摘 要: 本文設(shè)計了一種基于RS485總線的智能抄表系統(tǒng)，并對其實現(xiàn)的核心部分: 數(shù)據(jù)通訊過程的設(shè)計和實現(xiàn)進行了詳細描述。系統(tǒng)主要包括以下幾個部分: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)遠程通訊和計算機抄表管理軟件。其中著重介紹了RS485總線數(shù)據(jù)通訊硬件設(shè)計，計算機與數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)通訊和計算機抄表管理軟件設(shè)計。

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。智能抄表系統(tǒng)一般是集中抄表系統(tǒng)與數(shù)據(jù)遠程通訊的組合。網(wǎng)絡(luò)遠程集中抄表是工業(yè)和民用中新興的一項實用技術(shù)，結(jié)合了計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信和工業(yè)自動化等現(xiàn)代化技術(shù)，并隨著技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)許多不同的實現(xiàn)手段。本文詳細介紹了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

2.1 RS485通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

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，用一對雙絞線即可實現(xiàn)，由于采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出;在接收端，接收器將差分信號變成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100kbit/s時通訊距離可達1200m。

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

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為總線型。網(wǎng)絡(luò)中只能有一個主設(shè)備（Master），從設(shè)備從不進行主動通訊。數(shù)據(jù)集中器作為主設(shè)備，主動開始一個通訊過程，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

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:單片機系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器、與計算機間的通訊接口電路、摘機電路、隔離驅(qū)動電路、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，即可作為上位機與數(shù)據(jù)采集器進行通訊（主動模式），也可作為下位機與管理計算機進行通訊（被動模式）。工作模式如下:

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

2、被動模式:在有上層管理計算機的聯(lián)機控制下，數(shù)據(jù)集中器成為一個通訊中轉(zhuǎn)站，一方面與上層計算機通訊，一方面與RS48網(wǎng)內(nèi)從節(jié)點通訊。通過這種方式，計算機的指令和數(shù)據(jù)可傳達到RS48｝網(wǎng)內(nèi)的任何節(jié)點，網(wǎng)內(nèi)的任何節(jié)點的數(shù)據(jù)也可回送到計算機。

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

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。為了正確采集有效脈沖，防止外界的電磁干擾，外接信號先經(jīng)過濾波和整形等硬件抗干擾電路進入下一級。然后進行軟件抗干擾過程，軟件以極高的速度進行采樣，判斷丟棄干擾脈沖，對符合條件的脈沖輸入計數(shù)并處理。對于溫度、電壓、電流等模擬信號，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)計了兩級數(shù)據(jù)存儲器，并確保數(shù)據(jù)為一個一個寫入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，并對電池進行涓流充電。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，在一定時間內(nèi)確保系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)設(shè)計有串行實時鐘為CPU提供日期和時間，為各個用戶儀表的數(shù)據(jù)處理與故障檢測提供時間參數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)集中器與計算機的遠程通訊設(shè)計

2.4.1 數(shù)據(jù)集中器遠程通訊部分設(shè)計

管理計算機或數(shù)據(jù)集中器與Modem的接口為RS232接口。PC機一般將RS232口做為標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備，單片機設(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)動器和一個電壓發(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)，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5V TTL/CMOS電平。每一個發(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機與MCS51系列單片機通過MAX232接口連接的通訊電路。

圖3 RS232與單片機連接電路圖

2.4.2 數(shù)據(jù)集中器的振鈴檢測電路

數(shù)據(jù)集中器振鈴檢測電路如圖4。該電路在檢測到電話線上有振鈴信號后，產(chǎn)生外部中斷請求，外中斷響應(yīng)后進入中斷服務(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MODEM建立連接，允許中斷后返回。

圖4 振鈴檢測電路

3 系統(tǒng)可靠性設(shè)計介紹

在系統(tǒng)設(shè)計中，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作為一個二級數(shù)據(jù)存儲保護裝置可以使系統(tǒng)更加可靠。采用X6045使線路板簡化設(shè)計，省去了很多的繁瑣電路。當(dāng)然，由于普通AT89系列單片機沒有SPI接口，所以必須用通用I/O口在軟件設(shè)計中模擬其工作時序，進行讀、寫等各種操作。X5045可設(shè)定看門狗超時時間，典型時間200ms、600ms、1.4s或禁止，一旦設(shè)定好該時間，則軟件在該時間內(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，則看門狗電路能及時檢測到并復(fù)位以確保程序正常運行。

系統(tǒng)設(shè)計中，為保證系統(tǒng)免受外界干擾，確保系統(tǒng)的可靠運行。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。器件用光進行信號的傳遞，以使兩個系統(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

通過與硬件的配合，完成計算機軟件的編程，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。主要是人機界面的設(shè)計、通訊模塊的設(shè)計、數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用及管理應(yīng)用的具體實現(xiàn)。遵循從頂向下，逐步細化的軟件設(shè)計思想，對以上功能描述進行分析。整體而言，遠程抄表管理軟件應(yīng)有如下幾個模塊: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:包含整個系統(tǒng)的硬件信息，包括集中器、計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、價格設(shè)置、報警設(shè)置。

數(shù)據(jù)庫模塊:數(shù)據(jù)庫應(yīng)是軟件系統(tǒng)的核心，各種數(shù)據(jù)處理實際是對數(shù)據(jù)庫的操作，原始數(shù)據(jù)的存儲、處理等都在數(shù)據(jù)庫的支持下進行。

本文作者創(chuàng)新點: 本文從實際應(yīng)用出發(fā)對基于RS485總線的智能抄表系統(tǒng)方案進行了詳細論述。系統(tǒng)采用的是一個開放、靈活的設(shè)計方案。低成本、易于實現(xiàn)和使用是設(shè)計過程中的一個原則，并著重介紹了RS485總線數(shù)據(jù)通訊硬件設(shè)計，計算機與數(shù)據(jù)集中器的數(shù)據(jù)通訊和計算機抄表管理軟件設(shè)計，可以達到了良好的使用效果。

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