【本科優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)】遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要自動(dòng)抄表是指采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)自動(dòng)讀取和處理表具數(shù)據(jù)的一種手段，是提高能耗管理部門自動(dòng)化水平的需要，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)迅速發(fā)展的必然。它不僅可以緩解抄表人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人為因素造成的抄表差錯(cuò)，而且具有抄收速度快，抄表實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。本課題通過方案對比以及系統(tǒng)的需求和功能分析，選擇了在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS。本文構(gòu)成的自動(dòng)抄表系統(tǒng)采用點(diǎn)對多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了帶GPRS功能的數(shù)據(jù)采集終端，該終端向下通過RS485方式與智能電表連接，向上通過接入INTERNET，利用GPRS通信方式與監(jiān)測中心服務(wù)器通信。重點(diǎn)介紹了電子式電能表和數(shù)據(jù)采集終端的軟硬件結(jié)構(gòu)，以他們?yōu)橐劳袠?gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，并以此實(shí)現(xiàn)多功能的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。通過查閱相關(guān)資料和近幾年的研究成果，此系統(tǒng)基本上可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)對用戶電能表的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、記錄和實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能。關(guān)鍵詞自動(dòng)抄表；硬件；軟件；數(shù)據(jù)采集終端目錄摘要I第一章緒論111自動(dòng)抄表系統(tǒng)概述112自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研究背景及意義1121研究背景1122研究意義113國內(nèi)外遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀214主要內(nèi)容及安排2第二章電能遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)整體構(gòu)建321系統(tǒng)方案的選擇3211自動(dòng)抄表系統(tǒng)構(gòu)建3212數(shù)據(jù)傳輸形式的選擇4213組網(wǎng)方式的選擇5214GPRS系統(tǒng)原理522系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)623系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)724本章小結(jié)8第三章電能遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)931電能表的概述9311電能表的選擇9312電子式電能表的簡介10313電子式電能表的硬件設(shè)計(jì)1032RS485總線11321什么是RS48512322RS485串行接口標(biāo)準(zhǔn)1233終端主控制器與外圍電路的設(shè)計(jì)13331AT89C51芯片基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)13332微控制器外圍電路的設(shè)計(jì)1534終端通信模塊硬件設(shè)計(jì)16341通信模塊的比較選擇16342SIM100簡介17343GPRS模塊SIM100與外圍電路設(shè)計(jì)1835本章小結(jié)20第四章電能遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)2141主程序設(shè)計(jì)2142系統(tǒng)軟件特點(diǎn)2243子程序設(shè)計(jì)23431電能表的軟件設(shè)計(jì)23432RS485串行通信子程序24433串口通信子程序2644本章小結(jié)27第五章總結(jié)與展望2851總結(jié)2852展望28參考文獻(xiàn)29致謝30第一章緒論11自動(dòng)抄表系統(tǒng)概述遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)AMR，AUTOMATIONMETERREADING一種可以自動(dòng)采集和記錄電力系統(tǒng)客戶負(fù)荷的用電情況，并且通過一定的通信方式，自動(dòng)將記錄的數(shù)據(jù)和客戶信息通過信道傳回電力用電管理中心，并由系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)完成電力系統(tǒng)用電客戶的電能量計(jì)費(fèi)和管理功能的系統(tǒng)1。作為自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要組成部分，自動(dòng)抄表技術(shù)從根本上克服了傳統(tǒng)人工抄表模式的弊端，給水、電、氣管理的自動(dòng)化帶來了方便。在電力系統(tǒng)中，對廣大的電力客戶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表，就是將智能化電表通過通信網(wǎng)絡(luò)與控制中心的計(jì)算機(jī)聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對電量的自動(dòng)、集中、定時(shí)抄錄，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。電力客戶抄表自動(dòng)化是配電自動(dòng)化的一個(gè)基本功能，是用電營業(yè)管理自動(dòng)化的一個(gè)重要手段和組成部分。低壓客戶自動(dòng)抄表系統(tǒng)主要是面向大量的低壓客戶，量多面廣，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量多，投資巨大。自動(dòng)抄表是信息時(shí)代發(fā)展的總趨勢，自動(dòng)信息交換為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鲙砹藰O大的方便，節(jié)約了大量的人力和時(shí)間，快捷、準(zhǔn)確的信息傳遞提高了現(xiàn)代數(shù)據(jù)管理的科學(xué)性、先進(jìn)性。12自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研究背景及意義121研究背景在能源緊缺而又不可或缺的今天，科學(xué)、及時(shí)、有效的能源管理和電力調(diào)度已經(jīng)至關(guān)重要了。我國電力系統(tǒng)長期以來的查收方式是人工抄表，由查表人員入戶查表計(jì)費(fèi)，再由收費(fèi)人員入戶收費(fèi)或?qū)⑹召M(fèi)單送到用戶通過銀行進(jìn)行結(jié)算。隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)兩網(wǎng)改造工作的逐漸推進(jìn)，廠網(wǎng)分離、同網(wǎng)同價(jià)和分時(shí)計(jì)費(fèi)等政策的出臺(tái)，用電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模急劇膨脹，使得供電企業(yè)對用電網(wǎng)絡(luò)的管理任務(wù)日益加劇。傳統(tǒng)的人工抄表模式的弊病越來越突出，主要表現(xiàn)在1查表收費(fèi)人員工作入戶難，條件差，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大；2錯(cuò)抄、漏抄、估抄的現(xiàn)象嚴(yán)重，影響電供應(yīng)部門的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)形象；3竊電問題嚴(yán)重，尤其是工業(yè)大用戶的竊電問題，由于數(shù)額較大，嚴(yán)重地?fù)p壞了電力企業(yè)的利益，擾亂了供用電秩序。以上這些問題一直困擾著電力部門，并成為制約電力部門提高效益、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動(dòng)化的瓶頸。國家如何把龐大且分散的用電量及其它數(shù)據(jù)及時(shí)有效并且準(zhǔn)確無誤地收集、統(tǒng)計(jì)及分析，成為供電企業(yè)一個(gè)迫切需要解決的問題。122研究意義隨著一戶一表的推廣及城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)的改造，以及國家打破電力供應(yīng)壟斷局面、引入競爭政策的逐步深入，發(fā)展遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)是提高用電管理水平的需要，也是網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然。遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)具有抄收速度快、計(jì)算精度高、抄表實(shí)時(shí)性好、可直接與營業(yè)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等突出的優(yōu)點(diǎn)。采用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)可以緩解抄表人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人為因素造成的抄表誤差，并能迅速地統(tǒng)計(jì)實(shí)時(shí)線損等。它從根本上克服了傳統(tǒng)人工抄表模式的弊端，給電能管理的現(xiàn)代化帶來了新的希望。采用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)有如下優(yōu)勢1采用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，不再需要預(yù)約上門抄表時(shí)間，居民用電量自動(dòng)抄收，收費(fèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)劃撥，還能迅速查詢賬單，能更好地方便用戶。2隨著一戶一表的推廣及城網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)的改造，電表的數(shù)量迅速增大，抄表的工作量越來越大，所需抄表人員越來越多，人力成本大幅度上升。采用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，能節(jié)約人力資源實(shí)現(xiàn)減員增效。3遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，對加強(qiáng)用電管理，防止竊電，電費(fèi)催收，杜絕貪污腐敗等都有積極的意義。4采用遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，可提高抄表的準(zhǔn)確性，減少因估計(jì)或抄寫而造成賬單錯(cuò)誤，使供用電管理部門能及時(shí)準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)信息。5電力的發(fā)展，需要從用戶處盡快獲取更多的數(shù)據(jù)信息，如電能需量、配電變壓器的監(jiān)測、線損的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)、分時(shí)電量和負(fù)荷曲線等，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表為實(shí)現(xiàn)上述要求提供了切實(shí)可行的技術(shù)手段。13國內(nèi)外遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀目前許多國家和地區(qū)都已廣泛采用自動(dòng)抄表系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工抄表，主要集中在煤氣表、電量表和水流量表的自動(dòng)抄表，特別是煤氣抄表已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史。抄表技術(shù)的快速發(fā)展得益于80年代計(jì)算機(jī)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和通訊技術(shù)的高速發(fā)展，使得抄表系統(tǒng)在向著智能化、低功耗、低成本和通信標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的過程邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，達(dá)到了可以大規(guī)模推廣的實(shí)用性階段。我國內(nèi)所采用的抄表方式大致可以分為三種一是傳統(tǒng)的人工抄表方式，抄表人需到用戶處讀取數(shù)據(jù)，返回總局后將數(shù)據(jù)重新輸入電腦進(jìn)行處理；二是預(yù)付費(fèi)方式，抄表人無需到用戶處，用戶通過銀行劃撥收費(fèi)或到儀表管理部門購買磁卡、IC卡等，按購買額提供用量，完成收費(fèi)工作；三是遠(yuǎn)程抄表方式，監(jiān)控中心通過遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)例如公用電話網(wǎng)、電力線載波、數(shù)據(jù)網(wǎng)等自動(dòng)獲取遠(yuǎn)程儀表數(shù)據(jù)的方式。當(dāng)前在我國國內(nèi)大量使用的是預(yù)付費(fèi)方式，部分地區(qū)已經(jīng)開始了遠(yuǎn)程抄表的試點(diǎn)。14主要內(nèi)容本文以遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為研究內(nèi)容，對國內(nèi)外抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)了解后，結(jié)合自己所學(xué)知識(shí)，以AT89C51為控制芯片，搭建了一個(gè)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，傳送等功能；對硬件電路、軟件流程的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的闡述。第二章電能遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)整體構(gòu)建遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)是近年來發(fā)展較快的一種管理信息系統(tǒng)，從宏觀的角度，它分為硬件平臺(tái)和系統(tǒng)軟件兩部分。作為電力配電自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)功能模塊，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)是用電營業(yè)管理自動(dòng)化的一個(gè)重要手段和組成部分，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是邁向配電自動(dòng)化的第一步，并有助于提高電力系統(tǒng)用電管理的現(xiàn)代化水平。本課題的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用當(dāng)今比較新的GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，對用戶電表數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。21系統(tǒng)方案的選擇211自動(dòng)抄表系統(tǒng)構(gòu)建“一戶一表，集中抄表，銀行聯(lián)網(wǎng)”已成為電能計(jì)量計(jì)費(fèi)信息化的長期發(fā)展目標(biāo)，這就決定了抄表系統(tǒng)的兩個(gè)基本特點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，采集點(diǎn)具有分散性，數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)是一個(gè)覆蓋面很廣的通信網(wǎng)絡(luò)。目前存在的抄表方式各有其適用場合紅外抄表適合于短距離人工手持抄表，小功率無線電波、RS485總線的通信距離較近，適用于居民小區(qū)和樓宇的集中抄表，適合底層數(shù)據(jù)采集。電話交換網(wǎng)、大功率無線電波、低壓電力線載波、以太網(wǎng)、GSM/GPRS通信網(wǎng)的通信距離相對較遠(yuǎn)，可以作為上層的數(shù)據(jù)傳輸方式2。本文構(gòu)建的自動(dòng)抄表系統(tǒng)整體由四部分組成監(jiān)控中心、集中器、采集器和用戶電表；分為兩層結(jié)構(gòu)，包括集中器與采集器的底層通信和監(jiān)控中心與集中器的上層通信。系統(tǒng)組成框圖如圖21所示。自動(dòng)抄表系統(tǒng)的通信信道方案包括集中器與采集器的底層通信信道方案和管理中心與集中器的上層通信信道方案。底層數(shù)據(jù)采集采用RS485總線型通信方式。上層通信系統(tǒng)是以安裝在管理中心的系統(tǒng)工作站為中心點(diǎn)，以發(fā)散的形式分別通過通信信道與分散于各區(qū)域的集中器連接，信道的通信數(shù)據(jù)量大，要求有一定的傳輸速率和帶寬。鑒于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的成熟度較高、覆蓋面較廣，可很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求，因而選用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)作為上層通信方式。通訊模塊集中器模塊采集模塊1GPRS網(wǎng)絡(luò)INTERNET網(wǎng)采集模塊2采集模塊N監(jiān)控中心服務(wù)器RS485RS485RS485電能表2電能表1電能表NSIM卡圖21遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)組成框圖監(jiān)控中心服務(wù)器與集中器構(gòu)成上層通信系統(tǒng)。底層通信系統(tǒng)位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場，包括用戶電表、采集器和集中器。采集器的定義非常廣泛，它既可以是標(biāo)準(zhǔn)的采集模塊，也可以是帶有RS485接口的智能型儀表；采集器通過RS485串行總線把采集到的數(shù)據(jù)傳送給集中器。集中器的主要功能就是數(shù)據(jù)的采集、匯總和轉(zhuǎn)發(fā)。本系統(tǒng)中集中器主要由控制器和通信模塊構(gòu)成。集中器利用RS485總線把比較接近的采集器的數(shù)據(jù)匯總過來，對它們進(jìn)行分時(shí)存儲(chǔ)，并利用通信模塊通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送給上位供電部門管理中心。在本文中集中器又稱為抄表數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備，其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)就成為本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。下面兩章將對數(shù)據(jù)采集終端的軟硬件設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹。212數(shù)據(jù)傳輸形式的選擇GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)被選為上層通信方案的通信基礎(chǔ)?；贕SM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通常有四種方式，第一種是基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸，第二種是基于DATA方式一種以電路交換為基礎(chǔ)的傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸，第三種是通過語音方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后就是通過IPINTERNETPROTOCOL方式的數(shù)據(jù)傳輸。下面對四種基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸方式的各自特點(diǎn)作簡單介紹3。基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸是通過短消息作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，利用AT指令對通信模塊控制，然后將數(shù)據(jù)按照短消息的格式發(fā)送給目標(biāo)機(jī)。目標(biāo)機(jī)接收到短消息后，利用AT指令將短消息讀出并將信息還原，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)通信。基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸方式的特點(diǎn)是資費(fèi)較低01元/條，組網(wǎng)使用方便，但實(shí)時(shí)性較差，數(shù)據(jù)容量較低140字節(jié)。短消息數(shù)據(jù)傳輸方式適合小數(shù)據(jù)量，中低采集頻率的無線采集系統(tǒng)使用?；贒ATA方式的數(shù)據(jù)傳輸是利用GSM的DATA與傳真同傳輸方式，通過AT指令來進(jìn)行數(shù)據(jù)撥號(hào)，等待數(shù)據(jù)連接建立后，只需將ASCII碼數(shù)據(jù)送入通信模塊即可。通信模塊會(huì)按照設(shè)定好的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳出，目標(biāo)機(jī)接到數(shù)據(jù)呼叫后，送出應(yīng)答信號(hào)，然后便可按照相同的協(xié)議接收ASCII碼信息?；贒ATA的數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸安全、實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)傳輸量大，但成本較高，適合于可靠、少次、海量數(shù)據(jù)傳輸。通過語音方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要是利用話音通道將數(shù)據(jù)調(diào)制到話音頻率傳輸出去，目標(biāo)機(jī)將數(shù)據(jù)解調(diào)出來。該方案還可以通過語音通道傳輸雙音多頻DTMFDOUBLETONEMULTIPLEFREQUENCY編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信方式與語音方式一樣。該方案主要的優(yōu)點(diǎn)是可以用來傳輸音頻模擬數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性很好電路交換方式，但由于GSM系統(tǒng)的語音編碼方式的局限，對數(shù)據(jù)的壓縮還原會(huì)造成數(shù)據(jù)的失真。該方案基本不被采用，但可以作為備選方案用于無線安防系統(tǒng)中?；贗P的數(shù)據(jù)傳輸方式是GPRS系統(tǒng)獨(dú)有的，因?yàn)镚PRS是在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上新增兩個(gè)節(jié)點(diǎn)SGSN和GGSN而形成的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。由于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)是TCP/IP協(xié)議，因此基于IP的數(shù)據(jù)傳輸方式核心的內(nèi)容是TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。基于IP的數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀颈容^低，實(shí)時(shí)性較好，但缺點(diǎn)是GPRS終端開發(fā)成本高，使用復(fù)雜度較高，因?yàn)樯婕皬?fù)雜的組網(wǎng)方案。鑒于以上四種數(shù)據(jù)傳輸方式，本系統(tǒng)將采用第一種基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸方式，把GPRS作為上層通信信道進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)GPRS又具有實(shí)時(shí)在線特性，系統(tǒng)無時(shí)延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集終端的通信模塊也將相應(yīng)的選擇GPRS模塊。213組網(wǎng)方式的選擇GPRS是目前較好的無線傳輸方式，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)GPRS的遠(yuǎn)程通信接口的設(shè)計(jì)，需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題是GPRS終端如何自動(dòng)附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，對于這個(gè)問題，實(shí)際上也就是選擇GPRS遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。利用GPRS通信方式組網(wǎng)有三種方式，下面分別進(jìn)行介紹3。1專線接入方式，從移動(dòng)公司到用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器端接一條DDN專線，通過數(shù)據(jù)專線將數(shù)據(jù)由GPRS網(wǎng)關(guān)服務(wù)器GGSN傳送到監(jiān)控中心，移動(dòng)公司在GGSN上為用戶配一個(gè)專門的APN節(jié)點(diǎn)，從而在GPRS終端和監(jiān)控中心之間構(gòu)成一條無線虛擬專網(wǎng)VPN通道。2GPRS接入方式，用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心向移動(dòng)公司申請APN服務(wù)，獲得GPRS內(nèi)部網(wǎng)固定IP，所有的GPRS終端在撥號(hào)上網(wǎng)后將獲得的動(dòng)態(tài)IP向監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件進(jìn)行注冊，以便監(jiān)控中心至終端的下行通信。3INTERNET接入方式，用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用ADSL等與INTERNET建立連接，申請一個(gè)公網(wǎng)IP地址，通過INTERNET將數(shù)據(jù)由GPRS網(wǎng)關(guān)服務(wù)器傳送到監(jiān)控中心，也可采用以下方式遠(yuǎn)程監(jiān)控中心在連接INTERNET時(shí)向域名服務(wù)器注冊動(dòng)態(tài)IP地址，而GPRS終端撥號(hào)上網(wǎng)向域名服務(wù)器索取監(jiān)控中心的動(dòng)態(tài)IP地址。比較三種組網(wǎng)方式，第一種方式適合于實(shí)時(shí)通信或數(shù)據(jù)量特別大的場所，安全性較高，但成本也高。第二種方式的數(shù)據(jù)傳輸全部在GPRS網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行，安全性高，遠(yuǎn)程的GPRS接口終端通過GPRS方式，將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，但是該方案要求由移動(dòng)公司提供網(wǎng)內(nèi)IP，而該類IP很難申請到。第三種方式要求遠(yuǎn)程監(jiān)控中心用有一臺(tái)連接INTERNET的服務(wù)器和公網(wǎng)IP地址，用戶通過INTERNET，利用監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器和前端軟件，運(yùn)行相應(yīng)的程序，可以查詢到對應(yīng)遠(yuǎn)程接口終端的數(shù)據(jù)。這種方式資費(fèi)低，前期投資小，實(shí)施方便，適于儀器的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)選用。本系統(tǒng)正是采用第三種組網(wǎng)方案，通過GPRS接入INTERNET實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。214GPRS系統(tǒng)原理MS與GSM基站通信，但與電路交換數(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到SGSN，而不是通過移動(dòng)交換中心MSC連接到語音網(wǎng)絡(luò)上。SGSN與GGSN進(jìn)行通信GGSN對分組進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)。來自INTERNET標(biāo)識(shí)有移動(dòng)臺(tái)地址的IP包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到MS。SGSN通過幀中繼與BTS相連，是GSM網(wǎng)絡(luò)與MS之間的接口。SGSN的主要作用是記錄MS的當(dāng)前位置信息，并在MS和GGSN之間完成移動(dòng)分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN通過基于EP協(xié)議的GPRS骨干網(wǎng)連接到SGSN，將GSM網(wǎng)絡(luò)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并傳送到遠(yuǎn)端的外部分組交換網(wǎng)。GGSN是連接GSM網(wǎng)絡(luò)和外部分組交換網(wǎng)INTERNET和INTRANET的網(wǎng)關(guān)。其原理圖結(jié)構(gòu)如圖22所示BTSBSCPCUMSCSGSNGGSNPSINISDNPLMNPDNINTERNET圖22GPRS系統(tǒng)原理圖22系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要是由電度表、帶GPRS模塊的采集終端、帶系統(tǒng)軟件的主站組成。1監(jiān)控中心服務(wù)器GPRS通訊模塊是以浮動(dòng)IP地址的方式連接到INTERNET的,其IP地址每次連接時(shí)都不一樣。監(jiān)控中心的服務(wù)器本身必須綁定了一個(gè)固定的IP地址,并且以此IP地址接入INTERNET,便于GPRS模塊與服務(wù)器連接。這樣監(jiān)控中心服務(wù)器就可以從綁定的IP地址上接收每個(gè)GPRS通訊模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。接收到電能表數(shù)據(jù)后,監(jiān)控中心軟件對電力數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、計(jì)算、存儲(chǔ)、分析、管理等,并對異常情況進(jìn)行報(bào)警,同時(shí)對用戶使用情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。2電能表數(shù)據(jù)采集終端GPRS模塊是嵌入到數(shù)據(jù)采集終端中的,與采集終端MCU的串行口連接,進(jìn)行RS232通訊。采集終端通過RS485采集智能電能表的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分類存儲(chǔ),然后按照與監(jiān)控服務(wù)器的通訊協(xié)議,把數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理,利用短消息的方式發(fā)送到監(jiān)控服務(wù)器。3智能電能表智能電能表的功能是計(jì)量用電量的大小,監(jiān)控用戶的用電情況，并把這些數(shù)據(jù)用RS485的方式傳送給數(shù)據(jù)采集終端?？梢酝瑫r(shí)計(jì)量正/反向有功電能、正/反向無功電能、四象限無功電能，還具有多費(fèi)率控制，負(fù)荷曲線記錄，各相失壓、過壓、頻率超限記錄，數(shù)據(jù)LCD顯示等多種功能。主站可以通過RS485總線或手持紅外抄表器對該電表進(jìn)行查表、設(shè)表、抄表等操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髟砣缦陆K端通過RS232/485接口接收用戶電表的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打包成IP協(xié)議包，通過GPRS模塊內(nèi)置的SIM卡搜索GPRS網(wǎng)絡(luò)后接入，處理后以GPRS分組的形式發(fā)送到GSM基站，分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRSIP骨干網(wǎng)，然后將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到外部INTERNET網(wǎng)絡(luò)，再通過GPRS服務(wù)器，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。其數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖23所示電表數(shù)據(jù)執(zhí)行指令接收、控制采集、發(fā)送異常報(bào)警調(diào)度指令匯總分析接收處理報(bào)警信息智能電表數(shù)據(jù)采集監(jiān)控中心服務(wù)器RS485GPRS圖23自動(dòng)抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖23系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)由于系統(tǒng)中采用GPRS作為傳輸方式，并采用智能電能表，因此該系統(tǒng)具有以下功能1定時(shí)抄表功能對系統(tǒng)所有電能表進(jìn)行定時(shí)抄表，抄表時(shí)間及抄表次數(shù)可設(shè)置，如存儲(chǔ)兩個(gè)抄表周期電量（月末或抄表日零點(diǎn)數(shù)據(jù)）正向電量有功總、尖、峰、谷、平、需量；無功感性無功（I）、容性無功（IV）。反向電量有功總、尖、峰、谷、平、需量；無功感性無功（III）、容性無功（II）。2實(shí)時(shí)抄表功能實(shí)時(shí)抄收任一時(shí)間數(shù)據(jù)及狀態(tài)，如正向電量有功總、尖、峰、谷、平、需量；無功感性無功（I）、容性無功（IV）。反向電量有功總、尖、峰、谷、平、需量；無功感性無功（III）、容性無功（II）。其它數(shù)據(jù)電壓（UA、UB、UC）、電流（IA、IB、IC）、費(fèi)率、時(shí)段等，抄表數(shù)據(jù)可以任意打包。3預(yù)付費(fèi)控制功能當(dāng)用戶發(fā)生欠費(fèi)或違章用電時(shí)可切斷電源。4電能表監(jiān)測功能當(dāng)電能表或脈沖線發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)提示。5系統(tǒng)管理功能對通信、費(fèi)率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對回收數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、查詢、備份、報(bào)表等?；贕PRS的無線網(wǎng)絡(luò)的抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，不需要重新組網(wǎng)，可方便的推廣到不同地域使用。GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于引入分組概念，為設(shè)備無線接入INTERNET提供了一種先進(jìn)的有效的手段。使用GPRS的電能遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)1、實(shí)時(shí)性強(qiáng)由于GPRS具有實(shí)時(shí)在線特性，系統(tǒng)無時(shí)延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個(gè)/所有數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)?？珊芎玫臐M足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。2、可對電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、開關(guān)等控制操作。3、建設(shè)成本少低由于采用GPRS的無線公網(wǎng)平臺(tái)，只需安裝好設(shè)備就可以，不需要為遠(yuǎn)程抄表進(jìn)行專門布線，前期投資少、見效快，后期升級、維護(hù)成本低；4、集抄范圍廣GPRS覆蓋范圍廣，在無線GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi)，都可以完成對集抄的控制和管理。而且，擴(kuò)容無限制，接入地點(diǎn)無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。5、系統(tǒng)的傳輸容量大配電數(shù)據(jù)中心要和每個(gè)電表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)保持實(shí)時(shí)連接。由于電表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)量多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而GPRS技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。6、數(shù)據(jù)傳送速率高每個(gè)電表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)每次數(shù)據(jù)傳輸量在10KBPS之內(nèi)。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送速率理論上可達(dá)1712KBIT/S，目前GPRS實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率在40KBPS左右，完全能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（10KBPS）的需求。7、通信費(fèi)用低采用包月計(jì)費(fèi)方式，運(yùn)營成本低。8、方便抄表工作遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表提供了電能表數(shù)據(jù)抄錄的計(jì)算機(jī)管理，抄表人員足不出戶就可以對電能表的數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行抄錄，極大地方便了抄表工作。24本章小結(jié)本章通過對比自動(dòng)抄表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，構(gòu)建了一種底層通信基于RS485總線，上層通信基于移動(dòng)通信系統(tǒng)的復(fù)合式自動(dòng)抄表系統(tǒng)。分析了基于GSM/GPRS的四種數(shù)據(jù)傳輸方式，基于短消息的數(shù)據(jù)傳輸方式適用于本系統(tǒng)。分析了GPRS通信的三種組網(wǎng)方式，INTERNET接入方式資費(fèi)低，前期投資小，實(shí)施方便，適于遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)選用。簡單介紹了GPRS的原理及遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。從而在系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸和組網(wǎng)方式上完成了復(fù)合式自動(dòng)抄表系統(tǒng)的構(gòu)建。第三章電能遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)任何一個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)都離不開硬件的支持，它是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。硬件的設(shè)計(jì)要根據(jù)功能的要求和系統(tǒng)的工作原理來進(jìn)行。上一章介紹了基于GPRS的自動(dòng)抄表方案的整體系統(tǒng)構(gòu)建，對于該系統(tǒng)來說，最關(guān)鍵的部分是集中器即數(shù)據(jù)采集終端的實(shí)現(xiàn)，它連接上位監(jiān)控中心服務(wù)器與下端抄表采集器。本章將主要介紹數(shù)據(jù)采集終端的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。31電能表的概述電能表也稱電度表是記錄電能累積值的專用儀表，是所有電氣測量儀表中使用量最多的儀表。在發(fā)電、供電、用電過程中，其發(fā)電量、供電量、用電量的多少離不開電能表的計(jì)量。電能表的種類型號(hào)很多，但它們的基本結(jié)構(gòu)大同小異。由驅(qū)動(dòng)元件、轉(zhuǎn)動(dòng)元件、制動(dòng)元件、積算機(jī)構(gòu)記度器、調(diào)整裝置及輔助部分組成4。311電能表的選擇目前我國的電能表按其用途可分為以下幾類1單相電能表單相電能表廣泛應(yīng)用于計(jì)量居民、機(jī)關(guān)、商店等的照明、家電等用電量，這是應(yīng)用最多的一種電能表。2三相有功電能表三相有功電能表應(yīng)用于計(jì)量發(fā)電廠發(fā)出的、供電部門供出的、用電戶使用的有功電量，這是最重要的一種電能表。3三相無功電能表三相無功電能表應(yīng)用于計(jì)量發(fā)電廠發(fā)出的、供電部門供出的、用電戶使用的無功電量，安裝后可用來反應(yīng)無功電量，間促使用戶提高功率因素。4最大需量表最大需量表應(yīng)用于計(jì)量工廠企業(yè)使用有功電量，同時(shí)還能指示出在指定時(shí)間間隔內(nèi)平均最大功率的電能表。5復(fù)費(fèi)率電能表復(fù)費(fèi)率電能表又叫分時(shí)計(jì)費(fèi)電能表，它是將晝夜里指定幾個(gè)時(shí)段進(jìn)行累計(jì)每個(gè)時(shí)段的用電量。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，本設(shè)計(jì)選用屬于復(fù)費(fèi)率電能表一類的電子式電能表，它能夠很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表系統(tǒng)所需要的各種功能。電子式電能表的框圖如下圖31所示圖31電子式電能表硬件結(jié)構(gòu)圖312電子式電能表的簡介這是一款智能型高科技電能計(jì)量產(chǎn)品，該表可以同時(shí)計(jì)量正/反向有功電能、正/反向無功電能、四象限無功電能，還具有多費(fèi)率控制，負(fù)荷曲線記錄，各相失壓、過壓、頻率超限記錄，數(shù)據(jù)LCD顯示等多種功能。主站可以通過RS485總線對該電表進(jìn)行查表、設(shè)表、抄表等操作。軟件代碼采用C/C語言編寫，編碼效率高，可維護(hù)性好，便于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，可據(jù)用戶的需求對功能模塊進(jìn)行裁剪。313電子式電能表的硬件設(shè)計(jì)多功能表總體結(jié)構(gòu)電子式多功能電能表硬件的核心MCU主控制器，它負(fù)責(zé)按鍵輸入掃描、工作狀態(tài)檢測、計(jì)量數(shù)據(jù)的讀入、計(jì)算和存儲(chǔ)、電表參數(shù)的現(xiàn)場配置以及與外界的通信控制等。其主要功能單元包括MCU主控制器單元、電量計(jì)量模塊、紅外和RS485通信模塊、校表模塊、EEPROM存儲(chǔ)陣列等；其他輔助模塊主要有時(shí)鐘日歷電路、工作異常報(bào)警電路、按鍵輸入電路、復(fù)位和看門狗電路、開關(guān)電源模塊和后備電池電路、大屏幕液晶顯示模塊和LED顯示模塊。多功能表總體結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。高性能主控制器單元主控制器采用NEC公司8位單片機(jī)中的高檔產(chǎn)品PD78F0338。該款單片機(jī)為120腳QFP封裝，單片集成有60KBFLASH、一個(gè)異步通信串行口、404段LCD驅(qū)動(dòng)器、高達(dá)10MHZ的總線時(shí)鐘和10路10位精度的ADC，并可通過簡單的接口進(jìn)行在系統(tǒng)編程，極大地方便在線調(diào)試和軟件升級。并且支持高級語言，較好地滿足了多功能表任務(wù)繁多、數(shù)據(jù)量龐大、算法較復(fù)雜的功能要求。串口復(fù)用通信單元本電能表設(shè)有紅外本地抄表和RS485集中抄表兩種串行抄表方式，因?yàn)镻D78F0338僅有一個(gè)串口，故通信電路設(shè)計(jì)時(shí)采用串口復(fù)用技術(shù)。由9012、9014和若干電阻等器件組成互補(bǔ)開關(guān)，由MCU的一個(gè)I/O口來控制紅外和RS485通信方式的切換，如圖32所示。圖32通信串行口復(fù)用電路高精度電量計(jì)量模塊計(jì)量模塊由高精度專用電能計(jì)量芯片SA9904、電流互感器和其他外圍電路元件組成。SA9904是SAMES公司生產(chǎn)的一款三相雙向功率/電能計(jì)量芯片，可以計(jì)量有功/無功功率、電壓、頻率、相序異常等，可以單獨(dú)計(jì)量每一相的用電信息，符合IEC521/1036標(biāo)準(zhǔn)，可達(dá)到1級交流電能表的精度要求，各數(shù)據(jù)寄存器具有24位精度，可通過三線SPI接口與CPU交換數(shù)據(jù)。從而可以較好地適應(yīng)多功能表需要計(jì)量多種電量數(shù)據(jù)的要求。SA9904引腳及其外圍電路圖如圖33所示。圖33SA9904引腳及其外圍電路圖其中，CLK、DO、DI構(gòu)成與MCU控制器的接口,用于傳輸控制命令和測得的電量數(shù)據(jù)，IIPS、IIPT、IIPR用來對電流取樣，IVP1、IVP2、IVP3用來對電壓取樣。32RS485總線RS485的接口是TLA/EIA485所描述的接口。RS485總線抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖34所示。RS485總線抄表一般使用雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)總線，對要求較高的系統(tǒng)可考慮選用帶光電隔離的、抗雷電及抗靜電放電沖擊的收發(fā)器，直接使用RS485驅(qū)動(dòng)芯片即可構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。RS485總線抄表方式技術(shù)簡單、成熟，易于實(shí)現(xiàn)，且總線傳輸速率高，可靠性好。485節(jié)點(diǎn)（電能表1）485節(jié)點(diǎn)（電能表2）485節(jié)點(diǎn)（電能表N）數(shù)據(jù)采集器485總線圖34485總線結(jié)構(gòu)321什么是RS485典型的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)是RS232和RS485它們定義了電壓,阻抗等但不對軟件協(xié)議給予定義區(qū)別于RS232,RS485的特性包括1RS485的電氣特性邏輯“1”以兩線間的電壓差為（26）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為（26）V表示。接口信號(hào)電平比RS232C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。2RS485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10MBPS3RS485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。4RS485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS232C接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。因RS485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB9（針）。322RS485串行接口標(biāo)準(zhǔn)（1）平衡傳輸RS422、RS485與RS232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在26V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在2V6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS485中還有一“使能”端，而在RS422中這是可用可不用的?！笆鼓堋倍耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。（2）RS485電氣規(guī)定RS485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200MV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。RS485最大傳輸距離約為1219米，最大傳輸速率為10MBPS。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100KBPS速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅為1MBPS。33終端主控制器與外圍電路的設(shè)計(jì)用單片機(jī)作為智能系統(tǒng)的核心部件，是目前作為智能儀表設(shè)計(jì)的一般方法，在工業(yè)測控現(xiàn)場，占主導(dǎo)地位的還是8位機(jī)和16位機(jī)，對本課題涉及的帶有GPRS模塊功能的數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)，運(yùn)用單片機(jī)的主要目的是構(gòu)成一個(gè)既能與GPRS模塊進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，又能與電能表交換數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它所處理的信息量和復(fù)雜程度用8位機(jī)己經(jīng)足夠了，對單片機(jī)主要的要求是帶有串行通信功能即可滿足要求，本課題選用ATMEL公司的AT89C51芯片主控制器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹如下。331AT89C51芯片基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)本設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)芯片AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，主要性能參數(shù)如下5AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能4K字節(jié)FLASH閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O線，兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。其芯片引腳如圖35所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE19MAY2008SHEETOFFILEG亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYP101P112P123P134P145P156P167P178RST9P30RXD10P31TXD11P32INT012P33INT113P34T014VCC40P00AD039P01AD138P02AD237P03AD336P04AD435P05AD534P06AD633P07AD732EA/VPP31ALE/PROG30PSEN29P27A1528P26A1427P35T115P36WR16P37RD17XTAL218XTAL119GND20P25A1326P24A1225P23A1124P22A1023P21A922P20A821AT89C51圖35AT89C51芯片引腳圖時(shí)鐘振蕩器AT89C51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTALL和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖36外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容C1，C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1，C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30PFL0PF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40PF10F。也可以采用外部時(shí)鐘。采用外部時(shí)鐘的電路如圖37所示。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到XTALL端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。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亢亢圖36自激振蕩電路圖37外部時(shí)鐘電路51單片機(jī)內(nèi)部的基本功能模塊如圖38所示，它可以劃分為CPU、存儲(chǔ)器RAM和ROM、并行口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等部分。時(shí)鐘電路ROMRAM定時(shí)器/計(jì)數(shù)器并行I/O口串行接口中斷系統(tǒng)CPUP0P1P2P3TXDRXDINT0INT1圖3851單片機(jī)的內(nèi)部基本功能模塊332微控制器外圍電路的設(shè)計(jì)通信接口電路由兩部分組成，一個(gè)通過MAX485和有RS485總線標(biāo)準(zhǔn)的采集器相連接，負(fù)責(zé)采集采集器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關(guān)協(xié)議，發(fā)出相應(yīng)的命令，使采集器上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)。另外一個(gè)通過MAX232和留有RS232標(biāo)準(zhǔn)接口的GPRS模塊相連接，從而實(shí)現(xiàn)對GPRS模塊的控制，并把采集所得的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳送到INTERNET網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與用電管理中心的通信。下面對兩部分電路進(jìn)行具體的介紹。RS485接口部分示意圖如39所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE14JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYABVCC8B7A6GND5RO1RE2DE3DI4U1MAX485亢亢亢亢亢R2120R320KR120KVCCC1001UFP10RXDTXD圖39RS485接口電路圖本接口部分通過RS485總線實(shí)現(xiàn)控制器（終端）和采集器的連接，每一個(gè)主控制器通過RS485總線可以最多掛接多達(dá)128個(gè)采集器，可以實(shí)現(xiàn)一片控制器對多個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)量的測量與傳輸。在總線末端接一個(gè)匹配電阻，吸收總線上的反射信號(hào)，保證正常傳輸信號(hào)干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應(yīng)該與總線的特性阻抗相當(dāng)120歐。網(wǎng)絡(luò)接口均采用MAXIM公司的半雙工485總線收發(fā)器MAX485。其控制十分簡單，RE為接收控制端，DE為發(fā)送控制端。用AT89C51的一個(gè)串行口與兩個(gè)控制端相連，平時(shí)置P10為低，使控制器串口處于偵聽狀態(tài)，當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使P10為高。GPRS控制接口電路為RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，如圖310所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE17JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYC11V2C13C24C25V6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U5MAX232VCCC91UFC71UFC81UFC101UFRXDTXDP30P31亢GPRS亢亢圖310RS232接口電路通過標(biāo)準(zhǔn)RS232接口可以把相應(yīng)的設(shè)置命令，以及需要傳遞的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，從而使GPRS模塊完成相應(yīng)的動(dòng)作。網(wǎng)絡(luò)接口采用了MAXIM公司的MAX232總線接口芯片，該芯片可以把一側(cè)的TTL電平轉(zhuǎn)換為另一側(cè)的RS232電平，也可以把RS232電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)GPRS模塊和單片控制器的通信。34終端通信模塊硬件設(shè)計(jì)341通信模塊的比較選擇通信控制單元是數(shù)據(jù)采集、傳輸子系統(tǒng)的核心部分，它通過AT指令實(shí)現(xiàn)對短信收發(fā)模塊的控制，把電能數(shù)據(jù)以短消息的形式送至管理端，并通過接收到的控制字符采取相應(yīng)的控制動(dòng)作。目前，用于工業(yè)系統(tǒng)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊比較多，主要有西門子公司的MC系列、摩托羅拉的G18和G20、WAVECOM公司的產(chǎn)品以及SIMCOM公司的SIM系列等。下面對這些產(chǎn)品進(jìn)行一下對比表31各通信模塊的優(yōu)缺點(diǎn)比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)MC35I體積小，使用廣泛不集成TCP/IP協(xié)議G20采用三頻，適用性高，有多種配置可選體積略大、價(jià)格高Q2406使用廣泛，價(jià)格適中不集成TCP/IP協(xié)議SIM100集成TCP/IP協(xié)議，價(jià)格便宜，功能完善使用不是很廣泛，但由于是國內(nèi)生產(chǎn)，所以有較好的技術(shù)支持鑒于普通的GPRS模塊在使用時(shí)有很大的局限性，另外考慮到價(jià)格方面的原因，我們選擇了SIMCOM公司的SIM100模塊作為本設(shè)計(jì)的GPRS模塊。342SIM100簡介SIM100芯片具有以下特點(diǎn)61單面高集成度精巧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)53MM33MM30MM；2GPRSCLASS10多時(shí)隙功能，CLASSB操作模式；3支持GSM900D/CS1800雙頻；4電路交換數(shù)據(jù)傳輸最高14400KBPS，電路交換傳真最高9600KBPS；5短消息業(yè)務(wù)，電路交換語音EFR/FR/HR；6GSM0707，GSM0705和增強(qiáng)型AT命令集；7電源電壓范圍33V到46V直流，待機(jī)電流4MA；8外部SIM卡，外部天線；960針外部系統(tǒng)連接器；10工作溫度3575。SIM100管腳封裝如圖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圖311SIM100引腳圖SIM100模塊共有60個(gè)引腳，這60個(gè)引腳分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入和輸出、音頻接口、控制接口。第117腳為電源部分，其中18腳均為電源電壓輸入端，914腳接地，16腳VANA為模擬電壓輸出，17腳為數(shù)字電壓輸出。1925腳為SIM卡引腳，2746腳中奇數(shù)腳為鍵盤輸入引腳，偶數(shù)腳為接RS232輸入輸出引腳，5360腳為音頻接口，即麥克風(fēng)和受話器輸入腳，20腳為SPI時(shí)鐘。34腳為模塊啟動(dòng)開關(guān)，36腳為模塊復(fù)位信號(hào)。343GPRS模塊SIM100與外圍電路設(shè)計(jì)1電源電路SIM100工作時(shí)共有三組電源，一是SIM100模塊使用電源PWR，其范圍33V46V，電源應(yīng)該具有至少2A的峰值電流輸出能力；二是用于保證模塊與外部數(shù)字接口的電平匹配的電壓VDD_EXT，其范圍27V35V，該電源具有50MA的輸出能力；三是用于給音頻電路提供電源VANA，其電壓為25V，且該電源具有50MA的輸出能力。顯然對于我們只傳輸數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，用于模擬信號(hào)系統(tǒng)的VANA電壓是不再需要的。本設(shè)計(jì)根據(jù)相關(guān)資料提供的參考電路設(shè)計(jì)了如圖312所示的電源變換電路。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE14JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢亢亢亢亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYIN1OUT3GND2U6MIC29300BT33IN2EN1OUT4ADJ5GND3U5MIC29302BT5VGNDE2100UFR18100KR20470E3100UFR1943KE447UF圖312電源參考電路圖2工作狀態(tài)電路的設(shè)計(jì)SIM100的30腳提供網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈輸出信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈電路設(shè)計(jì)如圖313所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE12JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYR1322KR15100KR14300Q1NPND3LED/GPIO1PWR圖313網(wǎng)絡(luò)指示燈電路圖根據(jù)SIM100的文檔說明，可以從網(wǎng)絡(luò)指示燈上的亮熄信息來判斷SIM100的工作情況。狀態(tài)指示燈的亮熄情況與工作狀態(tài)關(guān)系見表32。表32狀態(tài)指示燈亮熄與工作狀態(tài)關(guān)系表LED運(yùn)行狀態(tài)工作狀態(tài)OFF模塊未啟動(dòng)64MSON/1SOFF模塊已經(jīng)啟動(dòng)，但未完成網(wǎng)絡(luò)位置登記64MSON/3SOFF完成網(wǎng)絡(luò)位置登記64MSON/300MSOFF正在進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)傳輸64MSON/1500SOFF移動(dòng)場景PDPCONTEXT已經(jīng)激活，未進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸3卡座電路的設(shè)計(jì)SIM卡是GPRS模塊工作不可缺少的一個(gè)部分，它是連接GSM網(wǎng)絡(luò)和GPRS模塊電路的一個(gè)橋梁。由于SIM100模塊支持外部SIM卡，可以直接與30VSIM卡或者18VSIM卡連接。SIM100模塊能自動(dòng)監(jiān)測和適應(yīng)SIM卡類型。設(shè)計(jì)的卡座部分的電路如圖314所示。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE1JUN2008SHEETOFFILEG亢亢亢MYDESIGN1DDBDRAWNBYR1022R922D1D3D2D4R1210KC6220NFR1122VCC6RESET5CLK4GND1VPP2I/O3U4X202SIM_VDDSIM_I/OSIM_CLKSIM_RST圖314卡座設(shè)計(jì)電路圖圖中R9R11是限流電阻，其值較小，主要起保護(hù)作用，在SIM卡座各引腳的位置放置瞬變電壓抑制二極管TVS管是為了防止靜電損壞。4復(fù)位電路在應(yīng)用設(shè)計(jì)中只要將/RESET腳連接到一個(gè)接地的47UF電容即可實(shí)現(xiàn)電路的復(fù)位作用。在實(shí)際應(yīng)用中，RESET和ON/OFF可由MCU控制，MCU通過對ON/OFF和RESET的控制可以實(shí)現(xiàn)模塊的關(guān)機(jī)，具體程序?yàn)镸CU先發(fā)命令A(yù)TCFUN0，1，模塊開始注銷網(wǎng)絡(luò)登記，然后使ON/OFF信號(hào)為反向有效0FF有效，再使RESET有效低電平維持100MS以上，這樣就可以關(guān)掉模塊。模塊關(guān)機(jī)后的電流為50UA。關(guān)機(jī)的時(shí)序如圖315所示ON/OFFRESET200MS100MS圖315模塊關(guān)機(jī)時(shí)序圖35本章小結(jié)本章系統(tǒng)構(gòu)建了自動(dòng)抄表數(shù)據(jù)采集終端的硬件平臺(tái)，通過性能分析選擇了適合本系統(tǒng)的電子式電能表，并介紹了電子式電能表的組成及工作原理；分析了目前市場上的無線GPRS通信模塊，選擇了一款性價(jià)比較高的SIM100模塊，微控制器采用8位的單片機(jī)芯片AT89C51，并對單片機(jī)和通信模塊做了簡要介紹，包括AT89C51的外圍接口電路設(shè)計(jì)、與GPRS模塊SIM100的串口接口電路和GPRS模塊的外圍電路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)；在硬件設(shè)備上基本實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的功能。第四章電能遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的軟