畢業(yè)論文(設計)電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)的設計

CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY畢業(yè)設計（論文）題目：

電能計裝的無線表統(tǒng)

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)電能計量裝置的無線表系統(tǒng)的設計摘要隨著社會信息化的發(fā)展，電能計量、電費核算及收繳的及時性和準確性已成為生產和生活的重要課題。傳統(tǒng)的抄表方式是人工登門抄表，人工核算，人工收費，帶來的是手續(xù)繁瑣，統(tǒng)計工作量大，抄表不準確等問題。隨著人們生活質量的提高，以及建設部關于建立全國住宅小區(qū)智能化技術示范工程文件的下發(fā)，抄表方式正逐漸向卡預付費和遠程抄表方式轉變。隨著現代電子技術的發(fā)展，通訊技術和計算機網絡技術都有了飛速進步，而二者的結合又進一步演化出許多新的通訊方式和通訊系統(tǒng)，為自動抄表即自動抄表系統(tǒng)的實現提供了更多的現實可能。在行業(yè)信息化過程之中，戶表數據的自動化抄送具有非常重大的意義本設計從硬件設計和軟件設計兩方面提出無線抄表技術的解決方案。無線抄表系統(tǒng)由單片機、電源電路、串行通信電路、顯示電路、鍵盤設置電路、存儲器等組成。本設計中介紹了一種利用87C51片機和nRF401無線通訊芯片構成的手持無線抄表終端和電能控制終端。nRF401無線傳輸模塊是無線抄表系統(tǒng)中的核心部分，它的主要任務是采集電子式電度表的數據這樣抄表數據就可以準確快捷地通過無線通訊傳輸到手持抄表終端上，這就大大降低了抄表人員的勞動強度，提高了工作效率，優(yōu)化了工作流程。關鍵詞：

單片機；無線抄表；nRF401無線傳輸模塊；無線串行通信1

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)THEDESIGNINGOFWIRELESSMETERREADINDSYSTEM0FENERGYMETERINGDEVICESABSTRACTWiththeofthetimelinessaccuracyofenergysubjectofproductionlife.methodofmeterreadingismanualdoorissomeofcumbersome,largeamountofstatisticalwork,themeterisnotaccurateandsoon.theimprovementofthequalityoflife,aswellastheMinistryofConstructionontheofintelligenttechnologydemonstrationprojectfile,themeterreadingisgraduallychangestoICcardelectronicandhasmaderapidprogress,whilethecombinationofthetwofurtherevolvedmanynewmeanscommunicationcommunicationprovidingrealisticchancestotheimplementationofautomaticmeterreadingsystem.theinformation—basedindustriesprocess，Itisgreatsignificancefortablehouseholdsautomationtocopydata.Thedesignapplyproposedsolutionsfromtwoaspectofhardwareandsoftwareforwirelessmeterreadingtechnology.Thiswirelessmeterreadingsystemisconsistedby，powersupplycircuit，communication，displaycircuits，circuitkeyboardsettings，memoryandothercomponentsThedesignintroduceshandheldwirelessmeterreadingterminalandPowercontrolterminaluseofSCMandwirelesscommunicationchipmicrocontrollerofnRF401.ThenRF401-basednetworkmeterreadingtechnologyisthecorepartofthesystem,Itsmaintaskistocollectelectronicmeterdata.Sothatthereadingdatacanbe2

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)throughthewirelesscommunicationtothehandheldmeterreadingterminalaccuratelyandquickly,whichgreatlyreducesthelaborintensityofthemeterreadingstaff,improvetheworkefficiency,andoptimizetheworkflow.Keywords：

SCM；Meter；module;WirelessSerialCommunication.3

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)目錄1緒論...................................................................11.1設計的現狀和發(fā)展趨勢..............................................21.2課題簡介..........................................................32方案的設計與論證.......................................................42.1各種無線傳輸技術的比較............................................42.2系統(tǒng)原理圖........................................................63硬件設計...............................................................93.1無線傳輸系統(tǒng)......................................................93.1.1應用電路及設計應注意問題...................................113.1.2通信協(xié)議的設計.............................................153.2手持終端版設計...................................................163.2.1手持抄表終端的功能及結....................................163.2.2手持終端板電路圖...........................................193.2.3抄表流程....................................................203.2.4數據記錄....................................................213.3電能控制板設計...................................................214軟件設計..............................................................244.1手持抄表終端軟件設計.............................................244.2電能控制板軟件設計...............................................265總結..................................................................28參考文獻................................................................29致謝....................................................................30附錄A手持終端板電路圖...................................................1附錄B電能控制板電路圖...................................................21

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)1緒論長期以來，水電供應部門對用戶電表水表煤氣計量都采用傳統(tǒng)的手工抄表方式，該方法費時、費力，缺乏準確性和及時性，不利于供應部門進行更深層次的分析和管理決策，在行業(yè)信息化過程之中，戶表數據的自動化抄送具有非常重大的意義。準確的計量用電關系到用電戶和電力公司雙方的利益，因而越來越受到重視。特別是在城鄉(xiāng)電網改造實現“一戶一表”后，抄表的數量和工作量爆炸性增長，電力信息系統(tǒng)的建設和完善愈顯重要。經濟體制改革的深入，電能計量、電費核算及收繳的及時性和準確性已成為用電企業(yè)的重要課題；而且目前我國電能數據的采集基本上為手工抄表，需要抄表人員走家串戶每月或每兩月抄一次再通過微機或手工制作的電費單催繳用戶繳費存在著錯抄、漏抄、估抄等問題。自動抄表系統(tǒng)的研制與應用時解決上述問題的有效途徑之一，而無線抄表系統(tǒng)則是自動抄表系統(tǒng)中一種較優(yōu)的方式該系統(tǒng)的實現是邁向配電自動化的第一步，并有助于提高電力系統(tǒng)用電管理的水平。隨著經濟的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，長期以來，電表數據抄送問題都是相關供應部門非常想解決的問題。因此，在行業(yè)信息化過程中，用戶電表數據的自動化抄表具有非常重大的意義。況且，水、電、氣等已經成為人們社會生活中必不可少的生活之需。因此，研發(fā)一款能適應于當今社會、人們生活需要的無線抄表系統(tǒng)其意義不言而喻！能否解決好現實生活中的抄表問題至少具有以下的現實意義：第一，節(jié)省供電部門的人力資源，提高其經濟效益。傳統(tǒng)的手動抄表是要由勞動力挨家挨戶的去抄寫，這樣的抄表方式不但需要大量的勞動力資源，工作效率低下，而且還時常會出現抄表錯誤，漏抄的情況，造成供應部門虧損。無線抄表系統(tǒng)則可以節(jié)省相當一部分的勞動力資源，工作效率特別高，第二，給用戶帶來方便。傳統(tǒng)的手動抄表系統(tǒng)由人力抄寫，難免有抄錯、誤抄的情況，這樣用戶和供應部門之間常常會因抄錯數字或錯抄而產生誤會或帶來不便。無線抄表系統(tǒng)的應用則不會出現這樣的情況。第三，實現的需要。目前應用于實際生活中的無線抄表系統(tǒng)還沒有完全普及，隨著無線抄表系統(tǒng)應用潛能的不斷提高，許多國家都在致力于研發(fā)這樣的抄表系統(tǒng)，無線抄第1頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)表系統(tǒng)的研發(fā)與應用對于我們國家這樣一個擁有億人口的發(fā)展中國家而言的現實意義更加重要[1.1設抄表機是1985年以后才在我國開始流行起來的新名詞，當年前能源部組派的訪美供電考察團在他們所到過的尼亞加拉一莫哈克、休斯敦、達拉斯、洛杉磯、南加利福尼亞等地都看到了用抄表微機抄表取消了原有的手抄寫和光電輸入計算機的落后方式并廢棄了抄表卡簿，促進了用戶信息系統(tǒng)的發(fā)展。1986年我同各地電力基層電力營銷管理部門開始試用抄表機來解決因用戶數量迅速增加及電價日益復雜引起的抄表、計算機管理人手嚴重不足的矛盾；并且在其它領域的應用也有所嘗試海木材公司于1987年口一批美國MSI公司的PD—II抄表微機，用于碼頭上圓木的清點入庫管理工作；國內某供電公司也進口了一小批型抄表微機，試用于用戶用電量的抄表工作。國內對進口抄表微機的試用，發(fā)現不能完全適應我國的抄表需要，主要原因是：(1)引進的抄表微機都只能作7點陣西文字符顯示，不能顯示漢字信息，不便于我國現場抄表工作。(2)引進的抄表微機絕大部分抄表程序及格式均固化于中在國外電價項目及類別固定的情況是適用的。而我國20世紀80年代末期正處于經濟改革階段，不但電價項目與類別經常改變，而且電力營銷管理的體制和方式也在逐漸變革中。因此，采用固化于ROM中的抄表程序和格式就很不放便了。(3)引進的設備功能復雜，體積較大，不便于現場操作。(4)國外產品價格較貴例如的DATACAPH每臺售價美元在國內難以普及推廣。我國自1986年開始自行研制并推廣抄表機的應用在此后的七八年中由于抄表機與紙卡抄表相比具有明顯的優(yōu)勢，國內對抄表機的需求大幅度增加，抄表機在這期間獲得了迅速的推廣。準確的計量用電關系到用電戶和電力公司雙方的利益，因而越來越受到重視。特別是在城鄉(xiāng)電網改造實現“一戶一表”后，抄表的數量和工作量爆炸性增長，電力信息系統(tǒng)的建設和完善愈顯重要，這一切都為無線抄表系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利的外部環(huán)境。隨著科學技術的不斷發(fā)展，社會生產生活的日益繁榮，傳統(tǒng)的人工抄表正在逐漸的被無線第2頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)手持抄表系統(tǒng)所替代，這也正是國內外一種普遍的發(fā)展趨勢。無線抄表系統(tǒng)比之傳統(tǒng)的老式抄表方式有許多優(yōu)點，彌補了人工抄表的不方便、工作量低下以及供電部門管理困難、效率低的弊端。無線抄表技術從研發(fā)到應用于實際不過區(qū)區(qū)光陰，目前社會上從事無線抄表系統(tǒng)研發(fā)和生產的企業(yè)非常之多。無線抄表系統(tǒng)的巨大優(yōu)越性已被社會和人們廣泛認同。隨著我國現代化進程的不斷加快，無線抄表技術在城市建設和規(guī)劃，智能樓宇，大型廠礦中得到了普遍應用和推廣。相信在不遠的將來，這一新型技術也一定會被在廣大的農村得到普及，真正為基層電力部門和電力工作者帶去效益和便利！無線抄表系統(tǒng)可以在一定距離內無線收發(fā)數據，誤碼率低，它是由電能控制板和手持終端板構成，一個控制板可以讀取多個電能表的數據，手持終端版可以基于不同技術．目前，主流的無線抄表系統(tǒng)主要有基于GPRS技術的無線抄表系統(tǒng)、基Zigbee技術的無線抄表系統(tǒng)、基于DSP的無線抄表系統(tǒng)、基于GSM模塊的無線抄表系統(tǒng)、基于藍牙技術的無線抄表系統(tǒng)以及基于各種無線通信芯片的抄表系統(tǒng)[2]

。課題簡介根據題目要求，本設計中采用系列單片機87C5l。以87C51片機為核心，手持終端器通過以藍牙技術為核心的nRF401線收發(fā)模塊接收用戶的電能表數據，由單片機程序實現電能表數據采集和讀取。87C51是INTEL公司MCS-5l系列單片機中的基本型產品能與80C5l、83C51完全兼容)。它是采用INTEL公司可靠的CHMOS工藝技術制造的高性能位單片機，屬于標準的MCS-5l的體系結構和指令系統(tǒng)它結合了的高速和高密度技術及CHMOS的低功耗特征，是80C51BH的EPROM版本，具有電改寫光擦除的片內4KBEPROM

[3]

。第3頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)2方案的設計與論證目前，無線抄表技術已經比較成熟。雖然在功能上都能實現電能計量的無線抄表，但它們的內部結構不大相同，基于的原理也不盡相同。無線抄表系統(tǒng)基于的無線技術也各不相同，大致有基于GPRS技術的無線抄表系統(tǒng)、基于技術的無線抄表系統(tǒng)、基于GSM模塊的無線抄表系統(tǒng)基于藍牙技術的無線抄表系統(tǒng)以及基于紅外線技術的無線抄表系統(tǒng)和基于nRF401模塊的無線抄表系統(tǒng)等等。2.1各(1)GPRS(GeneralPacketRadioservice)為通用無線分組業(yè)務，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線連接。作為一種新的無線數據傳輸技術被廣泛地應用到各種領域，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數據傳輸，同時也適用于偶爾的大量數據傳輸。(2)Zigbee技術是種基于批準通過的802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網安全和應用軟件方面的技術標準IEEE僅處理低級MAC層(數據鏈路控制層)和物理層協(xié)議Zigbee聯(lián)盟對其網絡層協(xié)議和API(用編程接口)進行了標準化每個協(xié)調器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調器則可以形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范應用匯聚層網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協(xié)議由Zigbee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。(3)GSM遠程抄表系統(tǒng)由測量端和被測端兩部分組成測量端可以是一部可收發(fā)短信的手機，也可以是電腦與手機的組合。受控端則是一套或多GSM調制解調器與被測設備的組合其中測量端的電腦及手機完成測量期參數的設置與發(fā)送被測端的調制解調器模塊接收控制參數并傳送給被測設備同時將受測設備的狀態(tài)信息回送給測量端?；谀K的無線抄表系統(tǒng)是由監(jiān)控中心計算機系統(tǒng)、遠程抄表終端和GSM無線通訊移動網三部分構成。監(jiān)控中心計算機系統(tǒng)的主要功能是：定時向下位機發(fā)送讀表指令，接收下位機發(fā)來的電度數，算出電費，然后發(fā)送短消息到用戶手機，并生成和打第4頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)印報表等。遠程抄表終端的主要功能是：當接收到監(jiān)控中心發(fā)來的指令時讀取電度表。并發(fā)送到監(jiān)控中心計算機。若存在偷電，漏電現象自動切斷電源。并發(fā)送報警短信到監(jiān)控中心計算機。GSM無線通訊移動網通過制解調器，建立起監(jiān)控中心計算機和遠程監(jiān)測終端的通訊聯(lián)絡。(4)藍牙(Bluetooth)技術是一種近距離無線通信的標準，可以實現多種智能設備的無線互連，支持數據傳輸和語音通訊，已成為世界上人們普遍關注的熱門通信技術。藍牙使用2.4GHzISM(IT業(yè)、科學、醫(yī))全球通自由波段，最高數據傳輸速率，傳輸距離為10m，在增加發(fā)射功率的情況下，可以達100m。藍牙技術與其它類似技術相比較，更具有低成本、低功耗、體積小、點對多點連接、語音與數據混合傳輸以及高抗干擾能力等優(yōu)點。(5)紅外無線通信利用950mm近紅外段的紅外線作為通信信道來實現兩點間近距離的信息傳輸。它一般由紅外發(fā)射器、紅外信道、紅外接收器三部分組成。紅外發(fā)射器將基帶二進制數字信號調制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。紅外通信一般選擇38KHz頻率的紅外信號，紅外發(fā)射管發(fā)射該頻率的信號，接收管收到后，輸出端的電平發(fā)生改變。常用的調制方式有通過脈沖寬度來實現信號調制的脈寬調制(PWM)和通過脈沖串之間的時間間隔來實現信號調制的脈時調制PPM)兩種方法紅外接收器接收紅外信號，并實現信號的解調，完成數據通信。一般的紅外抄表系統(tǒng)是在現場用PDA對用戶電子式表計逐個進行數據的抄收，雖然這種方式實現了無紙化過程，提高了工作效率和準確性，同時也防止了抄表過程中的人為因素，但由于針對每個表具進行抄收，工作量比較大，對用戶存在一定的安全隱患。紅外抄表系統(tǒng)在此基礎上增加了采集模塊，通過PDA和采集模塊之間的紅外數據傳輸來實現抄表4]

。(6)無線收發(fā)芯片CCl000是Chipcon公司推出的單片可編程RF收發(fā)芯片，它基于Chipcon’sSmart技術，可工作在ISM頻段300～1000MHz)。CC1000集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調制解調、可編程控制等多種功能。CCl000采用鎖相技術，發(fā)射頻率是通過內部的頻率合成器來配置的可配置的范圍為～1000MHz適合應用跳頻協(xié)議，一般可配出1020個頻點，該芯片靈敏度為-109dBm，并可自動校準，可編程輸出功率為-20dBm到10dBm，通信速率可達78.6Kbps。CC1000主要工作參數可由一個串行接口編程設定使用非常方便并且具有靈活性CC1000芯片的外圍元件較少，且對精度要求不高，并提供三種編碼方式與微控制器接口。所以與一個微控制器和少數幾個外接元件便可組成個完整的收發(fā)系統(tǒng)[5]

。第5頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)各種無線通信技術的參數比較如下表表示：表2-1各種無線通信的比較無線通信技

頻段

距離

功

成本

速率術

耗藍牙ZigbeeGPRSGSM紅外基于

2.4MHz2.4GHz/868MHz/915MHz480MHZ890～960MHz38KHz300～1000MHz

10米左右10米—100米1米左右1000米左右

低低高低低低

高低低高高低

1Mb/s250Kb/s171Kb/s9.6Kb/s115.5Kb/s78.6Kb/s2.2系這套電能計量裝置無線抄表系統(tǒng)包括2塊射頻收發(fā)模塊和1片公司系列單片機87C51，構成抄表系統(tǒng)的兩大部分：手持終端板和電能控制板。射頻收發(fā)模塊采用nRF401無線通信芯片，用來實現無線數據傳輸；單片機用來進行數據采集后作一些相應的處理。系統(tǒng)硬件框圖如圖2.1所示。圖中，4路脈沖輸入信號來自單利脈沖電能表。工作時，單片機需定時測量輸入的脈沖，再根據脈沖數與用電量之間的比例關系即可得到用戶的用電量。圖中虛線框內的單片機數據采集部分是整個系統(tǒng)的核心部分，通過軟件的編輯可實現數據采集、數據保存、數據發(fā)送和控制命令的接收以及其他數據掉電保護等重要功能。本系統(tǒng)采用的單片機構成圖1虛線框內所有功能模塊。它內置中央處理單元、字節(jié)內部數據存儲器RAM32個雙向輸入/輸出(I/O)口2個16位定時／計數器和5個兩級中斷結構，一個全雙工串行通信，片內時鐘振蕩電路。快速脈沖編程，如編4kB片內ROM僅需12秒。在本系統(tǒng)中，第6頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)電源T0

EEPROM

PC轉換開關掉電檢測

模擬比較器

CPUWatchDog串行口

顯示模塊

CPU四路脈沖輸收發(fā)射模收射模塊串口圖2.1系統(tǒng)結構框圖單片機的資源分配為T1作為定時器實現單片機對脈沖量的定時采集模擬比較器檢測系統(tǒng)交換電源工作是否正常。一旦發(fā)生掉電情況，模擬比較器中斷標志位就被置，在主程序中不斷檢測這位一旦檢測到該位為則立即將數據寫入EEPROM中保存從掉電到保存時間很短，在這段時間內靠濾波大電容儲能供電。在儲能放完之前，將保存數據工作完成即可存儲器用來保存單片機所測的脈沖數和單片機的地址等一些重要數據。WatchDog定時器止單片機“死機”或“跑飛”。串行口實現單片機發(fā)射/接收模塊之間的數據換。在本系統(tǒng)中，數據的無線傳遞是通過無線數傳模塊實現的。為了使模塊與單片機、計算機之間的數據傳送正確，必須嚴格按照計算機(單片機)與模塊間的傳輸格式進行數據傳送。模塊的輸出電平為TTL電平，它可與87C51單片機直接連接。與計算機連接時需接一個轉換模塊。模塊與單片機、計算機之間的通信速率為9600b/s，采用1個始位8個數據位、1個停止位的格式，87C51單片機的通信接口方式完全相同。計算機和模塊之間的數據傳輸格式為：標志字節(jié)D7H

控制字節(jié)

數據或參數字節(jié)第一字節(jié)為標志字節(jié)，其值為十六進制D7，作用是標志數據傳送的開始。第二字第7頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)節(jié)為控制字節(jié)，當第二字節(jié)小于等于48（30H時，其值代表傳送數據長度。后面字節(jié)為數據，當第二字節(jié)大于48（30H）時為控制字，后面不再跟數據和參數。模塊傳給計算機時帶CRC校驗字節(jié)防誤措施[第8頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)3硬件設計無線抄表系統(tǒng)的硬件構成主要包括電能控制板和手持終端板兩部分。電能控制板主要用來通過定時測量輸入的脈沖再根據脈沖數與電量之間的比例關系采集用戶的用電量；手持終端板則用來通過無線通信技術接收從電能控制板傳輸來的電能表數據。這兩部分都包含有核心部件87C51單片機由它實現電能控制板和手持終端板的數據后續(xù)處理。而連接這兩個板塊的則是射頻收發(fā)模塊，主要由無線收發(fā)芯片構成。一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如、、I/O、定時/計數器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯片，設計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、轉換器等，要設計合適的接口電路。射頻收發(fā)模塊主要考慮信號發(fā)送和接收頻率對晶體的要求，數據收發(fā)對天線的要求以及PCB布局等等。下面分別對各部分硬件構成做詳細的介紹。3.1無基于對各種無線傳輸技術的分析論證本設計中決定采用無線射頻模塊來實現數據收發(fā)(原理圖如圖3.1所示)。其核心為nRF401線收發(fā)芯片，該芯片是北歐集成電路公司(NORDIC)的產品，是一個為433MHz段設計的真正單片UHF無線收發(fā)芯片，滿足歐洲電信工業(yè)標準(ETSI)EN300200-1V1.2.1，它采用FSK調制解調技術，最高工作速率可以達到20K，發(fā)射功率可以調整，最大發(fā)射功率是+10dBm。nRF401的天線接口設計為差分天線，以便于使用低成本PCB天線。它要求非常少的外圍元件(約10個)，無需聲表濾波器、變容管等昂貴的元件，只需要便宜且易于獲得的晶體，收發(fā)天線合一。無需進行初始化和配置，不需要對數據進行編碼，有兩個工作頻寬（433.92/434.33HZ工作電壓范圍可以從—5V，還具有待機模式，可以更省電和高效?？煞奖愕厍度朐诟鞣N測量和控制系統(tǒng)中進行無線數據傳輸，在車輛監(jiān)控、無線抄表、無線232數據通信、計算機遙控遙測系統(tǒng)中應用第9頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)其主要特性如下：(1)工作頻率為國際通用的數傳頻段；(2)FSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合；(3)采用PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性極好；(4)靈敏度高，達到（nRF401(5)功耗小，接收狀態(tài)，待機狀態(tài)僅為8A（nRF401(6)最大發(fā)射功率達+10dBm；(7)低工作電壓（可滿足低功耗設備的要求；(8)具有多個頻道，可方便地切換工作頻率；(9)工作速率最高可達20Kbit/s(nRF401)(10)僅外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，基本無需調試；(11)因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離最遠可達1000米(與具體使用環(huán)境及元件參數有關)。圖3.1無線射頻模塊原理圖在內部結構中，LNA是低噪聲放大器。當作在接收方式時，它接第10頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)收來自天線的RF信號，然后通DEM解調后從DOUT端輸往控制器，從而實現無線接收數據。PA功率放大器。當nRF401工作在發(fā)送方式時，來自的準備以無線方式輸出的數據經調制后通過PA成為RF信號

然后在天線上發(fā)射從而實現無線發(fā)送數據。DIN和DOUT可以連接到控制器的位數據輸入，輸出(例如RxD和TxD等)。nRF401頻率源由來自OSC的基頻通過PLL和VCO頻率合成器產生晶體諧振頻率取合成環(huán)形濾波器外接。VCO外接電感可選22nH。3.1.1應用電路及設計應注意問題在實際應用中微控制器采用公司的AT87C51分別用單片機的口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS五個腳即可。接口芯片采用美信公司的RS232換芯片，完成單片機和計算機RS232口的電平轉換及數據發(fā)送、接收、請求、清除功能。在芯片使用時，設定好工作頻率，進入正常工作狀態(tài)后，通過單片機根據需要進行收發(fā)轉換控制，發(fā)送接收數據或進行狀態(tài)轉換。在實際的設計應用中，需要注意以下幾個問題：(1)天線的接入ANT1和ANT2是接收時的輸入，以及發(fā)送時功率放大器的輸出。連接的天線是以差分方式連接到nRF401的。在天線端推薦的負載阻抗是400歐姆。射頻功率放大器輸出是兩個開路輸出三極管，配制成差分配對方式，功率放大器VDD必須通過集電極負載，當采用差分環(huán)形天線時，VDD須通過環(huán)形天線的中心輸入。一個50歐姆的單端天線或測試儀器也可以通過一個差分轉換匹配網絡連接到如圖3.2所示。第11頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)圖3.2采用單端天線時匹配網的設計為了獲得最好的性能，發(fā)送和接收頻率誤差不能超過

-6

(30，這就要求晶體的穩(wěn)定度不能低于±

-6

，頻率的差異將會導致接收靈敏度產生-12dB/倍程的損失。例如，一個±2010-6頻率精度和在溫度范圍內±-6穩(wěn)定度的晶體，最大的頻率誤差將會超過±45

10

-6

。如果發(fā)送端和接收端工作在不同的溫度環(huán)境，在最糟糕的情況下兩方的誤差將會超過9010

-6

，結果導致接收端靈敏度下降大約。ANT1和ANT2是接收的輸入及發(fā)送時的輸出。nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401的。在天線端推薦的負載阻抗是400Q本系統(tǒng)采用PCB環(huán)行天線。PCB環(huán)行天線的幾何結構如圖3.3所示其中天線的物理參數為a1——天線長度(mm)a2一一天線寬度(mm)，b1一一環(huán)行導體寬度(mm)，——環(huán)行導體厚度(mm)．第12頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)圖3.3環(huán)形天線幾何結構環(huán)行天線通過C1C2將諧振頻率調整到433MHz其中電阻R用于控制天線的Q值，天線的環(huán)行導體寬度b1為1mm與天線相關的電容電阻、電感須滿足精度和溫度系數的要求．環(huán)行天線的等效電路如圖3.4所示。根據接收和發(fā)送距離的不同要求，可調整天線幾何尺寸，具體計算方法下面描述。圖3.4環(huán)形天線等效電路在系統(tǒng)中，a1=30mm，a2=50mm，銅層厚度b2=35m，Q=50。天線的工作頻率為f0設計中，發(fā)射電平S為，接收靈敏R=103dBm(0.05012pW)，可以計算出天線RF第13頁共頁

Acf4RL電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)Acf4RL的效率η以及信號理想傳輸距離D。如下：aa2m0.05b0.3520.240.35m環(huán)形天線等效電路各電感值:aaL2[Ln)132.27nHaL24.332環(huán)形天線等效電路電阻值:R31171，，RR0la10p1

0.42008R

2(L)01Q

RL無線傳輸效率為：

RRL

)系統(tǒng)的理想通信距離大約為：D

P

RF

m（2）與單片機公用一個晶振nRF401可以與單片機共用一個晶振，圖表示了這種應用的連接方式。需要注意從單片機引入的晶體走線不能離數據線或者控制線太近。第14頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)圖3.5nRF401與單片機共用一晶振3.1.2通信協(xié)議的設計nRF401在很多時候用在便攜及移動式設備，在這種應用中需要盡可能長時間的工作，考慮到電池的能耗，往往需要考慮節(jié)能和低功耗設計的問題．為了節(jié)能，nRF401平時大多數情況下應處于關閉狀態(tài)，由于無線部分硬件上是不具備自動喚醒功能的，為了達到節(jié)能的目的，必須通過軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能同時不丟失數據。(1)首先每次發(fā)送應該有一個前置碼，通?？刹捎谩?，持續(xù)一個給定的周期(比如1秒)，這個前置碼是節(jié)能的基礎。(2)接收端平時可以開啟接收幾個毫秒果沒有收到規(guī)定的前置…，然后關閉約1秒，通過檢測前置碼而獲得同步。開關的時間比也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時間，從而減少平均工作電流；需要注意的是增加前置碼的長度雖然可以降低功耗，但是會降低系統(tǒng)的響應速度，需要根據系統(tǒng)的要求進行確定[軟件設計第15頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)在設計程序吋，要注意各狀態(tài)轉換的時延。的通訊速率最高為，發(fā)送數據之前需將電路置于發(fā)射模式收模式轉換為發(fā)射模式的轉換時間至少為；可以發(fā)送任意長度的數據；發(fā)射模式轉換為接收模式的轉換時間至少為。在待機模式吋，電路進入待機狀態(tài)，電路不接收和發(fā)射數據。待機模式轉換為發(fā)射模式的轉換時間至少4ms；待機模式轉換為接收模式的轉換時間至少為。3.2手3.2.1手持抄表終端的功能及結構(1)手持抄表終端應具備無線通訊功能，考慮到它不應該占用國家管理的頻譜，以及不對其它設備產生干擾，它應該工作在ISM圍內；其次，發(fā)射功率在滿足通訊要求的條件下應足夠小，有效通訊距離一般在10m圍內；通訊的可靠性應較高，且具有檢錯和糾錯的能力。(2)持抄表終端可以按操作人員指定的目標抄收某特定數據，也可對指定的某棟建筑的所有用戶按順序抄收全部數據手持抄表終端應具有相當容量的數據記錄和存儲能力。記錄的內容包括用戶的基本情況和實際抄收的數據，數據的記錄要絕對可靠。(3)持抄表終端應具有漢字顯示，抄表人員可以檢查用戶的情況，觀察抄收的數據是否正常，抄收是否完成等。(4)手持抄表終端應有與PC機進行通訊的串行接口。我們設計的工作模式是：抄表人員出門前，先從管理部門的PC機中下載他即將去抄收的小區(qū)用戶的有關基本數據，到達小區(qū)后手持抄表終端即自動發(fā)出信號，實現數據的抄收，工作人員無須干預，但可從手持抄表終端的顯示器上觀察抄收的有關情況。抄收結束后，通過串行接口將抄收的數據上傳到PC機中，然后進行相應的處理。整個過程無須抄收人員的介入，保證了數據的正確可靠，杜絕了一些可能出現的漏洞。(5)手持抄表終端應具有很低的功耗和較小的體積，以便攜帶使用。根據上述考慮，我們設計的手持無線抄表終端的結構如圖3.8所示。使用可低電壓工作、低功耗的87C51單片機，它是手持終端版的核心部件。利用裝置接收用戶電能表數據后，通過單片機程序適當處理后，即能由手持終端板讀取出來。其結構圖如下所示手持終端外部擴展有12864的點陣液晶顯示器無線通訊接口實時時鐘、按鍵，下面分別給予介紹。第16頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)PB4-7

顯模按

PB0-2PB3

串口

接/發(fā)模轉語播語音播報

RxTx

換開關

PC圖3.8手持終端版結構圖(1）手持抄表終端應具有較強的漢字顯示能力，為此使用了64的點陣液晶顯示器，它最多可以顯示4行、每行8個漢字。這里使用的是內部帶有T6963A控制器的MLS12864T它與單片機之間通過并行接口連接每個顯示點對應一位二進制數，1表示亮0表示滅要顯示某個圖形或漢字就是將相應的點陣信息寫入到相應的存儲單元中。液晶顯示器需要的負電壓利用單片機的ALE脈沖變換后得到，電路簡單實用。(2)無線通訊接口使用單片收發(fā)芯片nRF401這是一片為433MHzISM頻段設計的單片UHF無線收發(fā)芯片采用FSK調制解調技術最大發(fā)射功率+10dBm可以調整。最大通訊速率可以達到20KB/s。天線接口采用差分天線，因此可以使用低成本的PCB天線。nRF401的工作電壓為2.7V一5V功耗很低而且還可以工作在待機模式以進一步降低功耗，十分適于用在手持設備用電池供電的場合nRF401通過串行接口與單片機連接。無須復雜的編碼，使用非常簡單。但要保證數據通訊有較高的可靠性，除了在P板的設計nRF401的供電等方面加以考慮以外還需要采用合適的通訊協(xié)議。本機的通訊有兩個對象，抄表時通過無線采集數據PC機連接時通過RS2232通訊，但一般的單片機只有一個串行接口通過切換的方式使用nRF401的DI和DO通過三態(tài)門與單片機的TxD、RxD連接，RS2232接口也通過三態(tài)門與單片機的串行口連接，分別用、P3.5切換共享串口另外用單片機的P1.5作為nRF401收發(fā)轉換控制nRF401PWR為電源控制，將其置為低可以使其進入節(jié)電狀態(tài)也可直接將其接為高電平nRF401的頻率選擇CS端根據具體情況接為固定高電平或低電平。第17頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)(3)為使手持抄表終端的體積小、結構簡單，系統(tǒng)中所使用的存儲器全部采用具有串行接口的Flash存儲器，這里使用的是ATMEL司的45DXXX系列。所用的存儲器主要有兩種用途，一是用作數據存儲，即存儲用戶信息和抄表數據。數據在Flash儲器中按文件方式管理，可以在手持抄表終端上進行查詢等，也可以通過串行接口進入PC機的數據處理系統(tǒng)Flash存儲器的第二個用途是存放漢字字庫即字模．因為手持抄表終端需要顯示用戶的姓名、住址等有關信息，所以完善的漢字顯示是不可缺少的，這就需要有漢字字模庫，包括一、二級漢字的點陣字庫所需的存儲容量約為256KB。顯示漢字時通過漢字的區(qū)位碼查找字庫，獲得字模數據從而實現在點陣液晶顯示器上的漢字顯示。一般常常使用具有并行接口EEPROM存儲器，如等。由于MCS—51單片機僅能訪問64KB的數據空間故一般通過某種方式對其分頁管理這就會使軟硬件結構復雜、印刷電路板體積增大、成本上升。串行接口的Flash存儲器作為字庫的使用方法與一般EEPROM基本相同，只不過讀字模數據的操作要復雜一些。為簡單起見，可以在單片機內部的RAM中設置一個緩沖區(qū)，一次將一個漢字字模的32個字節(jié)全部讀入到內部RAM中。顯示程序直接在內RAM中讀取字模數據。手持抄表終端中共使用了2片Flash存儲器芯片AT45D041系列的芯片使用SPI串行口與之間實現數據傳輸，無論其容量多大，均只需要4根信號線，即片選)、SCK(鐘)、SDI(數據輸入)、SDO(數據輸出)，用相同的方法訪問，所以對系統(tǒng)的存儲容量擴展時無須改動軟硬件。同時，由于它使用串行接口，對其中數據誤寫的可能性非常小，保證了數據的可靠需要更大的存儲容量可將存放數據的芯片換為片AT45D041的SCK、SDO共用，在使用中存放漢字庫的芯片不用寫操作，事先將字庫寫入芯片中即可，故該芯片的SDI線不用連接。兩芯片的片選分別用單片機的、P1.1選擇。(4)手持抄表終端在使用時需要有一個準確的日歷時鐘此釆用時鐘芯片。該芯片具有I2C接口，內有完善的年、月、日、時、分、秒等數據，非常適合用在這些場合。(5)手持抄表終端設有功能按鍵，用來進行一般的操作，如“抄表”、“上傳數據”、“查詢”、“前翻頁”、“后翻頁”、“翻頁加速”等，實際使用中如有需要還可以增加按鍵，按鍵通過單片機的數據總線連接。第18頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)3.2.2手持終端板電路圖圖3.9手持終端版電路圖手持終端板以單片機作為控制核心，板上設置合適的按鍵數以及液晶顯示器，可以顯示用戶的電能表讀數。由無線收發(fā)芯片實現與電能控制板的連接。手持終端板硬件電路圖主要包括一片87C51單片機一片無線收發(fā)芯片nRF401，一片12864點陣液晶顯示模塊，一片實時時鐘芯片PCF8563，二片Flash儲芯片AT45D041，一片ICL232芯片和一片74LS245。ICL232是一個僅發(fā)送器/接收器采用的單+5V電源供應器合所有RS232C規(guī)格，該驅動器能兼容具有真正的TTL/CMOS入功能74LS245是我們常用的芯片，用來驅動LED或者其他的設備，它8路同相三態(tài)雙向傳輸數據，手持終端版的硬件電路圖如上圖3.9所示。第19頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)3.2.3抄表流程使用手持終端板對用戶進行電能表數據抄取時，對一個用戶的抄表過程如圖所示一般總是由手持抄表終端對某一用戶發(fā)出抄表命令開始，然后等待用戶返回數據。為防止出現故障時的長時間等待，在系統(tǒng)中安裝了一個軟件定時器，以確定等待是否超時。抄表過程圖示如下：圖3.10抄表流程手持抄表終端在和機通訊時通過轉換開關實現這一部分和PC機上運行的軟件有密切關系，編寫程序時參照有關行業(yè)標準進行。手持抄表終端在抄表時通過無線通訊采集數據，由于無線通訊的特點是需要有較好的協(xié)議才能實現可靠的通訊，在發(fā)送方沒有發(fā)送數據時接收方的信號線上呈現的是雜亂無章的波形，因此，在發(fā)送正式的數據前需要先發(fā)送一個字節(jié)的“無關”數據，目的是讓接收方處于正常工作狀態(tài)；其次，需要讓接收方能夠正確地識別一個數據包的開始以采0XAA作為引導字節(jié)實現綜合上述考慮包的格式如下：0XFF0XAA0X55

命令

地址

地址

長度

數據

數據數據檢查和其中的0XFF即是上述的無關數據。發(fā)送和接收均在中斷服務程序里完成，接收程序完成數據包的識別，當收到一個正確的數據包后交給主程序進行處理。抄收數據程序流程圖如下：發(fā)數包

第20頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)NNY

超嗎N數正嗎Y抄成

Y重數圖3.11抄收數據程序流程圖3.2.4數據記錄主要包括串行Flash存儲訪問和存儲數據的組織。AT45D041內部存儲單元按頁組織，每頁為264個字節(jié)多出的個字節(jié)可以存放一些附加信息AT45D041內部還有兩頁的RAM，并且，在內部RAM向Flash中寫時，外部還可以向另一頁RAM中寫入。用這種方法可以實現向它的連續(xù)寫操作AT45D041的接口可以工作在SPI模式0模式3，并有多種操作模式，這里僅用到了“主存儲器頁讀”、“頁擦除”、“通過R緩沖區(qū)的主存儲器寫”等。我們把這些操作封裝在幾個接口函數里對上層軟件提供服務。為簡單起見，表數據不適用復雜的文件結構，直接按“記錄”組織，每個記錄包括“用戶標識”、“用戶姓名”、“住址”、“電能表型號”、“抄表數據”等，至于在機的數據庫管理系統(tǒng)里，則可以根據具體情況安排[3.3電電能控制板是用戶端裝置，同樣是以87C51片機為核心部件。由單片機接收4路電能單相脈沖，通過比較得出電能表讀數，再由無線收發(fā)采集裝置發(fā)送給手持終端板。其結構如下所示：第21頁共頁單相脈沖電能表

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)圖3.12電能控制板結構圖電能控制板硬件電路圖中包括一片單片機一片無線收發(fā)芯片nRF401和一片實時時鐘芯片PCF8563。PCF8563是PHILIPS司生產的低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯片，芯片最大總線速度為400kbit/s，每次讀寫數據后，其內嵌的字地址寄存器會自動產生增量。PCF8563廣泛應用于移動電話、便攜儀器、傳真機、電池電源等產品中。PCF8563有16個8位寄存器，其中包括：可自動增量的地址寄存器、內置的振蕩器（帶有一個內部集成電容分頻器（用于給實時時RTC提供源時鐘可編程時鐘輸出、定時器、報警器、掉電檢測器和的I2C總線接口電能控制板電路圖如下所示：第22頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)圖3.13電能控制板電路圖第23頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)4軟件設計該系統(tǒng)軟件設計主要包括手持抄表器主機軟件和電度表端從機軟件兩部分在本設計中手持抄表器單片機送字符與接受字符均采用查詢方式發(fā)送前先讀取通信狀態(tài)寄存器，查詢發(fā)送保持寄存器空否；接收前先讀取通信狀態(tài)寄存器，查詢一幀數據接完否。電度表單片機采用中斷方式，即接收到地址后就進行串口中斷申請，中斷響應后進入中斷服務程序。4.1手手持抄表器作為主機是通信的發(fā)起者，其發(fā)送和接收都是主動的。它的具體操作過程為：不斷掃描鍵盤，若發(fā)現有命令鍵按下，則調用發(fā)送子程序發(fā)送接收到的信息進行后續(xù)處理。手持抄表器通信程序包括初始化子程序和串行通信程序，其流程如4.1所示。初始化子程序SP—INIA，主要是選擇定時器的工作模式，并對進行預置數，關閉T1的中斷及開啟定時器工作，對通信波特率及方式的設置等。初始化子程序后，執(zhí)行主程序，如圖示。則通過不斷掃描鍵盤，反饋是否有鍵盤命令輸入，有之則發(fā)送程序準備接收電能表的數據繼而進行后續(xù)處理之則繼續(xù)掃描是否有命令鍵入。程序源代碼如下：SP—INIA:MOVTMOD,#20H;MOVTH1，#0E8H;MOVTL1，#0E8H;CLRET1;SETBTR1;MOVPCON,#80H;MOVSCON,#0D8H;REN=1，TB8=1;SETBEA;SETBES;RET第24頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)開始開始設置定式

初始化子程序掃描鍵盤YN預的初值關中斷啟動定設置串口波特率及工作方式開串口中斷結束圖1初始化子程序流程圖

NN

是命令鍵？運行發(fā)送程序Y發(fā)結？運行結束程序Y接結？后續(xù)處理結束圖4.2主程序流程圖第25頁共頁

電能計量裝置的無線抄表系統(tǒng)4.2電電度表端作為從機，其主要作用是收集用戶電能表的數據。它的主要工作流程為：中斷