關鍵詞 電力載波 單片機 中斷
目前，我國城鄉居民用戶抄電表、水表和煤氣表的方式基本上都是人工抄表，即由抄表人員每月逐戶查抄水表、電表、煤氣表。這種落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集數據的時間跨度大、采集數據的準確度低。因此，國家有關部門規定以后將逐步以計算機為基礎的自動抄表系統取代傳統的人工抄表。自動抄表系統目前主要采用有線通信技術和電力載波通信技術。有線通信技術作為傳統方法，以其穩定性占有優勢。但有線通信鋪線工程浩大，而且容易被人為損壞；同時居民樓建成后，再在墻壁表面拉線，居民難以接受。電力載波通信技術能有效解決上述問題，它利用現有交流電源線作為通信線路，省去了鋪線工程，優勢明顯。但由于電力線是給用電設備傳送電能的，而不是用來傳送數據的，所以電力線對數據傳輸有許多限制。 (1)配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區域范圍內傳送； (2)不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同； (3)電力線存在本身固有的脈沖干擾。 另外電力線上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線成為一個不理想的通信媒介，但由于現代通信技術的發展，使電力線載波通信成為可能，其中數據信號的信噪比決定傳輸距離的遠近。電力線載波通信的關鍵就是選用一個功能強大的電力線載波專用Modem芯片。 本文介紹的自動抄表系統就是建立在電力載波通信技術基礎上的。它采用高性能的Modem芯片，在軟硬件設計上采用多種技術防止電力線傳輸數據的各種干擾，使得整個系統達到相當高的數據采集精度。 1 系統組成及工作原理 本系統利用主控機，Modem，集中器，采集器等功能模塊，對居民樓的水電（煤氣）表進行集中管理。其中采集器主要對用戶的水電（煤氣）表進行脈沖計數，集中器則循環查詢采集器的計數值并進行累加保存。集中器是整個系統的通信橋梁，它接收主控機監測命令，并把采集器的計數值送到主控機。主控機由PC機構成，負責對整個居民樓每個水電（煤氣）表收費進行自動計算和全面監控，管理人員通過主控機就能知道居民樓每個用戶的水電（煤氣）表用量和交費情況，從而利用本系統對一大片居民樓進行集中管理。 整個系統的組成可分為兩個部分,第一部分為同一樓層用戶的數據采集，如圖1所示，兩個用戶共用一個采集器，可以同時采集6路數據，包括水表，電表，煤氣表，圖1只給出了其中4路。
圖1 一個單元同一樓層接線示意圖
圖2為一個住宅小區的水電表抄表系統的總體功能框圖，每一個單元設一個集中器，采集器與集中器通過RS-485總線通信，單元與單元之間以及樓與樓之間通過電力載波通信，這種設計不僅滿足了遠距離數據的傳輸，而且具有強抗干擾能力。
圖2 住宅小區水電表抄表系統總體示意圖
2 硬件設計 整個系統的硬件分為采集器、集中器以及電力載波通信3部分。
2.1 采集器 采集器的主要功能是負責對脈沖進行計數，同時與集中器進行通信。如圖3所示。其主要器件是AT89C2051，是一種帶2K字節閃速可編程可擦除只讀存儲器（Flash ROM）的低電壓、高性能CMOS 8位微控制器，采用ATMEL高密度、非易失存儲器制造技術，是一種高效的微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。
圖3 采集器功能框圖 圖3中數據采集模塊主要負責檢測傳感器送來的脈沖，為了保證數據采集的可靠性，在數據采集模塊中采用光電隔離器件。 通信功能模塊主要負責采集器與集中器的數據交換，它與集中器的通信是通過RS-485總線實現的，電路如圖4所示。
圖4 采集器與集中器之間的通信 圖4中RS-485接口芯片采用MAX485，這種芯片功耗低，靜態電流為300μA，采用一對雙絞線實現半雙工RS-485網絡的連接，數據傳輸速率最高可達2.5Mbps，總線上可掛接32個采集單元，通信距離可達4000m。
為了加強程序運行的可靠性，防止程序意外跑“飛”，在采集器部分還設置了看門狗電路。采用高性價比的MAX813L芯片，喂狗信號由單片機的
2.2 集中器部分 集中器以8031單片機作為控制中心，主要負責數據的傳送與接收。每個集中器可以管理99個采集器，集中器循環查詢采集器的計數值并進行累加保存，集中器是整個通信系統的橋梁。一方面它通過串口與PC 機（主控機）通信，另一方面它用P1口通過RS-485與采集器通信。集中器作為上位機（主機）發出命令對采集器（從機）的數據接收并累加存儲到RAM中。本系統RAM芯片采用Dalas公司的DS1225Y，該芯片是一種容量為8K×8的SRAM，具有掉電保護功能，可以防止意外而導致數據的丟失。工作時集中器通過P1口進行串行數據的發送與接收，再將數據經過予處理后送到主控機（PC機），并保證做到整個通信過程的準確無誤，且最終的結果通過PC機讀出。圖5為集中器的原理框圖。
圖5 集中器原理框圖 圖5中集中器與采集器的通信通過8031的P1口進行，而與PC機的通信通過串口進行。
2.3 調制解調器 本系統采用ST7537 作為電力載波器件。ST7537是專門為大樓管理自動化設計的CMOS異步半雙工調制解調器集成電路，廣泛用于自動控制系統的各種從屬設備。它接收主控系統通過電力線發送的各種控制命令，并可將從屬設備的信息通過同一電力線發送回主控系統，即利用現有的電力線組成半雙工的低速小型局域網絡。其通信協議符合EN50061-1 Cenelec標準。外接單片機通過RS-232接口芯片與高性能PC機接口。ST7537除了具有數據接收和發送功能外，還具有載波偵聽和看門狗功能，其目的也是為了保證數據準確可靠地傳送。ST7537采用頻移鍵控（FSK）方式，使用的載波頻率為132.45kHz，數據傳送速率為1200bit/s。如果ST7537使用的晶體頻率為11.0592MHz，則當調制器輸入為“0”時產生的載波頻率為133.05kHz，輸入為“1”時產生的載波頻率為131.85kHz。這兩個頻率都在上述標準規定的范圍之內。采用移頻鍵控方式的好處一是可以減小電力線上的噪聲和其它干擾的影響，提高數據交換的可靠性；二是可以降低局域網絡的建造成本，有利于提高市場占有率。ST7537具有接收和發送數據的全部功能，只需外接一只線路變壓器及其驅動電路。
3 軟件設計 整個系統的軟件主要分為采集器部分，集中器部分以及PC機的管理程序，下面主要對采集器的軟件作一些介紹。 采集器主要負責各通道脈沖的計數和與集中器通信，將累加的脈沖及時地傳送到集中器的非易失性RAM中保存。采集器與集中器的通信采用主從方式，采集器的串行口中斷程序負責數據的接收和發送，并對接收和發送的數據進行CRC循環校驗，主程序循環采集數據，并對接收到的命令進行分類，轉相應的命令處理子程序處理，采集器主程序流程框圖如圖6所示。
4 系統抗干擾措施 抄表系統對精度的要求是相當高的，尤其是電網負荷波動大的情況下，輕者會造成計數數據不準確，重者會造成整個計數數據丟失。因此，系統的抗干擾能力非常重要，在系統設計過程中，主要采取了以下措施來增強系統的抗干擾能力。
圖6 采集器主程序流程框圖
1．采用看門狗電路，防止單片機死機； 2．采用軟件陷阱，一旦程序落入陷阱區，則通過無條件跳轉指令，強制程序返回； 3．采用高性能電力載波芯片及掉電保護的RAM芯片，防止數據傳輸過程中受到干擾或因意外導致數據丟失； 4．在軟件中對脈沖的邊沿抖動進行處理，防止因“毛刺”現象引起的誤差，對數據及命令都進行CRC校驗；在采集器計數及集中器對脈沖進行累加的過程中關中斷。 以上這些措施可以大幅度地提高抄表系統的精度和可靠性。
5 結束語 該系統經過相關部門技術鑒定，電表抄表的相對誤差在±0.5%之間，水表在±0.05%之間，證明該系統計數準確。另外該系統還具有對各住宅用戶進行數據統計，收費管理，設備管理等功能。可以廣泛應用于居民住宅小區、學校、工廠等，具有廣闊的應用前景。
參 考 文 獻 1 白駒珩，雷曉平編著．單片計算機及其應用．成都：電子科技大學出版社，1994 2 王樹勛，王朝玉，張新發編著．MCS-51單片微型計算機原理與開發．北京：機械工業出版社，1990 3 徐惠民，安德寧編著．單片微型計算機原理，接口及應用．北京：北京郵電學院出版社，1990 4 MAXIM．Maxim integrated products光盤．1998 5 HULOUX．SGS-THOMSON Microelectronics, ST7537—power line modem application． |
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本文作者： |
徐建斌 楊達亮 |
