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单片机开发

智能抄表单片机设计


基于单片机的智能化抄表系统设计分析

伴随科学技术的不断发展,人们的生活越来越离不开电力的支持。在信息化时代的当下,人们的生产、生活、学习等各个方面都与电力有着紧密的联系。因此,人们的用电量逐渐增多,对于抄表工作提出了更高的要求,传统抄表工作无法适应当下需要,所以电力企业要大力发展智能化抄表系统。

一、抄表系统的硬件设计

1.1整体架构设计

为了使抄表系统更加智能化,要对其增添脉冲计数、数据存储与处理、显示电量及状态、具有控制通讯中心等功能。首先,电能采集技术模块会按照脉冲计数将电表数据计算出来,并将数据存储在系统内部的RAM之中。其次,系统内核会按照所设定的时间,按时将数据传输命定发送至脉冲技术模块中,使其对电表数据进行收集,并按照提前设置的约定,将数据存储在RAM中,然后等上位机进行查询,同时记录反应较慢的上位机号码并反馈给上位机。最后,上位机有两种操作方式,一是定时抄送,二是随时抄送。定时抄送表现为上位机会按照系统所设定的时间对各个脉冲技术模块所采集到的数据进行查询;而随时抄送是指在特殊状况下,单独复查某个用户的数据。值得注意的是,在这两种模式下,要对没有响应的电脑数据进行备份,并予以警告。系统整体架构设计如图1所示。

图 1 抄表系统整体架构图

1.2各个模块设计

系统各个模块的设计是智能化抄表系统的核心点,主要包括备用电源、电能采集模块、通讯模块、时钟模块、显示模块等,每个模块的选择与设计都关乎着整个抄表系统的运行效率及质量。

第一,电能数据采集的电路设计。电能表的测试模块有两种设计方案,一是使用分立元件PT、CT、S/H、FIR与乘法器,来计算电压、电流及功率。二是根据数字乘法器原理,按其专有大规模集成的电能计量芯片来进行电压与电流的采样等,通过脉冲的方式将有功功率输出,进而便于微型处理器进行处理,使用起来也较为方便,性能可靠、具有较高的计算精准度。

第二,译码电路的设计。译码电路可以使用74LS138芯片,并通过P2.5-2.7的I/O线译码,按照时间选用合理的芯片,将其电能信号输送至单片机内。此外,在对其进行设计时,还要使用许多片并行取样的电路芯片、存储芯片以及现场总线芯片。这些芯片能够在单片机的I/O口进行共用,并将其当做数据或是地址线,而且可以在译码器电路的支持下实现此些芯片的选通,以免数据线的地址发生冲突状况。

第三,CPU的选择,CPU作为智能化抄表系统的核心,会对系统的运作起到直接影响。所以对于CPU来说,其能够与指令系统兼容,能够大于1000次的反复擦写,具有多个双向I/O口,时钟频率要保持在0-33MHZ,要有两个16位能够进行编程的定时器或计数器,还要拥有双全工的串行中断口线、中断唤醒的省电模式、看门狗电路以及软件空闲功能。

第四,看门狗与外围存储设计。大部分单片机都要拥有复位电路,要求复位电路可以在单片机通电时可靠复位,在断电时可以保持程序归整,确保存储于内部的数据不会被篡改。此外,单片机在运行时会受到多种因素的侵扰,甚至出现死机问题,为了解决这一问题,可以添置看门狗电路。当单片机运行出现问题时,其能够在短时间内为单片机提供复位信号,进行系统复位。另外,为了避免在突然断电的状况下,单片机数据丢失,要进行外围存储设计,安装未处理监控芯片,当发生断电事故时,能够提前告知单片机,进行数据存储。

第五,时钟模块的设计。因为智能化抄表系统属于自动化测控系统,不仅要记录数据,还要存储记录数据的时间,当出现异常数据时,能够按照数据记录时间来查找问题根源。为了实现自动化抄表,同时记录抄表时间,可以使用时钟芯片进行定时处理,在设定好抄表时间后,智能化抄表系统会按照芯片所设定的时间来查抄电表数据。

第六,显示模块与电源电路的设计。显示模块可以使用PS7219静态显示芯片。因其具备15*8RAM的功能控制寄存器,选址便捷,能够对每位数字进行单独控制及刷新,无需重写。而且数字还能够控制显示数字的亮度,每个数字都可以闪烁。对于电路来说,可以分两个部分进行供电,一是对电路的数字芯片进行供电,二是对总线电路进行供电,二者电源电压控制在+5V。为了保证电网在突发断电时,采集器可以继续工作,要设计备用电源。可以选择6V、4A的蓄电池,并且备用电源的控制电路要由备用电源切换以及电源充电两部分构成。当突发断电事故时,电源可以自动切换至备用电源,确保单片机可以正常运作。

二、抄表系统通讯部分的设计

2.1通讯的方式

计算机的CPU有两种与外界进行信息交换的方式,一是并行通信,二是串行通信。并行通信是指数据可以在同一时间内进行传递,具有传输速度快、效率好的特点,但是其传输线数量受到传输数据位数的控制,所以设计成本较高。另外并行传递距离一般不超过30m。而串行通信是指按照数据的顺序进行传输,具备传输线数量较少、成本低、效率低与传输速度慢的特点,但其传输距离在几米至几千公里不等。对于智能化抄表系统来说,因为测控对象和测控中心距离不确定,所以会选用串行通信方式。

按照数据流分界来看,其定时与同步方式不一致,所以串行通信又能够分成同步串行与异步串行两种方式。其中同步串行通信方式是将数据块作为信息单位进行数据传输,每一帧信息都含有大量的字符,并且信息传输量较大。而异步串行通信方式是指将字符作为信息单位进行数据传输,每次信息传输量较少,每一帧信息只含有一字符。由此可见,异步串行通信会被运用在数据传输量较少、传输效率较低的场合中。对于智能化抄表系统来说,要使用异步串行通信方式。在对其通讯接口进行设计时,要按照实际情况合理选择接口,同时还要考虑到传输介质、通讯控制芯片以及电平转换等多个问题,进而确保通讯具有较高的可靠性,同时通讯的距离、速度及抗干扰能力都能够与标准相一致。

2.2数据的上传

数据上传就是将采集器所采集的电表数据以异步串行的方式传输到网络设备之中,主要表现为电平转换作用。首先,对于RS-232总线标准来说,其是现阶段使用率最高的串行通信总线接口。将RS-232与系统进行连接时,通信方式分为近程与远程,其中近程通讯又分成三种方式,一是具备硬件握手功能,数据的发送与接收互通互连,两个设备可以同时进行数据的发送与接收。数据的终端就绪与设备就绪也是互通互连的,能够有效的检测出对方是都准备就绪。二是CTS与RTS的握手功能。在向对方发送请求后,会通过清除发送端来表示对方的响应。并且其发送线会与对方的检测线相连接。三是将数据的发送与接收进行交叉连接,共同使用对接功能,不使用其他信号,并将其悬空,通过软件实现握手功能。在智能化抄表系统设计中,系统的两端分别是网络接入设备、单片机电平转换的芯片,三线在二者间进行连接,将计算机数据传输到网络中,进而实现远程传播。

2.3数据的传输

对于数据传输模块来说,最适合的总线设计标准为RS485。因为RS485是双半工,能够在同一时间进行数据的发送与接收,可以用在多占互联中,能够有效减少信号线的浪费,方便远距离传输数据。并且它能够使用公共电话线进行网络通信,从其电路结构上看,在平衡连接的两端安装了终端电阻,并在平衡电缆中安设了数据发送器、接收器或是收发器。另外,它不具备数据收发规则,当传输距离小于1200m时,其传输速度可以达到10KB/s。因此,可以在智能化抄表系统中应用RS485串行标准进行数据传输。

对于数据传输芯片可以选择MA485芯片,因为其不仅适用于RS485标准,还适用于RS422标准。具有众多优点,具备+5V电源供电;功耗较低,工作电流为120微安,静态电流为300微安;驱动器具备过载保护功能;通信传输线能够挂多个收发器;适合半双工通信。

三、抄表系统的软件设计

3.1软件总体设计的需求

为了满足智能化抄表系统的要求,使其具备较高的质量与效率,在设计软件时要达到以下几点要求。第一,要容易理解、容易维护。因为随着生产自动化程度的提升,测控系统结构变得愈发复杂,设计者不能够在短时间对整个系统进行充分的了解,而且软件只有经过反复的设计与调试,才能具备较高的性能。对于智能化抄表系统来说,其模块设计如果目标明确,思路也十分清晰,那么在检查错误与调试时就会变得便捷。将每个子程序当作积木一般,按照合理的循序将其排列起来,一般情况下是不会出现差错的。当有问题发生时,检修人员可以按照问题的现象及种类进行判断,从而找到故障点并将其解决。而使用模块化设计方式便于扩充或修改系统的功能。第二,要具备实时性。此特性是智能化抄表系统的基本要求,随着科学技术的发展,硬件集成度的提升,合理选用软件就能够满足这一需求。第三,具有可测试性。对于智能化抄表系统来说,一方面要根据已有测试结果来测试软件,另一方面要在软件设计完成后,先进性模拟运行,通过静态及动态的仿真分析证明没有问题后,再将其运用在实际生活中。第四,准确性与可靠性,只有智能化抄表系统具备较高的准确性与可靠性,才能够将其投入使用,以此加强用户的切身利益,促进我国电力事业更好的发展。

3.2主程序的设计

对于系统主程序设计来说,主要是通过调用对应子程序的方式使电能脉冲进行采集行为、分时段显示以及通信,它是抄表系统的设计主线。当上电复位后达到主程序中,除了将初始化程序与上电量数据进行数据清零外,其他部分处于无限循环状态,电表的全部功能都要在循环中进行,若是不出现系统掉电或程序因干扰而瘫痪,此执行过程会一直不断地循环。

3.3子程序的设计

在抄表系统中,为了避免因操作失误而使电表存储数据丢失,应在此系统设置完波特率后添置清零程序,就是在通电之前将清零键按住,当显示屏清零并出现闪烁后,将清零键松开,系统就能够正常运行。清零键要按照脉冲计数单元清零、脉冲单元清零、运算单元清零、能量存储单元清零的顺序排序。对于接受数据和通信程序的设计,首先进行上电,初始化程序,再向电脑端做出命令,同时对采集成功的数目进行记录。并且主程序应处于待接收状态,此时其与PC机之间处于通信状态,在PC机进行命令发送时,主程序会中断并得到数据采集模块中收集数据,当PC机命令成功后,会出现接收成功标志。对数据采集程序来说,其包含参数的设置、抄表数、数据的存储、户号的设计以及电表数清零等多个模块,模块的使用要按照命令来执行。除此之外,子程序还包含脉冲采集程序、显示子程序、校验子程序以及数据传送子程序,只有将此些子程序设计好,才能够保证智能化抄表系统运行稳定。

四、抄表系统的抗干扰设计

4.1单片机硬件抗干扰设计

对于单片机来说,其干扰因素众多,有些干扰来自于内部,有些来自于外部。其内部干扰是制造工艺等多个方面决定的,而外部干扰与系统机构无关,是外部因素所决定的。电源上的干扰问题有欠压、过压以及停电,这需要在系统中加设后备电池。对于射频干扰来说,要缩小带路电宽。对于浪涌、下陷以及幅度较大的尖峰脉冲来说,可以使用两路隔离的电源进行供电,或是在电源电路中安装吸收元件,以此来提升系统的抗干扰能力。

4.2单片机软件抗干扰设计

在智能化抄表系统运行过程中,为了免受其他频段的侵害,使用传统的硬件抗干扰措施只能够阻止一部分的频段干扰。所以为了保证应用程序可以根据既定顺序进行有序执行,要在系统设计过程中采取相关措施,提升系统运行的可靠性,降低软件错误发生率,或者当软件存在错误后能够自行恢复正常状态。通过设计指令冗余,能够使在程序区内的跑飞程序恢复正常;通过设计软件陷阱,能够使不处于程序区内的跑飞程序恢复正常;通过Watchdog技术,能够将一些处于死循环状态的失控程序恢复正常。所以在设计智能化抄表系统时,要包含以上设计,从而使系统能够稳定运行。

总结

单片机的智能化抄表系统设计包括:抄表系统的硬件设计、通讯部分设计、抄表系统的软件设计以及抄表系统的抗干扰设计,只有做好此些设计,智能化抄表系统才能够稳定、有效的运行,从而促进我国电力事业可持续发展。

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