遠程自動抄表系統設計

摘 要：隨著我國國民經濟和電力事業的迅速發展，實現各種用戶儀表的自動抄錄具有重要意義。利用本地和遠程自動抄表技術，可以實現自動抄表并達到實時監控電能表的目的，同時減少人工上門抄表、數據輸入等繁雜又容易出錯的勞動，提高工作效率，真正做到用電管理自動化。自動抄表系統成為電力公司解決抄表問題的一種選擇。本論文主要介紹了基于單片機的遠程自動抄表系統用戶終端模塊的硬件設計。該模塊主要完成數據的采集和發送功能，本文主要解決了下面四個方面的問題：一是供電方式的硬件電路設計；二是掉電數據保護功能的設計；三是RS-232、RS-485串行通信設計；四是實時時鐘功能的設計。

關鍵詞：單片機 遠程自動抄表系統 485總線 232總線

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0021-02

1 系統功能描述

遠程抄表系統主要由主站端數據采集計算機、客戶端基于單片機的抄表模塊、具有串行數據通信接口的電能計量儀表三部分組成。客戶端的自動抄表模塊與數據采集計算機通過RS-485串行通信接口相連接，實現數據傳輸。

遠程抄表系統的工作原理是：用戶終端的智能電表通過RS-232協議將數據傳送給抄表終端模塊，抄表終端在收到命令后把存儲的數據信息發送給上級數據采集計算機，這樣就完成了一次數據交換。本次畢業設計主要是研究客戶端基于單片機的電能表遠程抄表系統終端的實現方案和硬件設計。

綜合考慮各種因素之后，將該終端單片機抄表模塊所需實現的主要功能定義如下。

第一，正常情況下采用市電（220 V交流電）供電的方式，即采用交流電源即能維持終端模塊的正常工作；系統具有備用電池供電功能以保證在斷電情況下的供電。

第二，具有數據掉電保護功能，能保存用戶用電電量等信息。

第三，抄表終端與智能電表、遠方數據采集計算機分別通過RS-232和RS-485協議進行通信。

第四，終端模塊具有實時時鐘功能，便于實時測量用戶用電電量。

2 系統分析

應用于遠程自動抄表系統的電能表有脈沖電能表和智能電能表兩類。

脈沖電能表：能夠輸出與轉盤數成正比的脈沖串[1]。

智能電能表：可以通過串行口以編碼方式進行通信，按照智能表的輸出接口通信方式劃分，智能電能表可分為串行通行接口型和低壓配電線載波接口型兩大類[1]。

電能表的兩種輸出接口比較：輸出脈沖方式技術簡單但在傳輸過程中容易發生丟失脈沖或產生多脈沖現象，而且不能重新發送；而具有串行接口輸出方式的智能電表則可以通過相關協議將采集的多項數據進行可靠的遠程傳輸[1]。因而本文中采用的電能表為具有串行通信接口的智能電表。

3 系統硬件電路設計

3.1 系統供電方式設計

由于本模塊的使用現場環境相對特殊，故對于電源的設計必須充分考慮到系統供電的穩定性和可靠性。長期以來單片機系統中使用的集成電路器件絕大多數在5 V或3 V的典型電壓下工作。為了避免采用多電源供電方案帶來的供電模塊設計過于復雜等問題，在設計本單片機系統時所采用的集成器件的典型工作電壓均為5 V。

在本系統中，220 V的單相交流電作為電源輸入，輸出為穩定的+5 V電壓。供電模塊用來實現220～5 V的電壓轉換。設計方案如下：首先220 V的交流電通過防雷抗干擾電路，接著利用220/18 V變壓器降壓，再經過橋式整流電路得到18 V左右直流電壓，再接著通過一系列的隔離濾波進入直流轉換穩壓器件LM2575最終得到系統正常工作所需要的5 V電壓。另外，考慮到現場存在停電的可能性，還應該設計系統的備用電源。備用電源可以采用比較常見的鎳氫電池，當系統正常供電時，電池處于充電狀態，對于充電的管理可以選用比較常用的電源充電管理芯片MAX713來管理備用電池的充電過程。當現場停電時，自動轉為備用電池給抄表終端系統供電[7]。

3.1.1 正常條件下供電電路

系統在正常運行時采用單相交流電源供電方式，提供給單片機穩定的+5 V電源。可以采用典型的單相橋式整流電路得到18 V直流電壓，后通過直流轉換穩壓器件LM2575轉換得到系統正常工作所需的+5 V電壓。

3.1.2 備用電池充電電路

系統在由外部電源正常供電的同時對備用鎳氫電池進行充電。備用電池充電電路的功能主要由電源充電管理芯片MAX713來完成。MAX713系列是Maxim公司生產的快速充電管理芯片，適合1～16節鎳氫電池或鎳鎘電池的充電。它可以通過簡單的管腳電壓配置進行編程來實現對充電電池數量和最大充電時間的控制。當系統失去外部市電供電電壓以后自動切換為由備用電池供電。

3.2 系統基本電路設計

由抄表系統結構原理圖可知，抄表終端要使用兩個串口分別對上層和下層通信，一個串口用作RS-232，用來和電表進行通信；一個串口用作RS-485，用來和數據采集計算機通信。由于一般的51單片機只有一個串口驅動器，因此主控制器可以直接選用華邦公司的具有兩個串口驅動器的W77E58單片機或者采用一般單串口單片機外加串口擴展芯片例如16C550來擴展出第二個串口[5]。

下面對這兩種方案做簡單的對比。

方案1：采用具有兩個串口驅動器的增強型單片機W77E58。

由于串口驅動器在單片機內部，所以不用外部再增加硬件設備就可以實現雙串口功能，同時這種方案的穩定性好也比較可靠，而且相對于采用單串口單片機外加串口擴展芯片16C550成本要低一些。

方案2：采用具有一個串口驅動器的單片機外加串口擴展芯片16C550。

這種方案是對單片機擴展了一組外部寄存器，硬件投入比方案1多，系統穩定性沒有方案1好。

3.2.1 控制核心W77E58單片機

根據上文所述對單片機功能的要求以及方案的對比，本設計采用華邦公司的雙串口單片機W77E58。W77E58單片機內含2個增強型串口和32 kB大容量Flash存儲器，指令集與51系列單片機完全兼容，非常適合在智能化監控系統中使用[6]。

時鐘振蕩電路是CPU所需要的各種定時控制信號的必備單元，它為單片機提供時鐘脈沖序列。復位電路由22uF的電容和1 k的電阻及IN4148二極管組成。在滿足單片機可靠復位的前提下，該復位電路的優點在于降低復位引腳的對地阻抗，可以顯著增強單片機復位電路的抗干擾能力；二極管可以實現快速釋放電容電量的功能，滿足短時間復位的要求。

3.2.2 W77E58單片機核心電路

單片機的核心電路包括單片機W77E58、單片機系統中常用的地址鎖存器芯片74LS373和存儲器SRAM6264。

由于單片機的I/O引腳有限，實際應用中常采用地址鎖存器進行單片機系統總線的擴展。本設計中地址鎖存器74LS373用來擴展單片機的系統總線，以連接單片機和存儲容量為8kB的片外隨機存儲器SRAM6264。SRAM6264采用+5 V的單電源，所有的輸入端和輸出端都與TTL電路兼容。WE為寫信號，CS為片選信號，OE為輸出允許信號，D0～D7為8位數據線，A0～A12為13根地址線[3，7，8]。

3.3 掉電數據保護功能的實現

在單片機控制系統中，通常要保證一些重要的數據在系統掉電后不丟失，當系統再次上電后能夠正確地讀取這些數據。本設計中就需要實現一些通信數據的掉電保護功能。實現掉電數據保護功能的方法有很多，常用的有系統擴展易失性存儲器（RAM）外加電池的方法和系統擴展非易失性存儲器（ROM）的方法。其中系統擴展非易失性存儲器的方法中常使用EEPROM和FLASH作為存儲介質。EEPROM也稱為可擦除可編程ROM（Electrically Erasable PROM），隨著技術的發展，EEPROM的擦寫速度將不斷加快，容量將不斷提高，將可作為非易失性的RAM使用。由于所設計的系統中需要實現掉電數據保護功能的數據不多，所以選用支持IIC總線數據傳輸協議的串行EEPROM AT24C04作為系統的掉電數據保護介質，它擁有512×8bit的存儲容量，具有結構緊湊、存儲容量大等特點。它的IIC接口簡單、操作方便，特別適合存儲單片機控制系統中一些重要參數[7，11]。

3.3.1 IIC總線簡介

IIC（Inter-Integrated Circuit）總線是由PHILIPS公司開發的由數據線SDA和時鐘線SCL構成的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。

IIC總線最主要的有點是簡單性和有效性。由于接口直接接在組件之上，因此IIC總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。但要注意IIC總線的接口一般為開漏或開集電極輸出，所以在實際電路連接時需要加上拉電阻[5]。

3.3.2 掉電數據保護電路設計

由于所選用的W77E58單片機沒有IIC總線接口，所以我們要用單片機的I/O口模擬IIC總線的時序來實現芯片的讀寫功能。用單片機的普通I/O口模擬IIC總線的硬件連接非常簡單，只需要使用W77E58單片機的P1.0口連接SCL，P1.1口連接SDA即可。

3.4 基于RS-232、RS-485串行通信接口電路設計

在實際應用中，單片機很多時候不是作為一個獨立的控制單元而存在，它還要與其他單元進行通信。串行接口是單片機應用系統常用的通信接口。在實際應用中，單片機系統使用的是TTL電平，單片機中的串口輸出的信號也是如此，但是串行通信中一般使用的是RS-232通信協議，二者的電平并不相同，需要外接接口進行電平匹配。實現這種電平變換可以使用分立元件，也可以采用集成電路芯片，目前較為廣泛的是使用集成電路轉換芯片[7，8]。

由于抄表終端與數據采集計算機的距離較遠，采用RS-232標準進行通信，帶負載能力差、通信范圍小，傳送距離不超過15 m，難以滿足遠距離的數據傳輸和控制。長距離通信通常采用RS-485方式。在單片機系統中加入RS-485方式的串行通信，就可以完成抄表終端與遠程上位數據采集計算機的數據傳送。RS-485總線采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，傳輸距離遠。采用雙絞線在100 kbit/s的速率時可以傳送的距離為1.2 km，若速率降到9600 bit/s則傳送距離可達15 km。RS-485可以實現多個負載的功能。用一對線便可連接多達32個不同設備[13]。

RS-232既是電氣標準也是物理標準，而RS-485只是電氣標準，沒有規定現實其電氣特性所必需的物理環境，故可采用RS-232的物理標準。這就為在單片機系統中實現RS-485通信提供了方便。應用時仍使用單片機的串口，但是信號傳遞過程中使用RS-485協議，以達到較長的傳輸距離。本系統中需要使用兩個串行通信接口，一個用來和數據采集計算機通信，一個用來和電表通信，分別采用RS-485和RS-232標準。

參考文獻

[1]丁毓山.電子式電能表與抄表系統[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]曹振華.電路設計教程：Protel起步與進階[M].北京：國防工業出版社，2007.

[3]陳立周，陳宇.單片機原理及其應用[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]張盛福，王喜斌，張鵬.華邦51單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[5]胡耀輝，朱朝華.單片機系統開發實例經典[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[6]余永權.世界流行單片機技術手冊（歐亞系列）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[7]求是科技.單片機典型模塊設計實例導航[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[8]求是科技.單片機典型外圍器件及其應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[9]沈紅衛.基于單片機的智能系統設計與實現[M].北京：電子工業出版社，2005.

[10]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[11]嚴天峰.單片機應用系統設計與仿真調試[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[12]清源科技.Protel 99 SE電路原理圖與PCB設計及仿真[M].北京：機械工業出版社，2007.

[13]徐德軍，蔡鍵龍，龔建榮.用單片機實現遠程自動抄表[J].電子工程師，2001，27（5）：17-18.

[14]Stidqer.Ruthw， Meter-Reading Methods Change Slowly，Gas Utility Manager，2004，48（4）：26-27.

[15]Lu En，Zhang Bu-han，Lu Yi-min， Automatic meter reading system solution and its realization，Electric Power Automation Equipment，2003，23（6）： 68-70.