摘 要： 一種基于P89LPC932微處理器的新型紅外抄表系統(tǒng)的設計，介紹了抄表系統(tǒng)的總體結構、多功能電度表的設計及手持抄表終端的設計。
關鍵詞： 紅外通信 抄表系統(tǒng) 多功能電度表 手持抄表終端
設計一個抄表系統(tǒng)時，最關鍵的技術是抄表的方式。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、維護費用低等特點，抄表省時、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。
本文結合已有的技術，基于P89LPC932微處理器，提出了一種新型紅外抄表系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)與已有的同類系統(tǒng)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(shù)據(jù)。
1 抄表系統(tǒng)的總體結構
紅外抄表系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示，系統(tǒng)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(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。多功能電度表和手持抄表終端的單片機均采用Philips公司最近生產(chǎn)的P89LPC932。該單片機不僅功能強大，而且接口簡單，處理速度快，價格低廉，功耗小，內部集成了多個系統(tǒng)級功能部件。這是系統(tǒng)設計的特色之一。
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。其中起關鍵作用的是單片機P89LPC932。P89LPC932的管腳如圖2所示。
P89LPC932主要特性：(1)指令執(zhí)行速度快。在同一時鐘頻率下，其速度為標準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RAM。(5)512B的E2PROM存儲區(qū)，可以存放序列碼及設置參數(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。在掉電情況下可以通過鍵盤中斷喚醒CPU。（9）增強型UART。具有波特率發(fā)生器、幀錯誤檢測、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的驅動能力，可以方便地驅動數(shù)碼管。
在該系統(tǒng)的設計過程中，最大限度地開發(fā)了P89LPC932本身的功能，盡量以軟件代替硬件，各種計算和數(shù)據(jù)處理都在CPU內部完成，故各部分硬件電路都比較簡單，降低了成本和體積。以下是幾個主要模塊電路的實現(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(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”（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，就可以得出2路信號相差的時間間隔t，進而得到?漬、cosφ。
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(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，此時必須設置CPU的P2.7為輸入狀態(tài)（高阻）。當管腳產(chǎn)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。采用這種方法，不僅可以計算用電脈沖，而且可以計算用電脈沖的占空比，將不符合占空比的干擾脈沖濾除，實現(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內部的E2PROM中，以保證斷電后數(shù)據(jù)不丟失。當抄表時，將相應的數(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(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。
本文提出了一種利用紅外遙控器件實現(xiàn)較遠距離無線通信的低成本、高可靠性的方案。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(fā)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(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，調制載波信號則通過Q2輸出，最后由紅外發(fā)射管D1將調制好的信號發(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。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現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，通信雙方要制定好相關的通信協(xié)議，即要對數(shù)據(jù)進行編碼和解碼。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。這樣處理也有助于單片機和PC機之間的串行數(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。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?，在幀校驗的基礎上，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，即發(fā)射與接收不同時進行，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(shù)據(jù)要安全可靠。
針對這些要求(主要是低功耗設計要求)，在手持抄表終端的軟、硬件設計上做了一些考慮。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(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算機的通信方面。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，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)行相應操作。
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，但平時這部分電路不供電，只有需要通信時才供電。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)射的紅外信號轉化為RS-232電平信號傳給計算機，或將計算機送來的數(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 結束語
本系統(tǒng)已完成設計和制作，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，結合簡單實用的紅外通信技術和軟件抗干擾技術，因而系統(tǒng)結構簡單、可靠性高、成本低、使用和維護方便。該系統(tǒng)的設計綜合了多種技術，為抄表系統(tǒng)的設計提供了一種新的方案，可供設計時參考。
參考文獻
1 王勇，徐在雄.漫射紅外通信系統(tǒng)設計及其抗干擾技術.北京郵電大學學報，2001；（2）
2 曹長江.一種多用戶用電實時抄表系統(tǒng)的設計.測控技術， 2001；（2）
3 Philips Semiconductors.P89LPC932 Datasheet. http：// www.semiconductors.philips.com，2003
4 周立功.LPC900系列Flash單片機應用技術.廣州周立功單片機發(fā)展有限公司，2003