RS485总线在智能抄表系统中的应用

　　1 引言

　　智能抄表系统由主站通过传输媒体将多个用户仪表的数据集中抄读的系统。它是用现代化的通讯手段去抄读这些仪表的数据，而不用到现场。智能抄表系统一般是集中抄表系统与数据远程通讯的组合。网络远程集中抄表是工业和民用中新兴的一项实用技术，结合了计算机、网络、信和工业自动化等现代化技术，并随着技术的不断发展而出现许多不同的实现手段。本文详细介绍了RS485总线在这种智能抄表系统中的应用。

　　2 智能抄表系统硬件设计

　　2.1 RS485通讯网络设计

　　RS485总线是工业应用中非常成熟的技术，是现代通讯技术的工业标准之一，采用RS485总线设计网络也是基于这些原因。RS485总线用于多站互连十分方便，用一对双绞线即可实现，由于采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出;在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抗共模干扰的能力。根据RS-485标准，传送数据速率达100kbit/s时通讯距离可达1200m。

　　本文中RS485总线包括数据采集器和数据集中器两个独立的子系统。在这种主从式的一点对多点的连接中，数据集中器是主机（即所谓的上位机），数据采集器为从机（即下位机）。网络结构图如图1所示。

　　网络拓扑结构为总线型。网络中只能有一个主设备（Master），从设备从不进行主动通讯。数据集中器作为主设备，主动开始一个通讯过程，即发送指令和数据。而数据采集器作为从设备监听总线，随时准备响应总线指令，回应数据集中器。

　　　　　　　图1 基于RS485总线网络的集中器与采集器结构图

　　2.2 数据集中器通讯设计

　　数据集中器硬件原理框图见图2，主要由以下几部分组成:单片机系统、调制解调器、与计算机间的通讯接口电路、摘机电路、隔离驱动电路、与数据采集器间的通讯接口电路、LED显示单元、收发控制电路。数据集中器设有小键盘输入和LED显示模块，在系统中有承上启下的作用，即可作为上位机与数据采集器进行通讯（主动模式），也可作为下位机与管理计算机进行通讯（被动模式）。工作模式如下:

　　1、主动模式:在没有上层管理计算机联机控制下，数据集中器作为主控设备，可通过小键盘设置下位机从节点（数据采集器，下同）地址进行主动通讯，然后通过LED显示模块循环显示接收到的该下位机从节点发送来的组数据。

　　2、被动模式:在有上层管理计算机的联机控制下，数据集中器成为一个通讯中转站，一方面与上层计算机通讯，一方面与RS48网内从节点通讯。通过这种方式，计算机的指令和数据可传达到RS48｝网内的任何节点，网内的任何节点的数据也可回送到计算机。

　　　　　　　　　　　　　　　图2 数据集中器原理框图

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　　2.3 数据采集器通讯设计

　　数据采集器是一种通用的多路数据采集处理装置，可以采集脉冲式水农、电能表、气表、热表等工作脉冲，或者采集温度、电压、电流等信号。为了正确采集有效脉冲，防止外界的电磁干扰，外接信号先经过滤波和整形等硬件抗干扰电路进入下一级。然后进行软件抗干扰过程，软件以极高的速度进行采样，判断丢弃干扰脉冲，对符合条件的脉冲输入计数并处理。对于温度、电压、电流等模拟信号，先通过A/D电路的转换后再处理。数据采集器设有LED显示器循环显示每一路的数据。

　　为保证数据的可靠，采集器设计了两级数据存储器，并确保数据为一个一个写入X5045的串行EEPROM。由于X5045需要一系列的复杂的 SPI总线操作才能正确写入，因此X5045的EEPROM的数据是可靠和可信的。系统配备后备可充电池，正常使用中由交流220V供电，并对电池进行涓流充电。一旦交流供电出现问题，后备电池立刻切换为系统供电，在一定时间内确保系统正常工作。系统设计有串行实时钟为CPU提供日期和时间，为各个用户仪表的数据处理与故障检测提供时间参数。

　　2.4 数据集中器与计算机的远程通讯设计

　　2.4.1 数据集中器远程通讯部分设计

　　管理计算机或数据集中器与Modem的接口为RS232接口。PC机一般将RS232口做为标准配置设备，单片机设备则一般是通过RS232接口芯片得到RS232电平。MAX232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含两路接收器和驱动器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。MAX232芯片只需采用单一的+5V电源，可提供 RS232电平，这在使用中非常方便。图3为PC机与MCS51系列单片机通过MAX232接口连接的通讯电路。

　　　　　　　　　　　　　　图3 RS232与单片机连接电路图

　　2.4.2 数据集中器的振铃检测电路

　　数据集中器振铃检测电路如图4。该电路在检测到电话线上有振铃信号后，产生外部中断请求，外中断响应后进入中断服务程序。首先关闭中断，然后接通MODEM电源，初始化串行口及MODEM，发送AT指令，与上位PC机MODEM建立连接，允许中断后返回。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 振铃检测电路

　　3 系统可靠性设计介绍

　　在系统设计中，无论是数据集中器还是数据采集器，都采用了Xicor公司的X6045芯片作为看门狗及电源监控电路，其EEPROM作为一个二级数据存储保护装置可以使系统更加可靠。采用X6045使线路板简化设计，省去了很多的繁琐电路。当然，由于普通AT89系列单片机没有SPI接口，所以必须用通用I/O口在软件设计中模拟其工作时序，进行读、写等各种操作。X5045可设定看门狗超时时间，典型时间200ms、600ms、1.4s或禁止，一旦设定好该时间，则软件在该时间内必须喂狗一次，以不引起看门狗复位。当程序跑飞或者死机，则看门狗电路能及时检测到并复位以确保程序正常运行。

　　系统设计中，为保证系统免受外界干扰，确保系统的可靠运行。内系统与外系统的隔离基本上采用了光电隔离器件。器件用光进行信号的传递，以使两个系统在电气上不再有连接，防止了相互之间的影响。

　　4 智能抄表系统软件设计

　　通过与硬件的配合，完成计算机软件的编程，实现整个系统的功能。主要是人机界面的设计、通讯模块的设计、数据库技术的应用及管理应用的具体实现。遵循从顶向下，逐步细化的软件设计思想，对以上功能描述进行分析。整体而言，远程抄表管理软件应有如下几个模块:硬件信息模块、抄表控制模块、查询打印模块、系统设置模块、数据库操作模块等几大模块。

　　　　　　　　　　　　　　　　图5 软件模块结构图

　　硬件信息模块:包含整个系统的硬件信息，包括集中器、计量表信心及由此而得到的用户初始化信息。

　　抄表控制模块:完成通讯功能，即指令的发送和数据接收。通讯包括各种硬件条件下的通讯，如:485直接方式、电话拨号方式、TCP/IP方式及电力线载波方式。

　　查询打印模块:完成原始数据的处理，得到对管理员和用户有用的数据。包括各种查询打印方式，如:单元查询打印、单户查询打印、所有用户查询打印。

　　系统设置模块:系统中管理员管理接口，主要有通讯设置、密码管理、价格设置、报警设置。

　　数据库模块:数据库应是软件系统的核心，各种数据处理实际是对数据库的操作，原始数据的存储、处理等都在数据库的支持下进行。

　　本文作者创新点: 本文从实际应用出发对基于RS485总线的智能抄表系统方案进行了详细论述。系统采用的是一个开放、灵活的设计方案。低成本、易于实现和使用是设计过程中的一个原则，并着重介绍了RS485总线数据通讯硬件设计，计算机与数据集中器的数据通讯和计算机抄表管理软件设计，可以达到了良好的使用效果。