單片機開發(fā)
智能抄表單片機設計
基于單片機的智能化抄表系統(tǒng)設計分析
伴隨科學技術的不斷發(fā)展，人們的生活越來越離不開電力的支持。在信息化時代的當下，人們的生產(chǎn)、生活、學習等各個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，對于抄表工作提出了更高的要求，傳統(tǒng)抄表工作無法適應當下需要，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)的硬件設計
1.1整體架構設計
為了使抄表系統(tǒng)更加智能化，要對其增添脈沖計數(shù)、數(shù)據(jù)存儲與處理、顯示電量及狀態(tài)、具有控制通訊中心等功能。首先，電能采集技術模塊會按照脈沖計數(shù)將電表數(shù)據(jù)計算出來，并將數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)內(nèi)部的RAM之中。其次，系統(tǒng)內(nèi)核會按照所設定的時間，按時將數(shù)據(jù)傳輸命定發(fā)送至脈沖技術模塊中，使其對電表數(shù)據(jù)進行收集，并按照提前設置的約定，將數(shù)據(jù)存儲在RAM中，然后等上位機進行查詢，同時記錄反應較慢的上位機號碼并反饋給上位機。最后，上位機有兩種操作方式，一是定時抄送，二是隨時抄送。定時抄送表現(xiàn)為上位機會按照系統(tǒng)所設定的時間對各個脈沖技術模塊所采集到的數(shù)據(jù)進行查詢；而隨時抄送是指在特殊狀況下，單獨復查某個用戶的數(shù)據(jù)。值得注意的是，在這兩種模式下，要對沒有響應的電腦數(shù)據(jù)進行備份，并予以警告。系統(tǒng)整體架構設計如圖1所示。
1.2各個模塊設計
系統(tǒng)各個模塊的設計是智能化抄表系統(tǒng)的核心點，主要包括備用電源、電能采集模塊、通訊模塊、時鐘模塊、顯示模塊等，每個模塊的選擇與設計都關乎著整個抄表系統(tǒng)的運行效率及質(zhì)量。
第一，電能數(shù)據(jù)采集的電路設計。電能表的測試模塊有兩種設計方案，一是使用分立元件PT、CT、S/H、FIR與乘法器，來計算電壓、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)模集成的電能計量芯片來進行電壓與電流的采樣等，通過脈沖的方式將有功功率輸出，進而便于微型處理器進行處理，使用起來也較為方便，性能可靠、具有較高的計算精準度。
第二，譯碼電路的設計。譯碼電路可以使用74LS138芯片，并通過P2.5-2.7的I/O線譯碼，按照時間選用合理的芯片，將其電能信號輸送至單片機內(nèi)。此外，在對其進行設計時，還要使用許多片并行取樣的電路芯片、存儲芯片以及現(xiàn)場總線芯片。這些芯片能夠在單片機的I/O口進行共用，并將其當做數(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，會對系統(tǒng)的運作起到直接影響。所以對于CPU來說，其能夠與指令系統(tǒng)兼容，能夠大于1000次的反復擦寫，具有多個雙向I/O口，時鐘頻率要保持在0-33MHZ，要有兩個16位能夠進行編程的定時器或計數(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，看門狗與外圍存儲設計。大部分單片機都要擁有復位電路，要求復位電路可以在單片機通電時可靠復位，在斷電時可以保持程序歸整，確保存儲于內(nèi)部的數(shù)據(jù)不會被篡改。此外，單片機在運行時會受到多種因素的侵擾，甚至出現(xiàn)死機問題，為了解決這一問題，可以添置看門狗電路。當單片機運行出現(xiàn)問題時，其能夠在短時間內(nèi)為單片機提供復位信號，進行系統(tǒng)復位。另外，為了避免在突然斷電的狀況下，單片機數(shù)據(jù)丟失，要進行外圍存儲設計，安裝未處理監(jiān)控芯片，當發(fā)生斷電事故時，能夠提前告知單片機，進行數(shù)據(jù)存儲。
第五，時鐘模塊的設計。因為智能化抄表系統(tǒng)屬于自動化測控系統(tǒng)，不僅要記錄數(shù)據(jù)，還要存儲記錄數(shù)據(jù)的時間，當出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，能夠按照數(shù)據(jù)記錄時間來查找問題根源。為了實現(xiàn)自動化抄表，同時記錄抄表時間，可以使用時鐘芯片進行定時處理，在設定好抄表時間后，智能化抄表系統(tǒng)會按照芯片所設定的時間來查抄電表數(shù)據(jù)。
第六，顯示模塊與電源電路的設計。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)字進行單獨控制及刷新，無需重寫。而且數(shù)字還能夠控制顯示數(shù)字的亮度，每個數(shù)字都可以閃爍。對于電路來說，可以分兩個部分進行供電，一是對電路的數(shù)字芯片進行供電，二是對總線電路進行供電，二者電源電壓控制在+5V。為了保證電網(wǎng)在突發(fā)斷電時，采集器可以繼續(xù)工作，要設計備用電源。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成。當突發(fā)斷電事故時，電源可以自動切換至備用電源，確保單片機可以正常運作。
二、抄表系統(tǒng)通訊部分的設計
2.1通訊的方式
計算機的CPU有兩種與外界進行信息交換的方式，一是并行通信，二是串行通信。并行通信是指數(shù)據(jù)可以在同一時間內(nèi)進行傳遞，具有傳輸速度快、效率好的特點，但是其傳輸線數(shù)量受到傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)的控制，所以設計成本較高。另外并行傳遞距離一般不超過30m。而串行通信是指按照數(shù)據(jù)的順序進行傳輸，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，但其傳輸距離在幾米至幾千公里不等。對于智能化抄表系統(tǒng)來說，因為測控對象和測控中心距離不確定，所以會選用串行通信方式。
按照數(shù)據(jù)流分界來看，其定時與同步方式不一致，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，異步串行通信會被運用在數(shù)據(jù)傳輸量較少、傳輸效率較低的場合中。對于智能化抄表系統(tǒng)來說，要使用異步串行通信方式。在對其通訊接口進行設計時，要按照實際情況合理選擇接口，同時還要考慮到傳輸介質(zhì)、通訊控制芯片以及電平轉(zhuǎn)換等多個問題，進而確保通訊具有較高的可靠性，同時通訊的距離、速度及抗干擾能力都能夠與標準相一致。
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)絡設備之中，主要表現(xiàn)為電平轉(zhuǎn)換作用。首先，對于RS-232總線標準來說，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)進行連接時，通信方式分為近程與遠程，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，兩個設備可以同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。數(shù)據(jù)的終端就緒與設備就緒也是互通互連的，能夠有效的檢測出對方是都準備就緒。二是CTS與RTS的握手功能。在向?qū)Ψ桨l(fā)送請求后，會通過清除發(fā)送端來表示對方的響應。并且其發(fā)送線會與對方的檢測線相連接。三是將數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收進行交叉連接，共同使用對接功能，不使用其他信號，并將其懸空，通過軟件實現(xiàn)握手功能。在智能化抄表系統(tǒng)設計中，系統(tǒng)的兩端分別是網(wǎng)絡接入設備、單片機電平轉(zhuǎn)換的芯片，三線在二者間進行連接，將計算機數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡中，進而實現(xiàn)遠程傳播。
2.3數(shù)據(jù)的傳輸
對于數(shù)據(jù)傳輸模塊來說，最適合的總線設計標準為RS485。因為RS485是雙半工，能夠在同一時間進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，可以用在多占互聯(lián)中，能夠有效減少信號線的浪費，方便遠距離傳輸數(shù)據(jù)。并且它能夠使用公共電話線進行網(wǎng)絡通信，從其電路結(jié)構上看，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，當傳輸距離小于1200m時，其傳輸速度可以達到10KB/s。因此，可以在智能化抄表系統(tǒng)中應用RS485串行標準進行數(shù)據(jù)傳輸。
對于數(shù)據(jù)傳輸芯片可以選擇MA485芯片，因為其不僅適用于RS485標準，還適用于RS422標準。具有眾多優(yōu)點，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)動器具備過載保護功能；通信傳輸線能夠掛多個收發(fā)器；適合半雙工通信。
三、抄表系統(tǒng)的軟件設計
3.1軟件總體設計的需求
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，在設計軟件時要達到以下幾點要求。第一，要容易理解、容易維護。因為隨著生產(chǎn)自動化程度的提升，測控系統(tǒng)結(jié)構變得愈發(fā)復雜，設計者不能夠在短時間對整個系統(tǒng)進行充分的了解，而且軟件只有經(jīng)過反復的設計與調(diào)試，才能具備較高的性能。對于智能化抄表系統(tǒng)來說，其模塊設計如果目標明確，思路也十分清晰，那么在檢查錯誤與調(diào)試時就會變得便捷。將每個子程序當作積木一般，按照合理的循序?qū)⑵渑帕衅饋恚话闱闆r下是不會出現(xiàn)差錯的。當有問題發(fā)生時，檢修人員可以按照問題的現(xiàn)象及種類進行判斷，從而找到故障點并將其解決。而使用模塊化設計方式便于擴充或修改系統(tǒng)的功能。第二，要具備實時性。此特性是智能化抄表系統(tǒng)的基本要求，隨著科學技術的發(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，具有可測試性。對于智能化抄表系統(tǒng)來說，一方面要根據(jù)已有測試結(jié)果來測試軟件，另一方面要在軟件設計完成后，先進性模擬運行，通過靜態(tài)及動態(tài)的仿真分析證明沒有問題后，再將其運用在實際生活中。第四，準確性與可靠性，只有智能化抄表系統(tǒng)具備較高的準確性與可靠性，才能夠?qū)⑵渫度胧褂?，以此加強用戶的切身利益，促進我國電力事業(yè)更好的發(fā)展。
3.2主程序的設計
對于系統(tǒng)主程序設計來說，主要是通過調(diào)用對應子程序的方式使電能脈沖進行采集行為、分時段顯示以及通信，它是抄表系統(tǒng)的設計主線。當上電復位后達到主程序中，除了將初始化程序與上電量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清零外，其他部分處于無限循環(huán)狀態(tài)，電表的全部功能都要在循環(huán)中進行，若是不出現(xiàn)系統(tǒng)掉電或程序因干擾而癱瘓，此執(zhí)行過程會一直不斷地循環(huán)。
3.3子程序的設計
在抄表系統(tǒng)中，為了避免因操作失誤而使電表存儲數(shù)據(jù)丟失，應在此系統(tǒng)設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，當顯示屏清零并出現(xiàn)閃爍后，將清零鍵松開，系統(tǒng)就能夠正常運行。清零鍵要按照脈沖計數(shù)單元清零、脈沖單元清零、運算單元清零、能量存儲單元清零的順序排序。對于接受數(shù)據(jù)和通信程序的設計，首先進行上電，初始化程序，再向電腦端做出命令，同時對采集成功的數(shù)目進行記錄。并且主程序應處于待接收狀態(tài)，此時其與PC機之間處于通信狀態(tài)，在PC機進行命令發(fā)送時，主程序會中斷并得到數(shù)據(jù)采集模塊中收集數(shù)據(jù)，當PC機命令成功后，會出現(xiàn)接收成功標志。對數(shù)據(jù)采集程序來說，其包含參數(shù)的設置、抄表數(shù)、數(shù)據(jù)的存儲、戶號的設計以及電表數(shù)清零等多個模塊，模塊的使用要按照命令來執(zhí)行。除此之外，子程序還包含脈沖采集程序、顯示子程序、校驗子程序以及數(shù)據(jù)傳送子程序，只有將此些子程序設計好，才能夠保證智能化抄表系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
四、抄表系統(tǒng)的抗干擾設計
4.1單片機硬件抗干擾設計
對于單片機來說，其干擾因素眾多，有些干擾來自于內(nèi)部，有些來自于外部。其內(nèi)部干擾是制造工藝等多個方面決定的，而外部干擾與系統(tǒng)機構無關，是外部因素所決定的。電源上的干擾問題有欠壓、過壓以及停電，這需要在系統(tǒng)中加設后備電池。對于射頻干擾來說，要縮小帶路電寬。對于浪涌、下陷以及幅度較大的尖峰脈沖來說，可以使用兩路隔離的電源進行供電，或是在電源電路中安裝吸收元件，以此來提升系統(tǒng)的抗干擾能力。
4.2單片機軟件抗干擾設計
在智能化抄表系統(tǒng)運行過程中，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。所以為了保證應用程序可以根據(jù)既定順序進行有序執(zhí)行，要在系統(tǒng)設計過程中采取相關措施，提升系統(tǒng)運行的可靠性，降低軟件錯誤發(fā)生率，或者當軟件存在錯誤后能夠自行恢復正常狀態(tài)。通過設計指令冗余，能夠使在程序區(qū)內(nèi)的跑飛程序恢復正常；通過設計軟件陷阱，能夠使不處于程序區(qū)內(nèi)的跑飛程序恢復正常；通過Watchdog技術，能夠?qū)⒁恍┨幱谒姥h(huán)狀態(tài)的失控程序恢復正常。所以在設計智能化抄表系統(tǒng)時，要包含以上設計，從而使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。
總結(jié)
單片機的智能化抄表系統(tǒng)設計包括：抄表系統(tǒng)的硬件設計、通訊部分設計、抄表系統(tǒng)的軟件設計以及抄表系統(tǒng)的抗干擾設計，只有做好此些設計，智能化抄表系統(tǒng)才能夠穩(wěn)定、有效的運行，從而促進我國電力事業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
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