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1、山东科技大学学士学位论文摘要随着电子和计算机技术的发展，实现多用户多种能耗仪表的自动抄录己成为可能，同时，住宅小区的智能化、网络化已成为住宅建设的发展方向，应用现代化计算机技术、通讯技术、传感技术的耗能表远传系统也逐渐进入寻常百姓的日常生活。由此设计出水、电、气、暖四表联网系统。该系统主要是应用计算机技术、通讯技术、自动检测技术来完成水、电、气、热表等的自动监控和计费功能。从而实现对整个小区能源消耗的现代化管理，使物业管理走向智能化、自动化。它的工作模式为，采集器采集电表脉冲个数，采集器把采集来的信息存储在集中器里，便于中心微机随时调取各个用户的用量，同时又可以通过计算机对用户用量参数进行设定
2、，实现管理的自动化、智能化，后备电源的设计为系统的稳定性提供了保证，使在停电后能够继续工作72小时。关键词：采集器、集中器、管理微机、后备电源、485总线94AbstractWith the development of electron and computer, automatic meter reading system has a possibility to be put into reality. The residential district intellectualization, the network have become the residence construct
3、 the development direction, using the modernization computer technology, the communication technology, the sensing technology consumes energy the table far biography system also gradually to enter the common peoples daily life. From this designs the water leakage, the electricity, the gas, the warm
4、four table networking system. This system mainly is using the computer technology, the communication technology, the automatic detection technology completes the water, the electricity, the gas, the calorimeter and so on the automatic monitoring and the cost function. Thus realizes to the entire plo
5、t energy consumption modern management, causes the estate management to move towards the intellectualization, the automation. Its working pattern is, the gathering electric instrument pulse integer, gathering the information storage which gathers in the concentrator,is advantageous for the central m
6、icrocomputer to take each user along with the new tunes the amount used, simultaneously may carry on the hypothesis through the computer to the user amount used parameter, the realization management automation, the intellectualization, the reserve power source design has provided the guarantee for t
7、he system stability, causes can continue after the power cut to work for 72 hours.Keywords: gathering, electric,instrument,concentrator,central microcomputer, reserve power, 485bus目录摘要IAbstracII1 绪论11.1 课题的意义与提出11.2 设计的要求11.3 设计中注意解决问题32 系统总体方案设计42.1 系统概述42.2 系统方案设计52.3 系统工作原理93 硬件的设计113.1 CPU的选型：11
8、3.2 采集器设计153.3 集中器的设计303.4 电源及后备电源电路的设计324 软件部分384.1 软件设计的基本原则384.2 集中器的软件设计384.3 采集器的软件设计435 经济技术分析516 总结与展望52致谢54参考文献55附 录56附录一 传送协议56附录二 X5045中英文翻译63附录三 采集器原理图92附录四 集中器原理图93附录五 系统总原理图941 绪论1.1 课题的意义与提出1.1.1 课题的意义随着代化计算机技术、通讯技术、传感技术的不断提高，居民住宅小区的物业管理方式也得到了不断的提高，目前在不少住宅小区，水、电、燃气、暖气等的计量问题已改为由生活小区的物业管
9、理部门来统一管理，并且取得了不错的效果。随着社会的不断进步，在物业管理向规范化、自动化、简介化进程的进程中不断迈进，多表合一远传系统必将越来越受用户的青睐，多用户四表合一远传系统则可以作为其中一个典型的代表。多用户四表联网系统既减小了工作量，而且还保证了工作的快速，安全可靠，便于统一管理，同时也实现了工作的实时性。设计该课题可以把我们平时所学的理论知识应用于实际，巩固了所学的知识，像单片机，通讯的知识，而且也是硬件和软件很好的结合，为以后的工作和学习打下了坚实的基础。1.1.2 课题的提出鉴于以上的实际意义，我们设计四表联网系统，该系统运用单片机作为CPU分站，对多个能耗信息进行采样，采用分布
10、式结构与上位微机构成典型的分布式测控系统。该测控系统可通过上位机直接发命令，进行能耗和参数的抄取和设定，工作人员也可通过便携式键盘和显示板进行现场调试。具有交流电停电，后备电源能工作72小时的特性。1.2 设计的要求1）能耗抄取1采集器采集水、电、暖气、燃气表的脉冲信息，根据这些脉冲信息转换成相应的能耗量，存储在采集器中。2自动定时对电表抄表，将抄得的数据存储在采集器中3自动定时对采集器抄表，将抄得的数据存储在集中器中。4中心管理微机可随时抄取各类信息。2）参数设置1管理微机可对集中器和采集器的参数进行设定。2管理微机可对用户的用电量、用水量、用燃气量、用暖气量的基数进行设置。3管理微机可根据
11、水、电、暖、燃气四表的脉冲常数对采集器进行设定。3）系统保护功能1断电保护功能，交流电停电后，采集器自动切换后备电源并由后备电源维持其工作，且保证每个采集器的正常工作时间不小于72小时。2电池发生故障时在采集器上发出告警灯信号，并在管理微机抄表时将该状态发送给管理微机，以通知管理人员更换电池。4）设计的技术指标（1）通信波特率：1200bps。（2）系统通信总线的长度：不小于2400米。其中管理微机到集中器的距离：不小于1200米；集中器到采集器的距离：不小于1200米。 （3）系统所带的采集器个数：1616=256个。系统所能带的集中器个数：16个。每个集中器所能带的采集器个数为16个。（4
12、）每个采集器所带基表数：一块DF型多用户电能表+112块带有脉冲输出的基表（包括热能表、水表、燃气表）。16块基表/卡7卡=112块基表，注意每个卡上的计量类型的必须一致，即某块卡一旦被设定为水表信息，则该板卡上的16个通道全为水表信息，这里的板卡在硬件上可以互换使用，但必须通过参数设置来设定计量类型。（5）后备电源工作时间：不少于72小时。1.3 设计中注意解决问题本设计中主要注意解决以下几个问题：(1)要考虑系统的通信距离来选择合适的通信标准。(2)要考虑在停电时至少要保证系统计量的正确性（72小时内），即考虑现场的后备电源问题。(3)要考虑现场工作的所有情况，包括现场参数的设置、系统的调
13、试以及以后的维护等。(4)由于系统所涉及四表联网系统，因此对现场的水、电、燃气、暖气基表要有一定的认识，对电脉冲常数、水脉冲常数、气脉冲常数的理解要正确，对这些脉冲的频率有个正确的估计，以免CPU在计量时发生漏计脉冲而增加计量误差。(5)要考虑现场系统的工作可靠性，要采取一定的抗干扰措施，对现场的数据有一定的保护，对传送的数据一定要用相关的算法进行校验。(6)考虑到信号的传递呈递减状态，过远的用户应该设立数据维护信号装置。以及其他信号在也要有一成保护，以防止泄露讯号。(7)如何对用户用电，水等规定一个正常的范围，对于浪费能源的给予提示，以节省有限的能源。城市在特别的时候对于某种能源要求很大，对
14、于这个能建议保证要给主要要害场所不停断的供给，以保证正常工作的稳定。2 系统总体方案设计在四表联网系统中，关键的问题是对用户各种远传基表发出的脉冲进行正确采集和保证数据的可靠通信。所以，首先要确定远传基表能耗计量的方法，并根据传输距离进一步确定系统的通信标准，制定出四表联网系统的总体方案。2.1 系统概述本课题主要是针对目前居民小区的水、电、气和暖等基表能耗计量中存在的问题，以及能耗计量的数据远传和联网等问题而设计的“四表联网系统”。系统主要是运用单片机作为CPU分站，对用户的水、电、气和暖等能耗信息进行脉冲采样，电能耗直接从多用户电子式电能表中抄取。系统可带16个集中器，每个集中器又能带16
15、个采集器，每个采集器又可以带多达112块基表和一个多用户电子式电能表。系统采用分布式结构，与上位管理微机构成典型的分布式测控系统。根据以上系统所带的采集器和集中器个数，可以简单计算一下系统的容量：每个采集器可以采集16个用户的各种能耗信息，每个集中器可带16个采集器，那么每个集中器就可以收集256个用户的各种能耗信息：系统可以带16个集中器，由此系统可以采集4096个用户的各种能耗信息，且每个用户可以拥有多达7块基表。如果以每幢住宅楼40户计，则系统可以管理102幢小区住宅，以目前城市住宅的建设状况和小区实际管理的需要，本系统的容量和可以管理的基表种类足可以满足小区住宅的建设规模和发展要求。该
16、测控系统既可通过上位微机直接发命令，自动进行各种远传基表（指住宅中使用的具有信号和数据远传功能的计量表）的能耗、参数的抄取和设定，工作人员也可通过专用的红外抄表器进行抄取和设定等工作，系统还具有在市电停电时、后备电源能连续工作不少于48小时的特性。且在此基础上作简单的修改，还可构成具有其它计量功能的多用户多表联网远传系统。四表联网系统（简称AMRS，Automatic Meter Reading System）主要由上位微机、管理软件、数据集中器、数据采集器以及各种远传能耗基表等组成，是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户各种能耗信息的智能化多用户远程集中抄表装置。其中，管理软件主要实现整个
17、系统各种设备之间的数据通讯，并对整个系统的运行状况进行监测、管理和记录。四表联网系统实现了住宅能耗计量的高质量和高效率管理。2.2 系统方案设计2.2.1 通信标准的选择本系统还有一个重要的问题就是通信问题。由于通信距离要求不少于2400米，因此，要根据系统的通信距离来选择合适的通信标准。如果通信距离要求太高的话，可以使用电话线加Modem等方式来进行通信。在通信方式中，大多数采用串行通信方式。这里不妨先对常见的串行总线标准作一比较。常用总线标准有RS-232, RS-422和RS-485等川。其中，RS-232是异步串行通信中应用最广的一种标准总线，其单向数据传输最大速率为20Kbps，最大
18、传送距离为15m，显然这种总线标准在通信距离方面是不能满足本系统的技术要求的，且其数据传输速率较慢、易产生串模干扰。RS-422传输距离较远，最短为12m，数据传输最大速率为lOMbps:当速率为1Mbps时，传输距离可达120m;当速率为100Kbps时，传输距离可达1200m; RS-422抗干扰能力强、传输速率快，且为全双工的。我们知道，RS-232与RS-422有一个显著特点，即RS-232接口与RS-422接口通常只用于点对点通信的系统中，若系统中需要相互通信的节点数超过两个时，则它们都不能直接满足要求。为此，EIA制定了新的接口标准RS-485，它能支持一点对多点的通信，RS-48
19、5的电气标准与RS-422完全一样，只是RS-485工作于半双工方式。RS-485标准总线是一种平衡传输方式的串行口接口标准，它允许在电路中有多个发送器，且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器的组合单元。RS-485的共线电路结构是一对平衡传输的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可以挂在平衡传输线上任何位置，在数据传输中实现多个驱动器与接收器共用同一条传输线的多点应用。RS-485通信接口的信号传输是用两根线之间的电压差来表示逻辑“1”或“0”的，因为发送端需两根传送线，而接收端也只需要两根传送线，这样，RS-485接收与发送端仅需两根线就能完
20、成信号的传输。RS-485标准总线的特点是:抗干扰能力强、传输速率高、传送距离远，在采用双绞线，不用Modem的情况下，在1 OOKbps的传输速率时可传送1200米，若速率为9600bps时，可以传送1500米、甚至更远一些。由于RS-485具有上述优点，能够支持一点对多点的通信，便于组网，通信距离也能满足本系统的设计要求;且四表联网远程抄表系统对实时性的要求不高，能耗的抄取也是不常发生的，一般情况下一个月仅需抄表一次。所以本系统选择了半双工的RS-485通信标准。2.2.1 系统总体方案的确定在确定了脉冲采集方案和用RS-485通信标准进行通信后，就可以进行系统的总体设计了。这里，既要充分
21、考虑到RS-485通信标准中对传输距离和波特率的限制，又要兼顾到系统的带载能力。为了增加整个远传系统的可靠性，在各种基表与上位管理微机之间，本文采用了采集器、集中器两级结构形式，系统的总体分布结构图如图2.2所示。上位微机与集中器之间可通过RS-485总线进行数据传输，采集器通过屏蔽双绞线采集用户各种远传能耗基表的脉冲信息，并进行换算和存储;采集器对电量的采集可以直接通过DF型电能表上的RS-485接口接收用户的电量信息，也可以通过采集器上的红外接口，利用专用红外抄表器对采集器进行各种能耗信息的读取等。系统之所以采用这种方案主要基于以下考虑:红外接口RS-485RS-485上位微机（PC机）集
22、中器1集中器2集中器N采集器1采集器2采集器M图2.2 系统总体结构图DF型电表采集卡1采集卡X水表水表水表水表红外抄表器首先，成熟的技术保证了系统的顺利实现。一方面，随着目前远传基表市场的日趋成熟和科学技术的不断完善进步，国内市场已出现许多能够生产符合国家计量标准的远传基表专业厂家。各种远传基表的结构越来越精巧紧凑，产品也日趋丰富，且这些远传基表能够可靠、准确地送出用户各种远传的能耗数据:另一方面，传输网络目前一般采用RS-485或Lon Works技术来构建传输网络平台，其技术本身也是完全成熟的，只要能够正确地组网、进行相应的软件开发并制定出完善的通讯协议就能确保系统网络传输的稳定可靠。这
23、两方面的技术保证了系统能够对分散的各种用户能耗信息进行准确地计量、采集和远传。其次，由于本系统对各种远传基表的脉冲采集采用了软件计脉冲方法，且充分考虑到水、电、气、暖等基表各自脉冲常数的差异和特征，同时对用户的电能耗进行了单独采集。这一方面可以保证采集器在进行水、电、气、暖等能耗信息采集时不会发生电脉冲信息的丢失，另一方面也可以充分利用现有的多用户电能表资源。这对系统的应用推广而言，显然成本要大大降低。再次，系统采用了RS-485通信标准。由于 RS-485接口在一个通道上可进行半双工通信，所以，只需两根线便可实现双向通信，且可以方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信(注:总线上挂接的节点数
24、目因选择的接口驱动芯片而异，目前可以挂接16,32, 64, 128个节点，甚至更多izl。因此可以用组建RS-485网的方式将系统中的采集器、集中器和上位微机等构成有机统一的两级分布式网络系统。一方面，这更便于系统的综合布线和扩充，也便于迅速发现和排除故障，同时，两级分布式网络系统也更有利于用户能耗数据的可靠存储，大大提高系统的带载能力;另一方面，两级分布式测控系统还便于系统的灵活运用和组合，更能满足小区建设规模大中小的变化要求，市场的适应性和灵活性较大，且两级分布式测控系统扩大了系统的应用能力和增加了用户的管理数群，可以明显地降低用户的分摊成本，对系统推广和应用而言更趋于合理。此外，上位微
25、机的应用可以更加有效地对用户各种耗能数据进行储存、处理和分析，可以实现历史数据的查询、数据通讯、帐单票据打印、报表生成以及便于系统维护等等功能;还可以方便地对数据采集器、集中器进行参数设置、运行状况监控等，保证系统的正常运行。当然，借助于调制解调器、市话网或Internet等成熟的应用组网技术，还可以实现水、电、气、暖等四家专业公司以及银行部门与系统的上位微机PC的通讯，远程获取数据。最后，还可以对系统稍做改造和进行相关软件版本的升级，实现本系统向多用户多表合一远传智能系统的过渡，如可以实现多表统抄，对用户的其它表具如电流表、电压表、压力表、流量表等各种参量进行采集，还可以对系统进行改造升级和
26、功能扩充实现对多参量计量表的计量采集(如断线报警、泄漏报警等)。只不过这是本课题以后要研究的内容。2.3 系统工作原理四表联网远程抄表系统主要由上位微机、集中器、采集器和各种远传基表等构成两级分布式网络系统。其原理是利用各种远传基表送出的脉冲信号，该信号经传输线传送至采集器，由采集器进行采集累计等处理，然后通过线缆传输到集中器中、再经集中器将汇总后的多用户各种能耗信息送到PC机，进行联网计量基表能耗数据的自动处理。为了实现用户各种能耗数据的集中抄收，除了对每一个远传能耗基表的脉冲信息进行正确采集及累计外，还需要长时间可靠地加以储存并在需要时将其传输给管理中心计算机。数据采集器便能实现这个功能，
27、它用于接收用户各种远传能耗基表的脉冲信号，同时，在采集器中的数据还能通过其板上设计的RS-485通信接口被采集器和PC机远程抄取，也可以通过其红外接口由便携式红外抄表器进行现场抄取。一个采集器能根据参数的设置对多块远传基表的能耗数据进行计量，可同时记录用户的多个远传基表的能耗数据。采集器由可充电的电池作为后备电源，在市电断电的情况下，由电池单独向采集器和远传基表供电，以保证采集器继续对水表、暖气表和燃气表等进行正常抄收。采集器采集用户的水、暖、燃气等表的能耗脉冲信息，并将这些脉冲信息转换成相应的能耗量，存储在采集器中，等待集中器或上位微机的远程抄录。集中器介于采集器和上位微机之间，起桥梁和纽带
28、作用，集中器一方面起到保护数据的作用，减轻系统网络的负担，扩大系统的通信距离和带载能力，增加系统的用户容量;另一方面，它自动定时地对采集器进行抄表或根据人(如管理员)的命令要求进行远程抄表，并将抄得的数据储存在集中器中，等待上位微机的抄录。上位微机可以对采集器、集中器的参数进行设置，预置用户各种基表的能耗，同时可以随时通过操作界面根据提示进行用户的各类能耗信息的远程抄取、计费、汇总、统计、报表提交和打印等。该系统的应用实现了大量的住宅能耗信息的集中统一管理，而管理机构只需投入少量人员即可实现远程集中抄表，并自动完成数据的采集、累计、费用计算，实现住宅能耗计量的高质量和高效率管理。3 硬件的设计
29、3.1 CPU的选型：本系统选用单片机芯片为AT89C52,其主要特点如下：有适用于控制应用的指令系统和8位CPU；有布尔处理器，它由可寻址位、位处理指令集和相当于累加器的进位位C组成，布尔处理器可大大提高89C51的逻辑处理能力；有4个8位并行口，口中各位可单独寻址；有一个全双工的串行口；有两个16位的定时器/计数器；全静态工作，3级程序存储器保密；4KB可编程程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除）；3级程序存储器保密，128*8字节内部RAM；32条可编程I/O线，6个中断源；编程串行通道；片内时钟振荡器。AT89S52主要性能如下： AT89S52是一种低功耗、高性能CMO
30、S8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0H
31、z 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash A 。AT89C52引脚图如右图3.1所示：图3.1 89C52引脚图P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0具有内部上拉电阻。 在fla
32、sh编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 图3.1AT89C52引脚图P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T
33、2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。
34、在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二功能P3.0
35、 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG当访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时
36、目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲
37、使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。AT89C52的功能很强，多用户四表合一远传系统采用的是AT89C523.2 采集器设计采集器是微处理器控制的智能设备，是四表系统的主要设备之一。其作用是采集水、电、煤气、暖气四个表计的电脉冲信号，并转换成数字数据信息记录保存。在系统中，它通过RS-485通信电缆与集
38、中器通信。接收集中器发来的各种命令，向集中器传送所记录的用户表计数据及状态，此外采集器还可通过红外通讯接口，在现场与手抄器通信，接受手抄器发出的各种命令，传送采集器所记录的各种数据。3.2.1 远传基表的选择目前远传水表、远传热能表和远传燃气表等基表的信号输出大都是机械磁控式的，是通过加装各种感应探头组建来实现的，本系统采用自保持开关型的，它们的工作原理十分相似，大致的工作原理为：在某一字轮相对应的位置设置感应开关K,它是带自保功能的触点开关，在字轮上面设置不同特性的两个感应部件A和B。使用时，字轮转动，当A转至K的位置时，K被A感应处于“开”的位置。A转走后，K仍保持为“开”的状态，直到B转
39、到K时才被感应“关”闭。B转走后，K仍处于“关”的状态，直到A 的再次转来。依次周而复始，形成严格按基表的能耗量实现“开关开”发出一个方波脉冲信号。在基表的基础上用自保持开关型原理改装的远传基表成功的克服了颤动、磁干扰、耗电、引线多等缺点，仅用两条线就可以实现信号开、信号关、断线和短路四种状态的检测，是目前最为理想的远传传感方式。这样，系统就可以采集这些脉冲信号，并据此来计算用户的相应能耗用量。远传水表、远传热能表和远传燃气表等基表的脉冲常数（脉冲常数指每消耗1单位的能量所产生的脉冲个数），目前市场上基表一般为10、100，即使考虑用户使用最大量，这三个基表的脉冲频率也是十分低的。例如，当水表
40、脉冲常数是100imp/kkg时，最短时间约20秒才产生一个方波脉冲。电子式电能表替代感应式电能表是民用电表行业的趋势，普通的电子式电能表大多数采用专用的电度表芯片。靠专用芯片产生的电能累计脉冲去驱动机电式字轮，它的脉冲频率较高，常用的电表脉冲常数为1600imp/KW，显然电能表比其它三表（即水表、燃气和暖气表）的脉冲频率要高的多。通过上面的介绍，我们知道远传能耗表的改制是通过加装各种感应探头组件来实现的。这种感应探头能够探知能耗基表机械转盘的转动，机械转盘每旋转一圈，该感应探头便输出一个脉冲信号。将该脉冲记录并累计下来，便能准确的反应转动圈数，从而达到将机械转盘数据转化为电信号的目的；将转
41、轴的圈数通过一定得计算，便能转化为相应的能耗数据。系统所用的能耗基表应分别符合GB/T778.1396、GB/T1528394和GB/696886的要求（以上三个标准分别为水、电和燃气表的国家标准），其计量精度由远传计量能耗基表来确定。对能耗计量的本质是对用户各种远传能耗基表送出的脉冲进行计数的问题。这样，就需要进行远传基表脉冲采集方案的设计。方案一:计数器计脉冲法原理说明：脉冲信号通过滤波器（四分频），后计数器开始采集脉冲，计数器为连续工作方式，每采集四个脉冲，就会出现一个上升沿或一个下降沿，再出现四个脉冲又有一个下降沿或上升沿，再通过微分电路进行电平转换，即上升沿转换为高电平，反向后通过触
42、发器，到达数据选择器，单片机通过循环扫描的方式对四十八路数据选择器进行扫描，如果采集到一个低电平，就在相应的存储单元中加1（低电平有效），如果存储单元中的数达到某一基数，则在相应的用户下加一。每进行完一次扫描，触发器必须复位。如果计算机要采集数据，单片机进入中断程序，与计算机通信。方案一的优缺点：优点：（1）对硬件性能要求不高，并能有效运用单片机的接口（2）不要求精确计算，实现容易；（3）适应于多用户，多频率，性能强；（4）软硬件相结合，程序设计相对简单。缺点：即当用户增加时，所用硬件也会比例增加，成本大幅度增加。原理图（图3.2）：计 算 机89C52看门狗存储器显示电路数据选择器看门狗看门
43、狗看门狗看门狗看门狗看门狗脉冲输入脉冲输入图3.2 计数器计脉冲法原理图 方案二:软件计脉冲无集中器法原理说明：设每出现一个下降沿读一次数，所以每隔一段时间对脉冲进行一次采样。采样完后延迟12ms，经去抖程序处理后，如果真正存在输入信号，则在暂存后与存储器中的数据进行对比，如果相同则进入计数子程序计数，计数完毕后，存入存储器中，继续进行一次扫描。如果计算机要采集数据，单片机进入中断程序，与计算机通信。方案二的优点主要有：（1）使用硬件较少；（2）可移植性比较强；（3）体积小，价格便宜。 缺点如下：（1）主要的问题是传输距离有限，无法真正的实现远距离抄表；（2）当用户数量增加时，会占用大量端口；
44、（3）程中需准确的采样时间设定（采应时间对于这一设计方案具有至关重要的意义）。原理流程图（图3.3）：YY上次采集值B.X=0开始X=0上次采集值B.X=0调用计量子程序X到计量值X加1返回图3.3 软件计脉冲法原理图NNN方案三：软件计脉冲带集中器法这种方案原理、优点与方案二相同，但却解决了一个方案二存在的主要问题-传输距离有限，无法真正的实现远距离抄表。这种方案中电脑与采集器之间由集中器进行连接，集中器把采集器中数据提取到其存储器中，等候电脑的查询。由于有集中器连接，增大了传输距离，使其扩大到2.4km，足够实现远程抄表的要求。总体框架图如下所示（图3.4）：计算机集中器采集器采集器图3.
45、4 计脉冲带集中器法总体框架图脉冲采集方案的确定由于水、电、气、暖的计量要求符合国家的计量标准，这就要求我们在选择脉冲计量方案时，尽量选用计量准确的方案，因此我们选择方案二或方案三。通信标准的选择 本系统还有一个重要的问题就是通信问题。由于通信距离要求不少于2400米，因此，要根据系统的通信距离来选择合适的通信标准。如果通信距离要求太高的话，可以使用电话线加Modem等方式来进行通信。 在通信方式中，大多数采用串行通信方式。这里不妨先对常见的串行总线标准作一比较。常用总线标准有RS-232, RS-422和RS-485等川。其中，RS-232是异步串行通信中应用最广的一种标准总线，其单向数据传
46、输最大速率为20Kbps，最大传送距离为15m，显然这种总线标准在通信距离方面是不能满足本系统的技术要求的，且其数据传输速率较慢、易产生串模干扰。RS-422传输距离较远，最短为12m，数据传输最大速率为lOMbps:当速率为1Mbps时，传输距离可达120m;当速率为100Kbps时，传输距离可达1200m; RS-422抗干扰能力强、传输速率快，且为全双工的。 我们知道，RS-232与RS-422有一个显著特点，即RS-232接口与RS-422接口通常只用于点对点通信的系统中，若系统中需要相互通信的节点数超过两个时，则它们都不能直接满足要求。为此，EIA制定了新的接口标准RS-485，它能
47、支持一点对多点的通信，RS-485的电气标准与RS-422完全一样，只是RS-485工作于半双工方式。 RS-485标准总线是一种平衡传输方式的串行口接口标准，它允许在电路中有多个发送器，且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器的组合单元。RS-485的共线电路结构是一对平衡传输的两端都配置终端电阻，其发送器、接收器、组合收发器可以挂在平衡传输线上任何位置，在数据传输中实现多个驱动器与接收器共用同一条传输线的多点应用。RS-485通信接口的信号传输是用两根线之间的电压差来表示逻辑“1”或“0”的，因为发送端需两根传送线，而接收端也只需要两根传送线，这样，RS-485接收与发送端仅需两根线就能完成信号的传输。RS-485标准总线的特点是:抗干扰能力强、传输速率高、传送距离远，在采用双绞线，不用Modem的情况下，在1 OOKbps的传输速率时可传送1200米，若速率为9600bps时，可以传送1500米、甚至更远一些。 由于RS-485具有上述优点，能够支持一点对多点的通信，便于组网，通信距离也能满足本系统的设计要