一種基于微處理器的新型紅外抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

手工抄表效率低下，在查詢、記錄、傳輸這幾個(gè)環(huán)節(jié)上，手工操作的方式使工作效率大大降低。因此，該局開始尋找更有效的抄表解決方案。以電力營銷管理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的抄表機(jī)的應(yīng)用，在電表定位查詢、電量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理方面發(fā)揮著巨大的作用，并且比集中抄表遠(yuǎn)程傳輸更節(jié)約成本。

　　基于P89LPC932微處理器，新型紅外抄表系統(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)，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(duì)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(chǔ)到抄表終端中，然后抄表終端通過串口將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

　　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(hào)采集模塊等組成。Ｐ８９ＬＰＣ９３２是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司推出的高性價(jià)比單片機(jī)，該器件內(nèi)含增強(qiáng)型ＣＰＵ，同一工作頻率下的速度為標(biāo)準(zhǔn)８０Ｃ５１單片機(jī)的６倍。P89LPC932的管腳如圖2所示。

　　P89LPC932主要特性：（1）指令執(zhí)行速度快。（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(dòng)到5.5V。（3）8KB的Flash程序存儲(chǔ)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(chǔ)器，512B的附加片內(nèi)RAM。（5）512B的E2PROM存儲(chǔ)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。（9）增強(qiáng)型UART。（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(dòng)能力，可以方便地驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。

　　2.1 功率因數(shù)和用電信號(hào)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(hào)。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(hào)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”，其他情況輸出為“0”。這樣2路信號(hào)在CPU內(nèi)部整形成近似方波，通過對(duì)不同情況下的輸入進(jìn)行比較操作。

　　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，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)。當(dāng)管腳產(chǎn)生捕獲事件時(shí)，定時(shí)器的內(nèi)容就會(huì)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。

　　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。[!--empirenews.page--]紅外通信方式的實(shí)現(xiàn)#e#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(duì)通信速度要求不是很高，但要求傳輸距離盡量遠(yuǎn)些。

　　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(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，接收電路對(duì)信號(hào)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(hào)通過Q1輸出，調(diào)制載波信號(hào)則通過Q2輸出，最后由紅外發(fā)射管D1將調(diào)制好的信號(hào)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(duì)接收到的紅外信號(hào)進(jìn)行選頻接收，并解調(diào)輸出。

　　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，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(hào)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(duì)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。本系統(tǒng)中采用的通信方式是從結(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。

　　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(qǐng)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，否則就會(huì)造成自發(fā)自收的情況。

　　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(chǔ)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(chǔ)的數(shù)據(jù)要安全可靠。

　　由于P89LPC932不僅功能強(qiáng)，內(nèi)部有豐富的存儲(chǔ)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(chǔ)器，完全不需要再擴(kuò)展片外存儲(chǔ)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(chǔ)器中。

　　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，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。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(huì)通過鍵盤中斷喚醒CPU。

　　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，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(hào)轉(zhuǎn)化為RS-232電平信號(hào)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。

　　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。