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智能電度表設計(一)
1. 緒論 1
1.1 課題的研究意義 1
1.2 智能電度表的發(fā)展情況 2
1.2.1 機電結合的電度表 2
1.2.2 全電子式電度表 3
1.2.3 無(wú)線(xiàn)抄表 5
1.3 本設計電度表的主要特點(diǎn) 5
2. 智能電度表的硬件設計 7
2.1 工作原理 7
2.2 硬件電路設計 8
2.2.1 本設計核心芯片89C2051 9
2.2.2 A/D轉換器TLC549 15
2.2.3 看門(mén)狗監控器的選擇 X25045 15
2.2.4 通訊總線(xiàn)的選擇RS-485總線(xiàn) 19
2.3 本設計電度表的誤差分析 27
2.3.1 機械表芯測量誤差 28
2.3.2 電子檢測誤差 28
3. 軟件設計 30
3.1 軟件設計的思想和方法 30
3.2 軟件流程圖 31
4. 結論 33
致 謝 36
參考文獻： 3
1. 緒論
1.1 課題的研究意義
隨著(zhù)國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展, 電力已經(jīng)成為國家的最重要能源。近年來(lái)，我國電力系統有了很大的發(fā)展，特別是作為基礎自動(dòng)化的變電站綜合自動(dòng)化更是方興未艾，其中電度量對電力部門(mén)來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的參數。就民用電力來(lái)說(shuō), 由于人民物質(zhì)生活的極大豐富, 生活質(zhì)量迅速提高, 對電力的需求也越來(lái)越大。但是, 當前居民用電的管理過(guò)于落后, 居民用電管理收費多年來(lái)一直采用先用電、后抄表、再付費的傳統作業(yè)方式。
在社會(huì )走向信息化 ,網(wǎng)絡(luò )化 ,電力系統大踏步現代化的今天 ,手工抄表更是與無(wú)人值班等高度的自動(dòng)化形成了鮮明對比 ,成為制約供電系統現代化管理的一大障礙。就系統的完整性而言 ,電力系統從發(fā)電 ,配電 ,傳輸一直到區域變電所已基本實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化管理 ,而唯獨用戶(hù)終端沒(méi)有和網(wǎng)絡(luò )連接上 ,造成了系統的不完整 ,直接或間接的影響了系統潛能的發(fā)揮。
居民用電絕大多數實(shí)行“分表制”, 即若干集中居住的家庭(一個(gè)居住單元或若干居住單元的集合) 使用一個(gè)總的電表, 每戶(hù)裝一個(gè)分電表, 電力部門(mén)抄表員抄收總電表的電量, 作為居民交付電費的依據。居委會(huì )或物業(yè)管理部門(mén)還需去抄取各家電表的讀數, 按比例收取電費。
這種用電管理模式, 給居民帶來(lái)諸多不便, 而且增加了管理人員的工作。1998年開(kāi)始在全國范圍內實(shí)行電力城網(wǎng)、農網(wǎng)改造，使得電度表數量迅速增大，抄表的工作量就會(huì )越來(lái)越大，因此在電網(wǎng)改造過(guò)程中實(shí)現自動(dòng)抄表是非常必要的，同時(shí)也是電能管理進(jìn)步的要求。據統計, 僅電力部
門(mén)的抄表隊伍人數就數以萬(wàn)計, 且人為方式弊端多, 工作效率低, 給管理部門(mén)造成了人力、物力、時(shí)間上的極大浪費。
為了適應社會(huì )的需要,保證用戶(hù)安全、合理、方便地用電, 對傳統的電表和用電的管理模式進(jìn)行改造, 使之符合社會(huì )發(fā)展的需要就顯得很有必要。要實(shí)現電表集中自動(dòng)抄表, 其前提是電表需首先實(shí)現智能化, 這樣才能實(shí)現數據出戶(hù), 以達到集中抄表的目的。要實(shí)現自動(dòng)抄表，就要使電度表具有遠傳功能，而常用的電度表多為感應式機械電度表，這種表具有運行可靠、結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但不具有遠傳功能。
正是由于以上背景 ,智能電度表應運而生。所謂智能電度表 ,就是應用計算機技術(shù) ,通訊技術(shù)等 ,形成以智能芯片(如ＣＰＵ)為核心 ,具有電功率計量計時(shí)、記費、與上位機通訊、用電管理等功能的電度表。
1.2 智能電度表的發(fā)展情況
1.2.1 機電結合的電度表
第一類(lèi)機電結合的電度表, 是在原有的機械表的基礎上, 加裝電子式計數裝置和相應的控制、通訊電路, 或加上IC 卡讀寫(xiě)接口以實(shí)現自動(dòng)計量計費和控制; 其基本結構是在原有機械電度表的轉盤(pán)上打孔或涂(貼) 上能吸收光線(xiàn)的材料, 通過(guò)光電轉換, 將機械轉盤(pán)的轉動(dòng)變換成電脈沖信號,再進(jìn)行相應的計數處理。這類(lèi)電度表由于其計量原理沒(méi)有改動(dòng), 其計量精度和特性與機械表完全一樣, 而成本相對較高,其優(yōu)勢在于能充分利用現已安裝使用中的大量的機械電度表, 且其計量原理為大眾所熟悉而容易接受。
另一類(lèi)機電結合的電度表則是采用電子式計量電路在獲得數字式脈沖信號后, 通過(guò)微型電機驅動(dòng)字碼轉輪得到電能計數值, 這種結構是最簡(jiǎn)潔可行的電子式電度表的方案,但遺憾的是其對計量電路的要求較高, 即要求所有的表都按一個(gè)固定的比例將電能值轉換為對應數量的數字脈沖, 才能按正確的速度驅動(dòng)微電機以轉動(dòng)字輪。這個(gè)比例就是所謂的電表常數( mp/kwH) , 由于電路中所用的決定脈沖速度的定時(shí)元件大都是參數離散性較大的阻容元件, 為了保證電度表的計量精度和產(chǎn)品的一致性, 就必須在生產(chǎn)過(guò)程中加強對元件的篩選和對半成品的調校, 也就是說(shuō)要增加相應的人力物力的投入并要延長(cháng)生產(chǎn)周期, 從而使電度表的生產(chǎn)費用和成本有所增加。另外這種結構的電度表在數據收集和用戶(hù)繳費方式上與老式的機械表沒(méi)什么區別, 應屬淘汰產(chǎn)品。
1.2.2 全電子式電度表
全電子式電度表則是當今國內最先進(jìn)的一類(lèi)電度表, 其采用先進(jìn)的單片機技術(shù)和專(zhuān)門(mén)設計的電能測量集成電路, 具有計量精度高、可防止竊電、自身?yè)p耗低和可靠性高等特點(diǎn)。其中的一些型號還具有復式計費功能。由于此類(lèi)電度表的用電量數據已經(jīng)數字化, 可以很方便地與各種數據收集傳送電路配合組成自動(dòng)計量計費的系統, 是現行家用電度表的換代產(chǎn)品, 該類(lèi)產(chǎn)品的大量使用將節省供電部門(mén)大量的抄表計算工作, 并能及時(shí)回收電費(先付費后用電) , 具有巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
關(guān)于抄表方案, 國內近幾年流行以下幾種模式:
1）總線(xiàn)制集中抄表: 電表部分采用智能電表, 各戶(hù)智能電表信號線(xiàn)并接在一根總線(xiàn)上, 總線(xiàn)連接到樓下轉接器, 各樓轉接器與小區的集中器相連, 由集中器集中供電。
2）電力載波抄表: 電力載波集中抄表系統是直接利用現有低壓輸電線(xiàn)路進(jìn)行數據傳輸的集中抄表系統, 省去了鋪線(xiàn)工程, 優(yōu)勢明顯。該系統集微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高新產(chǎn)品, 具有高可靠且安裝簡(jiǎn)單等顯著(zhù)特點(diǎn), 廣泛適用于城市及農村的電表、氣表抄收、計費和監控。但由于電力線(xiàn)是給用電設備傳送電能的, 而不是用來(lái)傳送數據的, 所以電力線(xiàn)對數據傳輸有許多限制: (1) 配電變壓器對力載波信號有阻隔作用, 所以電力載波信號只能在一個(gè)配電變壓器區域范圍內傳送; (2) 不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同; (3) 電力線(xiàn)存在本身固有的脈沖干擾。另外電力線(xiàn)上的高削減、高噪聲、高變形, 使電力線(xiàn)成為一個(gè)不理想的通信媒介, 但由于現代通信技術(shù)的發(fā)展, 使電力線(xiàn)載波通信成為可能, 其中數據信號的信噪比決定傳輸距離的遠近。電力線(xiàn)載波通信的關(guān)鍵就是選用一個(gè)功能強大的電力線(xiàn)載波專(zhuān)用Modem 芯片。
系統組成:
(1) 遠傳表。具有脈沖輸出的水表、電表、氣表、熱表等計量表為遠傳表, 其計量方式與傳統表一樣, 不同的是在原基表上增加了脈沖輸出功能, 每個(gè)脈沖代表一定的計量值。采集器通過(guò)遠傳表脈沖輸出端口采集脈沖。
(2) 采集器。我公司研制的采集器能同時(shí)采集水表、電表、氣表、熱表等輸出的脈沖信息, 并將這些脈沖信息轉換成計量認可的物理量, 存儲在各采集器的存儲器中, 通過(guò)管理微機, 可以查詢(xún)系統中任意一戶(hù)的耗能信息, 并在管理微機的抄表等命令下將用戶(hù)信息上傳。
(3) 轉換器。轉換器的主要任務(wù)為: 完成與采集器的數據通信工作, 向采集器下達電量數據凍結命令, 定時(shí)循環(huán)接收采集器的電量數據或根據系統要求接收某個(gè)電表或某組電表的數據。根據系統要求完成與主站的通訊, 將用戶(hù)用電數據等主站需要的信息傳送到主站數據庫中。下行通道指的是轉換器與采集器之間的通信線(xiàn)路, 主要有總線(xiàn)抄表系統、載波抄表系統和紅外抄表系統等三種方式。通信信道上行通道指的是轉換器與主站之間的通信線(xiàn)路, 可以采用電話(huà)、無(wú)線(xiàn)、專(zhuān)線(xiàn)等通信介質(zhì)。
(4) 系統管理軟件功能。系統管理軟件以通訊為基礎, 以數據庫為核心, 提供數據處理、查詢(xún)、統計、報表、備份等功能; 采用面向對象和模塊化相結合的方法, 靈活支持不同客戶(hù)的要求, 如特殊格式報表, 權限控制等; 持客戶(hù)原有的管理系統, 可與其它管理軟件接口, 提供數據接口和通訊接口, 具有網(wǎng)絡(luò )通訊功能; 可同時(shí)管理多個(gè)小區, 對各小區設置通訊參數; 電表管理, 設置電表的原始參數、地址、及其狀態(tài); 費率管理, 可任意設置多種費率, 設置能源的單價(jià); 用戶(hù)管理, 管理和控制每戶(hù)的用量,管理用戶(hù)的結算式; 實(shí)時(shí)抄表功能, 系統可抄取各能源表的實(shí)時(shí)數據; 費用自動(dòng)計算, 實(shí)現將公共能源損耗平均分攤或按比例分攤到每戶(hù)并根據查表數據和單價(jià), 自動(dòng)計算每產(chǎn)應交費用, 以便向用戶(hù)收費; 打印功能, 打印各用戶(hù)費用清單; 查詢(xún)功能, 可隨時(shí)查詢(xún)任一戶(hù)、任一單元全部住戶(hù)及整個(gè)小區內所有住戶(hù)的耗能信息。
1.2.3 無(wú)線(xiàn)抄表
無(wú)線(xiàn)抄表是利用空間的無(wú)線(xiàn)信道實(shí)現數據傳送的, 這樣的抄表方式毋須置疑是最為簡(jiǎn)單、方便的抄表模式, 甚至在最近建設部某通訊規約的討論稿中也初定了三表無(wú)線(xiàn)抄表使用的無(wú)線(xiàn)電頻點(diǎn), 但無(wú)線(xiàn)數據傳輸存在著(zhù)在建筑物對無(wú)線(xiàn)電信號的反射、吸收等作用下, 信號傳輸不穩定的問(wèn)題, 另外表具安裝位置、空間抗擾等也對其穩定工作有較大影響, 同時(shí)無(wú)
線(xiàn)電表產(chǎn)品自身也存在功耗等問(wèn)題, 因此該模式概念上雖然都很好, 但真正大面積推廣應用還有相當的歷程。
舊的事物消亡, 新的事物產(chǎn)生, 是辯證唯物主義發(fā)展觀(guān)中事物發(fā)展規律必然趨勢, 同樣智能電表的發(fā)展是也是隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步而必然前進(jìn)的, 市場(chǎng)的需求也進(jìn)一步推動(dòng)了該產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步, 因此, 無(wú)論各地的用電管理部門(mén)還是智能電表生產(chǎn)廠(chǎng)家, 都迫切需要有一個(gè)規范化的標準, 以使目前的電表行業(yè)早日步入規范化、標準化的發(fā)展道路。
1.3 本設計電度表的主要特點(diǎn)
本設計電度表是在機械式電度表的基礎上加入了微處理單元電子電路，實(shí)現了自動(dòng)抄表，同機械式電度表相比，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1）電度表的窗口值完全復制
微處理單元能將電度表的窗口值完全復制，即內存單元中的讀數值與該表計數器窗口顯示值無(wú)差。該特點(diǎn)優(yōu)于任何一種以脈沖式電度表。因為脈沖累計式的產(chǎn)品不可避免地丟漏脈沖而產(chǎn)生誤差。
2） 無(wú)需設置初值
任何一類(lèi)脈沖表，開(kāi)始工作時(shí)都不可避免要設置初使值，每當搶修、停電（計算機系統）、核表等都如此，而本產(chǎn)品不需要。因而大大地方便了電度表的安裝與使用。
3） 可靠的計量性能
因不改變原基表測量電路及元件，僅對其機械計數器進(jìn)行光電編碼，復制計數器窗口值，這樣就保證了原基表的測量精度。
4）方便的召喚讀出方式
當上位機下發(fā)讀表指令時(shí)，微處理單元校核指令正確后讀表，通過(guò)RS-485上發(fā)窗口值，這樣即取即讀，節約了通道資源，同時(shí)保證了數據傳輸的可靠性。
5） 功耗少
因采用了召喚讀出方式，且處理單元所用芯片為低功耗CMOS電路，所以未召喚讀表時(shí)，編碼器不加電，耗能極低。
2. 智能電度表的硬件設計
2.1 工作原理
此智能電度表的技術(shù)核心部分是對感應式機械電度表的機械計數器直讀并遠傳，它由以光電器件為核心的偏碼器和以單片機為核心的處理器兩部分組成。
編碼器就是對原有的機械計數器進(jìn)行改造，加裝光電編碼裝置，它由底板和垂直插板構成，計數器的字鼓上開(kāi)有兩個(gè)不同型狀的透光孔，在立板的電路上焊有對稱(chēng)分布放置的發(fā)射及接收微封裝光電耦合對管。這樣
當計數器的字鼓置于兩個(gè)立片之間時(shí)，就能根據發(fā)射接收對管和字鼓上透光孔相對位置的變化編制出不同的二進(jìn)制碼。
處理器以單片機為核心的電路構成。CPU通過(guò)串行接口收到的遠端上位機下發(fā)的讀表命令后，它逐位讀取各位計數器字鼓對應的接收管的電壓（每個(gè)字鼓有五對發(fā)射接收對管），據電壓的不同按照特定的編碼原則，把每個(gè)字鼓上的窗口值轉換成相應的BCD碼。 并通過(guò)RS-485送出讀數值。
由于選用了具有內置程序存貯器和串行通訊口的89C2051單片機，使得外圍電路得到很大的簡(jiǎn)化，體積也相對地減小，可以在不改動(dòng)電度表內部結構的基礎上把微處理單元安裝于電度表內，達到計量不出表。從而提高了計量的準確性和可靠性。另外，還可用程序追蹤判定讀數正誤，更提高了計數器的數值讀數的準確度。 當CPU通過(guò)RS-485收到上位機發(fā)出的讀表命令時(shí)，把命令中的地址碼與從X25045中讀出的本表地址碼比較，當其一致時(shí)開(kāi)始讀表；首先把CPU的P1.7置低電平，選通TLC549，使放大的電流加到電度表計數器中的發(fā)射管；通過(guò)P1.0、P1.1、P1.2和P1.3分時(shí)選通每片CD4051，而通過(guò)P1.4、P1.5和P1.6實(shí)現CD4051的八選一，這樣就可以把30路接收管的電壓分時(shí)加至TLC549的模入端，CPU從TLC549讀入對應的數字量；然后再置P1.7為高電平，停止讀表。把采集到的值經(jīng)過(guò)特定的編碼方式進(jìn)行編碼、查表，可確定電度表計數器的示值。通過(guò)RS-485把本次的讀表示值上傳給上位機，完成本次的讀表操作。
2.2 硬件電路設計
在本設計智能電度表的硬件電路設計部分中，CPU采用了單片機AT89C2051。單片機89C2051是20腳雙列直插且具有2K字節的Flash Memory作為程序存儲器，128字節的內部RAM，P3口是雙功能端口。
4片CD4051組成輸入信號選擇電路，接收來(lái)自30只接收管的電壓信號。
30路信號選通進(jìn)入A/D轉換器TLC549，TLC549是8腳雙列直插的八位串行A/D轉換器，轉換時(shí)間是17us，I/O時(shí)鐘頻率可達1.1MHz。
SN75LBC184是具有瞬變電壓抑制的RS-485收發(fā)器,能防雷電和抗靜電作用,具有熱關(guān)斷保護；總線(xiàn)上可掛64個(gè)收發(fā)器,傳送數據速率在100kbit/S時(shí)通信距離可達1200m。
X25045是可編程看門(mén)狗監控E2PROM，它把可編程看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監控和E2PROM組合在單一封裝之內；外部I/O采用串行操作，512 X 8位串行E2PROM，本機用于存放本表的地址號；看門(mén)狗定時(shí)器有1.4S、60mS、200mS可選。電壓監控在電源電壓低至1V時(shí)，復位信號有效。
硬件結構框圖如圖2.1
圖2.1 微處理單元硬件結構
2.2.1 本設計核心芯片89C2051
ATMEL89 系列單片機是ATMEL 公司的8 位Flash 單片機系列。這個(gè)系列單片機的最大特點(diǎn)就是在片內含有Flash 存儲器，因此，有著(zhù)十分廣泛的用途，特別是在便攜式、省電和特殊信息保存的儀器和系統中顯得尤為適用。
在小型控制系統中，活躍著(zhù)89C2051 單片機這類(lèi)簡(jiǎn)單適用的微處理器。它不僅包括了運算器和控制器，還有小規模的存儲器以及輸入輸出接口�？梢元毩⒌赝瓿蓴祿牟杉�、處理，與儀表或PC 機進(jìn)行串行通訊或接受儀表發(fā)送的數據。
89 系列單片機是以8031 技術(shù)為核心構成的器件。所以，它和8051系列單片機是完全兼容的系列產(chǎn)品。這個(gè)系列對于以8051為核心的系統來(lái)說(shuō)，是十分容易進(jìn)行取代和構造的。因此，用89 系列單片機取代8051 的系統設計是輕而易舉的事。采用 89C2051 芯片作為中央處理芯片，由于該單片機采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，所以節省電能，這對于降低產(chǎn)品的功耗十分有用。
對于一般的OTP 產(chǎn)品，一旦錯誤編程就成了廢品。而89C2051 芯片內部采用了Flash 存儲器：89C2051 芯片是一個(gè)帶有2kB Flash 可編程、可擦除只讀存儲器（EEPROM） 的低壓、高性能8 位CMOS 微型計算機。
因而，在89C2051 芯片的使用過(guò)程中，錯誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品�？梢苑磸瓦M(jìn)行系統試驗。每次試驗可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶(hù)的系統設計達到最優(yōu)。而且隨著(zhù)用戶(hù)的需要和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，還可以不斷地進(jìn)行修改，使系統能夠不斷追隨用戶(hù)的最新要求，與時(shí)俱進(jìn)。在一般情況下，可以重新使用1000 次左右。
它采用了ATMEL 的高密非易失存儲技術(shù)制造，并且和工業(yè)標準MCS-51 指令集和引腳結構兼容。通過(guò)在單塊芯片上組合通用的CPL 和Flash 存儲器，使89C2051 成為一款強勁的微型計算機。它為許多嵌入式控制應用提供了高度靈活和成本低的解決辦法。
1) 89C2051 芯片
89C2051 芯片除提供以下標準功能：2kBFlash存儲器；128 字節RAM；它還具有15 條1 / 0 引線(xiàn)；2 個(gè)16 位定時(shí)器/ 計數器；1 個(gè)5 向量2 級中斷結構；1 個(gè)全雙工串行口；1 個(gè)精密模擬比較器以及片內振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，89C2051 是用可降到0 頻率的靜態(tài)邏輯操作設計的，并支持兩種可選的軟件節電工作方式�？臻e方式停止CPU 工作，但允許RAM、定時(shí)器/ 計數器、串行口和中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM 內容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其他部件的工作直到下一個(gè)硬件復位。
主要性能參數：
·MCS-51產(chǎn)品指令系統完全兼容
·2K字節可重擦寫(xiě)閃速存儲器
·1000次擦寫(xiě)周期
·2.7—6V的工作電壓范圍
·全靜態(tài)操作：0HZ—24MHZ
·兩極加密程序存儲器
·128×8字節內部RAM
·15個(gè)可編程I/O口線(xiàn)
·兩個(gè)16位定時(shí)器/計數器
·6個(gè)中斷源
·可編程串行UART通道
·可直接驅動(dòng)LED的輸出端口
·內置一個(gè)模擬比較器
·低功耗空閑和掉電模式
AT89C2051 的引腳結構如圖2.2
圖2.2 89C2051引腳結構
引腳功能:
·VCC 電源電壓
·GND 地
·P1 口：P1 口是一組8位雙相I/O口，P1.2—P1.7提供內部上拉電阻主要是考慮它們分別是內部精密比較器的同相輸入端（AINO）和反相輸入端（AIN1），如果需要應在外部接上拉電阻。Pl口輸出緩沖器可吸收20M電流并可直接驅動(dòng)LED。當P1口引腳寫(xiě)入“1”時(shí)可作輸入端，當引腳 Pl. 2-Pl. 7用作輸入并被外部拉低時(shí)，它們將因內部的上拉電阻而輸出電流。
·P3口 接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。
·RST: 復位輸入。RST引腳一旦變成兩個(gè)機器周期以上高電平，所有的 I /O口都將復制到“1"(高電平)狀態(tài)，當振蕩器正在工作時(shí)，持續兩個(gè)機器周期以上的高電平便可完成復位，每個(gè)機器周期為12個(gè)振蕩時(shí)鐘周期。
·XTALl:振蕩器反相放大器及內部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。
·XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。
振蕩器特征：
XTAL1, XTAL2為片內振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，如下圖所示�？刹捎檬⒕w或陶瓷振蕩器組成時(shí)鐘振蕩器，如需從外部輸入時(shí)鐘驅動(dòng)AT89C2051，時(shí)鐘信號從XTAL1輸入，XTAL2應懸空。由于輸入到內部電路是經(jīng)過(guò)一個(gè)2分頻觸發(fā)器，所以輸入的外部時(shí)鐘信號無(wú)需特殊要求，但它必須符合電平的最大值和最小值及時(shí)序規范。
2) AT89C2051指令的約束條件：
AT89C2051是經(jīng)濟型低價(jià)位的微控制器，它含有2k字節的Flash閃速程序存儲器，指令系統與MCS-51完全兼容，可使用MCS-51指令系統對其進(jìn)行編程。但是在使用某些有關(guān)指令進(jìn)行編程時(shí)，須注意一些事項和跳轉或分支有關(guān)的指令有一定的空間約束，使目的地址能安全落在A(yíng)T89C2051的2k字節的物理程序存儲器空間內。對于2k字節存儲器的AT89C2051來(lái)說(shuō)，LJMP 7EOH是一條有效指令，而LJMP 900H則為無(wú)效指令。
(1)分支指令
對于LCALL, LJMP, ACALL, AJMP, SJMP, JMP @A+DPTR等指令，只要記住這些分支指令的目的地址在程序存儲器大小的物理范圍(AT89C2051程序地址空間為:OOOH-7FFH單元)，這些無(wú)條件分支指令就會(huì )正確執行，超出物理空間的限制會(huì )出現不可預知的程序出錯。
CJNE[……],DJNZ[……], JB, JNB, JC, JNC, JBC, JZ, JNZ等這些條件轉移指令的使用與上述原則一樣，同樣，超出物理空間的限制也會(huì )引起不可預知的程序出錯。至于中斷的使用，80C51系列硬件結構中已保留標準中斷服務(wù)子程序的地址。
(2）與MOVX相關(guān)的指令，數據存儲器
AT89C2051包含128字節內部數據存儲器，這樣，AT89C2051的堆棧深度局限于內部RAM的128字節范圍內，它既不支持外部數據存儲器的訪(fǎng)問(wèn)，也不支持外部程序存儲器的執行，因此程序中不應有MOVX[……」指令。 一般的80C51匯編器即使在違反上述指令約束而寫(xiě)入指令時(shí)仍對指令進(jìn)行匯編，用戶(hù)應了解正在使用的AT89C2051微控制器的存儲器物理空間和約束范圍，適當地調整所使用的指令尋址范圍以適應AT89C2051。
AT89C2051可使用對芯片上的兩個(gè)加密位進(jìn)行編程(P)或不編程(U)來(lái)得到，功能如表2.3所示
表2.3
空閑模式:
在空閑模式下，CPU保持睡眠狀態(tài)而所有片內的外設仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產(chǎn)生。此時(shí)，片內RAM和所有特殊功能寄存器的內容保持不變�？臻e模式可由任何允許的中斷請求或硬件復位終止。P1.0和P1.1在不使用外部上拉電阻的情況下應設置為“0 ",或者在使用上拉電阻的情況下設置為“1"
應注意的是:在用硬件復位終止空閑模式時(shí)，AT89C2051通常從程序停止一直到內部復位獲得控制之前的兩個(gè)機器周期處恢復程序執行。在這種情況下片內硬件禁止對內部RAM的讀寫(xiě)，但允許對端口的訪(fǎng)問(wèn)，要消除硬件復位終止空閑模式對端口意外寫(xiě)入的可能，原則上進(jìn)入空閑模式指令的下一條指令不應對端口引腳或外部存儲器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。
掉電模式:
在掉電模式下，振蕩器停止工作，進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執行的指令，片內RAM和特殊功能寄存器的內容在終止掉電模式前被凍結。退出掉電模式的唯一方法是硬件復位，復位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的內容，在Vcc恢復到正常工作電平前，復位應無(wú)效，且必須保持一定時(shí)間以使振蕩器重啟動(dòng)并穩定工作。P1.0和P1.1在不使用外部上拉電阻的情況下應設置為“0 ",或者在使用外部上拉電阻時(shí)應設為“1"。
2.2.2 A/D轉換器TLC549
TLC549是以8位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近A/D轉換器為基礎而構造的CMOSA/D轉換器。它設計成能通過(guò)3態(tài)數據輸出與微處理器或外圍設備串行接口。TLC549僅用輸入/輸出時(shí)鐘和芯片選擇輸入作數據控制。TLC549的I/O CLOCK輸入頻率最高可達1.1MHz。
TLC549的使用與較復雜的TLC540和TLC541非常相似；不過(guò)，TLC549提供了片內系統時(shí)鐘，它通常工作在4MHz且不需要外部元件。片內系統時(shí)鐘使內部器件的操作獨立于串行輸入/輸出端的時(shí)序并允許TLC549象許多軟件和硬件所要求的那樣工作。I/OCLOCK和內部系統時(shí)鐘一起可以實(shí)現高速數據傳送，對于TLC549為每秒40,000次的轉換速度。 TLC549的其他特點(diǎn)包括通用控制邏輯，可自動(dòng)工作或在微處理器控制下工作的片內采樣-保持電路，具有差分高阻抗基準電壓輸入端，易于實(shí)現比率轉換（ratiometricconversion）、定標（scaling）以及與邏輯和電源噪聲隔離的電路。整個(gè)開(kāi)關(guān)電容逐次逼近轉換器電路的設計允許在小于17μs的時(shí)間內以最0±0.5最低有效位（LSB）的精度實(shí)現轉換。
2.2.3 看門(mén)狗監控器的選擇 X25045
看門(mén)狗電路一般有軟件看門(mén)狗和硬件看門(mén)狗兩種。軟件看門(mén)狗不需外接硬件電路，但系統需要出讓一個(gè)定時(shí)器資源，這在許多系統中很難辦到，
而且若系統軟件運行不正常，可能導致看門(mén)狗系統也癱瘓。硬件看門(mén)狗是真正意義上的“程序運行監視器”，如計數型的看門(mén)狗電路通常由555多諧振蕩器、計數器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統電路較為復雜，運行不夠可靠。
1) X25045芯片
X25045是美國Xicor公司的生產(chǎn)的標準化8腳集成電路，它將EEPROM、看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監控三種功能組合在單個(gè)芯片之內，大大簡(jiǎn)化了硬件設計，提高了系統的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統功耗，是一種理想的單片機外圍芯片。
X25045引腳如圖2-4所示。
圖2.4 X25045引腳結構
其引腳功能如下
CS：片選擇輸入；SO：串行輸出，數據由此引腳逐位輸出；SI：串行輸入，數據或命令由此引腳逐位寫(xiě)入X25045；SCK：串行時(shí)鐘輸入，其上升沿將數據或命令寫(xiě)入，下降沿將數據輸出；WP：寫(xiě)保護輸入。當它低電平時(shí)，寫(xiě)操作被禁止；Vss：地；Vcc：電源電壓；RESET：復位輸出。
X25045在讀寫(xiě)操作之前，需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表2.5所示。
表2.5 X25045指令及其含義
指令名 指令格式 操 作
WREN 00000110 設置寫(xiě)使能鎖存器（允許寫(xiě)操作）
WRDI 00000100 復位寫(xiě)使能鎖存器（禁止寫(xiě)操作）
RDSR 00000101 讀狀態(tài)寄存器
WRSR 00000001 寫(xiě)狀態(tài)寄存器
READ 0000A8011 把開(kāi)始于所選地址的存儲器中的數據讀出
WRITE 0000A8010 把數據寫(xiě)入開(kāi)始于所選地址的存儲器
2)X25045看門(mén)狗電路設計
X25045芯片內包含有一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，可通過(guò)軟件預置系統的監控時(shí)間。在看門(mén)狗定時(shí)器預置的時(shí)間內若沒(méi)有總線(xiàn)活動(dòng)，則X25045將從RESET輸出一個(gè)高電平信號，經(jīng)過(guò)微分電路C2、R3輸出一個(gè)正脈沖，使CPU復位。圖2電路中，CPU的復位信號共有3個(gè)：上電復位(C1、R2)，人工復位(S、R1、R2)和Watchdog復位(C2、R3)，通過(guò)或門(mén)綜合后加到RESET端。C2、R3的時(shí)間常數不必太大，有數百微秒即可，因為這時(shí)CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。
看門(mén)狗定時(shí)器的預置時(shí)間是通過(guò)X25045的狀態(tài)寄存器的相應位來(lái)設定的。X25045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WD1、WD0和看門(mén)狗電路有關(guān)，其余位和EEPROM的工作設置有關(guān)。如表2.6所示。
表2.6 X25045狀態(tài)寄存器
D7
D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
X
X WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP
WD1＝0，WD0=0，預置時(shí)間為1.4s。WD1＝0，WD0=1，預置時(shí)間為0.6s。WD1＝1，WD0=0，預置時(shí)間為0.2s。WD1＝1，WD0=1，禁止看門(mén)狗工作。
看門(mén)狗電路的定時(shí)時(shí)間長(cháng)短可由具體應用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統正常工作時(shí)最大循環(huán)周期的時(shí)間略長(cháng)即可。編程時(shí)，可在軟件的合適地方加一條喂狗指令，使看門(mén)狗的定時(shí)時(shí)間永遠達不到預置時(shí)間，系統就不會(huì )復位而正常工作。當系統跑飛，用軟件陷阱等別的方法無(wú)法捕捉回程序時(shí)，則看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間很快增長(cháng)到預置時(shí)間，迫使系統復位。X25045的看門(mén)狗電路使用十分方便。X25045內部還集成了512BEEPROM和電壓運行監視系統，只需這樣一塊芯片，外加晶振和復位電路就可以組成單片機的應用系統，非常適合于便攜式儀器和嵌入式系統的設計。
3) 軟件看門(mén)狗技術(shù)
我們知道看門(mén)狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說(shuō)程序跑飛。硬件看門(mén)狗是利用了一個(gè)定時(shí)器，來(lái)監控主程序的運行，也就是說(shuō)在主程序的運行過(guò)程中，我們要在定時(shí)時(shí)間到之前對定時(shí)器進(jìn)行復位如果出現死循環(huán)，或者說(shuō)PC指針不能回來(lái)。那么定時(shí)時(shí)間到后就會(huì )使單片機復位。
軟件看門(mén)狗技術(shù)的原理和這差不多，只不過(guò)是用軟件的方法實(shí)現，我們還是以51系列來(lái)講，我們知道在51單片機中有兩個(gè)定時(shí)器，我們就可以用這兩個(gè)定時(shí)器來(lái)對主程序的運行進(jìn)行監控。我們可以對T0設定一定的定時(shí)時(shí)間，當產(chǎn)生定時(shí)中斷的時(shí)候對一個(gè)變量進(jìn)行賦值，而這個(gè)變量在主程序運行的開(kāi)始已經(jīng)有了一個(gè)初值，在這里我們要設定的定時(shí)值要小于主程序的運行時(shí)間，這樣在主程序的尾部對變量的值進(jìn)行判斷，如果值發(fā)生了預期的變化，就說(shuō)明T0中斷正常，如果沒(méi)有發(fā)生變化則使程序復位。 對于T1我們用來(lái)監控主程序的運行，我們給T1設定一定的定時(shí)時(shí)間，在主程序中對其進(jìn)行復位，如果不能在一定的時(shí)間里對其進(jìn)行復位，T1的定時(shí)中斷就會(huì )使單片機復位。在這里T1的定時(shí)時(shí)間要設的大于主程序的運行時(shí)間，給主程序留有一定的的裕量。而T1的中斷正常與否我們再由T0定時(shí)中斷子程序來(lái)監視。這樣就夠成了一個(gè)循環(huán)，T0監視T1，T1監視
主程序，主程序又來(lái)監視T0，從而保證系統的穩定運行。
2.2.4 通訊總線(xiàn)的選擇RS-485總線(xiàn)
1) RS-485通訊標準
RS-485是美國電氣工業(yè)聯(lián)合會(huì )(EIA)制定的利用平衡雙絞線(xiàn)作傳輸線(xiàn)的多點(diǎn)通訊標準。它采用差分信號進(jìn)行傳輸，最大傳輸距離可以達到1.2 km，最大可連接32個(gè)驅動(dòng)器和收發(fā)器，接收器最小靈敏度可達士200mV。由此可見(jiàn)，RS-485通訊協(xié)議正是針對遠距離、高靈敏度、多點(diǎn)通訊制定的標準。
RS-485通訊標準允許在電路中可以有多個(gè)發(fā)送器。它允許一個(gè)發(fā)送器驅動(dòng)多個(gè)負載設備，負載設備可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器組合單元。RS-485在一對平衡傳輸的兩端都配置終端匹配電阻，其發(fā)送器、接收器、組合收發(fā)器可以?huà)煸谄胶鈧鬏斁�(xiàn)的任何位置，實(shí)現在數據傳輸中多個(gè)驅動(dòng)器和接收器共用同一傳輸線(xiàn)的應用。
在自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著(zhù)分布式控制系統的發(fā)展，迫切需要一種總線(xiàn)能適合遠距離的數字通信。在RS-422標準的基礎上，EIA研究出了一種支持多節點(diǎn)、遠距離和接收高靈敏度的RS-485總線(xiàn)標準。 RS-485標準采有用平衡式發(fā)送，差分式接收的數據收發(fā)器來(lái)驅動(dòng)總線(xiàn)，具體規格要求：
（1）接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ
（2）驅動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓
（3）輸入端的電容≤50pF
（4）輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線(xiàn)的參數有關(guān)）
（5）接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信號“0”（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信號“1”）
因為RS-485的遠距離、多節點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線(xiàn)成本低的特性，使得EIA RS-485 成為工業(yè)應用中數據傳輸的首選標準。
2) 異步串行通信接口標準與RS—485標準總線(xiàn)
集控器與分機間數據通信必然要使用異步串行通信接口，標準的異步串行通信接口主要有(l)RS—232C、RS—232E；(2)RS—449(RS—422、RS—423、RS—485)；(3)20毫安電流環(huán) (4) USB通用接口。
其中RS—449和20毫安電流環(huán)可用于中長(cháng)距離通信。為保證可靠數據通信，在選用通信接口標準時(shí)，須注意兩點(diǎn)；一是通信速度和通信距離，二是抗干擾能力。通常的串行通信接口的電氣特性，都有滿(mǎn)足可靠傳輸時(shí)的最大傳輸速率和最大傳輸距離指標，這兩個(gè)指標之間具有相關(guān)性，適當地降低傳輸速率可提高傳輸距離，反之亦然。串行通信接口在保證不超過(guò)其使用范圍時(shí)都有一定的抗干擾能力，但在某些環(huán)境中，干擾往往十分惡劣，因此在選擇通信介質(zhì)、接口標準時(shí)要注意其抗干擾能力，并采取必要的抗干擾措施。
例如，在中遠程傳輸時(shí)，使用RS—422能有效抑制共模信號干擾；使用加毫安電流環(huán)技術(shù)，可大大降低對噪聲的敏感程度。提高有線(xiàn)基帶傳輸距離的有效技術(shù)有:
(l)降低波特率。
信號的衰減與信號頻率有很大關(guān)系，降低波特率可減小衰減，使通信距離增大，但卻同時(shí)降低了系統控制的反應速度。
(2)加粗通信線(xiàn)直徑。
選用線(xiàn)徑粗的傳輸線(xiàn)可以有效地減小傳輸衰減，但勢必增加成本。
(3)增大發(fā)送端驅動(dòng)電壓和電流。
選用輸出電壓和電流較大的驅動(dòng)器芯片，可明顯增大通信距離。
(4)提高接收端靈敏度。
(5)采用中繼方式。
對于第一種異步串行通信接口，RS—232C使用廣泛，但缺陷明顯。采用RS—232C標準時(shí)，其所用的驅動(dòng)器和接收器芯片采用的是單端電路，易引入附加電平：一是來(lái)自于干擾，二是由于兩端地電平不同而導致接收器產(chǎn)生錯誤的數據輸出。
RS—232C規定最大負載電容為2500PF，這個(gè)電容限制了傳輸距離和傳輸速率，且TTL/RS—232C轉換電路屬非平衡電壓型線(xiàn)電路，不具有抗共模干擾特性，如果TTL電平信號直接進(jìn)行有線(xiàn)傳輸，由于受信號反射波噪聲、信號階躍失真、信號幅度衰減等多種不利因素的影響，其有效傳輸距離非常有限，通常最大不過(guò)十幾米。故在一般情況下，RS—232C只用于短距通信(15米內)。若要遠距通信，需加MODEM�？梢钥闯�，要實(shí)現中長(cháng)距離數據傳輸，可采用RS—449和20毫安電流環(huán)。20毫安電流環(huán)是將電壓信號通過(guò)光耦隔離轉換成電流信號，廣泛應用于點(diǎn)對點(diǎn)的通訊中，但是用電流環(huán)實(shí)現總線(xiàn)式點(diǎn)對多點(diǎn)的通信卻比較困難，這是因為電流環(huán)是靠電流傳送信號的，輸入阻抗低，線(xiàn)路的損耗也較大，這樣，很難保證最遠端的節點(diǎn)正確接收到信息。當然，在一定的條件下用電流環(huán)實(shí)現點(diǎn)對多點(diǎn)
的通信也是可以的，但距離只能限制在2.5公里以?xún)�，更重要的是若用電流環(huán)來(lái)實(shí)現總線(xiàn)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò )容量非常有限，例如在一個(gè)有32個(gè)分機節點(diǎn)的總線(xiàn)網(wǎng)內，集控器向所有分機發(fā)送信號時(shí)，其信號電流大小至少為32*0.02=0.64安，產(chǎn)生這樣大的電流對系統來(lái)說(shuō)要求過(guò)高。
鑒于RS—232C的缺陷，制定了RS—449標準。RS—449標準與RS—232C兼容，但增加了許多內容，可支持較高的數據傳送速率、較遠的數據傳送距離，提供平衡電路改進(jìn)接口的電氣特性等等。RS—423/422標準是RS—449的子集，RS—422A是“平衡電壓數字接口電路的電氣特性”標準，采用雙絞線(xiàn)傳送信號，通過(guò)傳輸線(xiàn)驅動(dòng)器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信息傳送；通過(guò)傳輸線(xiàn)接收器，把電位差變換成邏輯電平，完成終端的信息接收。
而RS—485是RS—422A的變型，同樣使用專(zhuān)用的接收、發(fā)送芯片，這種類(lèi)型的芯片一般是差分平衡式的，即采用差分式接收和發(fā)送數據，提高了抗共模干擾的能力，因此傳輸距離可達1200米左右，非常適合于本系統。RS—485是一種多發(fā)送器的標準，它擴展了RS—422A的性能，允許雙絞線(xiàn)上一個(gè)發(fā)送器驅動(dòng)32個(gè)負載設備。負載設備可以是接收器或收發(fā)器。RS—485每個(gè)通道要用兩條信號線(xiàn)，如果其中一條是邏輯“1”狀態(tài)，另一條就是邏輯“0”狀態(tài)。RS—485電路由發(fā)送器、平衡連結電纜、電纜終端負載、接收器幾部分組成。驅動(dòng)器輸出為±2~12V，接收器可檢測到的輸入信號電平可低到200mV。
平衡驅動(dòng)器的兩個(gè)輸出端分別為+Vl和—Vl，故差分接收器的輸入信號電壓V2=+VI—(—VI)=2VI，兩者間不共地，這樣既可削弱干擾的影響，又可獲得更長(cháng)的傳輸距離及允許更大的信號衰減�？捎糜赗S—485總線(xiàn)網(wǎng)差分平衡收發(fā)的芯片有MC3486/MC3487、MAX48X/49X系列、MAX148OA/1480B等，本系統采用差分平衡收發(fā)芯片MAX489完成集控器與分機間數據通信。MAX48X/49X是MAXIM公司生產(chǎn)的適用于RS—422/RS—485標準的差分平衡收發(fā)芯片系列，其中MAX488~491可用于全雙工通信，其余僅能用于半雙工通信。使用MAX489組成的全雙工總線(xiàn)通信網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò )上最大可掛32個(gè)收發(fā)站。
在差分平衡系統中，一般采用雙絞線(xiàn)做為信號傳輸線(xiàn)。由于雙絞線(xiàn)在長(cháng)度、方向上完全對稱(chēng)，因此它們受到的外界干擾程度完全相同，干擾信號以共模形式出現。在接收器的輸入端共模干擾受到抑制，所以可實(shí)現信號的可靠傳送。
另外，信號在傳輸線(xiàn)上傳送，若遇到阻抗不連續的情況，會(huì )出現反射現象，從而影響信號的遠距離傳送，因此必須采用電阻匹配的方法來(lái)消除反射。雙絞線(xiàn)的特性阻抗一般為110~ 130Ω。通常在傳輸線(xiàn)末端接120Ω的電阻，進(jìn)行阻抗匹配。
3) 影響RS-485總線(xiàn)通訊速度和通信可靠性的三個(gè)因素
(1) 在通信電纜中的信號反射
在通信過(guò)程中，有兩種信號因導致信號反射：阻抗不連續和阻抗不匹配。阻抗不連續，信號在傳輸線(xiàn)末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號在這個(gè)地方就會(huì )引起反射，如圖1所示。這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。
從理論上分析，在傳輸電纜的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就再也不會(huì )出現信號反射現象。但是，在實(shí)現應用中，由于傳輸電纜的特性阻抗與通訊波特率等應用環(huán)境有關(guān)。特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號反射還會(huì )存在。
引起信號反射的另個(gè)原因是數據收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現在通訊線(xiàn)路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )數據混亂。信號反射對數據傳輸的影響，歸根結底是因為反射信號觸發(fā)了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個(gè)數據幀錯誤。
在信號分析，衡量反射信號強度的參數是RAF（Refection Attenuation Factor反射衰減因子）。
它的計算公式如式（2-1）
RAF=20lg(Vref/Vinc) （2-1）
式中：Vref—反射信號的電壓大��；Vinc—在電纜與收發(fā)器或終端電阻連接點(diǎn)的入射信號的電壓大小。具體的測量方法如圖3所示。例如，由實(shí)驗測得2.5MHz的入射信號正弦波的峰-峰值為+5V，反射信號的峰-峰值為+0.297V，則該通訊電纜在2.5MHz的通訊速率時(shí)，它的反射衰減因子為：
RAF=20lg(0.297/2.5)=-24.52dB （2-2）
要減弱反射信號對通訊線(xiàn)路的影響，通常采用噪聲抑制和加偏置電阻的方法。在實(shí)際應用中，對于比較小的反射信號，為簡(jiǎn)單方便，經(jīng)常采用加偏置電阻的方法。在通訊線(xiàn)路中，如何通過(guò)加偏置電阻提高通訊可靠性的原理，后面將做詳細介紹。
（2） 在通訊電纜中的信號衰減
第二個(gè)影響信號傳輸的因素是信號在電纜的傳輸過(guò)程中衰減。一條傳輸電纜可以把它看出由分布電容、分布電感和電阻聯(lián)合組成的等效電路。電纜的分布電容C主要是由雙絞線(xiàn)的兩條平行導線(xiàn)產(chǎn)生。導線(xiàn)的電阻在這里對信號的影響很小，可以忽略不計。信號的損失主要是由于電纜的分布電容和分布電感組成的LC低通濾波器。
PROFIBUS用的LAN標準型二芯電感（西門(mén)子為DP總線(xiàn)選用的標準電纜），在不同波特率時(shí)的衰減系數如表2-7所示。
表2-7 電纜的衰減系數
通訊波特率 16MHz 4MHz 38.4kHz 9.6kHz
衰減體系數（1km) ≤42dB ≤22dB ≤4dB ≤2.5dB
（3） 在通訊電纜中的純阻負載
影響通訊性能的第三個(gè)因素是純阻性負載（也叫直流負載）的大小。這里指的純阻性負載主要由終端電阻、偏置電阻和RS-485收發(fā)器三者構成。
在敘述EIA RS-485規范時(shí)曾提到過(guò)RS-485驅動(dòng)器在帶了32個(gè)節點(diǎn)，配置了150Ω終端電阻的情況下，至少能輸出1.5V的差分電壓。一個(gè)接收器的輸入電阻為12kΩ。按這樣計算，RS-485驅動(dòng)器的負載能力為： RL=32個(gè)輸入電阻并聯(lián)||2個(gè)終端電阻=（（12000/32）×（150/2））/（12000/32）+（150/2））≈51.7Ω
現在比較常用的RS-485驅動(dòng)器有MAX485、DS3695、MAX1488/1489以及和利時(shí)公司使用的SN75176A/D等，其中有的RS-485驅動(dòng)器負載能力可以達到20Ω。在不考慮其它諸多因素的情況下，按照驅動(dòng)能力和負載的關(guān)系計算，一個(gè)驅動(dòng)器可帶節點(diǎn)的最大數量將遠遠大于32個(gè)。
在通訊波特率比較高的時(shí)候，在線(xiàn)路上偏置電阻是很有必要的。它的作用是在線(xiàn)路進(jìn)入空閑狀態(tài)后，把總線(xiàn)上沒(méi)有數據時(shí)（空閑方式）的電平拉離0電平。這樣一來(lái)，即使線(xiàn)路中出現了比較小的反射信號或干擾，掛接在總線(xiàn)上的數據接收器也不會(huì )由于這些信號的到來(lái)而產(chǎn)生誤動(dòng)作。通過(guò)下面的例子，可以計算出偏置電阻的大�。航K端電阻Rt1=Rr2=120Ω；假設反射信號最大的峰-峰值Vref≤0.3Vp-p，則負半周的電壓Vref≤0.15V;終端的電阻上由反射信號引起的反射電流Iref≤0.15/(120||120)=2.5mA。
一般RS-485收發(fā)器（包括SN75176）的滯后電壓值為50mV，即：（Ibias-Iref）×（Rt1||Rt2）≥50mV；于是可以計算出偏置電阻產(chǎn)生的偏置電流Ibias≥3.33mA+5V=Ibias(R上拉+R下拉+（Rt1||Rt2）)
通過(guò)式2可以計算出R上拉=R下拉=720Ω在實(shí)際應用中，RS-485總線(xiàn)加偏置電阻有兩種方法：
（1） 把偏置電阻平衡分配給總線(xiàn)上的每一個(gè)收發(fā)器。這種方法給掛接在RS-485總線(xiàn)上的每一個(gè)收發(fā)器加了偏置電阻，給每一個(gè)收發(fā)器都加了一個(gè)偏置電壓。 /
（2） 在一段總線(xiàn)上只用一對偏置電阻。這種方法對總線(xiàn)上存在大的反射信號或干擾信號比較有效。值得注意的是偏置電阻的加入，增加了總線(xiàn)的負載。 /
4) RS-485總線(xiàn)的負載能力和通訊電纜長(cháng)度之間的關(guān)系
在設計RS-485總線(xiàn)組成的網(wǎng)絡(luò )配置（總線(xiàn)長(cháng)度和帶負載個(gè)數）時(shí)，應該考慮到三個(gè)參數：純阻性負載、信號衰減和噪聲容限。純阻性負載、信號衰減這兩個(gè)參數，在前面已經(jīng)討論過(guò)，現在要討論的是噪聲容限（Noise Margin）。RS-485總線(xiàn)接收器的噪聲容限至少應該大于200mV。前面的論述者是在假設噪聲容限為0的情況下進(jìn)行的。在實(shí)際應用中，為了提高總線(xiàn)的抗干擾能力，總希望系統的噪聲容限比EIA RS-485標準中規定的好一些。從下面的公式能看出總線(xiàn)帶負載的多少和通訊電纜長(cháng)度之間的關(guān)系：
Vend=0.8(Vdriver-Vloss-Vnoise-Vbias) (2-3)
其中：Vend為總線(xiàn)末端的信號電壓，在標準測定時(shí)規定為0.2V；Vdriver為驅動(dòng)器的輸出電壓（與負載數有關(guān)。負載數在5～35個(gè)之間，Vdriver=2.4V；當負載數小于5，Vdriver=2.5V；當負載數大于35，Vdriver≤2.3V）；Vloss為信號在總線(xiàn)中的傳輸過(guò)程中的損耗（與通訊電纜的規格和長(cháng)度有關(guān)），由表2-7提供的標準電纜的衰減系數，根據公式衰減系數b=20lg(Vout/Vin)可以計算出Vloss=Vin-Vout=0.6V(注：通訊波特率為9.6kbps，電纜長(cháng)度1km，如果特率增加，Vloss會(huì )相應增大)；Vnoise為噪聲容限，在標準測定時(shí)規定為0.1V；Vbias是由偏置電阻提供的偏置電壓（典型值為0.4V）。
式（2-3）中乘以0.8是為了使通信電纜不進(jìn)入滿(mǎn)載狀態(tài)。從式（2-3）可以看出，Vdriver的大小和總線(xiàn)上帶負載數的多少成反比，Vloss的大小和總線(xiàn)長(cháng)度成反比，其他幾個(gè)參數只和用的驅動(dòng)器類(lèi)型有關(guān)。因此，在選定了驅動(dòng)器的RS-495總線(xiàn)上，在通信波特率一定的情況下，帶負載數的多少，與信號能傳輸的最大距離是直接相關(guān)的。具體關(guān)系是：在總線(xiàn)允許的范圍內，帶負載數越多，信號能傳輸的距離就越��；帶負載數據少，信號能傳輸的距離就發(fā)越遠。
5) 分布電容對 RS-485 總線(xiàn)傳輸性能的影響
電纜的分布電容主是由雙絞線(xiàn)的兩條平行導線(xiàn)產(chǎn)生。另外，導線(xiàn)和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時(shí)也不能忽視。分布電容對總
線(xiàn)傳輸性能的影響，主要是因為總線(xiàn)上傳輸的是基波信號，信號的表達方式只有“1”和“0”。在特殊的字節中，例如0x01，信號“0”使得分布電容有足夠的充電時(shí)間，而信號“1”到來(lái)時(shí)，由于分布電容中的電荷來(lái)不及放電，(Vin+)—(Vin-)-還大于200mV，結果使接愛(ài)誤認為是“0”，而最終導致CRC校驗錯誤，整個(gè)數據幀傳輸錯誤。
由于總線(xiàn)上分布影響，導致數據傳輸錯誤，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能降低。解決這個(gè)有兩個(gè)辦法：
（1）降低數據傳輸的波特率。
（2）使用分布電容小的電纜，提高傳輸線(xiàn)的質(zhì)量。
RS-485通訊標準的特點(diǎn)是抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠。在采用雙絞線(xiàn)，不用MODEM的情況下，在100kbps的傳輸速率時(shí)，可傳送1200m，若速率9600bps，則傳送距離可達1500m。它允許的最大傳輸速率為1 OMbps傳輸距離為15m時(shí))。RS485通訊標準允許平衡電纜上連接32個(gè)發(fā)送器/接收器對，目前已在許多方面得到應用，尤其是在多點(diǎn)通信系統中，是一個(gè)很有發(fā)展前途的串行通信接口標準。
2.3 本設計電度表的誤差分析
自九十年代起,智能電度表逐漸進(jìn)入市場(chǎng)。目前已在電能計量?jì)x表中占有一定的份量,國內外的生產(chǎn)廠(chǎng)家數目日益增多。由于電度表是計費的依據,關(guān)系到供電單位和用電者的權益,所以雙方對于計量誤差都很重視。
電度表的誤差和任何測量工具一樣是在所難免的。在工程設計方面,自然是必須力求其降至最低,但極需配合市場(chǎng)的接受能力劃出一個(gè)界限,不能漫無(wú)限制地改進(jìn)。在選用智能電度表時(shí),應注意性能和價(jià)格的關(guān)系,必要時(shí)可以參考前面的表格。對太廉價(jià)的產(chǎn)品,應進(jìn)一步查詢(xún)考證其測量準確度的可靠程度。
目前智能電度表依其對電量的檢測方式,可分為全電子式和機電一體式兩類(lèi)。因此對電度表而言,無(wú)論是全電子式、機械式或機電一體式都是在可能的價(jià)格范圍內對電壓u(t) 及電流i (t) 作最精密的測量,然后以最精密的時(shí)間積分而得到最準確的電量。
全電子式電度表最大的弱點(diǎn)在于當電子線(xiàn)路受到損害之后,所有的資料將完全損失,很容易造成爭議。所以有廠(chǎng)家采用步進(jìn)電機和CPU 控制的脈沖發(fā)生機構相連,以機械方式輔助記錄。但這種做法一方面增加成本,另一方面由于步進(jìn)電機經(jīng)常發(fā)生遺漏脈沖的現象,常常使得機械記錄和電子記憶有明顯的差異。這種誤差由于其是動(dòng)態(tài)發(fā)生的,所以無(wú)從估計。
機電一體式電度表的測量誤差來(lái)源有兩方面,一是機械表芯對電量測量的誤差,另一是電子部份檢測機械表芯時(shí)的誤差。
2.3.1 機械表芯測量誤差
機械表芯是將被測電量轉換成鋁盤(pán)的旋轉圈數,然后以機械計數器顯
示。這種測量方式已使用了數十年之久,所有誤差都有 規范可循,成為一種完全成熟的技術(shù)。最重要的是這種計量方法已得到售電和用電雙方廣泛的支持與接受,采用這種單元作為計費基礎完全能被市場(chǎng)認可。由于計數器不會(huì )因為電路的沖擊而變動(dòng),所以當發(fā)生異�，F象而使電表?yè)p毀時(shí)，機械表芯仍能維持損毀前的最后記錄,可供參考。
2.3.2 電子檢測誤差
在機電一體式結構中,電子電路必須從機械表芯旋轉元件(鋁盤(pán)) 讀取轉動(dòng)量作為計量資料。常用的讀取方式可分為電磁式和光電式兩大類(lèi)。
(1) 電磁式讀頭誤差
電磁式讀頭是基于霍爾效應的原理,在表芯轉軸上加裝一永磁轉子,和在表芯支架上安置一電磁檢測芯片而成。每當轉子通過(guò)檢測芯片附近時(shí),將使檢測芯片產(chǎn)生一感應脈沖。計算此脈沖量可測得轉動(dòng)量。由于磁場(chǎng)本身并無(wú)明顯的界限,所以脈沖產(chǎn)生的門(mén)檻就沒(méi)有清晰的界限。在快速旋轉時(shí),這種現象造成的影響不大。但由于鋁盤(pán)的旋轉速度會(huì )隨著(zhù)負載的不同而有很大的差異,可能快至每秒1 圈以上,也可能慢到每5 分鐘1圈或更低,所以當此模糊界限通過(guò)霍爾集成塊時(shí),不論是由于機械振動(dòng)或電路振蕩,都可能造成多重脈沖而引起誤差。加濾波電路的辦法又因轉速覆蓋的范圍太廣,使得適當的時(shí)間常數非常難以決定。此外,由于額外的磁元件引入到表芯之中,或多或少會(huì )干擾電磁測量部件而使測量誤差進(jìn)一步增加。
(2) 光電式讀頭誤差
光電式讀頭有遮斷式和反射式兩種,它們都是由一個(gè)紅外線(xiàn)發(fā)光二極管及一個(gè)光敏三極管組成。如果用遮斷式,就必須在表芯內增加一個(gè)與鋁盤(pán)同步同軸轉動(dòng)的扇形盤(pán),來(lái)間斷性地遮斷紅外線(xiàn)的通過(guò),在光敏三極管上造成脈沖。反射式則以鋁盤(pán)做反射面,只要將適當的扇形區域涂黑阻止反射,即可產(chǎn)生所需的脈沖。不管是遮斷式還是反射式,其扇形區的界限都不可能非常的光潔,再加上鋁盤(pán)轉動(dòng)速度的范圍極廣,因此與電磁式一樣,在超低速時(shí)如何避免誤讀是一個(gè)極具挑戰性的技術(shù)難題。
3. 軟件設計
3.1 軟件設計的思想和方法
工業(yè)用智能電度表，主要用于電力部門(mén)的發(fā)電廠(chǎng)、變配電站進(jìn)行電能的收費、計劃、統計電量等。其次用于工業(yè)大用戶(hù)，進(jìn)行電能量的計量，收費和工業(yè)自動(dòng)化等方面。因此電能的采集一般由集中器或RTU下表發(fā)命令完成。電度表本身收到的命令有兩類(lèi)：即設置表號（表地址）命令和讀表命令。
軟件主要完成的功能有主程序、串口中斷子程序兩部分。其中主程序完成I/O電平、X25045的設置；看門(mén)狗定時(shí)常數設為1.4S，并且在主程序中循環(huán)復位定時(shí)常數。
串口中斷子程序完成設置表號、讀表和上傳計數值。上位機向電度表發(fā)送的命令格式為：“EB 90 EB 90 表地址碼 命令碼 校驗碼”，“EB 90 EB 90”為同步字節，命令碼為“00” 并且表地址編碼的最高位為“1”時(shí)，表示設置表號，而“01”表示讀表。電度表向上位機發(fā)送格式為：“EB 90 EB 90 表地址碼 表計數值（六位BCD碼）校驗碼”。
3.2 軟件流程圖
圖3-1 主程序流程圖
圖3-2 串口中斷子程序框圖
4. 結論
本論文主要研究了智能電度表的硬件設計，在硬件的研制過(guò)程中考慮到了可靠性及實(shí)用性。但是由于研究時(shí)間和條件上的限制，本設計還有許多需要改進(jìn)的地方。比如，在軟件的設計中，只是籠統的給出了軟件流程圖，沒(méi)有具體的程序，由于時(shí)間上的限制，沒(méi)有全部完成非常遺憾。希望可以在以后的時(shí)間加以完善。智能電度表在我國具有巨大的發(fā)展潛力，雖然起步較晚，但勢頭非常迅猛。在鑒于我國幅員遼闊，各地、乃至同一城市不同區域的電網(wǎng)結構、電網(wǎng)布局以及負荷情況都不相同的實(shí)際情況下，本著(zhù)降低成本、提高可靠性的原則，因地制宜地開(kāi)發(fā)出各種適宜的智能電度表。這樣，一個(gè)城市或電業(yè)局可以真正實(shí)現電能自動(dòng)監測、調度管理系統，使我國的電能自動(dòng)化管理水平向前邁進(jìn)一大步。
在一些城市住宅建設發(fā)展較快的城市，已經(jīng)有多個(gè)智能化小區安裝了智能電度表。對于電力行業(yè)管理者來(lái)說(shuō)，對各類(lèi)不同用戶(hù)的不同用電負荷可以進(jìn)行準確地記錄，是智能電度表最吸引他們的地方。業(yè)內人士預言，隨著(zhù)各種智能電度表產(chǎn)品的問(wèn)世，“人工抄表”退出歷史舞臺，智能抄表系統“一統天下”的日子不遠了。
① 社會(huì )效益分析
(1) 智能電度表為“一戶(hù)一表”工程的實(shí)施提供了有力支持。
(2) 智能電度表能夠使抄表人員從抄抄寫(xiě)寫(xiě)中解放出來(lái)，投身到“優(yōu)質(zhì)服務(wù)”中去。
(3) 智能電度表能夠避免抄、核、收環(huán)節中人為造成的人情電、關(guān)系電和抄表差錯等一系列因素，減輕了居民負擔。
② 管理效益分析
(l) 智能電度表能夠提高抄表質(zhì)量，避免估抄、漏抄和錯抄。
(2) 縮短抄表周期，避免因工作量大而導致的“雙月抄表”現象。
(3) 智能電度表可實(shí)現“同步抄表”。即總表和分表同時(shí)抄錄，有利于線(xiàn)損計算。
(4) 智能電度表可實(shí)現對用戶(hù)異常用電的實(shí)時(shí)監控，遏止竊電現象。
③ 經(jīng)濟效益分析
(l) 節省人力的效益：智能電度表可節省幾十名至幾百名工作人員，假如
每個(gè)抄表員每月抄表1000戶(hù)，每人年薪1.5萬(wàn)元。智能電度表可直接經(jīng)
濟效益達幾十至幾百萬(wàn)元。
(2) 降損效益：智能電度表系統能夠挽回線(xiàn)損損失。它帶來(lái)的利益不僅僅
只局限于直接經(jīng)濟效益。實(shí)際上，其所帶來(lái)的隱含的、間接的經(jīng)濟效益則
遠高于直接帶來(lái)的經(jīng)濟效益。
智能電度表的新技術(shù)展望主要是電能表和智能抄表技術(shù)的新技術(shù)展望。各種智能電度表都有其特點(diǎn)，有其相適應的應用環(huán)境和存在條件，我們在現有技術(shù)的基礎上，結合各種系統的優(yōu)勢和長(cháng)處，使其揚長(cháng)避短發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。
（1）、網(wǎng)絡(luò )化電度表
電能計量信息網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)由電能計量與智能抄表系統集成的新概念，其中電度表本身應帶有上網(wǎng)接口并具備通訊能力。設計好網(wǎng)絡(luò )的硬件編碼、技術(shù)指標與功能、通信規約、軟件平臺與數據格式統一，要做到原有各系統接口統一與兼容。實(shí)現實(shí)時(shí)抄表、實(shí)時(shí)計量與分析實(shí)時(shí)管理。
（2）、多用戶(hù)智能化電子式電度表
這種模式是多個(gè)用電戶(hù)共取一個(gè)公共電壓，而每個(gè)用電戶(hù)的電源進(jìn)線(xiàn)處只需裝一個(gè)CT即可，這些采集到的電流、電壓信號就地由微處理器處理。所有用電戶(hù)的用電信息都交由設在異地的一臺微機來(lái)處理、記錄和存儲，見(jiàn)不到傳統意義上電度表的蹤影了。
1）基于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(GSM)的抄表系統
GSM智能抄表是一種基于智能小區完善的硬件環(huán)境發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)抄表技術(shù)。這種完善的硬件環(huán)境主要是指完善的居民住宅小區智能化管理系統，主要包括住戶(hù)信息管理、安防(防盜防入侵系統；電視監控；門(mén)禁系統)和通訊(閉路電視；電話(huà)程控交換機；無(wú)線(xiàn)基站)等功能模塊。其智能抄表的基本思路是：所有用戶(hù)的數據通過(guò)蜂窩移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)GSM以短信息(SMS)的模式上傳到GSM網(wǎng)的SMS中心；SMS中心將接收到的數據通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)傳遞給用電管理部門(mén)等的數據處理服務(wù)器。由于現在GSM網(wǎng)的覆蓋面已幾乎遍及全國，故構建這種智能抄表系統時(shí)，完全可以利用現成的GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)而不需再新建基站，而且，這樣的智能抄表系統一旦開(kāi)發(fā)成功，可直接向有需求的地方推廣，不需因地域的不同而進(jìn)行改造。
2）INTERNET抄表
現代居民住宅小區智能化管理系統的一個(gè)最新發(fā)展動(dòng)態(tài)是“一切都上網(wǎng)”，寬帶網(wǎng)線(xiàn)路建設及網(wǎng)絡(luò )花費一天天降低，使這一切變得越來(lái)越現實(shí)，有線(xiàn)電視、IP電話(huà)、遠程醫療、網(wǎng)上購物等全方位服務(wù)，可視電話(huà)以及電表，水表和防盜/防災探測報警器等都聯(lián)到網(wǎng)上，由居民區的物業(yè)管理部門(mén)完成對本小區所有居民用戶(hù)的生活和消費的網(wǎng)絡(luò )化管理。在這樣的網(wǎng)絡(luò )化管理模式下，智能抄表只是該系統所具有眾多功能中的一種，隨著(zhù)這種管理系統的不斷完善和健全，智能抄表在其中所占的成本消耗將會(huì )不斷下降。
3）藍牙技術(shù)
藍牙技術(shù)(1998年出現，是一種采用2.4GHz IMS[Industrial，scientific and Medical]頻譜的短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)，主要用來(lái)打破現時(shí)一般以紅外線(xiàn)或電纜線(xiàn)聯(lián)系不同產(chǎn)品時(shí)受到的限制，能夠在約幾十米的距離內無(wú)需連接電纜線(xiàn)或紅外接口就可進(jìn)行數據交換。藍牙技術(shù)的迅速擴展給我們以新的啟發(fā)：能否將藍牙技術(shù)用于自動(dòng)抄表? 有人說(shuō)，藍牙技術(shù)離能真正實(shí)用還需一、兩年的時(shí)間；還有人認為，藍牙技術(shù)不會(huì )往自動(dòng)抄表方向“伸腿”，因為相對于現在的藍牙芯片來(lái)講，有些已有抄表技術(shù)的成本比較低；但有人想到，對那些利用現有自動(dòng)抄表技術(shù)很難抄到的所謂“死角”處的電度表，利用藍牙技術(shù)可能再好不過(guò)了。藍牙技術(shù)到底能否在智能抄表方面獲得應用無(wú)需爭論，但作為從事微機化測量技術(shù)與儀器儀表研發(fā)的工程技術(shù)人員，應該在每一項新的計算機、網(wǎng)絡(luò )、通訊和微電子技術(shù)誕生之后就立即著(zhù)手考慮，它能否給自己所從事的科研帶來(lái)革新性的發(fā)展和變化。
致 謝
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，我終于完成了智能電度表的硬件設計，可以說(shuō)是如釋重負，倍感輕松，在此對老師們的指導和教育表示由衷地感謝。
在此，首先我要向我的指導老師張偉，致以衷心的感謝。他工作認真負責，一絲不茍，及時(shí)的詢(xún)問(wèn)我們做課程設計的進(jìn)度。對同學(xué)的幫助不是簡(jiǎn)單告訴，而是讓我們用自己掌握的知識進(jìn)行探索，最后，在一起經(jīng)過(guò)激烈的討論，得出結果，使我們能夠形成自己的學(xué)習方法。并且督促我們養成良好的學(xué)習習慣和嚴謹的科學(xué)作風(fēng)。最重要的是，張老師反復強調對待困難不要輕易放棄，要堅持不懈。這不僅使我順利的完成課題，更培養了自己樂(lè )觀(guān)向上的科研精神，這種精神也會(huì )無(wú)形的鞭策我在以后的工作學(xué)習中做事認真，精益求精。
另外，我還要感謝在這四年中所有教過(guò)我的老師們，正是他們的辛勤工作，使我在這四年之內學(xué)到了豐富的知識，培養我自學(xué)自立的學(xué)習風(fēng)格，在不斷的學(xué)習中完善自我，充實(shí)自我。在此我再次表達我對所有教導過(guò)我的老師們的誠摯謝意！
最后，要感謝我身邊的同學(xué)們，在遇到許多自己不懂的問(wèn)題時(shí)，他們給我不小的幫助，是他們不斷的支持我做完最后的工作。在這里對他們表示真心的感謝！
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