无线集中器的设计Word文档下载推荐.docx
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时钟模块为集中器的工作提供精确的工作时钟；
显示模块可以显示时间、日期等相关的数据；
电源模块为集中器各个模块提供必要的工作电源。
关键词：
集中抄表系统,集中器,无线通信
DESIGNSUMMARY
AsChina'
spowersystemtodeepenthereform,thecauseofthepowerofinformationisbecomingmore,theadvantagesofwirelessmeterreadingsystembecomeincreasinglyevident.Wirelessmeterreadingsystemwillnotonlysolvethemanualmeter-readingthewrongcopy,copyleakage,estimatedcopiedandotherissues,butalsothroughwirelessmeansautomaticallyuploaddata,collectedonelectricityuserstosavealotofmanpowerandresourcestofacilitatecentralizedstorage,Unifiedmanagement.
Wirelessmeterreadingsystemisorganizedasthreeparts:
focuseddevice,collectionterminal,theradio,collectionterminalcanbetimedormanuallysetthecollectiontimeontheradiotothetableofdatacollection,anddatacollectedfromtreatedSaveinmemory,whenreceivingthetransfercommandconcentrator,theacquisitionmemoryintheterminaltosenddatathroughwirelesstotheconcentrator.ConcentratorworkonTransformers,thedailytimetothecollectionterminal,theradiocantransmitdatatosendtheorderform,collectedbywirelessradiotothecollectionterminalandelectricitymetersinthedatatable,andreceivedtheelectricityconsumptiondataprocessingandstorage.Uponreceivingtheuploadcommand,theconcentratoraccordingtotheproceduresinordertowirelesslyuploadthecollecteddatatopowermanagement.Concentratorhasadisplaythatcanalternatelydisplaythetimedateandotherrelevantinformation.Concentratorthroughthepublicnetworkcancommunicatewiththemasterstationorinfraredcommunicationfordataupload.
Thispaperdescribesthewirelessmeterreadingsystemofcentralizeddesign.Focusisplacedunderthetransformerto220vACasthemainpower,wirelesslyandcollectionterminal,radiocommunicationtoformcompletedatacopied.ThemaincontrolmoduleusingP89C669completionoftheentiresystemofcentralizedcontrol;
NRF401chipastherealizationoflong-rangewirelesscommunicationsmodulecommunication;
equippedwithRS-232interfaceandinfraredcommunicationmeanstofocusontheparametersforthesetandReproducesthedataupload;
equippedwithanumberofnon-volatilememoryasafocusformemorymodules,withthefocusonthevariousparametersandcopiedthedatapreservation;
clockmoduleistofocusontheworkofprovidingaccurateclockwork;
modulecanbeShowtime,dateandotherrelateddata;
powermodulesforeachmoduleinordertoconcentratetheworktoprovidethenecessarypower.
Keywords:
focusonmeter-readingsystem,concentrator,wirelesscommunications
第1章绪论
1.1远程抄表的目的及前景展望
随着我国电网改造的逐步推进，电力设施得到了迅速发展提高，随着我国经济体制改革的深入，电作为电力部门出售的商品进入了市场。
由于我国采用的是“一户一表管电到户”的供电方式，这使得用电网络十分庞大。
目前，电力营销部门要想知道用户的用电数据，基本上都是采用人工抄表的方式。
这种抄表方式工作量大、效率低下、漏超误超率高、不能对用电情况进行监控，不能适应电力营销部门现代化和信息化的要求。
为满足电力营销部门管理现代化的需求，就需要对传统的用电抄收方式进行改进，易于实现、可靠性高、成本低廉、易于普及的远程无线集中抄表技术将成为电力抄表发展的必然趋势，尤其是在油田、牧场、高原等地区变电所的分布很广，采用电话线传输方式，线路维护量大，而且也很难保证其传输质量；
若与变电所的电力调度电话线公用，通讯时经常发生冲突，即影响了数据的传输也对电调部门的正常工作造成了干扰，并且此种方式对通讯部门程控交换机正常、稳定的运行也有一定的影响；
若采用专线方式，虽传输的质量可以保证但投资成本太高；
无线抄表系统作为配电自动化系统重要组成部分，在有限的投资前提下，能全面提高配电系统的服务质量、设备的运行安全、运行的经济性和供电企业的管理水平，产生良好的经济效益和社会效益[1]。
1.2系统特点
自动抄表系统是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户消耗电能的智能化管理系统。
近年来，这一技术在国内外应运而生，而且发展非常迅速。
为加强用电管理，提高供电效益，使其适应市场经济需要，供电部门采用电度表自动抄表和用电的监控管理是非常必要的。
因此，自动抄表系统将是未来发展的主要方向，这对于提高电力部门的管理水平和经济效益无疑有着十分重要的意义。
配电网中的自动抄表系统是对电量实行自动化管理的一个重要手段和重要组成部分，它的最终目的是：
自动、集中、定时地抄录各用户的用电量；
按用电的峰、平、谷时间和季节自动高速复费率去核算每个用户的电价；
通过银行向各用户自动完成转帐收款、电费结算、打印收据；
为电力部门提供有效的电网运行参数。
该系统的实现是迈向配电自动化的第一步，并有助于提高电力系统用电管理的现代化水平[2]。
1.3自动抄表系统的工作原理
无线抄表系统主要有集中器、采集终端、无线电能表三部分组成，无线抄表系统的结构如图1-1所示：
（1）采集终端可以定时的或人工设定采集时间对非无线电能表的数据进行采集，并将采集到的数据经处理后保存在存储器中，当收到集中器的传输命令后，采集终端把存储器中的数据通过无线方式发送给集中器。
（2）集中器工作于变压器下，每天定时地向采集终端、无线电能表发送传输数据的命令，通过无线方式收集各采集终端和无线电能表中的电表用电数据，并将所收到的用电量数据进行处理和存储。
当收到上传指令时，集中器根据程序，以无线方式将采集到的数据上传至电量管理部门。
集中器具有显示功能，可以交替的显示时间日期和其他相关信息。
集中器可以通过公网或红外通信与主站通信，完成数据上传。
采用E2PROM做存储器，断电后数据不会丢失[3]。
第2章系统总体方案
无线远程抄表系统是一套集数据通信、处理、存储的复杂的系统。
在整套系统中，本篇论文主要讲解集中器部分的设计，以下是对集中器部分的设计具体介绍。
2.1集中器的结构框图
如图2-1所示集中器主要由微处理器、时钟模块、红外通信模块、RS-232通信模块、存储模块、显示模块、电源模块、无线通信模块组成。
2.2集中器的工作原理
集中器每天定时向采集终端、无线电能表发送传输数据的命令，该命令先经过集中器的无线通信模块的调制、转换、放大，然后将处理过的信号经无线方式发送。
采集终端和无线电能表把接收到的命令信号，先经过其无线模块进行处理后送入控制模块进行分析。
按照命令信号取出存放于存储器中的电表数据，通过其无线通信模块把数据变成无线信号发送。
集中器的接收端先把接收的信号进行滤波处理，滤除无用的干扰信号，滤波后的信号进入无线通信模块，信号经过相关的处理，变成数字信号送入集中器的控制模块。
集中器的各种参数可以通过红外以及RS-232接口进行设置，集中器可根据参数自动搜索路由。
集中器通过无线通信模块抄录采集终端、无线电能表的电力数据，并将抄录的相关数据保存在存储模块。
主站要接收集中器的数据，先要通过RS-232口或红外通信的方式向集中器发送接收数据的请求命令，经过集中器的控制模块分析信号后，表示要向主站传输数据，这时控制模块调用存储模块中存储的电力数据以及其他相关数据，通过RS-232接口或红外通信传输给主站。
集中器为了保证数据断电后不丢失，即保证存储数据的可靠性，采用闪存芯片，掉电后数据能够保存几年。
显示模块负责把时间日期等相关信息显示出来，显示模块选用LED发光二极管显示。
时钟模块为整个集中器提供基准时钟，电源模块为集中器各个模块提供电源，集中器的总电源由220v交流电压经过变压、整流、滤波、稳压后提供。
第3章集中器的硬件设计
3.1控制模块的设计
3.1.1控制模块的作用
由于集中器需要进行大量的数据分析与处理工作，因此需要一块拥有智能处理功能的单片机芯片作为控制模块，控制模块是整个集中器的核心，单片机要定时的产生抄读数据的命令并通过无线模块发送出去，完成数据的采集、处理和编码等操作，通过RS-232接口和红外通信将采集到的数据上传给主站，单片机还要控制显示模块对数据进行显示，控制存储模块及时有效对数据进行保存和提取，集中器的各种参数可以通过RS-232接口和红外通信进行设置。
3.1.2单片机的选用
集中器必须通过无线通信模块与采集终端和无线电能表进行通信，同时，需要红外通信、RS-232通信接口，其中RS-232通信利用串行接口，红外通信可以通过软件来实现。
通信数据的波特率需要根据外围电路的设计自行设定。
由于集中器处理的数据量比较大，程序也比较复杂，因此需要一个大容量的内部程序存储器。
选用的单片机应当具有电路简单、体积小和功耗低的特点，根据以上设计要求，本设计选择了飞利浦公司的P89C669芯片构建单片机系统。
P89C669芯片的指令系统与51系列单片机的指令系统相同，它不仅兼容了51系列单片的基本功能，而且在功能上比51系列单片机更强大，并且增加了新的功能，拥有双串行口便与对各种通信接口的设计，拥有96k字节的非易失性flash程序存储器，所以不需要外部程序程序存储器，可用于并行编程以及串行在系统编程和在应用中编程，而且存储于flash中的程序不会掉电而丢失。
2k字节的数据存储器可以保存一定的数据。
这些特性使其更加适合作为集中器的控制芯片[4]。
3.1.3P89C669芯片引脚功能介绍
P89C669是44脚双列直插式大规模集成芯片[5]，其引脚排列如图3.1所示。
图3-1P89C669外部管脚
P89C669的主要特性：
1.24MHz的CPU时钟，一个机器周期包含6个时钟周期。
2.96K字节的片内Flash，可实现在系统编程（ISP）和在应用中编程（IAP）。
3.2K字节的片内RAM。
4.23位的程序存储器空间和23位的数据存储器空间。
5.4个中断优先级。
6.32个I/O口（4个端口）。
7.3个定时器：
定时器0、定时器1和2。
8.2个全双工增强型UART，带波特率发生器。
9.字节型高速I2C总线串行接口（400kbit/s）。
10.帧错误检测。
11.自动地址识别。
12.可停止和恢复时钟。
13.低功耗设计：
电源控制模式，空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）。
14.两个DPTR寄存器。
1.单片机的p2.0、p2.1、p2.2、p2.7分别连到74LS595的SRCLK，RCLK，/G，SER
2.单片机的RXD1、TXD1连接MAX232的R1out,T1in
3.单片机的p0.2、p0.1、p0.0分别连接PCF8563的串行数据口SDA,串行时钟口SCLK,时钟输出口
4.单片机的SDASCL分别连接AT24C1024的串行数据口SDA串行时钟口SCL
5.单片机的p2.4、p2.5、p2.6是三相电路A、B、C的控制口
6.片机的p2.3和/INT0连接红外发射输入端和红外接受组件的输出端
3.2无线通信模块的设计
3.2.1无线通信模块的作用
集中器与采集终端、无线电能表之间的通信主要是通过无线模块进行的无线通信，集中器通过无线模块定时的向采集终端和无线电能表发送数据抄读命令，采集终端与无线电能表接收到数据发送命令后，将存储器中保存的电量数据等通过无线模块发送给集中器。
3.2.2无线通信模块的选用
无线通信模块是集中器设计的关键，是整个无线抄表系统设计的精华所在。
RF发射是主要的耗能元件，选择无线通信芯片时，必须考虑功耗、芯片的发射频带宽度及工作可靠性，传输距离等要素，为此本次采用的无线通信模块是北欧集成电路公司（NORDIC）的NRF401芯片。
NRF401是一种低成本真正单片的UHF收发器，该芯片具有工作频带宽、低功耗、工作环境温度范围宽、数据传输速度快、工作电压范围宽等优点。
3.2.3NRF401芯片功能介绍
NRF401是北欧集成电路公司（NORDIC）的产品，是一个为433MHzISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准（ETSI）EN300200-1V1.2.1。
它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。
nRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。
它要求非常少的外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。
无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.92/434.33MHz）,工作电压范围可以从2.7-5V，还具有待机模式，可以更省电和高效。
NRF401引脚图：
图3-2NRF401管脚图
如图3-2所示，NR401是一个拥有20脚的集成芯片,其引脚功能如表3-1所示
表3-1NRF401芯片引脚说明
引脚编号
引脚名
引脚功能
1
XC1
晶振的输入
2
VDD
电源（+3V-+5V）
3
VSS
电源接地
4
FILT1
输入环路滤波器
5
VCO1
输入VCO电感
6
VCO2
7
VSS
8
9
DIN
数据输入
10
DOUT
数据输出
11
RFPWR
输入发射功率设置
12
CS
输入频道选择（CS=0-433.92MHz，CS=1-434.44MHz）
13
14
15
ANT2
天线终端输入/输出
16
ANT1
17
18
PWR_UP
节电控制输入（PWR_UP=1—工作模式，PWR_UP=0—待机模式）
19
TXEN
发射/接收控制输入（TXEN=1—发射模式，TXEN=0—接收模式）
20
XC2
晶振输出
nRF401工作特点：
●工作频率为国际通用的数传频段
●FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；
●采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好；
●灵敏度高，达到-105dBm（nRF401）；
●功耗小，接收状态250A，待机状态仅为8A（nRF401）；
●最大发射功率达+10dBm；
●低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求；
天线输入输出：
ANT1与ANT2是接收时LAN的输入，以及发送时功率放大器的输出.连接nRF401的天线是以差分的方式连接到nRF401的，在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆[8].
图3-4是个典型的采用差分天线方式的原理图，功率放大器输出是两个开路输出三极管，配置成差分配对方式，功率放大器的VDD必须通过集电极负载，当采用差分环型天线时，VDD必须通过环型天线的中心输入，如图所示.一个50欧姆的单端天线或测试仪器也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401，如图3-3所示。
图3-3采用单端天线时匹配网络的设计
图3-3的180nH电感，要求自谐振频率大于433MHz，根据具体应用不同，在50欧姆输入输出处，可能需要LC匹配网络.单端天线到nRF401的连接，也可以采用一个8：
1的RF线圈匹配阻抗.RF线圈必须有管委会中心抽头连接到VDD.
为了获得最好的RF性能，发射和接收频率误差不能超过70ppm（30KHz）。
这就要求晶体的稳定度不能低于±
35ppm。
频率的差异将会导致接收机灵敏度产生-12dB/倍程的损失.例如一个±
20ppm频率精度和在温度范围内±
25ppm稳定度的晶体，最大的频率误差将会超过±
45ppm。
如果发射机和接收机的工作温度环境不同，在最差的情况下两边的误差将会超过90ppm，其结果将会导致接收机灵敏度下降将近5dB。
3.2.4无线通信模块的电路设计
nRF401采用的是外接独立4M晶振。
C1、C2、R1共同组成了一个PLL环路滤波器，PLL环路滤波器是个单端二阶滤波器，可以起到低通滤波器的作用，可以快速衰减高频分量；
nRF401采用独立的外部晶体振荡器，为了获得良好的RF性能，发射和接收频率误差不能大于30KHz，这就要求晶体的稳定度不能低于±
35PPM..
天线对无线传输设备的性能有着很大的影响，系统中，ANTI和ANT2是NRF401接收时的输入，以及发送时功率输出器的输出.天线接口设计为差分形式，以便于使用低成本的PCB天线，功率放大器的输出是两个开路输出三极管，配置成差分配对方式，功率放大器的VCC必须通过集电极负载.由于采用差分环型天线，VCC必须通过环型开线的中心输入.调整图中RF偏压电阻R4可以调节输出发射功率，其最大可达10dbm.在天线端的负载阻抗是400Ω..nRF401采用了晶体振荡和PLL合成技术，频率稳定性极好，采用FSK调制和解调，抗干扰能力强.在接收模式中，nRF401单片射频集成电路被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声放大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出（DOUT端）.在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进人到发射功率放大器射频输出.其与单片机的连接主要分为模式控制（TXEN，PWR_UP，CS）和UART接口两个部分.图中系统的工作原理是：
在发射端，通过单片机将要发送的信号进行初步处理，对要传输的信号进行编码，然后利用NRF401无线数据传输芯片通过无线方式将有效数据发送给接收端，接收端在接收到有效数据后对信息进行解码，并通过串口通信传送到单片机作进一步的处理.
表3-2NRF401工作模式真值表
CS
频道
模式
4Ω
asd
L
20mH
RX
TX
X
--
待机
3.3存储模块的设计
3.3.1存储模块的选择
按照设计要求，集中器要对大量的电表数据进行存储和处理，因此需要大容量的存储设备
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