关键词 电力载波 单片机 中断
目前，我国城乡居民用户抄电表、水表和煤气表的方式基本上都是人工抄表，即由抄表人员每月逐户查抄水表、电表、煤气表。这种落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集数据的时间跨度大、采集数据的准确度低。因此，国家有关部门规定以后将逐步以计算机为基础的自动抄表系统取代传统的人工抄表。自动抄表系统目前主要采用有线通信技术和电力载波通信技术。有线通信技术作为传统方法，以其稳定性占有优势。但有线通信铺线工程浩大，而且容易被人为损坏；同时居民楼建成后，再在墙壁表面拉线，居民难以接受。电力载波通信技术能有效解决上述问题，它利用现有交流电源线作为通信线路，省去了铺线工程，优势明显。但由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制。 (1)配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送； (2)不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同； (3)电力线存在本身固有的脉冲干扰。 另外电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的通信媒介，但由于现代通信技术的发展，使电力线载波通信成为可能，其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。电力线载波通信的关键就是选用一个功能强大的电力线载波专用Modem芯片。 本文介绍的自动抄表系统就是建立在电力载波通信技术基础上的。它采用高性能的Modem芯片，在软硬件设计上采用多种技术防止电力线传输数据的各种干扰，使得整个系统达到相当高的数据采集精度。 1 系统组成及工作原理 本系统利用主控机，Modem，集中器，采集器等功能模块，对居民楼的水电（煤气）表进行集中管理。其中采集器主要对用户的水电（煤气）表进行脉冲计数，集中器则循环查询采集器的计数值并进行累加保存。集中器是整个系统的通信桥梁，它接收主控机监测命令，并把采集器的计数值送到主控机。主控机由PC机构成，负责对整个居民楼每个水电（煤气）表收费进行自动计算和全面监控，管理人员通过主控机就能知道居民楼每个用户的水电（煤气）表用量和交费情况，从而利用本系统对一大片居民楼进行集中管理。 整个系统的组成可分为两个部分,第一部分为同一楼层用户的数据采集，如图1所示，两个用户共用一个采集器，可以同时采集6路数据，包括水表，电表，煤气表，图1只给出了其中4路。
图1 一个单元同一楼层接线示意图
图2为一个住宅小区的水电表抄表系统的总体功能框图，每一个单元设一个集中器，采集器与集中器通过RS-485总线通信，单元与单元之间以及楼与楼之间通过电力载波通信，这种设计不仅满足了远距离数据的传输，而且具有强抗干扰能力。
图2 住宅小区水电表抄表系统总体示意图
2 硬件设计 整个系统的硬件分为采集器、集中器以及电力载波通信3部分。
2.1 采集器 采集器的主要功能是负责对脉冲进行计数，同时与集中器进行通信。如图3所示。其主要器件是AT89C2051，是一种带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（Flash ROM）的低电压、高性能CMOS 8位微控制器，采用ATMEL高密度、非易失存储器制造技术，是一种高效的微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图3 采集器功能框图 图3中数据采集模块主要负责检测传感器送来的脉冲，为了保证数据采集的可靠性，在数据采集模块中采用光电隔离器件。 通信功能模块主要负责采集器与集中器的数据交换，它与集中器的通信是通过RS-485总线实现的，电路如图4所示。
图4 采集器与集中器之间的通信 图4中RS-485接口芯片采用MAX485，这种芯片功耗低，静态电流为300μA，采用一对双绞线实现半双工RS-485网络的连接，数据传输速率最高可达2.5Mbps，总线上可挂接32个采集单元，通信距离可达4000m。
为了加强程序运行的可靠性，防止程序意外跑“飞”，在采集器部分还设置了看门狗电路。采用高性价比的MAX813L芯片，喂狗信号由单片机的
2.2 集中器部分 集中器以8031单片机作为控制中心，主要负责数据的传送与接收。每个集中器可以管理99个采集器，集中器循环查询采集器的计数值并进行累加保存，集中器是整个通信系统的桥梁。一方面它通过串口与PC 机（主控机）通信，另一方面它用P1口通过RS-485与采集器通信。集中器作为上位机（主机）发出命令对采集器（从机）的数据接收并累加存储到RAM中。本系统RAM芯片采用Dalas公司的DS1225Y，该芯片是一种容量为8K×8的SRAM，具有掉电保护功能，可以防止意外而导致数据的丢失。工作时集中器通过P1口进行串行数据的发送与接收，再将数据经过予处理后送到主控机（PC机），并保证做到整个通信过程的准确无误，且最终的结果通过PC机读出。图5为集中器的原理框图。
图5 集中器原理框图 图5中集中器与采集器的通信通过8031的P1口进行，而与PC机的通信通过串口进行。
2.3 调制解调器 本系统采用ST7537 作为电力载波器件。ST7537是专门为大楼管理自动化设计的CMOS异步半双工调制解调器集成电路，广泛用于自动控制系统的各种从属设备。它接收主控系统通过电力线发送的各种控制命令，并可将从属设备的信息通过同一电力线发送回主控系统，即利用现有的电力线组成半双工的低速小型局域网络。其通信协议符合EN50061-1 Cenelec标准。外接单片机通过RS-232接口芯片与高性能PC机接口。ST7537除了具有数据接收和发送功能外，还具有载波侦听和看门狗功能，其目的也是为了保证数据准确可靠地传送。ST7537采用频移键控（FSK）方式，使用的载波频率为132.45kHz，数据传送速率为1200bit/s。如果ST7537使用的晶体频率为11.0592MHz，则当调制器输入为“0”时产生的载波频率为133.05kHz，输入为“1”时产生的载波频率为131.85kHz。这两个频率都在上述标准规定的范围之内。采用移频键控方式的好处一是可以减小电力线上的噪声和其它干扰的影响，提高数据交换的可靠性；二是可以降低局域网络的建造成本，有利于提高市场占有率。ST7537具有接收和发送数据的全部功能，只需外接一只线路变压器及其驱动电路。
3 软件设计 整个系统的软件主要分为采集器部分，集中器部分以及PC机的管理程序，下面主要对采集器的软件作一些介绍。 采集器主要负责各通道脉冲的计数和与集中器通信，将累加的脉冲及时地传送到集中器的非易失性RAM中保存。采集器与集中器的通信采用主从方式，采集器的串行口中断程序负责数据的接收和发送，并对接收和发送的数据进行CRC循环校验，主程序循环采集数据，并对接收到的命令进行分类，转相应的命令处理子程序处理，采集器主程序流程框图如图6所示。
4 系统抗干扰措施 抄表系统对精度的要求是相当高的，尤其是电网负荷波动大的情况下，轻者会造成计数数据不准确，重者会造成整个计数数据丢失。因此，系统的抗干扰能力非常重要，在系统设计过程中，主要采取了以下措施来增强系统的抗干扰能力。
图6 采集器主程序流程框图
1．采用看门狗电路，防止单片机死机； 2．采用软件陷阱，一旦程序落入陷阱区，则通过无条件跳转指令，强制程序返回； 3．采用高性能电力载波芯片及掉电保护的RAM芯片，防止数据传输过程中受到干扰或因意外导致数据丢失； 4．在软件中对脉冲的边沿抖动进行处理，防止因“毛刺”现象引起的误差，对数据及命令都进行CRC校验；在采集器计数及集中器对脉冲进行累加的过程中关中断。 以上这些措施可以大幅度地提高抄表系统的精度和可靠性。
5 结束语 该系统经过相关部门技术鉴定，电表抄表的相对误差在±0.5%之间，水表在±0.05%之间，证明该系统计数准确。另外该系统还具有对各住宅用户进行数据统计，收费管理，设备管理等功能。可以广泛应用于居民住宅小区、学校、工厂等，具有广阔的应用前景。
参 考 文 献 1 白驹珩，雷晓平编著．单片计算机及其应用．成都：电子科技大学出版社，1994 2 王树勋，王朝玉，张新发编著．MCS-51单片微型计算机原理与开发．北京：机械工业出版社，1990 3 徐惠民，安德宁编著．单片微型计算机原理，接口及应用．北京：北京邮电学院出版社，1990 4 MAXIM．Maxim integrated products光盘．1998 5 HULOUX．SGS-THOMSON Microelectronics, ST7537—power line modem application． |
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本文作者： |
徐建斌 杨达亮 |
