摘 要: 本文設(shè)計(jì)了一種基于RS485總線的智能抄表系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)的核心部分: 數(shù)據(jù)通訊過程的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)描述。系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分:數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)集中器構(gòu)成的本地抄表通訊網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通訊和計(jì)算機(jī)抄表管理軟件。其中著重介紹了RS485總線數(shù)據(jù)通訊硬件設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)通訊和計(jì)算機(jī)抄表管理軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵字: RS485; 抄表系統(tǒng); 數(shù)據(jù)通訊; 數(shù)據(jù)采集

1 引言

智能抄表系統(tǒng)由主站通過傳輸媒體將多個(gè)用戶儀表的數(shù)據(jù)集中抄讀的系統(tǒng)。它是用現(xiàn)代化的通訊手段去抄讀這些儀表的數(shù)據(jù)，而不用到現(xiàn)場(chǎng)。智能抄表系統(tǒng)一般是集中抄表系統(tǒng)與數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通訊的組合。網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程集中抄表是工業(yè)和民用中新興的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，結(jié)合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信和工業(yè)自動(dòng)化等現(xiàn)代化技術(shù)，并隨著技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)許多不同的實(shí)現(xiàn)手段。本文詳細(xì)介紹了RS485總線在這種智能抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 智能抄表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 RS485通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

RS485總線是工業(yè)應(yīng)用中非常成熟的技術(shù)，是現(xiàn)代通訊技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一，采用RS485總線設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)也是基于這些原因。RS485總線用于多站互連十分方便，用一對(duì)雙絞線即可實(shí)現(xiàn)，由于采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出;在接收端，接收器將差分信號(hào)變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。根據(jù)RS-485標(biāo)準(zhǔn)，傳送數(shù)據(jù)速率達(dá)100kbit/s時(shí)通訊距離可達(dá)1200m。

本文中RS485總線包括數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)集中器兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。在這種主從式的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接中，數(shù)據(jù)集中器是主機(jī)（即所謂的上位機(jī)），數(shù)據(jù)采集器為從機(jī)（即下位機(jī)）。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型。網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)主設(shè)備（Master），從設(shè)備從不進(jìn)行主動(dòng)通訊。數(shù)據(jù)集中器作為主設(shè)備，主動(dòng)開始一個(gè)通訊過程，即發(fā)送指令和數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)采集器作為從設(shè)備監(jiān)聽總線，隨時(shí)準(zhǔn)備響應(yīng)總線指令，回應(yīng)數(shù)據(jù)集中器。

圖1 基于RS485總線網(wǎng)絡(luò)的集中器與采集器結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)集中器通訊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集中器硬件原理框圖見圖2，主要由以下幾部分組成:單片機(jī)系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器、與計(jì)算機(jī)間的通訊接口電路、摘機(jī)電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、與數(shù)據(jù)采集器間的通訊接口電路、LED顯示單元、收發(fā)控制電路。數(shù)據(jù)集中器設(shè)有小鍵盤輸入和LED顯示模塊，在系統(tǒng)中有承上啟下的作用，即可作為上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通訊（主動(dòng)模式），也可作為下位機(jī)與管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊（被動(dòng)模式）。工作模式如下:

1、主動(dòng)模式:在沒有上層管理計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)控制下，數(shù)據(jù)集中器作為主控設(shè)備，可通過小鍵盤設(shè)置下位機(jī)從節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)采集器，下同）地址進(jìn)行主動(dòng)通訊，然后通過LED顯示模塊循環(huán)顯示接收到的該下位機(jī)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的組數(shù)據(jù)。

2、被動(dòng)模式:在有上層管理計(jì)算機(jī)的聯(lián)機(jī)控制下，數(shù)據(jù)集中器成為一個(gè)通訊中轉(zhuǎn)站，一方面與上層計(jì)算機(jī)通訊，一方面與RS48網(wǎng)內(nèi)從節(jié)點(diǎn)通訊。通過這種方式，計(jì)算機(jī)的指令和數(shù)據(jù)可傳達(dá)到RS48｝網(wǎng)內(nèi)的任何節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)內(nèi)的任何節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)也可回送到計(jì)算機(jī)。

圖2 數(shù)據(jù)集中器原理框圖

2.3 數(shù)據(jù)采集器通訊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器是一種通用的多路數(shù)據(jù)采集處理裝置，可以采集脈沖式水農(nóng)、電能表、氣表、熱表等工作脈沖，或者采集溫度、電壓、電流等信號(hào)。為了正確采集有效脈沖，防止外界的電磁干擾，外接信號(hào)先經(jīng)過濾波和整形等硬件抗干擾電路進(jìn)入下一級(jí)。然后進(jìn)行軟件抗干擾過程，軟件以極高的速度進(jìn)行采樣，判斷丟棄干擾脈沖，對(duì)符合條件的脈沖輸入計(jì)數(shù)并處理。對(duì)于溫度、電壓、電流等模擬信號(hào)，先通過A/D電路的轉(zhuǎn)換后再處理。數(shù)據(jù)采集器設(shè)有LED顯示器循環(huán)顯示每一路的數(shù)據(jù)。

為保證數(shù)據(jù)的可靠，采集器設(shè)計(jì)了兩級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并確保數(shù)據(jù)為一個(gè)一個(gè)寫入X5045的串行EEPROM。由于X5045需要一系列的復(fù)雜的SPI總線操作才能正確寫入，因此X5045的EEPROM的數(shù)據(jù)是可靠和可信的。系統(tǒng)配備后備可充電池，正常使用中由交流220V供電，并對(duì)電池進(jìn)行涓流充電。一旦交流供電出現(xiàn)問題，后備電池立刻切換為系統(tǒng)供電，在一定時(shí)間內(nèi)確保系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有串行實(shí)時(shí)鐘為CPU提供日期和時(shí)間，為各個(gè)用戶儀表的數(shù)據(jù)處理與故障檢測(cè)提供時(shí)間參數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)集中器與計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程通訊設(shè)計(jì)

2.4.1 數(shù)據(jù)集中器遠(yuǎn)程通訊部分設(shè)計(jì)

管理計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)集中器與Modem的接口為RS232接口。PC機(jī)一般將RS232口做為標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備，單片機(jī)設(shè)備則一般是通過RS232接口芯片得到RS232電平。MAX232產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。每一個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。MAX232芯片只需采用單一的+5V電源，可提供RS232電平，這在使用中非常方便。圖3為PC機(jī)與MCS51系列單片機(jī)通過MAX232接口連接的通訊電路。

圖3 RS232與單片機(jī)連接電路圖

2.4.2 數(shù)據(jù)集中器的振鈴檢測(cè)電路

數(shù)據(jù)集中器振鈴檢測(cè)電路如圖4。該電路在檢測(cè)到電話線上有振鈴信號(hào)后，產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求，外中斷響應(yīng)后進(jìn)入中斷服務(wù)程序。首先關(guān)閉中斷，然后接通MODEM電源，初始化串行口及MODEM，發(fā)送AT指令，與上位PC機(jī)MODEM建立連接，允許中斷后返回。

圖4 振鈴檢測(cè)電路

3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)介紹

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，無論是數(shù)據(jù)集中器還是數(shù)據(jù)采集器，都采用了Xicor公司的X6045芯片作為看門狗及電源監(jiān)控電路，其EEPROM作為一個(gè)二級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)裝置可以使系統(tǒng)更加可靠。采用X6045使線路板簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，省去了很多的繁瑣電路。當(dāng)然，由于普通AT89系列單片機(jī)沒有SPI接口，所以必須用通用I/O口在軟件設(shè)計(jì)中模擬其工作時(shí)序，進(jìn)行讀、寫等各種操作。X5045可設(shè)定看門狗超時(shí)時(shí)間，典型時(shí)間200ms、600ms、1.4s或禁止，一旦設(shè)定好該時(shí)間，則軟件在該時(shí)間內(nèi)必須喂狗一次，以不引起看門狗復(fù)位。當(dāng)程序跑飛或者死機(jī)，則看門狗電路能及時(shí)檢測(cè)到并復(fù)位以確保程序正常運(yùn)行。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為保證系統(tǒng)免受外界干擾，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。內(nèi)系統(tǒng)與外系統(tǒng)的隔離基本上采用了光電隔離器件。器件用光進(jìn)行信號(hào)的傳遞，以使兩個(gè)系統(tǒng)在電氣上不再有連接，防止了相互之間的影響。

4 智能抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過與硬件的配合，完成計(jì)算機(jī)軟件的編程，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。主要是人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、通訊模塊的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用及管理應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)。遵循從頂向下，逐步細(xì)化的軟件設(shè)計(jì)思想，對(duì)以上功能描述進(jìn)行分析。整體而言，遠(yuǎn)程抄表管理軟件應(yīng)有如下幾個(gè)模塊:硬件信息模塊、抄表控制模塊、查詢打印模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊等幾大模塊。

圖5 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

硬件信息模塊:包含整個(gè)系統(tǒng)的硬件信息，包括集中器、計(jì)量表信心及由此而得到的用戶初始化信息。

抄表控制模塊:完成通訊功能，即指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。通訊包括各種硬件條件下的通訊，如:485直接方式、電話撥號(hào)方式、TCP/IP方式及電力線載波方式。

查詢打印模塊:完成原始數(shù)據(jù)的處理，得到對(duì)管理員和用戶有用的數(shù)據(jù)。包括各種查詢打印方式，如:單元查詢打印、單戶查詢打印、所有用戶查詢打印。

系統(tǒng)設(shè)置模塊:系統(tǒng)中管理員管理接口，主要有通訊設(shè)置、密碼管理、價(jià)格設(shè)置、報(bào)警設(shè)置。

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊:數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)是軟件系統(tǒng)的核心，各種數(shù)據(jù)處理實(shí)際是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理等都在數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下進(jìn)行。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)對(duì)基于RS485總線的智能抄表系統(tǒng)方案進(jìn)行了詳細(xì)論述。系統(tǒng)采用的是一個(gè)開放、靈活的設(shè)計(jì)方案。低成本、易于實(shí)現(xiàn)和使用是設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)原則，并著重介紹了RS485總線數(shù)據(jù)通訊硬件設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)通訊和計(jì)算機(jī)抄表管理軟件設(shè)計(jì)，可以達(dá)到了良好的使用效果。

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