摘 要： 一種基于P89LPC932微處理器的新型紅外抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了抄表系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、多功能電度表的設(shè)計(jì)及手持抄表終端的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 紅外通信 抄表系統(tǒng) 多功能電度表 手持抄表終端
設(shè)計(jì)一個(gè)抄表系統(tǒng)時(shí)，最關(guān)鍵的技術(shù)是抄表的方式。目前，電度表的抄表方式主要有：人工抄表、低壓電力線載波抄表、現(xiàn)場總線或RS－485總線抄表、手持終端（電腦）人工抄表。手持終端（電腦）人工抄表是一種較理想的社區(qū)抄表方式。它具有系統(tǒng)簡單、數(shù)據(jù)可靠完整、操作方便、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，抄表省時(shí)、省力，可避免誤抄。手持終端與電度表間的通信可采用無線通信或紅外通信，廣泛采用的是紅外通信。
本文結(jié)合已有的技術(shù)，基于P89LPC932微處理器，提出了一種新型紅外抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(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(diǎn)，可進(jìn)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(jìn)行通信。多功能電度表在單片機(jī)的控制下，可測量多種用電數(shù)據(jù)（如用電的功率、用電功率因數(shù)、用電量等），并可根據(jù)功率因數(shù)的不同按不同比率計(jì)算電費(fèi)。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(shí)保持?jǐn)?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(jìn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。多功能電度表和手持抄表終端的單片機(jī)均采用Philips公司最近生產(chǎn)的P89LPC932。該單片機(jī)不僅功能強(qiáng)大，而且接口簡單，處理速度快，價(jià)格低廉，功耗小，內(nèi)部集成了多個(gè)系統(tǒng)級功能部件。這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特色之一。
2 多功能電度表的設(shè)計(jì)
多功能電度表由P89LPC932單片機(jī)、紅外通信模塊、顯示模塊和信號采集模塊等組成。其中起關(guān)鍵作用的是單片機(jī)P89LPC932。P89LPC932的管腳如圖2所示。
P89LPC932主要特性：(1)指令執(zhí)行速度快。在同一時(shí)鐘頻率下，其速度為標(biāo)準(zhǔn)80C51的6倍。(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(gè)模擬比較器，可以選擇輸入和參考源。（8）8個(gè)鍵盤中斷。在掉電情況下可以通過鍵盤中斷喚醒CPU。（9）增強(qiáng)型UART。具有波特率發(fā)生器、幀錯(cuò)誤檢測、自動地址識別和通用中斷等功能。(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。
在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，最大限度地開發(fā)了P89LPC932本身的功能，盡量以軟件代替硬件，各種計(jì)算和數(shù)據(jù)處理都在CPU內(nèi)部完成，故各部分硬件電路都比較簡單，降低了成本和體積。以下是幾個(gè)主要模塊電路的實(shí)現(xiàn)原理。
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(gè)參數(shù)可計(jì)算出有功功率、無功功率、用電量、電費(fèi)等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。測量這2個(gè)參數(shù)的硬件電路如圖3所示。
當(dāng)市電的負(fù)載不是純電阻性負(fù)載時(shí)，流過負(fù)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(jì)算cosφ，就可以求出功率因數(shù)，進(jìn)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(gè)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(gè)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(hù)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(gè)比較器，當(dāng)正向輸入大于參考電壓時(shí)，輸出為“1”（必須從寄存器中讀出），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(jìn)行比較操作，就可以得出2路信號相差的時(shí)間間隔t，進(jìn)而得到?漬、cosφ。
用電脈沖可由機(jī)械式電表經(jīng)改裝或采用專用電能計(jì)量芯片產(chǎn)生(在此不作討論)，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（ICECA2、ICECA1、ICECA0）選擇輸入捕獲邊沿，此時(shí)必須設(shè)置CPU的P2.7為輸入狀態(tài)（高阻）。當(dāng)管腳產(chǎn)生捕獲事件時(shí)，定時(shí)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(shí)間。采用這種方法，不僅可以計(jì)算用電脈沖，而且可以計(jì)算用電脈沖的占空比，將不符合占空比的干擾脈沖濾除，實(shí)現(xiàn)軟件抗干擾措施。
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(shí)，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(shí)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(jì)的紅外通信接口具有通信速度快、通用性好的特點(diǎn)，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(yuǎn)些。
本文提出了一種利用紅外遙控器件實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離無線通信的低成本、高可靠性的方案。在實(shí)際應(yīng)用中，為了增強(qiáng)抗干擾能力，延長通信距離，一般都要對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，接收電路對信號進(jìn)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(jìn)行選頻接收，并解調(diào)輸出。紅外發(fā)射的38kHz載波信號由P89LPC932的CCU模塊產(chǎn)生，從P2.6/OCA輸出控制Q1。
為了利用紅外遙控器件實(shí)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，即要對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼。由于紅外通信方式與串行通信方式類似，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(gè)引腳RXD和TXD上。采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)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(shí)際上是紅外通信。這樣處理也有助于單片機(jī)和PC機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)中采用的通信方式是主-從結(jié)構(gòu)異步串行多機(jī)通信方式，手持抄表終端是主站，多功能電度表是從站，每個(gè)多功能電度表都有惟一的地址編碼。通信鏈路的建立和解除均由主站發(fā)出的信息幀來控制。
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?yàn)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(cuò)或受到其他紅外線的干擾時(shí)，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，即發(fā)射與接收不同時(shí)進(jìn)行，否則就會造成自發(fā)自收的情況，干擾正常的通信。
3 手持抄表終端的設(shè)計(jì)
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(jī)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(jì)要求，待機(jī)電流應(yīng)非常小，而且存儲的數(shù)據(jù)要安全可靠。
針對這些要求(主要是低功耗設(shè)計(jì)要求)，在手持抄表終端的軟、硬件設(shè)計(jì)上做了一些考慮。由于P89LPC932不僅功能強(qiáng)，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(shí)，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(kuò)展片外存儲器。抄表時(shí)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。P89LPC932提供了對Flash存儲器的擦寫操作。
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(jì)算機(jī)的通信方面。由于P89LPC932提供了鍵盤中斷功能（一有鍵按下，硬件就會自動產(chǎn)生一個(gè)鍵盤中斷），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。為了省電，手持抄表終端在沒有按鍵操作時(shí)，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，執(zhí)行相應(yīng)操作。
手持抄表終端與計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的串口通信，但平時(shí)這部分電路不供電，只有需要通信時(shí)才供電。無線串口則是在計(jì)算機(jī)一端增加1個(gè)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(jì)算機(jī)，或?qū)⒂?jì)算機(jī)送來的數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)送給手持抄表終端（這也是前面提到的紅外通信采用串口通信協(xié)議的原因之一）。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)已完成設(shè)計(jì)和制作，正在進(jìn)行實(shí)際測試。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是充分利用了P89LPC932微處理器功耗低、功能強(qiáng)大的優(yōu)勢，結(jié)合簡單實(shí)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(hù)方便。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜合了多種技術(shù)，為抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新的方案，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。
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