一種基于微處理器的新型紅外抄表系統的設計 - 全文

手工抄表效率低下，在查詢、記錄、傳輸這幾個環節上，手工操作的方式使工作效率大大降低。因此，該局開始尋找更有效的抄表解決方案。以電力營銷管理信息系統為基礎的抄表機的應用，在電表定位查詢、電量數據的采集、傳輸、處理方面發揮著巨大的作用，并且比集中抄表遠程傳輸更節約成本。

　　基于P89LPC932微處理器，新型紅外抄表系統與已有的同類系統相比，具有結構簡單、功耗和成本低的特點，可進行多電量測量，并能長期保存數據。

　　1? 抄表系統的總體結構

　　紅外抄表系統的總體結構框圖如圖1所示，系統由二部分構成：多功能電度表和手持抄表終端，二者通過紅外線進行通信。多功能電度表在單片機的控制下，可測量多種用電數據，并可根據功率因數的不同按不同比率計算電費。多功能電度表能將得到的各種數據記錄下來，在停電時保持數據不丟失。手持抄表終端可通過紅外線對多功能電度表進行抄表，將電度表中保存的各種數據存儲到抄表終端中，然后抄表終端通過串口將存儲的數據傳給計算機進行處理。

　　2? 多功能電度表的設計

　　多功能電度表由P89LPC932單片機、紅外通信模塊、顯示模塊和信號采集模塊等組成。Ｐ８９ＬＰＣ９３２是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司推出的高性價比單片機，該器件內含增強型ＣＰＵ，同一工作頻率下的速度為標準８０Ｃ５１單片機的６倍。P89LPC932的管腳如圖2所示。

　　P89LPC932主要特性：（1）指令執行速度快。（2）操作電壓范圍為2.4～3.6V，I/O口可承受5V，可上拉或驅動到5.5V。（3）8KB的Flash程序存儲器，具有可擦除扇區，提供ISP和IAP編程功能。（4）256B的RAM數據存儲器，512B的附加片內RAM。（5）512B的E2PROM存儲區，可以存放序列碼及設置參數等。（6）捕獲/比較單元（CCU）提供PWM，輸入捕獲和輸出比較功能。（7）2個模擬比較器，可以選擇輸入和參考源。（8）8個鍵盤中斷。（9）增強型UART。（10）具有I2C和SPI二種串行通信接口。（11）提供空閑和掉電模式，典型掉電電流僅為1μA，極大地降低了功耗。（12）所有的口線均有20mA的驅動能力，可以方便地驅動數碼管。

　　2.1 功率因數和用電信號的測量

　　在多功能電度表中，主要的測量參數是功率因數和用電信號。根據這2個參數可計算出有功功率、無功功率、用電量、電費等多項數據。測量這2個參數的硬件電路如圖3所示。

當市電的負載不是純電阻性負載時，流過負載的電壓和電流就存在相位差，設二者的的相位差為？漬＝φu－φi，則cosφ就是功率因數。因此只要比較出電壓和電流在相位上的差φ，再由P89LPC932通過查表和插值法計算cosφ，就可以求出功率因數，進而可以求出其他的數據。

　　如圖3所示，經電壓互感器和電流互感器降壓后所得的電壓和電流信號分別輸入到P89LPC932的2個輸入比較引腳，即P0.4/CIN1A和P0.2/CIN2A，而參考電壓（約為1.4V）由5V電源通過2個電阻分壓得到。圖3中：電容C1起到濾除干擾脈沖的作用，保證參考電壓的穩定；二極管起箝位的作用，保護P89LPC932免受外界過壓或過流的影響。

　　功率因數的具體測量原理：設置比較器的控制寄存器CMP1和CMP2，并使能2個比較器，當正向輸入大于參考電壓時，輸出為“1”，其他情況輸出為“0”。這樣2路信號在CPU內部整形成近似方波，通過對不同情況下的輸入進行比較操作。

　　用電脈沖可由機械式電表經改裝或采用專用電能計量芯片產生，本文只討論用電脈沖的處理問題。將已經產生的用電脈沖直接輸入到CPU的輸入捕獲引腳P2.7/ICA，捕獲事件由CCCRA寄存器的高3位選擇輸入捕獲邊沿，此時必須設置CPU的P2.7為輸入狀態。當管腳產生捕獲事件時，定時器的內容就會傳送到相應的16位輸入捕獲寄存器ICRAL中。CPU通過讀取ICRAL中的內容就可以精確地得到捕獲時間。

　　電度表的所有數據處理后都存入到P89LPC932內部的E2PROM中，以保證斷電后數據不丟失。當抄表時，將相應的數據傳送給手持抄表終端。

　　2.2 紅外通信方式的實現

　　紅外無線通信一般采用IrDA（Infrared Data Association）作為其通信技術標準。按IrDA標準設計的紅外通信接口具有通信速度快、通用性好的特點，但傳輸距離較近，一般僅有數米。在紅外抄表系統中，由于傳輸的信息量較少，故對通信速度要求不是很高，但要求傳輸距離盡量遠些。

　　在實際應用中，為了增強抗干擾能力，延長通信距離，一般都要對發射信號進行調制，接收電路對信號進行選頻接收和解調。紅外收發接口電路如圖4所示。紅外發射的數據信號通過Q1輸出，調制載波信號則通過Q2輸出，最后由紅外發射管D1將調制好的信號發射出去；接收模塊由通用的38kHz紅外遙控接收模塊構成，接收模塊對接收到的紅外信號進行選頻接收，并解調輸出。

　　為了利用紅外遙控器件實現無線數據通信，通信雙方要制定好相關的通信協議，因此在該模塊的電路連接上，將紅外通信的接收和發射信號線直接連到CPU串行通信的2個引腳RXD和TXD上。采用這種方式的優點是：用熟悉的串口通信代替相對復雜的紅外解碼操作十分簡便，表面上CPU是和串口通信，實際上是紅外通信。本系統中采用的通信方式是從結構異步串行多機通信方式，手持抄表終端是主站，多功能電度表是從站，每個多功能電度表都有惟一的地址編碼。

　　在抄表系統的通信過程中，可采用如表1所示的信息幀傳輸格式。

　　為了提高傳輸的可靠性，在幀校驗的基礎上，可采用除地址域外的其他數據域取反重發的方法。當判斷出錯或受到其他紅外線的干擾時，則請求重發信息幀。由于發送和接收模塊在印制板上相互距離比較近，通信過程中必須采用半雙工通信方式，否則就會造成自發自收的情況。

　　3? 手持抄表終端的設計

　　手持抄表終端要完成的主要功能是紅外無線抄表、數據存儲和上傳數據給PC機等。由于抄表終端是手持設備，只能采用電池供電，故設備有很高的低功耗設計要求，待機電流應非常小，而且存儲的數據要安全可靠。

　　由于P89LPC932不僅功能強，內部有豐富的存儲單元，而且當其工作在完全掉電模式時，功耗僅為1μA，故手持抄表終端的CPU選用P89LPC932是較為理想的。P89LPC932內部有512B的附加片內RAM，512B的用戶E2PROM，還有8KB的Flash存儲器，完全不需要再擴展片外存儲器。抄表時所得的數據一般可以保存在E2PROM，若容量不夠，也可以將其保存在未用完的Flash存儲器中。

　　手持抄表終端的紅外通信模塊與多功能電度表的相同，不同之處主要是在鍵盤以及與計算機的通信方面。由于P89LPC932提供了鍵盤中斷功能，因此手持抄表終端的鍵盤接口非常簡單，只需將按鍵接到相應的鍵盤中斷引腳即可，具體連接如圖5所示。手持抄表終端在沒有按鍵操作時，CPU處于完全掉電狀態，一旦有按鍵就會通過鍵盤中斷喚醒CPU。