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1、目录目 录第1章 引言11.1 本课题的研究意义11.2 本课题的研究内容2第2章 系统概述32.1前端数据采集处理装置32.2 传输线路52.2.1 上层传输线路52.2.2 底层传输线路72.3 中心控制平台13第3章 系统设计143.1通信与控制模块153.2数据采集模块283.3供电控制模块29第4章 结论34参考文献35致谢36外文原文资料37译文40第1章 引言1.1 本课题的研究意义中国近30年来的住宅产业发展可以用这样的话来描述:70年代解决有无房间的问题；80年代解决住房大小的问题；90年代是追求房型和环境优美；21世纪应是智能化的时代。随着我国改革开发推动国民经济的发展以及
2、计算机普及和信息产业的发展，人们对居住环境要求的不断提高，“智能化”逐渐被引入了住宅小区和家庭建设中.因为同传统的住宅相比,智能小区在安全防范设施、家居管理设施、家居办公娱乐设施等三方面的优势非常明显。智能住宅小区的自动化系统结构的重点在于以下几个方面：安全防范、物业管理及社区服务、信息通信。传统的住宅小区的弱电配套系统包括电话网和有线电视系统(CATV)，在安全防范方面也可采用电视监控系统以及门铃对讲等等。智能住宅小区的系统结构有这样的特点：首先采用先进的、符合标准的技术和设备；同时所有的系统均采用集散式的构造方式，既具有分散于各个住户的终端或设备，又通过网络集中到一个管理或控制中心，中心提
3、供公共信息资源，或者对各个住户提供集中安全监控；最后，所有的智能系统既可独立，又可以在计算机网络的基础上实现集中管理.这是传统住宅无法比拟的.在我国新的国家发展战略中，党中央和国务院将我国的房地产业作为新的国民经济发展的热点，同时建设部也将建设智能化小康示范小区列入国家重点的发展方向；国家建设部明确指出住宅小区智能化势在必行。据不完全统计，到2001年，国内已经建成的智能建筑约有1500栋，其中上海约400栋，北京约300栋，广东约250栋，江苏约200栋。可以预见，随着我国综合国力的增强，人民生活水平的逐步提高，计算机使用的普及小区智能技术的日渐成熟，智能技术应用于住宅及小区的做法将被逐步推
4、广应用，并将最终成为一个新型小区是否完整的重要标志。智能小区的出现是房地产业与计算机网络通信技术相结合的产物。网络通信技术所带来的应用前景是不可限量的，而且普及应用的速度和网络技术本身的发展速度也是无法预言的。住宅小区智能化系统由如下几个子系统组成：1、楼宇设备监控管理系统；2、安全防范系统；3、物业管理系统；4、信息自动化系统；5、计算机网络系统；6、布线系统等。其中本论文所涉及的三表远传系统就是属于物业管理系统的一部分，但是就目前国内实际情况而言,对于智能小区住宅所必须提供的三表自动抄表收费功能, 真正能做到水电气等远程抄表的并不多见，比例为15.9. 而据1998年统计我国城市人口约4亿
5、人，城市家庭约1.4亿户，居民家用水表、电表各约1亿只，煤气表约4000万只。这三种表分属三个部门管理，目前基本上都是靠人工每月入户抄表进行计费。这二亿四千万只表按每个抄表员每月抄3000只表，共需80万名抄表员，按每个抄表员一年费用1万员计，则每年仅抄表一项费用就达到80亿元。人工抄表不仅浪费的巨大的人力资源，而且随着高层建筑的不断增加，居民家中有人时间的不确定，使抄表员的工作变得非常繁重，用户对抄表员入室抄表干扰正常生活意见较大，同时因抄表入室现象也引发了一些不安全社会问题. 随着计算机技术和网络技术的发展,自动抄表记费系统就是在这一背景应运而生. 自动抄表记费系统是一种把多个分散单元信息
6、（电表,水表,气表等）准确传送到一个基站（数据处理中心）的通讯技术。它的出现将替代长期以来供电,供水,及煤气公司对水,电,气用户的使用量的统计一直沿用的人工抄表的工作方式.可以预见,在智能小区即将大力推广的21世纪,自动抄表记费系统将会拥有广阔的市场空间和良好的市场前景.1.2 本课题的研究内容本设计的课题:三表数据远程传输系统(数据采集模块)设计及相关的课题:三表数据远程传输系统(通信及控制模块),一起构成了自动抄表系统的数据采集单元.设计的主要内容为:完成系统的设计,完整的系统框图,数据采集器的电路原理图,用汇编语言编写实现系统功能所需的全部程序,以及仿真调试. 第2章 系统概述第2章 系
7、统概述自动抄表技术是一种把多个分散单元信息（电表,水表，气表等）准确传送到一个基站（数据处理中心）的通讯技术。它一般分为三个部分：前端数据采集处理装置、传输线路、中心控制平台。在这里分别对它们进行大体介绍。2.1前端数据采集处理装置前端数据采集处理装置指的是从表头数据采集到数据集中器的部分。目前，远传三表基本上是在原有机械基表上加装传感电路形成的。下面对几种远传电路进行阐述： 1. 光电转换型 这种传感形式一般是在基表的旋转部件上加装一面反射镜面，在与反射镜面相对应的部位固定安装一只光电传感器，当旋转部件上镜面转至传感器位置时，传感器就产生光感应，发出一次脉冲信号。 这种传感形式有三个缺点：a
8、.传感器本身要耗电，不利于后备电池的微耗供电。b.反射面污染退色后反射失灵。C.在反射面的边缘上颤动产生误信号。d.至少4条引线。2. 霍尔传感型在基表旋转部件上加装感应磁钢，在与感应磁钢相对应的位置上固定安装一只霍尔元件。 3. 干簧管传感型 是目前应用最多的一种形式,其最大优点在于无需耗电。但仍存在感应点颤动误发信号和外磁人为干扰问题，外加一只防磁报警干簧管也解决不了不发信号的问题，且常常引发“是系统不可靠误报警还是磁干扰偷水”的纠纷。 这种传感器虽在目前应用最多，但从现场使用情况看，也是出问题最多的。4. 自保持开关型 具有A、B两个感应头，若A头感应使开关打开了,开关就一直打开着。直到
9、B头转来后开关才闭合,再到A头转来再打开，以此周而复始.这种形式成功的克服了颤动、磁干扰、耗电、引线多的所有缺点，仅用两条线就可实现信号开、信号关、断线、短线四种状态的检测，是目前最为理想的远传传感方式。在电表、水表、气表数据的远程抄录方面，电表在技术上较为成熟,通常是采用专用的电能数据采集模块计量电度的脉冲信号(来自电能计量的专用集成电路芯片),而这个电能数据采集器通常就是采用的单片机系统,将脉冲信号通过光电耦合和斯迷特触发器整形后送入51单片机的记数输入端T0或T1进行采集.但技术无法移植到气表、水表抄收系统中。水表和气表的户外抄表工作难度较大，主要用于水表和气表本身没有供电电源, 如采用
10、传统的脉冲累计法，则要连续不断地读取数据，还要额外增加供电线路。如供电中断或出现读数故障，则会造成数据丢失。而且只要是采用对脉冲信号的积累计量来采集用户的水、电、气用量有两个无法避免的缺陷。第一必须使用电子水表，电子电表，电子煤气表，以上三种表均为电子脉冲输出，对表的计量只需累计电子表输出的脉冲数即可,在抄表节点中只需用数字I/O口即可实现脉冲计数。固而它的缺陷是很明显的,就是必须进行实时统计,这对供电系统的依赖性高,一旦出现如供电中断或出现读数故障，则会造成数据丢失,而且丢失的数据无法恢复,会出现用户读表数与系统读数产生误差。尤其是水,电的计量,在停电是用户仍然可以用水用气,而数据采集模块却
11、无法对其使用量进行计量,从而会使水,气经营公司无可避免的蒙受损失。第二个缺陷就是目前所有的脉冲表均有一定的误差（0.1%-1%）,这是因为当电度表的常数和脉冲常数确定后,通过计算可得一度电,一吨水,一方气对应输出的脉冲数K为常数,则0.1度电,0.1方气,0.1吨水对应输出得脉冲常数为K/10,既有K/10个脉冲到来,水、电、气得用量递增0.1个单位值。若对0.1个单位值进行进位递增,因为K/10不一定正好为整数,若舍去小数或者对小数进行进位取整,必然产生累计误差。长时间后累计误差较大, 传统的做法是在PC机中进行修改，这将导致系统内数据不统一，且差别会越来越大。因而传统得脉冲计量精度是有很大
12、得不可靠性,促使我们想要选择其它得采集计量方式,以提高计量精度.在这里我们的数据采集模块的前端,即传感器和A/D转换模块采用了一专利产品,它具有独创的位置采样传感器可同步跟踪机械计数器运转, 无需电源维持, 即使出现断电或故障，在重新供电或修复后数据仍会保留在表的机械部分，经重新读取后累计数据仍是正确的,而且能够输入转换好的5位BCD码。首先它克服了采用传统的脉冲累计法的电子水表，电子电表，电子煤气表的两大缺陷，即摆脱了对电力的依赖性和脉冲计量的累计误差.第二,因为无论断电还是其它故障,它的采集数据都会保留在机械部分,能够从新读取。所以数据采集模块不用采用实时统计的设计,只须定时或不定时的采集
13、用户的水、电、气用量即可.这样数据采集模块不用处于长期供电运行状态,减少了整个系统的功耗和运行出错的概率。不必担心因为停电而必须增加相应的后备电源模块,以备停电时继续计量。也不用增加FLASHROM或者EEPROM来存储发生故障时的统计到的用户使用量,因为系统复位后或故障排除后,只须重新采集一次表内数据即可. 所以这一产品的出现及使用对我们整个系统设计带来了巨大的性能提高和简化后端数据采集模块、通信控制模块的结构,降低了系统成本。这样就就大为提高了本系统的采集精度.2.2 传输线路在这里，传输线路有两部分，一部分是从数据集中器到控制中心的上层传输线路，另外一部分是从表头到数据集中器的底层传输线
14、路。2.2.1 上层传输线路在这里简要介绍目前投入实用的几种传输技术：电力线载波通讯、卫星通讯、电话线通讯,无线数据传输等。一、电力线载波通讯:电力线载波抄表已经使用了较长时间，其间也经历了一些反复。其远抄远控系统的关键技术之一为数据的传远，通过电力线载波通信传远有着无可比拟的优势，比如，采用原有的电力线作为通信媒质，节省大量的人力、物力和财力资源；电力线遍布城乡，组网方便；所采用的扩频技术具有很强的抗干扰和抗衰减能力等等。高频载波在高压输电线上对继电控制信号和声音信息传送方面的应用十分成功。高压输电线输送距离长、系统结构简单、被很好的维护，所以高频载波在其上应用效果非常好. 用电力线传输优点
15、是比较节省开支，用于自动抄表的集中器位置固定，不必移动抄表.但是电力载波系统在配电线上的传输可能会遇到诸多困难。由于支线和分接头、线路从高架到地下的过渡、电容箱、甚至负荷自身大小等都将或多或少改变网络阻抗，从而引起高频波的偏离。所有上述偏离在一些地方有增强的倾向，而另一些地方会抵消，这都使高频电力载波在经常变化的配电线上非常难以预料和控制。为了解决这一问题，配电线上的电力载波系统逐渐向低频方向发展，频率已从100kHz范围降到10kHz范围。100Hz范围的纹波控制系统已经被极好地普及，曾经成功地应用在大负荷管理方面许多年。这都曾使电力载波技术的应用更容易，但一个一直未被解决的问题就是输送距离
16、还不够长。固而载波通讯的缺点也是很突出的: 噪音大，受电网干扰误码较严重；低压载波只能局限在一个变压器的范围内，无法跨越变压器通讯；如果不同的用户的三表安装在不同的相线上，隔相信号衰减大于40db，通信质量很差。如安装电缆到煤气表和水表会带来附加的安全问题。目前已有几种用于电力线载波通信的模块或产品，但总的来说通信的可靠性较差.二、电话线通讯基于电话的自动抄表技术的应用已超过25年了。电表脉冲或编码信号通过安装在现场的遥测接口单元（TIU）采集。电话线允许双向通讯，用电数据可从现场到接收器及客户之间来回传送，因此在程序控制的访问时间里能够通过电话传送信号或先记录然后传送信号。当传送抄表数据时，
17、可以提供新的访问时间表给TIU数据，传送次数可以在现场重新编程，也可以在远方重新编程。因为电话线早已存在，电话拨入抄表系统（从电表端到目的地）是最经济的和使用面最广泛的。这意味着电话系统的运行和维护由当地的电话公司负责，因此安装费用和每月的服务费用可以节省下来，对于住宅、商业及工业客户，电话拨入通信是适宜的。1请求式电话抄表有两种请求抄表方法，如果本地公共交换电话网（PSTN）已经使用了“无铃”（或UTS）技术，不需电话振铃，抄表请求电话能够直接与现场通信。如果没有使用UTS，则在预定振铃数响起的时候，要求客户不要拿起电话听筒，这个特定的振铃数即是向TIU发出开始传送抄表数据的信号。此拨出抄表
18、系统（从数据接收器到电表端）限制了用途，并买断了电话专线。当大量信息在工作期间按要求被汇集时，这种技术是优选的。此拨出抄表系统运行和客户电话使用没有冲突，并且与“非测试”及公用遥测中继（UTT）交换技术兼容。在这些情况下，都能良好运行。2一种无干扰的系统基于电话的自动抄表系统通讯是相互无干扰的。即他们运行时，与客户使用电话没有冲突。使用电话检查器来识别电话是否占线或客户是否拿起电话听筒，如果系统传送数据时，客户电话占线，系统自动停止传送，稍后重新联系传送。一个合理安排的基于电话的自动抄表系统节省成本之处，可以通过许多方面说明，首先一点就是避免了无线电、光缆、电缆及其他系统的高成本大规模基本的建
19、设，因为基于电话的系统使用了现存的通信网络。 基于电话的自动抄表系统诸多重要的优点之一是能在任意场所安装自动抄表装置，而不必在邻近现场安装。此系统还避免了为支撑大量电表群体的基础建设（一项造价昂贵的远程抄表方式）。但是这种造价相对低廉,而且性能良好的自动抄表系统在国内却尚未得到过推广,甚至知道的人也很少，究其原因,应该和中国电信的长期垄断经营,以及我国特殊的水、电、气经营管理体制不无关系.因为它出现的时期正是我国改革之初。所以没有得到发展也就不足为怪了。在今天网络化时代,利用电话进行自动抄表技术对智能小区是不太适应了,但是可以广泛利用于旧式住宅的抄表系统的改造。三、无线数据传输技术无线抄表在发
20、达国家和地区早已盛行,抄表车在用户电表附近行走一遍，电表的各种数据就抄入抄表车电脑中。然而无线抄表在国内才刚起步，在集抄过程中数据传输的通讯规约，也是多种多样。虽然电力部在1998年发布了其行业标准多功能电能规约，但由于各种原因，到目前普及并不理想。主要原因是实现无线数传的包容性和开放透明还有待加强。我国运行的众多电能表通信规约,固而必须有一个统一的,与当前社会经济相适应的标准。而且收费汽车在行走中通过无线信号抄表,缺点是相当明显的：准确度不高,准确性可低到70%。而这是抄表系统最为重要的性能指标，而且占用无线电资源,设备投资也大。无线抄表还有一种方式,既近距离红外线抄表。而这种方式对表的要求
21、高,投资大,尤其对用户来讲,他们是很不原接受这种昂贵的电表。所以使用的更不广泛。对于无线抄表技术，成熟的是对于用电的计量。对于水表、气表的无线抄送技术并不成熟，所以应用于智能小区暂不可行的。2.2.2 底层传输线路底层传输线路即表头到集中器的一段线路，通常使用的装置是单片机。IBM-PC机和MCS-51单片机是我国目前应用最广泛的两种微型计算机.MCS-51单片机功能强、价格低廉、开发应用方便, 尤其是单片机网络系统的出现,使单片机的应用水平达到了一个新的高度.在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、家用电器等方面都得到了广泛的应用.由于单片机应用系统人机对话和外围设备比较薄弱,没有像磁盘一样永久
22、保存大量信息的存储设备,因此,由多个单片机构成的网络一般都使用IBM-PC机作为上位机,网络结构一般采用总线分布式结构.标准通信总线又称为外总线,用于控制机和各终端设备,仪器或其他设备间通信,主要分为并行总线和串行总线两种。并行总线数据传输速率高,适用于短距离传输,缺点是与串行总线相比要用较多的导线或电缆,成本较高.而串行总线适合远距离通信,缺点是速率比并行总线满，但成本底。考虑到本抄表系统的通信控制模块与采集模块距离较远,以及现在的单片机在结构、性能和经济上为实现远程串行通信特别是多机系统提供了很好的条件,所以我们决定采用串行通信总线作为本系统的通信方式.串行通行总线标准接口标准异步串行通信
23、接口有以下几类: RS-232C,RS-232E RS-449(RS-422,RS-423,RS-485) 20mA电流环所谓标准接口,就是明确定义若干信号线,使接口电路标准化,通用化,借助串行通信标准接口,不同类型的数据通信设备可以很容易的实现它们之间的串行通信连接.RS-232C是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的,在异步串行通信中应用的最广泛的标准总线.它包括了按位串行传输的电器和机械方面的规定。适合于短距离或带调制解调器的通信场合,为了提高数据的传输速度和通信距离,EIA又公布了RS-422,RS-423,RS-485串行总线接口标准。20mA电流环是一种非标准的串行接口电路,但由
24、于它具有简单,对电器噪声不敏感的优点,因而在串行通信领域也得到了广泛使用,但是该总线标准不适用于多站互联,故不选用。为了保证可靠性高的通信要求,在选择接口标准时,必须注意两点:1)通信速度和通信距离.2)抗干扰能力。同时出于本系统的需要还要考虑该接口标准是否适合于多站互联.下面将简要分析 RS-232和RS-499这两类种总线标准,并从中选出本系统最适合的总线标准.RS-232C标准接口目前最常用的串行通信总线接口是EIA于1969年推荐的RS-232C。RS-232C标准接口的全称是:使用二进制进行交换的数据终端设备和数据通信设备(DEC)之间的接口。计算机,外设,显示等都属于数据终端设备,
25、而调制解调器则是数据通信设备.常用的连接方式如图2.1所示。 DTE RS-232 DCE 电话线 DCE RS-232C DTE 25线 25线 25线 图 2.1 RS-232C接口电路RS-232C定义了20根信号线,通常使用25芯的接插件(DB25插头和插座)来实现RS-232C的标准接口的连接.RS-232C的电气特性由于RS-232C是早期(1969年)为了促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准,其逻辑电平对地是对称的,与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑0电平规定为+5V+15V之间,逻辑1电平为-5V-15V之间,因此RS-232C与TTL电平连接必须经过电平转换.RS-2
26、32C由于发送器和接受器之间有公共信号地,不能使用双端信号,因而共模噪声会耦合到信号系统中,这是迫使RS-232C使用较高传输电压的原因.即使如此,该标准的信号传输速率也只能达到20Kb/s.而且最大距离仅15m.只有在这种条件下才可能可靠的进行数据传输.下表列出RS-232C的主要电气性能。表 2.1 RS-232C主要电气特性不带负载时驱动器输出电平V025V(-25+25V)负载电阻Rl范围37K负载电容(包括线间电容)Cl+3V传号(mark)或逻辑“1”时驱动器输出电平-5-15V在负载端-3V输出短路电流0.5A驱动器转换速率30V/S驱动器输出电阻R0200mV,RO=1,A-B
27、0.2V1 00 0.2V0 00 输入开路110X高阻可见由MAX487收发器组成的差分平衡系统,抗干扰能力强,接收器可以检测到低达200mV的信号,传输的数据可以在千米外得到恢复,因此特别适用于远距离通信.因此选用MAX487组成满足RS-485标准的通信网络.值得注意的是传输线地选择和阻抗匹配.在差分平衡系统中,一般选择双绞线作为信号传输线,因为双绞线在长度,方向上完全对称,因此它们受到外界干扰程度完全相同,干扰信号以共模方式出现.在接收机地输出端由于共模干扰受到抑制,所以实现了信号的可靠传送。而由于信号在传输线上传送，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象，从而影响信号的远距离传送，尽管MAX487能够减少反射的影响，但是还是要采用匹配的方法来消除反射。因此通常会在传输线的末端接120的电阻，进行阻抗匹配。由于在本设计中主机只用来接收数据，从机只用来发送数据，因此完全可以将主机连接的MAX487芯片的/RE和DE两使能引脚接地，而
