析了GPRS通信的三种组网方式，INTERNET接入方式资费低，前期投资小，实施方便，适于远程通信系统选用。简单介绍了GPRS的原理及远程抄表系统的优点。从而在系统构建数据传输和组网方式上完成了复合式自动抄表系统的构建。第三章电能远程自动抄表系统的硬件设计任何一个系统功能的实现都离不开硬件的支持，它是系统功能实现的物质基础。硬件的设计要根据功能的要求和系统的工作原理来进行。上一章介绍了基于GPRS的自动抄表方案的整体系统构建，对于该系统来说，最关键的部分是集中器即数据采集终端的实现，它连接上位监控中心服务器与下端抄表采集器。本章将主要介绍数据采集终端的硬件系统设计。31电能表的概述电能表也称电度表是记录电能累积值的专用仪表，是所有电气测量仪表中使用量最多的仪表。在发电、供电、用电过程中，其发电量、供电量、用电量的多少离不开电能表的计量。电能表的种类型号很多，但它们的基本结构大同小异。由驱动元件、转动元件、制动元件、积算机构记度器、调整装置及辅助部分组成4。311电能表的选择目前我国的电能表按其用途可分为以下几类1单相电能表单相电能表广泛应用于计量居民、机关、商店等的照明、家电等用电量，这是应用最多的一种电能表。2三相有功电能表三相有功电能表应用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的有功电量，这是最重要的一种电能表。3三相无功电能表三相无功电能表应用于计量发电厂发出的、供电部门供出的、用电户使用的无功电量，安装后可用来反应无功电量，间促使用户提高功率因素。4最大需量表最大需量表应用于计量工厂企业使用有功电量，同时还能指示出在指定时间间隔内平均最大功率的电能表。5复费率电能表复费率电能表又叫分时计费电能表，它是将昼夜里指定几个时段进行累计每个时段的用电量。根据系统的设计需求，本设计选用属于复费率电能表一类的电子式电能表，它能够很好的实现自动抄表系统所需要的各种功能。电子式电能表的框图如下图31所示图31电子式电能表硬件结构图312电子式电能表的简介这是一款智能型高科技电能计量产品，该表可以同时计量正/反向有功电能、正/反向无功电能、四象限无功电能，还具有多费率控制，负荷曲线记录，各相失压、过压、频率超限记录，数据LCD显示等多种功能。主站可以通过RS485总线对该电表进行查表、设表、抄表等操作。软件代码采用C/C语言编写，编码效率高，可维护性好，便于实现模块化设计，可据用户的需求对功能模块进行裁剪。313电子式电能表的硬件设计多功能表总体结构电子式多功能电能表硬件的核心MCU主控制器，它负责按键输入扫描、工作状态检测、计量数据的读入、计算和存储、电表参数的现场配置以及与外界的通信控制等。其主要功能单元包括MCU主控制器单元、电量计量模块、红外和RS485通信模块、校表模块、EEPROM存储阵列等；其他辅助模块主要有时钟日历电路、工作异常报警电路、按键输入电路、复位和看门狗电路、开关电源模块和后备电池电路、大屏幕液晶显示模块和LED显示模块。多功能表总体结构框图如图31所示。高性能主控制器单元主控制器采用NEC公司8位单片机中的高档产品PD78F0338。该款单片机为120脚QFP封装，单片集成有60KBFLASH、一个异步通信串行口、404段LCD驱动器、高达10MHZ的总线时钟和10路10位精度的ADC，并可通过简单的接口进行在系统编程，极大地方便在线调试和软件升级。并且支持高级语言，较好地满足了多功能表任务繁多、数据量庞大、算法较复杂的功能要求。串口复用通信单元本电能表设有红外本地抄表和RS485集中抄表两种串行抄表方式，因为PD78F0338仅有一个串口，故通信电路设计时采用串口复用技术。由9012、9014和若干电阻等器件组成互补开关，由MCU的一个I/O口来控制红外和RS485通信方式的切换，如图32所示。图32通信串行口复用电路高精度电量计量模块计量模块由高精度专用电能计量芯片SA9904、电流互感器和其他外围电路元件组成。SA9904是SAMES公司生产的一款三相双向功率/电能计量芯片，可以计量有功/无功功率、电压、频率、相序异常等，可以单独计量每一相的用电信息，符合IEC521/1036标准，可达到1级交流电能表的精度要求，各数据寄存器具有24位精度，可通过三线SPI接口与CPU交换数据。从而可以较好地适应多功能表需要计量多种电量数据的要求。SA9904引脚及其外围电路图如图33所示。图33SA9904引脚及其外围电路图其中，CLK、DO、DI构成与MCU控制器的接口,用于传输控制命令和测得的电量数据，IIPS、IIPT、IIPR用来对电流取样，IVP1、IVP2、IVP3用来对电压取样。32RS485总线RS485的接口是TLA/EIA485所描述的接口。RS485总线抄表系统结构如图34所示。RS485总线抄表一般使用双绞线作为网络总线，对要求较高的系统可考虑选用带光电隔离的、抗雷电及抗静电放电冲击的收发器，直接使用RS485驱动芯片即可构成通信网络。RS485总线抄表方式技术简单、成熟，易于实现，且总线传输速率高，可靠性好。485节点（电能表1）485节点（电能表2）485节点（电能表N）数据采集器485总线图34485总线结构321什么是RS485典型的串行通讯标准是RS232和RS485它们定义了电压,阻抗等但不对软件协议给予定义区别于RS232,RS485的特性包括1RS485的电气特性逻辑“1”以两线间的电压差为（26）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为（26）V表示。接口信号电平比RS232C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。2RS485的数据最高传输速率为10MBPS3RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。4RS485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS232C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS485接口方便地建立起设备网络。因RS485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB9（针）。322RS485串行接口标准（1）平衡传输RS422、RS485与RS232不一样，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26V，是一个逻辑状态，负电平在2V6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS485中还有一“使能”端，而在RS422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。（2）RS485电气规定RS485总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS485串行总线标准。RS485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200MV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。RS485最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10MBPS。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100KBPS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100米长双绞线最大传输速率仅为1MBPS。33终端主控制器与外围电路的设计用单片机作为智能系统的核心部件，是目前作为智能仪表设计的一般方法，在工业测控现场，占主导地位的还是8位机和16位机，对本课题涉及的带有GPRS模块功能的数据采集终端的设计，运用单片机的主要目的是构成一个既能与GPRS模块进行交换数据，又能与电能表交换数据的计算机系统，它所处理的信息量和复杂程度用8位机己经足够了，对单片机主要的要求是带有串行通信功能即可满足要求，本课题选用ATMEL公司的AT89C51芯片主控制器，其结构特点介绍如下。331AT89C51芯片基本结构和特点本设计中选用的单片机芯片AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机。AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，主要性能参数如下5AT89C51提供以下标准功能4K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。其芯片引脚如图35所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19MAY2008SHEETOFFILEG亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYP101P112P123P134P145P156P167P178RST9P30RXD10P31TXD11P32INT012P33INT113P34T014VCC40P00AD039P01AD138P02AD237P03AD336P04AD435P05AD534P06AD633P07AD732EA/VPP31ALE/PROG30PSEN29P27A1528P26A1427P35T115P36WR16P37RD17XTAL218XTAL119GND20P25A1326P24A1225P23A1124P22A1023P21A922P20A821AT89C51图35AT89C51芯片引脚图时钟振荡器AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALL和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图36外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30PFL0PF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40PF10F。也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图37所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTALL端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE22JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYC130PFC230PFY1110592MHZXTAL2XTAL1GND123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE22JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYNC亢亢亢亢TEXTTEXTTEXT亢亢图36自激振荡电路图37外部时钟电路51单片机内部的基本功能模块如图38所示，它可以划分为CPU、存储器RAM和ROM、并行口、串行口、定时器/计数器和中断系统等部分。时钟电路ROMRAM定时器/计数器并行I/O口串行接口中断系统CPUP0P1P2P3TXDRXDINT0INT1图3851单片机的内部基本功能模块332微控制器外围电路的设计通信接口电路由两部分组成，一个通过MAX485和有RS485总线标准的采集器相连接，负责采集采集器的数据，并根据相关协议，发出相应的命令，使采集器上传相应的数据。另外一个通过MAX232和留有RS232标准接口的GPRS模块相连接，从而实现对GPRS模块的控制，并把采集所得的数据通过GPRS模块传送到INTERNET网络，实现与用电管理中心的通信。下面对两部分电路进行具体的介绍。RS485接口部分示意图如39所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE14JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYABVCC8B7A6GND5RO1RE2DE3DI4U1MAX485亢亢亢亢亢R2120R320KR120KVCCC1001UFP10RXDTXD图39RS485接口电路图本接口部分通过RS485总线实现控制器（终端）和采集器的连接，每一个主控制器通过RS485总线可以最多挂接多达128个采集器，可以实现一片控制器对多个点数据量的测量与传输。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当120欧。网络接口均采用MAXIM公司的半双工485总线收发器MAX485。其控制十分简单，RE为接收控制端，DE为发送控制端。用AT89C51的一个串行口与两个控制端相连，平时置P10为低，使控制器串口处于侦听状态，当要发送数据时使P10为高。GPRS控制接口电路为RS232标准接口，如图310所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE17JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYC11V2C13C24C25V6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U5MAX232VCCC91UFC71UFC81UFC101UFRXDTXDP30P31亢GPRS亢亢图310RS232接口电路通过标准RS232接口可以把相应的设置命令，以及需要传递的标准数据发送给GPRS模块，从而使GPRS模块完成相应的动作。网络接口采用了MAXIM公司的MAX232总线接口芯片，该芯片可以把一侧的TTL电平转换为另一侧的RS232电平，也可以把RS232电平信号转换为TTL电平的信号，从而实现GPRS模块和单片控制器的通信。34终端通信模块硬件设计341通信模块的比较选择通信控制单元是数据采集、传输子系统的核心部分，它通过AT指令实现对短信收发模块的控制，把电能数据以短消息的形式送至管理端，并通过接收到的控制字符采取相应的控制动作。目前，用于工业系统的GPRS数据传输模块比较多，主要有西门子公司的MC系列、摩托罗拉的G18和G20、WAVECOM公司的产品以及SIMCOM公司的SIM系列等。下面对这些产品进行一下对比表31各通信模块的优缺点比较优点缺点MC35I体积小，使用广泛不集成TCP/IP协议G20采用三频，适用性高，有多种配置可选体积略大、价格高Q2406使用广泛，价格适中不集成TCP/IP协议SIM100集成TCP/IP协议，价格便宜，功能完善使用不是很广泛，但由于是国内生产，所以有较好的技术支持鉴于普通的GPRS模块在使用时有很大的局限性，另外考虑到价格方面的原因，我们选择了SIMCOM公司的SIM100模块作为本设计的GPRS模块。342SIM100简介SIM100芯片具有以下特点61单面高集成度精巧结构设计53MM33MM30MM；2GPRSCLASS10多时隙功能，CLASSB操作模式；3支持GSM900D/CS1800双频；4电路交换数据传输最高14400KBPS，电路交换传真最高9600KBPS；5短消息业务，电路交换语音EFR/FR/HR；6GSM0707，GSM0705和增强型AT命令集；7电源电压范围33V到46V直流，待机电流4MA；8外部SIM卡，外部天线；960针外部系统连接器；10工作温度3575。SIM100管脚封装如图311所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19MAY2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYPWR1PWR3PWR5PWR7GND9GND11GND13GND/VRTC15VDD_EXT/VEXT17SIM_VDD19SIM_I/O21SIM_CLK23SIM_RST25KBC0/GPO227KBC1/GPO329KBC2/GPO431KBC3/GPO533KBC4/GPO635KBR0/GPI737KBR1/GPI839KBR2/GPI941KBR3/GPI1043KBR4/GPI1145DBGRX47DBGTX49AGND51MIC1P53MIC1N55MIC2P57PWR2PWR4PWR6PWR8GND10GND12GND14GND/VANA16SPI_DATA18SPI_CLK20SPI_CS22SPI_D/C24SPI_RST26DCD/GPIO028LED/GPIO130BUZZER/GPIO1232ON/OFF34RESET36DTR38RXD40TXD42RTS44CTS46RI48AGND50ADC052SPK1P54SPK1N56SPK2P58SPK2N60MIC2N59SIM100图311SIM100引脚图SIM100模块共有60个引脚，这60个引脚分为5类，即电源、数据输入和输出、音频接口、控制接口。第117脚为电源部分，其中18脚均为电源电压输入端，914脚接地，16脚VANA为模拟电压输出，17脚为数字电压输出。1925脚为SIM卡引脚，2746脚中奇数脚为键盘输入引脚，偶数脚为接RS232输入输出引脚，5360脚为音频接口，即麦克风和受话器输入脚，20脚为SPI时钟。34脚为模块启动开关，36脚为模块复位信号。343GPRS模块SIM100与外围电路设计1电源电路SIM100工作时共有三组电源，一是SIM100模块使用电源PWR，其范围33V46V，电源应该具有至少2A的峰值电流输出能力；二是用于保证模块与外部数字接口的电平匹配的电压VDD_EXT，其范围27V35V，该电源具有50MA的输出能力；三是用于给音频电路提供电源VANA，其电压为25V，且该电源具有50MA的输出能力。显然对于我们只传输数字信号的系统，用于模拟信号系统的VANA电压是不再需要的。本设计根据相关资料提供的参考电路设计了如图312所示的电源变换电路。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE14JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYIN1OUT3GND2U6MIC29300BT33IN2EN1OUT4ADJ5GND3U5MIC29302BT5VGNDE2100UFR18100KR20470E3100UFR1943KE447UF图312电源参考电路图2工作状态电路的设计SIM100的30脚提供网络状态指示灯输出信号。网络状态指示灯电路设计如图313所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE12JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYR1322KR15100KR14300Q1NPND3LED/GPIO1PWR图313网络指示灯电路图根据SIM100的文档说明，可以从网络指示灯上的亮熄信息来判断SIM100的工作情况。状态指示灯的亮熄情况与工作状态关系见表32。表32状态指示灯亮熄与工作状态关系表LED运行状态工作状态OFF模块未启动64MSON/1SOFF模块已经启动，但未完成网络位置登记64MSON/3SOFF完成网络位置登记64MSON/300MSOFF正在进行GPRS数据传输64MSON/1500SOFF移动场景PDPCONTEXT已经激活，未进行数据传输3卡座电路的设计SIM卡是GPRS模块工作不可缺少的一个部分，它是连接GSM网络和GPRS模块电路的一个桥梁。由于SIM100模块支持外部SIM卡，可以直接与30VSIM卡或者18VSIM卡连接。SIM100模块能自动监测和适应SIM卡类型。设计的卡座部分的电路如图314所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYR1022R922D1D3D2D4R1210KC6220NFR1122VCC6RESET5CLK4GND1VPP2I/O3U4X202SIM_VDDSIM_I/OSIM_CLKSIM_RST图314卡座设计电路图图中R9R11是限流电阻，其值较小，主要起保护作用，在SIM卡座各引脚的位置放置瞬变电压抑制二极管TVS管是为了防止静电损坏。4复位电路在应用设计中只要将/RESET脚连接到一个接地的47UF电容即可实现电路的复位作用。在实际应用中，RESET和ON/OFF可由MCU控制，MCU通过对ON/OFF和RESET的控制可以实现模块的关机，具体程序为MCU先发命令ATCFUN0，1，模块开始注销网络登记，然后使ON/OFF信号为反向有效0FF有效，再使RESET有效低电平维持100MS以上，这样就可以关掉模块。模块关机后的电流为50UA。关机的时序如图315所示ON/OFFRESET200MS100MS图315模块关机时序图35本章小结本章系统构建了自动抄表数据采集终端的硬件平台，通过性能分析选择了适合本系统的电子式电能表，并介绍了电子式电能表的组成及工作原理；分析了目前市场上的无线GPRS通信模块，选择了一款性价比较高的SIM100模块，微控制器采用8位的单片机芯片AT89C51，并对单片机和通信模块做了简要介绍，包括AT89C51的外围接口电路设计、与GPRS模块SIM100的串口接口电路和GPRS模块的外围电路设计硬件设计；在硬件设备上基本实现了远程自动抄表系统的功能。第四章电能远程自动抄表系统的软