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目前大量存在的人工抄表的方法已遠不能適應現代化管理的需要，并由此帶來的線損率的增高也必然影響電力行業的發展。線損率較高的主要原因之一就是抄表、計算和管理手段的落后，管理損耗增大。如果采用電能表自動抄收系統，不僅可以大大提高電網運行的可靠性，而且可以充分利用現有設備的能力，降低勞動強度。該系統主要由電表抄表器（數據采集）、數據轉發器（數據傳輸）和主機（數據處理）三大部分組成。本文主要設計其中數據轉發器部分。 通常電表采用的有紅外通信、RS485通信或無線射頻通信三種通信方式，而普通的電表抄表器一般只帶有上述三種通信接口的其中一種通信接口。為了能適用于常見的這三種電表抄表器，方便有效地把抄表器的數據傳輸到主機，數據轉發器集成了這三種通信接口，完全收系統通過該數據轉發器可以實現主機與電表抄表器的數據交換，是一個多通道計算機數據傳輸系統，結構原理如圖 1所示。后三個通道模塊通過一個多路轉換器與單片機MSP430串行通信，而MSP430F149通過RS232通信模塊與主機進行數據通信。 1 單片機接口設計 本設計采用的MSP430F149單片機屬于德州儀器公司MSP430系列。MSP430系列是一組超低功耗的微控制器，由多種針對不同應用目標而以不同模塊組成的型號組成。微控制器設計成可使用電池長期工作，電源電壓范圍1.8～3.6V。 MSP430F149有60KB的Flash和2KB的RAM。其中Flash又分為120段主存儲器（每段512B）和兩段信息存儲器（每段128B）。Flash可以整個擦除也可以分段擦除，這給系統的軟硬件設計帶來了極大的便利和靈活。鑒于單片機存儲器的容量和特點，外部不用擴展存儲器和I/O口，外圍設備得到了簡化。 MSP430F149的工作電壓是3.3V，因此，其I/O電平也是3.3V邏輯電平，并且與5V TTL電平兼容。MSP430F149有兩個串行異步通信口，它與主機及后三個通信模塊的接口電路原理圖如圖2所示。電表抄表器要選中哪種通信方式，是通過MSP430F149單片機控制多路轉換器CD4052的A和B端引腳的電平高低來轉換的。 2 通信電路設計 2.1 RS485通信接口電路 轉發器與電表抄表器之間的數據傳送經過RS485收發器MAX485，由單片機串行口的TXD和RXD發送和接收。轉發器的單片機有一個規定的地址碼，CPU不斷查詢RXD口數據。當判別地址數據為本轉發器對應地址時，讀入操作數據，再判別是何種控制功能，發出對應的控制信號。 MAX485是一種差分平衡型低功率收發器芯片。芯片中包含有1個驅動器和1個接收器，采用單+5V電源供電，專用于TTL協議（即通用于各種CPU的通信協議）與485協議間的轉換，其RS485通信接口電路如圖3所示。 2.2 無線射頻通信接口電路 單片機無線串行接口電路由MICRF102單片發射器芯片、MICRF007單片接收器芯片組成，工作在300～440MHzISM頻段；具有ASK調制和解調能力，抗干擾能力強，適合工業控制應用；采用PLL頻率合成技術，頻率穩定性好；可用于單片機之間的串行數據無線傳輸，也可在單片機之間的串行數據無線傳輸，也可在單片機數據采集、遙測遙控等系統中應用。 （1）無線發射電路 無線發射電路以MICRF102為核心，如圖4（a）所示。MICRF102是Micrel公司推出的單片UHFASK發射器，采用SOP（M）-8封裝，芯片內包含：由基準振蕩器、相位檢波器、分頻器、帶通濾波器、壓控振蕩器構成的合成器，發射偏置控制，RF功率放大器，天線調諧控制和變容二極管等電路，是一個真正的“數據輸入-無線輸出”的單片無線發射器件。 UHF合成器產生載頻和正交信號輸出。輸入相位輸入（I）用來驅動RF功率放大器。天線調諧正交信號（Q）用來比較天線信號相位。天線調諧控制部分檢測天線通道中發射信號的相位和控制變容二極管的電容，以調諧天線，實現天線自動調諧。功率放大器輸出受發射偏置控制單元控制。ASK/OOK調制，提供低功耗模式，數據傳輸速率為20kb/s。 （2）無線接收電路 無線接收電路以MICRF007為核心，如圖4（b）所示。MICRF007是Micrel公司推出的單片UHFASK/OOK（導通關斷鍵控）超外差無線電接收芯片。MICRF007采用SOP（M）-8封裝，芯片內電路可分為UHF下變換器、OOK解調器和基準控制三部分。UHF下變換器包含RF放大器、混頻器、中頻放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、合成器、AGC控制電路；OOK解調器包含低通濾波器、比較器；基準控制電路包含基準振蕩器和控制邏輯電路。僅需外接2個電容器CAGC和CTH，1個晶振以及電源去耦電容即可構成1個UHFASK接收器。所有的RF和IF調諧都在芯片內自動完成，是一個真正“無線輸入-數據輸出”的單片器件。 MICRF007是標準的窄RF帶寬的超外差接收器，窄帶寬接收器對RF干擾信號不敏感。RF中心頻率由完全集成的PLL/VCO頻率合成器控制，與基準振蕩器外接晶振有關。中頻帶通濾波器的帶寬為430kHz，基帶解調器的低通濾波器帶寬為2.1kHz。接收數字ASK信號，接收器數據傳輸率為2Kb/s。 2.3 紅外通信接口電路 紅外通信接口電路實質上是由紅外線發射管、傳輸門組成的光電信號轉換電路。電路設計與實際需要的傳送距離有關。這種紅外通信模塊隔離了兩臺紅外設備的電氣連接，有較好的抗干擾能力，能真正實現紅外線傳輸。 圖5（a）為紅外發射電路，主要由或非門、紅外發射管和放大三極管各一個組成。MSP430F149單片機的P1.1產生載波信號，通過或非門CD4071對TXD發送數據起載波調制作用，最后通過紅外發射管和放大三極管對電表抄表器發送數據信號。 3 串行通信程序設計 數據傳輸在PC主機與電表抄表器之間進行，PC機通信程序通過VB（VisualBasic,可視化Basic編程語言）的MSComm控件實現的。MSP430F149單片機選用32768Hz振蕩頻率，波特率為4800b/s，采用串行通信的半雙工方式。單片機串行通信程序要用匯編語言編程，程序流程如圖6所示。 本設計方案由于采用了MSP430F149單片機，其中富的片上外圍功能模塊使得外圍電路得以大大簡化；其超低功耗模式，降低了成本，提高了運行可靠性目前，該設計已經在電能表自動抄收系統實際運行中取得了很好的效果。 |
