作者：王際業(yè)，林錦國(guó)，程明，顏廷勇，郭志波

1 引 言

在我國(guó)隨著一戶一表的推廣、城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)的改造、國(guó)家為了打破電力供應(yīng)壟斷局面而引入競(jìng)爭(zhēng)政策的逐步深入和提高用電管理水平等等都需要發(fā)展自動(dòng)抄表（Automatic Meter Reading，AMR）技術(shù)；同時(shí)，對(duì)住宅安全的重視也需要發(fā)展遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)；另外，這也是網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然。目前我國(guó)已經(jīng)有多家有實(shí)力的公司投入到自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研制工作，但是大部分是采用485串行總線，進(jìn)行通訊。由于該總線在實(shí)際工程中存在2個(gè)問(wèn)題：

（1）通信數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性問(wèn)題；

（2）在多機(jī)通信方式下，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障（如死機(jī)），往往會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的通信框架崩潰，而且給故障的排查帶來(lái)困難。

本文所設(shè)計(jì)的基于LonWorks技術(shù)的電表抄表模塊成功地解決了以上2個(gè)問(wèn)題。

2系統(tǒng)組成

表頭采樣模塊主處理器選用AT89C51單片機(jī)，完成電表脈沖信號(hào)采樣、度數(shù)計(jì)算和反饋連動(dòng)。抄表采集器由AT89C51作為主處理器與MCl43150Neuron芯片構(gòu)成的Host-based節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)的次站與LON網(wǎng)絡(luò)連接。采用的Neuron芯片是MCl43150，其片內(nèi)有3個(gè)CPU，即：介質(zhì)訪問(wèn)CPU，網(wǎng)絡(luò)CPU，應(yīng)用CPU。他們與片內(nèi)存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)通信接口、定時(shí)器、I／O口驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)16b地址總線和8 b數(shù)據(jù)總線相連。Neuron芯片有11個(gè)可編程的I／O引腳，并提供4類共34種I／O對(duì)象。通過(guò)引腳的不同配置，為外部硬件提供靈活的接口，實(shí)現(xiàn)不同的I／O對(duì)象。這4類I／O對(duì)象為：直接I／O、并行I／O、串行I／O和計(jì)時(shí)器／計(jì)數(shù)器I／O對(duì)象。

本設(shè)計(jì)將Neuron芯片工作方式配置為從B方式，具體為100～107與AT89C51的P0～P7口相連，經(jīng)此通道AT89C51的管理信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)LonWorks網(wǎng)可以上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及其他LonWorks節(jié)點(diǎn)相互傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1所示。

3 表頭采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

電表表頭模塊的主處理器選用AT89C51單片機(jī)。表頭采集模塊主要負(fù)責(zé)采集能源對(duì)應(yīng)的數(shù)字量（脈沖信號(hào)），由主CPU進(jìn)行處理，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)保存分時(shí)發(fā)送給抄表采集器，通過(guò)收發(fā)器，將相應(yīng)電表的信號(hào)送到LON總線。

本表頭采集模塊主要有以下部分實(shí)現(xiàn)：

（1）信號(hào)采樣電路

目前，市場(chǎng)上的電表基本上為脈沖電表，即輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)。以本系統(tǒng)調(diào)試采用的單相電子式電能表為例。電表輸出的脈沖信號(hào)送到采集模塊，經(jīng)過(guò)光電耦合器開(kāi)關(guān)（如圖2），進(jìn)行信號(hào)隔離，再通過(guò)74LSl4加以整形，然后送到單片機(jī)的外部中斷INT0（P3．2）腳，引起CPU產(chǎn)生一次外部中斷。采用中斷方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)，排除了漏計(jì)的可能。

（2）數(shù)據(jù)保存

當(dāng)有采樣信號(hào)引起中斷，計(jì)數(shù)器工作，當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)到3 200時(shí)，產(chǎn)生一次寫操作，將前一地址單元值加1保存到當(dāng)前地址。存儲(chǔ)器采用可在線電擦除的E2PROM28C17，作者經(jīng)過(guò)巧妙構(gòu)思，在讀時(shí)將28C17當(dāng)作程序存儲(chǔ)器，寫時(shí)當(dāng)作外部RAM，工作性能非常穩(wěn)定，讀寫操作從未出現(xiàn)差錯(cuò)。本系統(tǒng)中定義28C17的地址編碼為7800H～7FFFH，2kB尋址。

（3）日歷時(shí)鐘電路

采樣模塊需要對(duì)系統(tǒng)能進(jìn)行分時(shí)計(jì)數(shù)功能，所以需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘，以完成定時(shí)產(chǎn)生中斷、分時(shí)顯示、獲取時(shí)間和日期等功能，具體選用美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DSl2887。DSl2887是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的完整子系統(tǒng)，其集成度高，內(nèi)部包含有1個(gè)鋰電池、1個(gè)石英晶振和1個(gè)寫保護(hù)電路。本系統(tǒng)采用DSl2887作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，AS，DS，R／W分別與89C51的ALE，RD，WR連接，用P2．6作為片選信號(hào)，所以DSl2887的高位地址為#0BFH，低8位決定著內(nèi)部單元的地址。

（4）斷電處理

當(dāng)出現(xiàn)費(fèi)用超支時(shí)，系統(tǒng)能進(jìn)行自動(dòng)斷電處理。基本原理圖如圖3所示。當(dāng)上位機(jī)端發(fā)現(xiàn)某用戶費(fèi)用超支時(shí)，發(fā)出斷電指令給89C51，89C51通過(guò)給端口置零，經(jīng)反相后，送至8050的B極，引起繼電器動(dòng)作，開(kāi)關(guān)吸合，此時(shí)相當(dāng)于送往電表的開(kāi)關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)斷電。圖中Q1，Q2構(gòu)成達(dá)凌頓管。

（5）顯示模塊

本系統(tǒng)還可以提供液晶顯示器（使用12232點(diǎn)陣液晶屏，提供漢顯），做到實(shí)時(shí)顯示功能，能在抄錄某時(shí)期內(nèi)、某用戶電能表計(jì)數(shù)器窗口累計(jì)的全位示數(shù)。

（6）其他部分

本系統(tǒng)模塊還設(shè)有空余I／O口作為預(yù)留按鍵接口，費(fèi)用報(bào)警功能。

4 抄表采集器的硬件設(shè)計(jì)

抄表采集器的硬件設(shè)計(jì)主要包括處理器電路、AT89C51與MCl43150Neuron芯片之間的通信擴(kuò)展、232串口通信電路、電源電路等。

4．1 主CPU及其外圍擴(kuò)展電路

主CPU采用常規(guī)單片機(jī)89C51，接有l(wèi)片28C64E2PROM作為在線可電擦除存儲(chǔ)器，保存各采樣模塊送來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)。還包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、外部RAM擴(kuò)展、232串口通信電路、電源電路等。

4．2 主CPU和MCl43150Neuron芯片之間的通信接口的設(shè)計(jì)

本抄表采集模塊采用HOST-BASED結(jié)構(gòu)，主CPUAT89C51和從處理器MCl43150Neuron芯片之間的通信實(shí)現(xiàn)采用從B方式。一般來(lái)說(shuō)，并行接口可配置成Neuron芯片工作在主、從A或從B方式，2個(gè)Neuron芯片以主、從A方式接口；而Neuron芯片同非Neuron芯片以從B方式接口，非Neuron芯片充當(dāng)主機(jī)，Neuron芯片工作在從B方式，進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)來(lái)控制指令的執(zhí)行。主從機(jī)交換數(shù)據(jù)期間Neuron芯片暫停應(yīng)用程序的執(zhí)行過(guò)程。每次最多可交換255B數(shù)據(jù)。這種并行I／O接口對(duì)象方式用在快速交換數(shù)據(jù)的場(chǎng)合是非常有用的。Neuron芯片能充當(dāng)外部處理器的協(xié)處理器，產(chǎn)生一個(gè)網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)或路由器。說(shuō)明了Neuron芯片在并行接口對(duì)象時(shí)的典型應(yīng)用。從B方式屬于并行I／O對(duì)象，本系統(tǒng)使用MCl43150Neuron芯片的所有11只腳，其中MCl43150的I／O0～I(xiàn)／O7是8b雙向數(shù)據(jù)線，I／O8～I(xiàn)／O10是3b控制信號(hào)線。借助令牌傳遞／握手協(xié)議，實(shí)現(xiàn)MCl43150Neuron芯片與主處理器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。相對(duì)主CPU而言，MCl43150Neuron芯片相當(dāng)于一個(gè)有著8 b數(shù)據(jù)線、3b控制線的并行I／O設(shè)備。

在主CPU的地址空間，作者把3150芯片當(dāng)作2個(gè)寄存器，一個(gè)是讀、寫數(shù)據(jù)寄存器，另一個(gè)是控制寄存器。主機(jī)通過(guò)對(duì)這2個(gè)寄存器的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與3150芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。控制寄存器的最低位有效位（通過(guò)IO0讀取），就是握手HS位，主機(jī)通過(guò)對(duì)控制寄存器的訪問(wèn)獲得3150芯片反饋的握手應(yīng)答。3150芯片接收IO8作為片選信號(hào)CS，接收IO9以確信主機(jī)的讀、寫操作，接收IO10作為寄存器的選擇輸入A0（A0是主機(jī)地址總線的最低有效位）。出現(xiàn)下列2種情況時(shí)，IO0～I(xiàn)O7構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)總線：

（1）CS維持低，IO10為高，R／W為低；

（2）CS維持低，IO10為低，R／W為高或低。

如果CS維持低，IO10為高，R／W為高，IO0輸出的是給主機(jī)的握手應(yīng)答信號(hào)。另外，在從B方式中，主機(jī)要監(jiān)視HS的狀態(tài)。可能有這樣一種情況，從機(jī)未能及時(shí)設(shè)置好HS狀態(tài)，而此時(shí)主機(jī)已經(jīng)在線并輪詢HS。為避免在這種情況下主機(jī)讀取HS的無(wú)效狀態(tài)，本系統(tǒng)在HS引腳上加上了上拉電阻，如圖4所示。

4．3 Lon網(wǎng)絡(luò)接口

作者采用了支持FTT-10A自由拓補(bǔ)雙絞線收發(fā)器的Control Module作為采集器與LonWorks總線的接口。FTT-10A收發(fā)器主體是一個(gè)隔離變壓器，該變壓器集成了一個(gè)78kb／s差分曼徹斯特編碼通信收發(fā)器。FTT-10A收發(fā)器能自動(dòng)檢測(cè)5M，10M或20M三種時(shí)鐘頻率，他在未加電時(shí)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)通信，是常用的收發(fā)器之一。FTT-10A收發(fā)器提供了與神經(jīng)元通信芯片接口和網(wǎng)絡(luò)接口的引腳。

4．4 其他電路設(shè)計(jì)

本采集器的硬件部分設(shè)計(jì)還包括電源、抗干擾設(shè)計(jì)等，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境一般來(lái)說(shuō)較為惡劣，存在多種干擾。為保證通訊的準(zhǔn)確無(wú)誤，延長(zhǎng)硬件使用壽命，本智能適配器除采用通常的供電和接地抗干擾措施外，主要是要避免和消除來(lái)自網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的靜電泄放和電磁干擾。印刷電路板設(shè)計(jì)中應(yīng)提供一個(gè)導(dǎo)人大地的通道，還要不致引起整個(gè)PCB電壓的升降，具體采用火花放電隙和箝位二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)充分利用了Echelon公司的一系列產(chǎn)品和工具，完成了抄表采集模塊的硬件設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與神經(jīng)元芯片的并行通信。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明該模塊具有較高的可靠性。并且該模塊已經(jīng)在我校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安裝調(diào)試，取得了良好的效果。

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