手工抄表效率低下，在查詢、記錄、傳輸這幾個環(huán)節(jié)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(tǒng)為基礎(chǔ)的抄表機的應(yīng)用，在電表定位查詢、電量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理方面發(fā)揮著巨大的作用，并且比集中抄表遠程傳輸更節(jié)約成本。
基于P89LPC932微處理器，新型紅外抄表系統(tǒng)與已有的同類系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)。
1 抄表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
紅外抄表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由二部分構(gòu)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(shù)據(jù)，并可根據(jù)功率因數(shù)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(shù)據(jù)記錄下來，在停電時保持數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲到抄表終端中，然后抄表終端通過串口將存儲的數(shù)據(jù)傳給計算機進行處理。
2 多功能電度表的設(shè)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(nèi)含增強型CPU，同一工作頻率下的速度為標(biāo)準(zhǔn)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(zhí)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(qū)動到5.5V。（3）8KB的Flash程序存儲器，具有可擦除扇區(qū)，提供ISP和IAP編程功能。（4）256B的RAM數(shù)據(jù)存儲器，512B的附加片內(nèi)RAM。（5）512B的E2PROM存儲區(qū)，可以存放序列碼及設(shè)置參數(shù)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(qū)動能力，可以方便地驅(qū)動數(shù)碼管。
2.1 功率因數(shù)和用電信號的測量
在多功能電度表中，主要的測量參數(shù)是功率因數(shù)和用電信號。根據(jù)這2個參數(shù)可計算出有功功率、無功功率、用電量、電費等多項數(shù)據(jù)。測量這2個參數(shù)的硬件電路如圖3所示。
當(dāng)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(shè)二者的的相位差為？漬＝φu－φi，則cosφ就是功率因數(shù)。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(shù)，進而可以求出其他的數(shù)據(jù)。
如圖3所示，經(jīng)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(wěn)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(shù)的具體測量原理：設(shè)置比較器的控制寄存器CMP1和CMP2，并使能2個比較器，當(dāng)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(nèi)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(jīng)改裝或采用專用電能計量芯片產(chǎn)生，本文只討論用電脈沖的處理問題。將已經(jīng)產(chǎn)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(shè)置CPU的P2.7為輸入狀態(tài)。當(dāng)管腳產(chǎn)生捕獲事件時，定時器的內(nèi)容就會傳送到相應(yīng)的16位輸入捕獲寄存器ICRAL中。CPU通過讀取ICRAL中的內(nèi)容就可以精確地得到捕獲時間。
電度表的所有數(shù)據(jù)處理后都存入到P89LPC932內(nèi)部的E2PROM中，以保證斷電后數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)抄表時，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送給手持抄表終端。
2.2 紅外通信方式的實現(xiàn)
紅外無線通信一般采用IrDA（Infrared Data Association）作為其通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。按IrDA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(shù)米。在紅外抄表系統(tǒng)中，由于傳輸?shù)男畔⒘枯^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(yīng)用中，為了增強抗干擾能力，延長通信距離，一般都要對發(fā)射信號進行調(diào)制，接收電路對信號進行選頻接收和解調(diào)。紅外收發(fā)接口電路如圖4所示。紅外發(fā)射的數(shù)據(jù)信號通過Q1輸出，調(diào)制載波信號則通過Q2輸出，最后由紅外發(fā)射管D1將調(diào)制好的信號發(fā)射出去；接收模塊由通用的38kHz紅外遙控接收模塊構(gòu)成，接收模塊對接收到的紅外信號進行選頻接收，并解調(diào)輸出。
為了利用紅外遙控器件實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，通信雙方要制定好相關(guān)的通信協(xié)議，因此在該模塊的電路連接上，將紅外通信的接收和發(fā)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(yōu)點是：用熟悉的串口通信代替相對復(fù)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(tǒng)中采用的通信方式是從結(jié)構(gòu)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(tǒng)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?shù)目煽啃?，在幀校驗的基礎(chǔ)上，可采用除地址域外的其他數(shù)據(jù)域取反重發(fā)的方法。當(dāng)判斷出錯或受到其他紅外線的干擾時，則請求重發(fā)信息幀。由于發(fā)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(fā)自收的情況。
3 手持抄表終端的設(shè)計
手持抄表終端要完成的主要功能是紅外無線抄表、數(shù)據(jù)存儲和上傳數(shù)據(jù)給PC機等。由于抄表終端是手持設(shè)備，只能采用電池供電，故設(shè)備有很高的低功耗設(shè)計要求，待機電流應(yīng)非常小，而且存儲的數(shù)據(jù)要安全可靠。
由于P89LPC932不僅功能強，內(nèi)部有豐富的存儲單元，而且當(dāng)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(nèi)部有512B的附加片內(nèi)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(shù)據(jù)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(yīng)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(tài)，一旦有按鍵就會通過鍵盤中斷喚醒CPU。
手持抄表終端與計算機的通信可采用有線串口或無線串口的方式通行工作。有線串口是在手持抄表終端中增加1片MAX232實現(xiàn)與計算機的串口通信，無線串口則是在計算機一端增加1個裝置，將手持抄表終端發(fā)射的紅外信號轉(zhuǎn)化為RS-232電平信號傳給計算機，或?qū)⒂嬎銠C送來的數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)送給手持抄表終端。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)已完成設(shè)計和制作，正在進行實際測試。該系統(tǒng)的最大特點是充分利用了P89LPC932微處理器功耗低、功能強大的優(yōu)勢，結(jié)合簡單實用的紅外通信技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低、使用和維護方便。