58智能抄表终端的设计

第1页共21页智能抄表终端的设计摘要抄表终端实现的功能是完成抄表、数据的存储以及向PC机上传数据。本方案采用RS485总线和远红外通讯实现抄表系统功能。设计采用的是32位高性能ARM处理器和嵌入式实时操作系统uC/OS-II的结合,实现多任务管理，具有良好的人机交互界面。4个通讯口支持RS485总线远程抄表和红外通讯抄表，USB通讯口和RS232通讯口用于和上位机通讯。本设计具有成本低，数据传输稳定、可靠性高、传送距离较远、速度快、抗干扰能力强等优点。关键词抄表，RS485总线，ARM处理器，红外通讯，UCOS/IIDesignofIntelligentMeterReadingTerminalInstrumentAuthorWangYongTutorXuLijiaAbstract：Themeterreadingterminalinstrumentcarriesoutfunctionofmeterreading,storingdatesanduploadingthedatatouppermonitor.Thedesignusesaprocessorof32bitwhichishigh-poweredtocombineuC/OS-II.Itcanrealizethemanagementofmultitask.FourportsupportfortheremotemeterreadingbytheRS485busandinfraredcommunication.TheRS232andUSBareusedtocommunicatewithuppermonitor.Thedesignisnothavinglowercost,butalsohavingstabledatabasetransmission,reliableperformance,fartrancemissiondistance,farspeed,stronganti-interferencecapabilityandsoon.Keywords:meterreadingbyinfraredcommunication;RS485bus;ARMprocessor;infraredcommunication;uCOS/II;第2页共21页1绪言近几年，随着我国电力事业的不断发展及整个社会正由计划经济向市场经济转轨过程中，电力部门对于电力负荷设备要求也由原来的重控制型而转变到重管理型，由原来采用行政手段而转变为采取经济手段，其中一条措施就是实行峰、谷时段不同价。智能型电能表是一种以按峰谷时段进行计量的计量设备，同时它还能反映出现在负荷、最大负荷出现时间、断相失压等情况。为了能及时有效将这些数据传回电力部门，需要一种终端设备来完成这一工作。(1)一个终端设备必须能接多个电能表，以满足多路进线的要求。(2)由于读一个表需要几秒钟时间，有时甚至需几个命令才能完成。所以为了在电力部门发出查询命令时，及时将表数据上报，必须在这之前将数据组织准备好。(3)除了上报表数据内容这一功能外，该设备还应能对一些表数据进行处理，并在当地设备面板上显示出来，比如：可以显示每一天零点的表读数冻结值，还可以显示功率等等。所以，要求设备具有一定的驱动能力、相当的存储内存、以及相应的显示功能。远程抄表系统不仅能够节约人力资源，更重要的是可提高抄表的准确性，减少因估计或誊写而造成的帐单出错，所以这种技术越来越受到用户欢迎。远程抄表系统一般包括3个部分：上位机、集中器和采集终端。其中采集终端是介于集中器和电能表之间的中间设备，主要具有电量数据采集、处理、存储及转发等功能；根据电能表的不同，电量采集终端以智能通信方式(规约)或脉冲采集方式采集数据，并以一定的算法或程式将采集数据加以周期性和选择性的存储，同时将实时或历史电量数据以集中器要求的格式和内容传递给集中器。由于基于RS485总线的远程抄表系统不仅成本比较低，而且具有数据传输稳定、可靠性高、传送距离较远、速度快、抗干扰能力强等优点。2智能抄表终端硬件的设计及实现2.1抄表终端的总体设计抄表器的硬件设计框图如图1所示。微处理器采用一款基于ARM7内核的控制器。两个UART分别扩展了1个RS485接口与带485的电表通讯，另一个则通过USB转串口模块与上位机通讯。存储器采用AT24C64，通过软件模拟IIC与控制器通讯。抄表器上装备黄/绿背光的128×64图形点阵LCD，能够操作显示抄表信息、通信信息、故障信息、报警信息等内容。抄表器还可进行红外和RS232串口通讯。第3页共21页图1抄表终端的硬件设计框图2.2微控制器模块[1]LPC2104采用的是ARM7TDMI-S处理器，是通用的32位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。。ARM结构是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。LPC2104集成了一个128K字节的FLASH存储器系统。该存储器可用作代码和数据的存储。对FLASH存储器的编程可通过几种方法来实现：通过内置的串行JTAG接口，通过串口进行在系统编程（ISP），也可以在应用程序运行时进行在应用编程（IAP）。这样为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。LPC2104具有16K静态RAM，SRAM可用作代码和/或数据的存储，支持8位访问。SRAM控制器包含一个回写缓冲区，它用于防止CPU在连续的写操作时停止运行。2.2.1电源模块设计本设计中电源需要为系统提供5V，3.3V，1.8V的电压，电源模块采用9V直流电源输入，经过C1、C3滤波，然后通过78M05稳压芯片将电源稳压至5V。再使用LDO芯片（低压差电源芯片）稳压输出3.3V及1.8V电压。LDO芯片采用了LM1117MPX-1.8和LM1117MPX-3.3，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。系统电源如图2所LPC2104（ucOS/II）LCD显示EEPROMRS485接口电能表USB接口按键红外通讯RS232接口上位机第4页共21页示。图2电源模块原理图LM1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在±1%以内，还具有电流限制和热保护功能，广泛用户在手持式仪表、数字家电、工业控制等领域。使用时，其输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。2.2.2MCU复位模块设计图3复位模块原理图由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应能力、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。LPC2104复位电平为低电平，复位电路才用专用复位芯片MAX708SD，这样可以使复位电路更加稳定。如图3所示，复位芯片/MR引脚电平改变控制/RST引脚电平的变化，当S1按下/MR引脚电平有效，则/RST输出为低电平，复位MCU。2.3通讯模块设计2.3.1抄表器与电能表通讯（RS485通讯模块）第5页共21页图4RS485硬件原理图RS485通讯模块电路图如上图4所示。芯片采用MAX485接口芯片。它是Maxim公司的一种RS－485芯片。采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用一个管脚控制这两个引脚即可，在本方案中将这两个引脚都接高电平，使之工作在发送状态；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,RS485采用差分信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。J2与电表接口实现通讯。2.3.2USB通讯模块设计USB转UART模块电路设计如图5所示。CP2102是一款高集成度的USB-UART桥接电路，它们能够用最简单的外部电路，最少的外部器件及最小的电路板面积简便实现USB2.0到UART的转换。与其他USB-UART转接电路的工作原理类似，CP2102通过驱动程序将PC的USB口虚拟成COM口以达到扩展的目的。虚拟COM口（VCP）的器件驱动程序允许一个基于CP2102的器件以PC应用软件的形式作为一个增加的COM口独立于任何现有的硬件。COM口使用运行在PC上的应用软件以访问一个标准硬件COM口的方式访问基于CP2102的器件，PC与CP2102间的数据传输是通过USB完成的，因此，无需修改现有的软件和硬件就可以通过USB向基于CP2102的器件传输数据。第6页共21页图5USB转UART模块原理图2.3.3红外通讯模块设计红外通讯是利用波长为900nm～1000nm的红外波作为信息的载体，发射装置把二进制信号经过高频调试后发射出去，接收装置把接收的红外高频信号进行解调作为原来信息的一种通信传输方式。其中调试方式有脉宽调制PWM和脉时调制PPM两种，本方案采取的是PWM脉时调制方式。图6红外通讯模块原理图红外发射是利用单片机的串行数据发送口TXD控制驱动三极管Q2进行二进制“0”和“1”的传输（数据由串行发送缓冲器SBUF中送出），以及利用单片机P0.10口控制驱第7页共21页动三极管Q1进行高频38.4KHZ调制从而可靠地实现了红外发射管D1在传输数据“0”时进行高频红外发射和数据“1”时被截止发射功能。状态关系见表1。表1状态关系表名称状态TXD01P0.100101IR发射管状态1000由P0.10控制高频调制，D1定时导通和截止产生高频发射信号，即实现发送数据“0”的功能。D1截止不发射，即实现了发送数据“1”的功能。红外接收是利用红外接收是利用红接收管PIC12034收到高频信号输出低电平确定为数据“0”，而没收到高频信号输出高电平确定为数据“1”方式经过解调，把数据通过单片机串行数据接收口RXD进行串行方式接收(接收数据存储在串行口缓冲器SBUF中)。2.3.4PC机通信电路接口设计（RS232）以及ISP模块图7RS232及ISP原理图RS-232-C标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头，但实际上要完成最基本的串行通信功能，只需要数据接收、数据发送和地三根接线即可，只要是注意的是RS-232-C标准所定义的高、低电平信号与单片机系统的TTL电路所定义的高、低电平信号完全不同，TTL的标准逻辑uIn对应2V-3.3V电平，标准逻辑.0”对应OV-0.4V电平；而RS-232-C标准采用负逻辑方式，标准逻辑I”对应一5V--15V电平，标准逻辑HOH对应+5V-+15V电平。显然，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。目前常使用的电平转换电路为第8页共21页MAX3232，它的噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。它与LPC2104的连接电路如图7所示。在线系统编程(ISP)通过boot装载程序和串口对片内Flash存储器进行编程和再编程。通过短路帽S8控制ARM运行方式，当复位后P0.13（ISP_EN）为低电平被认为是启动ISP命令处理器的外部硬件请求。如果没有外部请求（P0.13（ISP_EN）复位后采样为高电平），那么将搜索有效的用户程序。如果找到有效的用户程序，执行的控制就转移给用户程序。于P0.13口在复位后处于高阻模式，所以需要提供上拉电阻使管脚处于一个确定的状态.2.4数据存储模块设计2.4.1IIC接口的EEPROM设计IIC总线是荷兰飞