智能抄表單片機(jī)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的智能化抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生活越來(lái)越離不開(kāi)電力的支持。在信息化時(shí)代的當(dāng)下，人們的生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)等各個(gè)方面都與電力有著緊密的聯(lián)系。因此，人們的用電量逐漸增多，對(duì)于抄表工作提出了更高的要求，傳統(tǒng)抄表工作無(wú)法適應(yīng)當(dāng)下需要，所以電力企業(yè)要大力發(fā)展智能化抄表系統(tǒng)。

一、抄表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使抄表系統(tǒng)更加智能化，要對(duì)其增添脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、顯示電量及狀態(tài)、具有控制通訊中心等功能。首先，電能采集技術(shù)模塊會(huì)按照脈沖計(jì)數(shù)將電表數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)部的RAM之中。其次，系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)按照所設(shè)定的時(shí)間，按時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸命定發(fā)送至脈沖技術(shù)模塊中，使其對(duì)電表數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并按照提前設(shè)置的約定，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中，然后等上位機(jī)進(jìn)行查詢，同時(shí)記錄反應(yīng)較慢的上位機(jī)號(hào)碼并反饋給上位機(jī)。最后，上位機(jī)有兩種操作方式，一是定時(shí)抄送，二是隨時(shí)抄送。定時(shí)抄送表現(xiàn)為上位機(jī)會(huì)按照系統(tǒng)所設(shè)定的時(shí)間對(duì)各個(gè)脈沖技術(shù)模塊所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；而隨時(shí)抄送是指在特殊狀況下，單獨(dú)復(fù)查某個(gè)用戶的數(shù)據(jù)。值得注意的是，在這兩種模式下，要對(duì)沒(méi)有響應(yīng)的電腦數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，并予以警告。系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2各個(gè)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)是智能化抄表系統(tǒng)的核心點(diǎn)，主要包括備用電源、電能采集模塊、通訊模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊等，每個(gè)模塊的選擇與設(shè)計(jì)都關(guān)乎著整個(gè)抄表系統(tǒng)的運(yùn)行效率及質(zhì)量。

第一，電能數(shù)據(jù)采集的電路設(shè)計(jì)。電能表的測(cè)試模塊有兩種設(shè)計(jì)方案，一是使用分立元件PT、CT、S/H、FIR與乘法器，來(lái)計(jì)算電壓、電流及功率。二是根據(jù)數(shù)字乘法器原理，按其專有大規(guī)模集成的電能計(jì)量芯片來(lái)進(jìn)行電壓與電流的采樣等，通過(guò)脈沖的方式將有功功率輸出，進(jìn)而便于微型處理器進(jìn)行處理，使用起來(lái)也較為方便，性能可靠、具有較高的計(jì)算精準(zhǔn)度。

第二，譯碼電路的設(shè)計(jì)。譯碼電路可以使用74LS138芯片，并通過(guò)P2.5-2.7的I/O線譯碼，按照時(shí)間選用合理的芯片，將其電能信號(hào)輸送至單片機(jī)內(nèi)。此外，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還要使用許多片并行取樣的電路芯片、存儲(chǔ)芯片以及現(xiàn)場(chǎng)總線芯片。這些芯片能夠在單片機(jī)的I/O口進(jìn)行共用，并將其當(dāng)做數(shù)據(jù)或是地址線，而且可以在譯碼器電路的支持下實(shí)現(xiàn)此些芯片的選通，以免數(shù)據(jù)線的地址發(fā)生沖突狀況。

第三，CPU的選擇，CPU作為智能化抄表系統(tǒng)的核心，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)作起到直接影響。所以對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，其能夠與指令系統(tǒng)兼容，能夠大于1000次的反復(fù)擦寫，具有多個(gè)雙向I/O口，時(shí)鐘頻率要保持在0-33MHZ，要有兩個(gè)16位能夠進(jìn)行編程的定時(shí)器或計(jì)數(shù)器，還要擁有雙全工的串行中斷口線、中斷喚醒的省電模式、看門狗電路以及軟件空閑功能。

第四，看門狗與外圍存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。大部分單片機(jī)都要擁有復(fù)位電路，要求復(fù)位電路可以在單片機(jī)通電時(shí)可靠復(fù)位，在斷電時(shí)可以保持程序歸整，確保存儲(chǔ)于內(nèi)部的數(shù)據(jù)不會(huì)被篡改。此外，單片機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)受到多種因素的侵?jǐn)_，甚至出現(xiàn)死機(jī)問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，可以添置看門狗電路。當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，其能夠在短時(shí)間內(nèi)為單片機(jī)提供復(fù)位信號(hào)，進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。另外，為了避免在突然斷電的狀況下，單片機(jī)數(shù)據(jù)丟失，要進(jìn)行外圍存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，安裝未處理監(jiān)控芯片，當(dāng)發(fā)生斷電事故時(shí)，能夠提前告知單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

第五，時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì)。因?yàn)橹悄芑硐到y(tǒng)屬于自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)，不僅要記錄數(shù)據(jù)，還要存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，能夠按照數(shù)據(jù)記錄時(shí)間來(lái)查找問(wèn)題根源。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抄表，同時(shí)記錄抄表時(shí)間，可以使用時(shí)鐘芯片進(jìn)行定時(shí)處理，在設(shè)定好抄表時(shí)間后，智能化抄表系統(tǒng)會(huì)按照芯片所設(shè)定的時(shí)間來(lái)查抄電表數(shù)據(jù)。

第六，顯示模塊與電源電路的設(shè)計(jì)。顯示模塊可以使用PS7219靜態(tài)顯示芯片。因其具備15*8RAM的功能控制寄存器，選址便捷，能夠?qū)γ课粩?shù)字進(jìn)行單獨(dú)控制及刷新，無(wú)需重寫。而且數(shù)字還能夠控制顯示數(shù)字的亮度，每個(gè)數(shù)字都可以閃爍。對(duì)于電路來(lái)說(shuō)，可以分兩個(gè)部分進(jìn)行供電，一是對(duì)電路的數(shù)字芯片進(jìn)行供電，二是對(duì)總線電路進(jìn)行供電，二者電源電壓控制在+5V。為了保證電網(wǎng)在突發(fā)斷電時(shí)，采集器可以繼續(xù)工作，要設(shè)計(jì)備用電源。可以選擇6V、4A的蓄電池，并且備用電源的控制電路要由備用電源切換以及電源充電兩部分構(gòu)成。當(dāng)突發(fā)斷電事故時(shí)，電源可以自動(dòng)切換至備用電源，確保單片機(jī)可以正常運(yùn)作。

二、抄表系統(tǒng)通訊部分的設(shè)計(jì)

2.1通訊的方式

計(jì)算機(jī)的CPU有兩種與外界進(jìn)行信息交換的方式，一是并行通信，二是串行通信。并行通信是指數(shù)據(jù)可以在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行傳遞，具有傳輸速度快、效率好的特點(diǎn)，但是其傳輸線數(shù)量受到傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)的控制，所以設(shè)計(jì)成本較高。另外并行傳遞距離一般不超過(guò)30m。而串行通信是指按照數(shù)據(jù)的順序進(jìn)行傳輸，具備傳輸線數(shù)量較少、成本低、效率低與傳輸速度慢的特點(diǎn)，但其傳輸距離在幾米至幾千公里不等。對(duì)于智能化抄表系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，因?yàn)闇y(cè)控對(duì)象和測(cè)控中心距離不確定，所以會(huì)選用串行通信方式。

按照數(shù)據(jù)流分界來(lái)看，其定時(shí)與同步方式不一致，所以串行通信又能夠分成同步串行與異步串行兩種方式。其中同步串行通信方式是將數(shù)據(jù)塊作為信息單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每一幀信息都含有大量的字符，并且信息傳輸量較大。而異步串行通信方式是指將字符作為信息單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每次信息傳輸量較少，每一幀信息只含有一字符。由此可見(jiàn)，異步串行通信會(huì)被運(yùn)用在數(shù)據(jù)傳輸量較少、傳輸效率較低的場(chǎng)合中。對(duì)于智能化抄表系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要使用異步串行通信方式。在對(duì)其通訊接口進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要按照實(shí)際情況合理選擇接口，同時(shí)還要考慮到傳輸介質(zhì)、通訊控制芯片以及電平轉(zhuǎn)換等多個(gè)問(wèn)題，進(jìn)而確保通訊具有較高的可靠性，同時(shí)通訊的距離、速度及抗干擾能力都能夠與標(biāo)準(zhǔn)相一致。

2.2數(shù)據(jù)的上傳

數(shù)據(jù)上傳就是將采集器所采集的電表數(shù)據(jù)以異步串行的方式傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)設(shè)備之中，主要表現(xiàn)為電平轉(zhuǎn)換作用。首先，對(duì)于RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，其是現(xiàn)階段使用率最高的串行通信總線接口。將RS-232與系統(tǒng)進(jìn)行連接時(shí)，通信方式分為近程與遠(yuǎn)程，其中近程通訊又分成三種方式，一是具備硬件握手功能，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收互通互連，兩個(gè)設(shè)備可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。數(shù)據(jù)的終端就緒與設(shè)備就緒也是互通互連的，能夠有效的檢測(cè)出對(duì)方是都準(zhǔn)備就緒。二是CTS與RTS的握手功能。在向?qū)Ψ桨l(fā)送請(qǐng)求后，會(huì)通過(guò)清除發(fā)送端來(lái)表示對(duì)方的響應(yīng)。并且其發(fā)送線會(huì)與對(duì)方的檢測(cè)線相連接。三是將數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收進(jìn)行交叉連接，共同使用對(duì)接功能，不使用其他信號(hào)，并將其懸空，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)握手功能。在智能化抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的兩端分別是網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、單片機(jī)電平轉(zhuǎn)換的芯片，三線在二者間進(jìn)行連接，將計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳播。

2.3數(shù)據(jù)的傳輸

對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸模塊來(lái)說(shuō)，最適合的總線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為RS485。因?yàn)镽S485是雙半工，能夠在同一時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，可以用在多占互聯(lián)中，能夠有效減少信號(hào)線的浪費(fèi)，方便遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。并且它能夠使用公共電話線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，從其電路結(jié)構(gòu)上看，在平衡連接的兩端安裝了終端電阻，并在平衡電纜中安設(shè)了數(shù)據(jù)發(fā)送器、接收器或是收發(fā)器。另外，它不具備數(shù)據(jù)收發(fā)規(guī)則，當(dāng)傳輸距離小于1200m時(shí)，其傳輸速度可以達(dá)到10KB/s。因此，可以在智能化抄表系統(tǒng)中應(yīng)用RS485串行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸芯片可以選擇MA485芯片，因?yàn)槠洳粌H適用于RS485標(biāo)準(zhǔn)，還適用于RS422標(biāo)準(zhǔn)。具有眾多優(yōu)點(diǎn)，具備+5V電源供電；功耗較低，工作電流為120微安，靜態(tài)電流為300微安；驅(qū)動(dòng)器具備過(guò)載保護(hù)功能；通信傳輸線能夠掛多個(gè)收發(fā)器；適合半雙工通信。

三、抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件總體設(shè)計(jì)的需求

為了滿足智能化抄表系統(tǒng)的要求，使其具備較高的質(zhì)量與效率，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)要達(dá)到以下幾點(diǎn)要求。第一，要容易理解、容易維護(hù)。因?yàn)殡S著生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提升，測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得愈發(fā)復(fù)雜，設(shè)計(jì)者不能夠在短時(shí)間對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行充分的了解，而且軟件只有經(jīng)過(guò)反復(fù)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，才能具備較高的性能。對(duì)于智能化抄表系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其模塊設(shè)計(jì)如果目標(biāo)明確，思路也十分清晰，那么在檢查錯(cuò)誤與調(diào)試時(shí)就會(huì)變得便捷。將每個(gè)子程序當(dāng)作積木一般，按照合理的循序?qū)⑵渑帕衅饋?lái)，一般情況下是不會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)的。當(dāng)有問(wèn)題發(fā)生時(shí)，檢修人員可以按照問(wèn)題的現(xiàn)象及種類進(jìn)行判斷，從而找到故障點(diǎn)并將其解決。而使用模塊化設(shè)計(jì)方式便于擴(kuò)充或修改系統(tǒng)的功能。第二，要具備實(shí)時(shí)性。此特性是智能化抄表系統(tǒng)的基本要求，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，硬件集成度的提升，合理選用軟件就能夠滿足這一需求。第三，具有可測(cè)試性。對(duì)于智能化抄表系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一方面要根據(jù)已有測(cè)試結(jié)果來(lái)測(cè)試軟件，另一方面要在軟件設(shè)計(jì)完成后，先進(jìn)性模擬運(yùn)行，通過(guò)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的仿真分析證明沒(méi)有問(wèn)題后，再將其運(yùn)用在實(shí)際生活中。第四，準(zhǔn)確性與可靠性，只有智能化抄表系統(tǒng)具備較高的準(zhǔn)確性與可靠性，才能夠?qū)⑵渫度胧褂?，以此加?qiáng)用戶的切身利益，促進(jìn)我國(guó)電力事業(yè)更好的發(fā)展。

3.2主程序的設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)調(diào)用對(duì)應(yīng)子程序的方式使電能脈沖進(jìn)行采集行為、分時(shí)段顯示以及通信，它是抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主線。當(dāng)上電復(fù)位后達(dá)到主程序中，除了將初始化程序與上電量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清零外，其他部分處于無(wú)限循環(huán)狀態(tài)，電表的全部功能都要在循環(huán)中進(jìn)行，若是不出現(xiàn)系統(tǒng)掉電或程序因干擾而癱瘓，此執(zhí)行過(guò)程會(huì)一直不斷地循環(huán)。

3.3子程序的設(shè)計(jì)

在抄表系統(tǒng)中，為了避免因操作失誤而使電表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失，應(yīng)在此系統(tǒng)設(shè)置完波特率后添置清零程序，就是在通電之前將清零鍵按住，當(dāng)顯示屏清零并出現(xiàn)閃爍后，將清零鍵松開(kāi)，系統(tǒng)就能夠正常運(yùn)行。清零鍵要按照脈沖計(jì)數(shù)單元清零、脈沖單元清零、運(yùn)算單元清零、能量存儲(chǔ)單元清零的順序排序。對(duì)于接受數(shù)據(jù)和通信程序的設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行上電，初始化程序，再向電腦端做出命令，同時(shí)對(duì)采集成功的數(shù)目進(jìn)行記錄。并且主程序應(yīng)處于待接收狀態(tài)，此時(shí)其與PC機(jī)之間處于通信狀態(tài)，在PC機(jī)進(jìn)行命令發(fā)送時(shí)，主程序會(huì)中斷并得到數(shù)據(jù)采集模塊中收集數(shù)據(jù)，當(dāng)PC機(jī)命令成功后，會(huì)出現(xiàn)接收成功標(biāo)志。對(duì)數(shù)據(jù)采集程序來(lái)說(shuō)，其包含參數(shù)的設(shè)置、抄表數(shù)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、戶號(hào)的設(shè)計(jì)以及電表數(shù)清零等多個(gè)模塊，模塊的使用要按照命令來(lái)執(zhí)行。除此之外，子程序還包含脈沖采集程序、顯示子程序、校驗(yàn)子程序以及數(shù)據(jù)傳送子程序，只有將此些子程序設(shè)計(jì)好，才能夠保證智能化抄表系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

四、抄表系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

4.1單片機(jī)硬件抗干擾設(shè)計(jì)

對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其干擾因素眾多，有些干擾來(lái)自于內(nèi)部，有些來(lái)自于外部。其內(nèi)部干擾是制造工藝等多個(gè)方面決定的，而外部干擾與系統(tǒng)機(jī)構(gòu)無(wú)關(guān)，是外部因素所決定的。電源上的干擾問(wèn)題有欠壓、過(guò)壓以及停電，這需要在系統(tǒng)中加設(shè)后備電池。對(duì)于射頻干擾來(lái)說(shuō)，要縮小帶路電寬。對(duì)于浪涌、下陷以及幅度較大的尖峰脈沖來(lái)說(shuō)，可以使用兩路隔離的電源進(jìn)行供電，或是在電源電路中安裝吸收元件，以此來(lái)提升系統(tǒng)的抗干擾能力。

4.2單片機(jī)軟件抗干擾設(shè)計(jì)

在智能化抄表系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，為了免受其他頻段的侵害，使用傳統(tǒng)的硬件抗干擾措施只能夠阻止一部分的頻段干擾。所以為了保證應(yīng)用程序可以根據(jù)既定順序進(jìn)行有序執(zhí)行，要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中采取相關(guān)措施，提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低軟件錯(cuò)誤發(fā)生率，或者當(dāng)軟件存在錯(cuò)誤后能夠自行恢復(fù)正常狀態(tài)。通過(guò)設(shè)計(jì)指令冗余，能夠使在程序區(qū)內(nèi)的跑飛程序恢復(fù)正常；通過(guò)設(shè)計(jì)軟件陷阱，能夠使不處于程序區(qū)內(nèi)的跑飛程序恢復(fù)正常；通過(guò)Watchdog技術(shù)，能夠?qū)⒁恍┨幱谒姥h(huán)狀態(tài)的失控程序恢復(fù)正常。所以在設(shè)計(jì)智能化抄表系統(tǒng)時(shí)，要包含以上設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

總結(jié)

單片機(jī)的智能化抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：抄表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、通訊部分設(shè)計(jì)、抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及抄表系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)，只有做好此些設(shè)計(jì)，智能化抄表系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定、有效的運(yùn)行，從而促進(jìn)我國(guó)電力事業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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