多費率電能表中基于單片機串行口紅外通信的設(shè)計

摘要:利用單片機的串行口、定時器/計數(shù)器T0、定時器/計數(shù)器T1、紅外發(fā)射管和紅外接收管等簡單的軟硬件就可靠地實現(xiàn)了多費率電能表的紅外通信功能。本設(shè)計詳細(xì)介紹了串行口紅外通信的軟硬件設(shè)計方法，并給出了具體的電路原理圖、波形圖和51單片機程序。

0 引言

    多費率電能表是我國目前節(jié)約用電和計劃用電政策下不可缺少的電能計量產(chǎn)品,多費率電能表的通信接口一般兼有紅外接口和RS485接口。紅外通信具有直觀、操作簡便、可靠性高等優(yōu)點，是電能表中使用最為普遍的一種通信方式，是電能表和掌機之間實現(xiàn)抄表、編程、校時、數(shù)據(jù)管理等功能的有效手段。采用新茂單片機SSU7301(51系列)、日本光電子公司的紅外發(fā)射管SE303和紅外接收管PIC12043，以及單片機串行口、2個定時器/計數(shù)器可以有效地實現(xiàn)紅外通信功能。

1 紅外通信原理

紅外通信是利用波長為900nm～1000nm的紅外波作為信息的載體,發(fā)射裝置把二進制信號經(jīng)過高頻調(diào)制后發(fā)送出去，接收裝置把接收的紅外高頻信號進行解調(diào)為原來信息的一種通信傳輸方式。其中調(diào)制方式有脈寬調(diào)制（通過改變脈沖寬度調(diào)制信號PWM）和脈時調(diào)制（通過改變脈沖串之間時間間隔調(diào)制信號PPM）兩種，本文采用PPM脈時調(diào)制方式。

2 串行口紅外通信硬件設(shè)計

   多費率電能表的紅外發(fā)射和紅外接收電路主要包括新茂單片機SSU7301、日本光電子公司的紅外發(fā)射管SE303和紅外接收管PIC12043，以及驅(qū)動三極管8550、電阻和電容，紅外通信硬件原理圖見圖1。

2.1 紅外發(fā)射硬件設(shè)計

紅外發(fā)射是利用單片機SSU7301的串行數(shù)據(jù)發(fā)送口TXD(P3.1)控制驅(qū)動三極管BG1進行二進制數(shù)據(jù)“0”和“1”的傳輸(數(shù)據(jù)由串行發(fā)送緩沖器SBUF中送出)，以及利用P3.4口控制驅(qū)動三極管BG2進行高頻38.4kHz調(diào)制（高頻驅(qū)動信號由定時器/計數(shù)器T0的方式2自動重裝模式產(chǎn)生），從而可靠地實現(xiàn)了紅外發(fā)射管D1在傳輸數(shù)據(jù)“0”時進行高頻紅外發(fā)射和數(shù)據(jù)“1”時被截止的發(fā)射功能。狀態(tài)關(guān)系見表1，波形見圖2。

2.2 紅外接收硬件設(shè)計

紅外接收是利用紅接收管PIC12034收到高頻信號輸出低電平確定為數(shù)據(jù)“0”，而沒收到高頻信號輸出高電平確定為數(shù)據(jù)“1”的方式經(jīng)過解調(diào)，把數(shù)據(jù)通過單片機SSU7301的串行數(shù)據(jù)接收口RXD(P3.0)進行串行方式接收(接收數(shù)據(jù)存儲在串行口緩沖器SBUF中)。

3 紅外通信軟件設(shè)計

DL/T645-1997《多功能電能表通信》中規(guī)定電能表的紅外載波頻率為38kHz±1kHz；初始速率為1200 bps；通信的字節(jié)格式為8位二進制碼D0～D7，傳輸時加上一個起始位(0)，一個偶校驗位P和一個停止位(1),共11位，傳輸時先傳低位，后傳高位，傳輸序列見圖3。根據(jù)以上要求，本設(shè)計中紅外載波頻率采用38.4kHz，波特率為1200bps，串行口采用模式3為9位異步通信方式，加1位起始位和1位結(jié)束位，傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)為11位。

3.1 紅外載波和定時器/計數(shù)器T0設(shè)置

紅外載波頻率f2為38.4kHz，當(dāng)定時器/計數(shù)器T0模式控制器TMOD中C/T=0和M1M0=10時，SSU7301的定時器/計數(shù)器T0設(shè)置成模式2方式。此時,TL0和TH0預(yù)置成1個可以自動重裝的8位的定時器/計數(shù)器。用軟件將TL0和TH0預(yù)置相同的初值后，當(dāng)TL0計數(shù)值增1溢出時，一方面使TF0置1，申請中斷；另一方面產(chǎn)生的溢出脈沖將TH0的數(shù)據(jù)值自動打入到TL0中去，不需要用軟件對TL0重新置初值。系統(tǒng)的晶振f1為11.0592MHz,則TL0和TH0的初值計算如下:

f2=38.4kHz 得T=1/f2=1/38.4k≈26×10-6=26 μs
所以高頻調(diào)制反轉(zhuǎn)的周期TC=T/2=26/2=13μs

即定時器/計數(shù)器T0的初值TL0=TH0=28-(TC×f1)/12=256-(13×10-6×11.0592×106)/12=256-11.9808≈244=0F4H
在定時器/計數(shù)器T0的中斷服務(wù)程序中只用兩條指令即可實現(xiàn)高頻調(diào)制,即 CPL P3.4和RETI。

3.2 串行口和定時器/計數(shù)器T1波特率發(fā)生器設(shè)置

串行口采用模式3為9位異步通信方式，波特率為1200bps。由串行口控制寄存器SCON的操作模式選擇位SM0、SM1都置1設(shè)置為模式3，當(dāng)定時器/計數(shù)器T1模式控制器TMOD中C/T=0和M1M0=10時，SSU7301的定時器/計數(shù)器T1設(shè)置成模式2方式作為波特率發(fā)生器，其波特率表示為：

波特率=（T1的溢出率）/ n
當(dāng)SMOD=0時，n=32；當(dāng)SMOD=1時，n=16，（本設(shè)計中SMOD=0）則
波特率=（T1的溢出率）×2SMOD / 32
T1的溢出率=（f1/12）/(28-T1初值)
得：波特率=（T1的溢出率）×2SMOD / 32
        =[（f1/12）/(28- T1初值)] ×2SMOD / 32
得：定時器/計數(shù)器T1初值
TL1=TH1=28-(f1×2SMOD )/(12×32×波特率)
           =256-(11.0592×106)/( 12×32×1200)
           =256-24=232=0E8H

3.3 程序設(shè)計

根據(jù)以上兩點參數(shù)的設(shè)置,51系列單片機SSU7301的匯編語言程序設(shè)計如下:
;以下為參數(shù)設(shè)置程序
MOV  TMOD, #22H ;定時器/計數(shù)器T0方式2自動重裝模式用于PWM38.4KHZ調(diào)
;制用 , 定時器/計數(shù)器T1方式2自動重裝模式用于串行口通訊波特率發(fā)生器
MOV  TH1,#0E8H  ;波特率1200時,定時器/計數(shù)器T1自動重裝初值
MOV  TL1,#0E8H
MOV  TH0,#0F4H  ;38.4KHz高頻頻調(diào)制時, 定時器/計數(shù)器T0自動重裝初值
MOV  TL0,#0F4H
SETB ET0        ; 定時器/計數(shù)器T0溢出中斷允許位
SETB TR1        ; 定時器/計數(shù)器T1開始定時控制位
SETB TR0        ; 定時器/計數(shù)器T0 開始定時控制位                           
MOV  PCON,#00H  ;SMOD為0不倍增模式
MOV  SCON,#0D0H ;串行口設(shè)置為模式3,允許接收
SETB ES         ;串行口允許中斷
SETB EA         ;開總中斷允許位
;以下為定時器/計數(shù)器T0中斷溢出服務(wù)程序  
ORG  000BH; 定時器/計數(shù)器T0中斷入口地址
T0SERVE:CPL  P3.4 ; 定時器/計數(shù)器T0定時取反P3.4口進行高頻調(diào)制
RETI      ;中斷返回
;以下為串行口中斷服務(wù)程序,以接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)為例,多字節(jié)以此類推
ORG  0023H;串行口中斷入口地址
SENDSERVE:NOP
NOP                
MOV  A,SBUF  ;把接收緩沖器的數(shù)據(jù)送到A寄存器
   …           ;進行數(shù)據(jù)處理及其它功能操作
RETI         ;中斷返回
;以下為串行口發(fā)送程序,以發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)為例, 多字節(jié)以此類推
COMSEND: MOV  A,#DATAH ;把數(shù)據(jù)送到A寄存器
MOV  C,P      ;根據(jù)A中數(shù)據(jù)產(chǎn)生的偶校驗位送到進位標(biāo)志位
MOV  TB8,C    ;送偶校驗位到發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)
MOV  SBUF,A   ;送數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖器
JNB  TI,$     ;以查詢方式等待發(fā)送結(jié)束
CLR  TI       ;清發(fā)送中斷標(biāo)志位
  …            ;繼續(xù)發(fā)送或其它功能操作
RET           子程序返回

4 結(jié)束語

本設(shè)計的最大特點在于省略了脈沖振蕩器，而僅僅利用多費率電能表上所帶單片機的串行口和2個定時器/計數(shù)器，這不僅使多費率電能表在硬件設(shè)計上更加簡單、成本更加低廉，而且在軟件上也更加方便、可靠。同時這種紅外通信方式也可以應(yīng)用在帶串行口和定時器/計數(shù)器的單片機應(yīng)用領(lǐng)域。