目前，我國(guó)城市居民的水表和熱量表數(shù)據(jù)基本上都是人工抄收，然后月底結(jié)算。這種方式不僅要消耗大量的人力物力，而且抄收時(shí)間長(zhǎng)、精度低，不利于管理部門實(shí)時(shí)掌握用戶的用水或用熱情況，因此需要一種智能的抄表系統(tǒng)，完成對(duì)表內(nèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集[1]。集中器在抄表系統(tǒng)中占有非常重要的地位，現(xiàn)有市場(chǎng)上的集中器大部分帶負(fù)載能力差，每個(gè)通信線路負(fù)載帶有60個(gè)，一個(gè)集中器有2路MBUS最多帶120個(gè)表。隨著高層建筑越來(lái)越多，每戶使用的表計(jì)數(shù)量不斷增加，集中器帶負(fù)載能力差的缺點(diǎn)越來(lái)越突出，這大大增加了抄表系統(tǒng)的設(shè)備成本，因此設(shè)計(jì)一種帶負(fù)載能力強(qiáng)的集中器非常有必要。本文設(shè)計(jì)的集中器帶有4路MBUS總線，每路至少可帶100個(gè)負(fù)載。

1 集中器工作原理
    集中器主要完成定時(shí)抄表和直抄兩個(gè)功能。定時(shí)抄表是指集中器在設(shè)定抄表時(shí)間啟動(dòng)抄表程序，并把抄收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中，等待上位機(jī)查詢。直抄是指當(dāng)集中器接收到來(lái)自上位機(jī)的抄表命令之后立刻開(kāi)始抄收指定地址的表計(jì)，將抄收的表數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)。圖1是集中器系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)主要由主控制器、時(shí)鐘模塊、電源模塊、GPRS模塊、RS485模塊、MBUS主站模塊、存儲(chǔ)模塊組成。主控制器采用PIC16F946, 該芯片有10位8通道的A/D 轉(zhuǎn)換器;2個(gè)帶8位可編程可預(yù)分頻的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和1個(gè)16位增強(qiáng)型的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器; 2個(gè)捕捉、比較和PWM模塊;寬工作電壓范圍[2]。系統(tǒng)中時(shí)鐘模塊為系統(tǒng)提供時(shí)間,以便于定時(shí)抄表。GPRS模塊提供集中器和上位機(jī)的無(wú)線通信，RS485電路用來(lái)完成集中器的級(jí)聯(lián)功能，當(dāng)集中器與集中器距離很近時(shí)，通過(guò)RS485總線完成級(jí)聯(lián)，共用一個(gè)GPRS模塊，以便節(jié)省成本。存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)抄表數(shù)據(jù)信息及系統(tǒng)參數(shù)。4路MBUS主站模塊用于集中器和表計(jì)連接，完成對(duì)表計(jì)的數(shù)據(jù)抄收。

2 MBUS總線
    由于水表或者熱量表都是電池供電，為了延長(zhǎng)電池使用壽命，表內(nèi)主電路使用光電隔離器與通信電路隔離。通信電路由總線供電。水表或熱表抄表系統(tǒng)通信大部分采用MBUS總線，它是一種二線制無(wú)序總線，既給表計(jì)提供電源又用來(lái)傳輸信號(hào),大大節(jié)省了布線成本。圖2是MBUS總線連接圖,通信系統(tǒng)分為從站和主站，從站并接到總線上。

    MBUS總線協(xié)議規(guī)定了通信協(xié)議的物理層，對(duì)其他通信層沒(méi)有涉及。它是一種半雙工通信總線,通信時(shí)采用主從方式。MBUS 總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位定義如下:(1)由主站向從站傳輸?shù)男盘?hào)采用電壓值的變化來(lái)表示, 即主站向從站發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電壓脈沖序列, 用+36 V表示邏輯1，用+24 V表示邏輯 0。在穩(wěn)態(tài)時(shí),線路將保持邏輯1狀態(tài),圖3(a)所示是由主站向終端從站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流圖。(2)從站向主站傳輸?shù)男盘?hào)采用電流值的變化來(lái)表示, 即由從站向主站發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電流脈沖序列, 通常用1.5 mA的電流值表示邏輯1,當(dāng)傳輸0時(shí),由從站控制使電流值增加11~20 mA。圖3(b)所示是由從站向主站傳輸數(shù)據(jù)的碼流圖[3]。

3 主站信號(hào)收發(fā)電路
    由于總線需要給從站節(jié)點(diǎn)供電，因此電源需要有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗2~3 mA，當(dāng)100個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)需要的電流在0.2~0.3 A。
    系統(tǒng)采用12 V直流供電,通過(guò)LM7805降壓到5 V直流；將12 V直流升壓到36 V,通過(guò)78M24得到24 V。升壓電路采用電壓芯片F(xiàn)P5138，配合幾個(gè)元器件就可以升壓到36 V。該芯片輸入電壓1.8~15 V。提供高精度的電壓輸出，輸出誤差在2%以內(nèi)。工作頻率在50 kHz~1 MHz,并且有短路保護(hù)功能。
    升壓電路如圖4所示，OUT引腳為PWM波形輸出，直接驅(qū)動(dòng)MOS管；FB引腳為電壓反饋輸入；CTL 引腳為輸出電流大小控制，電阻越大，輸出電流越小，當(dāng)斷開(kāi)時(shí)，芯片不工作，可以用該電阻控制芯片處于正常工作模式或待機(jī)模式；SCP引腳外接電容電阻來(lái)決定內(nèi)部振蕩頻率；COMP引腳用來(lái)對(duì)內(nèi)部比較器補(bǔ)償；COSC引腳連接電容，用于電源的軟啟動(dòng)，系統(tǒng)上電后開(kāi)始給電容C2充電，當(dāng)充電電壓到達(dá)0.8 V時(shí)，引腳OUT開(kāi)始輸出。圖4中輸出電壓為:
       VOUT=(1+R4/R3)×0.5=(1+69)×0.5=35 V

    集中器的主要功能是通過(guò)MBUS總線連接智能表計(jì)，采集儀表內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，因此能否正確與表計(jì)通信是整個(gè)系統(tǒng)的核心。發(fā)送電路如圖5所示。

    圖5中，Vout為12 V直流升壓后得到的35 V直流，然后通過(guò)78M24轉(zhuǎn)換為24 V。TXD為單片機(jī)串行口發(fā)送引腳，當(dāng)TXD為高電平時(shí)，三極管Q102導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管Q105導(dǎo)通，總線上輸出35 V直流，為邏輯高電平。當(dāng)TXD為低電平時(shí)，Q102不導(dǎo)通而Q105截止，24 V直流經(jīng)過(guò)D102連接總線，總線為邏輯低電平。MBUS采用兩線制，MBUS發(fā)送電路接一根線，另外一根線連接MBUS接收電路。
　MBUS從站到主站發(fā)送的數(shù)據(jù)碼流是一種電流脈沖序列。邏輯1對(duì)應(yīng)的最大電流可達(dá)到1.5 mA的穩(wěn)態(tài)電流，邏輯0對(duì)應(yīng)的電流是在邏輯1對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流基礎(chǔ)上額外增加11~20 mA。如何識(shí)別電流脈沖序列是成功接收從機(jī)回傳數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。
    MBUS接收電路如圖6所示。接收電路中MBUS總線經(jīng)過(guò)R5、R6電阻分壓之后連接到單片機(jī)的AD1引腳，單片機(jī)通過(guò)測(cè)量分壓點(diǎn)的電壓得到穩(wěn)態(tài)時(shí)比較器反相端2引腳的電壓。比較器的同相端3引腳連接電容然后通過(guò)R1連接單片機(jī)的PWM引腳，并通過(guò)電阻R2、R3分壓后接單片機(jī)的AD2引腳，用于測(cè)量比較器同相端3引腳的電壓。
    系統(tǒng)上電后，總線給從機(jī)通信電路供電，由于負(fù)載的個(gè)數(shù)以及負(fù)載的特性等原因,在R7上的壓降會(huì)有所不同，這也是很多MBUS接收電路當(dāng)負(fù)載特性或個(gè)數(shù)有變化時(shí)不能正確抄收數(shù)據(jù)的原因。該電路上電后，先測(cè)量R4與R7之間的電壓，計(jì)算出比較器2引腳的電壓。然后控制PWM輸出給電容C1充電，并不斷采集AD2點(diǎn)的電壓，使比較器3引腳電壓大于比較器2引腳電壓，而略小于當(dāng)總線中傳輸數(shù)字0時(shí)比較器2引腳的電壓。該電壓作為比較器的基準(zhǔn)電壓?；鶞?zhǔn)電壓根據(jù)AD1點(diǎn)的電壓不同而不同，建立一個(gè)表格存儲(chǔ)到單片機(jī)存儲(chǔ)器中，以備查詢。當(dāng)從站返回電流脈沖序列時(shí)，改變了比較器2引腳的電壓，通過(guò)與基準(zhǔn)電壓相比較，OUT1引腳輸出電壓脈沖序列。經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換為0~5 V信號(hào)后，接單片機(jī)的串口接收引腳。由于軟件根據(jù)AD1點(diǎn)的電壓實(shí)時(shí)調(diào)整比較器3引腳的基準(zhǔn)電壓，使該接收電路適應(yīng)能力大大增強(qiáng)[4]。
     在通信過(guò)程中，因?yàn)锳D1點(diǎn)電壓值不斷改變，因此當(dāng)集中器通過(guò)總線向表計(jì)發(fā)送數(shù)據(jù)前，停止AD1點(diǎn)的電壓采樣。當(dāng)接收到從站數(shù)據(jù)返回之后，重新啟動(dòng)對(duì)AD1點(diǎn)的電壓采樣。每隔1 s根據(jù)AD1點(diǎn)不同的電壓，更新一次基準(zhǔn)電壓。
4 從站信號(hào)收發(fā)電路
    從站MBUS信號(hào)的收發(fā)主要由集成芯片TSS721A完成。TSS721A是TI公司專為MBUS總線開(kāi)發(fā)的從站收發(fā)芯片,執(zhí)行異步半雙工通信協(xié)議,波特率最大為9 600 b/s。發(fā)送器的通信電流大小可通過(guò)電阻編程來(lái)調(diào)節(jié)。如圖7所示，JP1連接MBUS總線，VDD引腳輸出3.3 V電壓。當(dāng)總線有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，芯片將識(shí)別電壓脈沖序,從TX引腳輸出數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)光電隔離器隔離后，連接單片機(jī)的串口接收引腳RXD1。當(dāng)從站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)從單片機(jī)串口發(fā)送引腳TXD1輸出，通過(guò)隔離后連接到TSS721A的接收引腳RX,然后通過(guò)TSS721A內(nèi)部轉(zhuǎn)換為電流脈沖序列輸出。

5 無(wú)線GPRS通信
    GPRS 模塊采用深圳有方的M590E,它是一款多功能無(wú)線通信模塊，支持GSM850/1 900 MHz頻段,支持頻段自動(dòng)選擇，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令和增強(qiáng)的AT指令。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,具有語(yǔ)音短消息和無(wú)線通信功能。M590E與單片機(jī)通過(guò)串口連接，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的AT指令就可以完成對(duì)模塊的初始化和數(shù)據(jù)的傳輸。通信過(guò)程可以分為兩部分，一部分是初始化過(guò)程，第二是輸出傳輸過(guò)程。系統(tǒng)上電后，先給模塊ON/OFF管腳輸入低電平并保持電平300 ms以上，這時(shí)模塊開(kāi)始啟動(dòng)，模塊串口會(huì)輸出“MODEM STARTUP”提示,然后模塊ON/OFF 管腳輸入高電平或者懸空。這時(shí)模塊開(kāi)始正常工作，輸入“AT”指令，通過(guò)回碼判斷模塊是否已經(jīng)工作。然后開(kāi)始初始化工作，以下是初始化和數(shù)據(jù)發(fā)送的步驟：
    (1) at+csq模塊信號(hào)強(qiáng)度;
    (2) at+ccid模塊是否識(shí)別到SIM卡;
    (3) at+cgsn查詢模塊的IMEI;
    (4) at+creg?查詢模塊是否注冊(cè)上網(wǎng)絡(luò);
    (5) at+xisp=0設(shè)置模塊用內(nèi)部協(xié)議棧;
    (6) at+cgdcont=1,"ip","cmnet"設(shè)置模塊的APN;
    (7) at+xiic=1建議PPP 連接;
    (8) at+xiic?查詢模塊分配到的IP地址;
    (9)at+tcpsetup=0,222.134.87.126,5000連接服務(wù);
    (10)at+tcpsend=0,20請(qǐng)求發(fā)送20 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包;
    (11)1234567890098764321發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。
    在實(shí)際應(yīng)用中，如果服務(wù)器發(fā)命令通過(guò)GPRS傳輸?shù)竭_(dá)集中器，然后集中器把命令通過(guò)MBUS總線轉(zhuǎn)發(fā)給表計(jì)，表計(jì)數(shù)據(jù)按照原路返回，這樣通信會(huì)有很大延時(shí)，因此正常集中器工作在定時(shí)抄收模式。集中器中設(shè)計(jì)有時(shí)鐘電路，給集中器設(shè)置抄表時(shí)間以及該集中器管理的表計(jì)表號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)抄表時(shí)間時(shí)，開(kāi)始抄收該集中器管理的表計(jì)，然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，服務(wù)器讀取的是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。
    集中器電路中還有時(shí)鐘模塊和RS485模塊，這些電路都是常用的電路。時(shí)鐘模塊采用PCF8563，給整個(gè)系統(tǒng)提供日歷時(shí)鐘服務(wù)。RS485采用MAX485芯片完成集中器的級(jí)聯(lián)。詳細(xì)電路不再敘述。

    本文介紹了集中器的工作原理以及MBUS總線的特點(diǎn)，著重闡述了MBUS收發(fā)電路以及電源電路。由于系統(tǒng)根據(jù)MBUS穩(wěn)態(tài)電壓動(dòng)態(tài)地調(diào)整比較器基準(zhǔn)電壓，從而避免了由于負(fù)載個(gè)數(shù)或負(fù)載特性導(dǎo)致的MBUS負(fù)端壓降變化的弊端，使接收電路的適應(yīng)性大大增強(qiáng)。本設(shè)計(jì)已經(jīng)在抄表系統(tǒng)中應(yīng)用，運(yùn)行表明該設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好，可靠性高，收到了良好的效果。
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