基于AT89C51單片機(jī)和總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)電表抄表模塊的設(shè)計

作者：王際業(yè)，林錦國，程明，顏廷勇，郭志波

1 引 言

在我國隨著一戶一表的推廣、城網(wǎng)和農(nóng)網(wǎng)的改造、國家為了打破電力供應(yīng)壟斷局面而引入競爭政策的逐步深入和提高用電管理水平等等都需要發(fā)展自動抄表（Automatic Meter Reading，AMR）技術(shù)；同時，對住宅安全的重視也需要發(fā)展遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)；另外，這也是網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然。目前我國已經(jīng)有多家有實(shí)力的公司投入到自動抄表系統(tǒng)的研制工作，但是大部分是采用485串行總線，進(jìn)行通訊。由于該總線在實(shí)際工程中存在2個問題：

（1）通信數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性問題；

（2）在多機(jī)通信方式下，一個節(jié)點(diǎn)的故障（如死機(jī)），往往會使得整個系統(tǒng)的通信框架崩潰，而且給故障的排查帶來困難。

本文所設(shè)計的基于LonWorks技術(shù)的電表抄表模塊成功地解決了以上2個問題。

2系統(tǒng)組成

表頭采樣模塊主處理器選用AT89C51單片機(jī)，完成電表脈沖信號采樣、度數(shù)計算和反饋連動。抄表采集器由AT89C51作為主處理器與MCl43150Neuron芯片構(gòu)成的Host-based節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)的次站與LON網(wǎng)絡(luò)連接。采用的Neuron芯片是MCl43150，其片內(nèi)有3個CPU，即：介質(zhì)訪問CPU，網(wǎng)絡(luò)CPU，應(yīng)用CPU。他們與片內(nèi)存儲器、網(wǎng)絡(luò)通信接口、定時器、I／O口驅(qū)動電路通過16b地址總線和8 b數(shù)據(jù)總線相連。Neuron芯片有11個可編程的I／O引腳，并提供4類共34種I／O對象。通過引腳的不同配置，為外部硬件提供靈活的接口，實(shí)現(xiàn)不同的I／O對象。這4類I／O對象為：直接I／O、并行I／O、串行I／O和計時器／計數(shù)器I／O對象。

本設(shè)計將Neuron芯片工作方式配置為從B方式，具體為100～107與AT89C51的P0～P7口相連，經(jīng)此通道AT89C51的管理信息和實(shí)時數(shù)據(jù)通過LonWorks網(wǎng)可以上位監(jiān)控計算機(jī)以及其他LonWorks節(jié)點(diǎn)相互傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1所示。

3 表頭采集模塊的硬件設(shè)計

電表表頭模塊的主處理器選用AT89C51單片機(jī)。表頭采集模塊主要負(fù)責(zé)采集能源對應(yīng)的數(shù)字量（脈沖信號），由主CPU進(jìn)行處理，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號保存分時發(fā)送給抄表采集器，通過收發(fā)器，將相應(yīng)電表的信號送到LON總線。

本表頭采集模塊主要有以下部分實(shí)現(xiàn)：

（1）信號采樣電路

目前，市場上的電表基本上為脈沖電表，即輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號。以本系統(tǒng)調(diào)試采用的單相電子式電能表為例。電表輸出的脈沖信號送到采集模塊，經(jīng)過光電耦合器開關(guān)（如圖2），進(jìn)行信號隔離，再通過74LSl4加以整形，然后送到單片機(jī)的外部中斷INT0（P3．2）腳，引起CPU產(chǎn)生一次外部中斷。采用中斷方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時計數(shù)，排除了漏計的可能。

（2）數(shù)據(jù)保存

當(dāng)有采樣信號引起中斷，計數(shù)器工作，當(dāng)脈沖計數(shù)到3 200時，產(chǎn)生一次寫操作，將前一地址單元值加1保存到當(dāng)前地址。存儲器采用可在線電擦除的E2PROM28C17，作者經(jīng)過巧妙構(gòu)思，在讀時將28C17當(dāng)作程序存儲器，寫時當(dāng)作外部RAM，工作性能非常穩(wěn)定，讀寫操作從未出現(xiàn)差錯。本系統(tǒng)中定義28C17的地址編碼為7800H～7FFFH，2kB尋址。

（3）日歷時鐘電路

采樣模塊需要對系統(tǒng)能進(jìn)行分時計數(shù)功能，所以需要實(shí)時時鐘，以完成定時產(chǎn)生中斷、分時顯示、獲取時間和日期等功能，具體選用美國Dallas公司生產(chǎn)的實(shí)時時鐘芯片DSl2887。DSl2887是一個實(shí)時時鐘的完整子系統(tǒng)，其集成度高，內(nèi)部包含有1個鋰電池、1個石英晶振和1個寫保護(hù)電路。本系統(tǒng)采用DSl2887作為實(shí)時時鐘芯片，AS，DS，R／W分別與89C51的ALE，RD，WR連接，用P2．6作為片選信號，所以DSl2887的高位地址為#0BFH，低8位決定著內(nèi)部單元的地址。

（4）斷電處理

當(dāng)出現(xiàn)費(fèi)用超支時，系統(tǒng)能進(jìn)行自動斷電處理。基本原理圖如圖3所示。當(dāng)上位機(jī)端發(fā)現(xiàn)某用戶費(fèi)用超支時，發(fā)出斷電指令給89C51，89C51通過給端口置零，經(jīng)反相后，送至8050的B極，引起繼電器動作，開關(guān)吸合，此時相當(dāng)于送往電表的開關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)斷電。圖中Q1，Q2構(gòu)成達(dá)凌頓管。

（5）顯示模塊

本系統(tǒng)還可以提供液晶顯示器（使用12232點(diǎn)陣液晶屏，提供漢顯），做到實(shí)時顯示功能，能在抄錄某時期內(nèi)、某用戶電能表計數(shù)器窗口累計的全位示數(shù)。

（6）其他部分

本系統(tǒng)模塊還設(shè)有空余I／O口作為預(yù)留按鍵接口，費(fèi)用報警功能。

4 抄表采集器的硬件設(shè)計

抄表采集器的硬件設(shè)計主要包括處理器電路、AT89C51與MCl43150Neuron芯片之間的通信擴(kuò)展、232串口通信電路、電源電路等。

4．1 主CPU及其外圍擴(kuò)展電路

主CPU采用常規(guī)單片機(jī)89C51，接有l(wèi)片28C64E2PROM作為在線可電擦除存儲器，保存各采樣模塊送來的數(shù)據(jù)信號。還包括復(fù)位電路、時鐘電路、外部RAM擴(kuò)展、232串口通信電路、電源電路等。

4．2 主CPU和MCl43150Neuron芯片之間的通信接口的設(shè)計

本抄表采集模塊采用HOST-BASED結(jié)構(gòu)，主CPUAT89C51和從處理器MCl43150Neuron芯片之間的通信實(shí)現(xiàn)采用從B方式。一般來說，并行接口可配置成Neuron芯片工作在主、從A或從B方式，2個Neuron芯片以主、從A方式接口；而Neuron芯片同非Neuron芯片以從B方式接口，非Neuron芯片充當(dāng)主機(jī)，Neuron芯片工作在從B方式，進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)來控制指令的執(zhí)行。主從機(jī)交換數(shù)據(jù)期間Neuron芯片暫停應(yīng)用程序的執(zhí)行過程。每次最多可交換255B數(shù)據(jù)。這種并行I／O接口對象方式用在快速交換數(shù)據(jù)的場合是非常有用的。Neuron芯片能充當(dāng)外部處理器的協(xié)處理器，產(chǎn)生一個網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)或路由器。說明了Neuron芯片在并行接口對象時的典型應(yīng)用。從B方式屬于并行I／O對象，本系統(tǒng)使用MCl43150Neuron芯片的所有11只腳，其中MCl43150的I／O0～I(xiàn)／O7是8b雙向數(shù)據(jù)線，I／O8～I(xiàn)／O10是3b控制信號線。借助令牌傳遞／握手協(xié)議，實(shí)現(xiàn)MCl43150Neuron芯片與主處理器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。相對主CPU而言，MCl43150Neuron芯片相當(dāng)于一個有著8 b數(shù)據(jù)線、3b控制線的并行I／O設(shè)備。

在主CPU的地址空間，作者把3150芯片當(dāng)作2個寄存器，一個是讀、寫數(shù)據(jù)寄存器，另一個是控制寄存器。主機(jī)通過對這2個寄存器的訪問實(shí)現(xiàn)主機(jī)與3150芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。控制寄存器的最低位有效位（通過IO0讀?。?，就是握手HS位，主機(jī)通過對控制寄存器的訪問獲得3150芯片反饋的握手應(yīng)答。3150芯片接收IO8作為片選信號CS，接收IO9以確信主機(jī)的讀、寫操作，接收IO10作為寄存器的選擇輸入A0（A0是主機(jī)地址總線的最低有效位）。出現(xiàn)下列2種情況時，IO0～I(xiàn)O7構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)總線：

（1）CS維持低，IO10為高，R／W為低；

（2）CS維持低，IO10為低，R／W為高或低。

如果CS維持低，IO10為高，R／W為高，IO0輸出的是給主機(jī)的握手應(yīng)答信號。另外，在從B方式中，主機(jī)要監(jiān)視HS的狀態(tài)?？赡苡羞@樣一種情況，從機(jī)未能及時設(shè)置好HS狀態(tài)，而此時主機(jī)已經(jīng)在線并輪詢HS。為避免在這種情況下主機(jī)讀取HS的無效狀態(tài)，本系統(tǒng)在HS引腳上加上了上拉電阻，如圖4所示。

4．3 Lon網(wǎng)絡(luò)接口

作者采用了支持FTT-10A自由拓補(bǔ)雙絞線收發(fā)器的Control Module作為采集器與LonWorks總線的接口。FTT-10A收發(fā)器主體是一個隔離變壓器，該變壓器集成了一個78kb／s差分曼徹斯特編碼通信收發(fā)器。FTT-10A收發(fā)器能自動檢測5M，10M或20M三種時鐘頻率，他在未加電時呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，不會影響網(wǎng)絡(luò)通信，是常用的收發(fā)器之一。FTT-10A收發(fā)器提供了與神經(jīng)元通信芯片接口和網(wǎng)絡(luò)接口的引腳。

4．4 其他電路設(shè)計

本采集器的硬件部分設(shè)計還包括電源、抗干擾設(shè)計等，工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境一般來說較為惡劣，存在多種干擾。為保證通訊的準(zhǔn)確無誤，延長硬件使用壽命，本智能適配器除采用通常的供電和接地抗干擾措施外，主要是要避免和消除來自網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的靜電泄放和電磁干擾。印刷電路板設(shè)計中應(yīng)提供一個導(dǎo)人大地的通道，還要不致引起整個PCB電壓的升降，具體采用火花放電隙和箝位二極管來實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)充分利用了Echelon公司的一系列產(chǎn)品和工具，完成了抄表采集模塊的硬件設(shè)計，并實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與神經(jīng)元芯片的并行通信。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測試證明該模塊具有較高的可靠性。并且該模塊已經(jīng)在我校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安裝調(diào)試，取得了良好的效果。

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