电力抄表系统设计

《电力抄表系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力抄表系统设计（28页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、北京信息科技大学 毕 业 设 计（论 文）题 目： 远程电力抄表系统集中器硬件设计 学 院： 仪器科学与光电工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 班级/学号 指导老师/督导老师： 起止时间： 2012年2月21日 至2012年6月17日 23摘要摘 要随着国民经济和电力事业的迅速发展，一户一表制已基本普及，企业级的电力负荷监测、控制系统已在一些地区投入使用，取得了较好的效果。但低压电力用户由于数量多，地域分布广，电力公司的抄表工作量相当大。因此采用新的技术手段，利用本地和远程自动抄表技术，完成自动抄表并达到实时监控电能表计的目的，同时减少人工上门抄表、数据输入等繁杂又容易出错的劳动，

2、提高工作效率，真正做到用电管理自动化，远程电力抄表系统就成为电力公司解决抄表问题的一种选择。本文旨在提供一种低成本、高可靠地实现公共事业收费自动化和小区物业管理智能化的技术应用。本文讨论了数据集中器的硬件设计，并对其各模块进行了设计与分析。详细地介绍了远程电力抄表系统集中器硬件设计的具体实现方案。通过查阅相关资料和近几年的研究成果，此系统基本上可以实现远程电力抄表系统对用户电能表的远程数据采集、记录和实时监测的功能。关键词：硬件； 抄表系统； 集中器； 远程抄表； AbstractAbstractWith the rapid development of the national econom

3、y and power, a table system has basically universal, enterprise-level monitoring of the power load, the control system has been put into use in some areas, and achieved good results. Low-voltage electricity consumers due to the number, geographical distribution of a wide power companys meter reading

4、 workload is considerable. Therefore, new techniques, the use of local and remote automatic meter reading technology to complete the automatic meter reading and achieve the purpose of real-time monitoring of the electrical energy meter, meter reading, data entry, complicated and easy to go wrong lab

5、or while reducing manual door, and improve work efficiency , truly the power management automation, remote meter reading system has become an option for power companies to resolve meter reading problems.This article aims to provide a low-cost, high reliability and public utility charges, automation

6、and residential property management intelligent technology. This paper discusses the hardware design of the data concentrator, and each module design and analysis. Detailed description of the remote power meter reading system - focus on the hardware design solution to implement. Access to relevant i

7、nformation and research for the past few years, this system can be achieved basically remote automatic meter reading system on the user remote energy meter data collection, recording and real-time monitoring capabilities.Keywords: hardware; Collect meter reading system; Collector; Remote meter readi

8、ng目 录目 录摘 要（中文）IAbstract（英文）II第一章概述11.1远程电力抄表系统的研究背景11.2国内外远程自动抄表系统的发展及现状11.3远程电力抄表统的目的意义1第二章系统需求分析32.1远程电力抄表系统需求介绍32.2远程电力抄表系统的组成介绍32.3远程电力抄表系统实现目标42.4系统开发环境及应用工具介绍42.4.1系统软硬件要求42.4.2编译环境Keil uVision2介绍52.4.3画图工具Ptotel 99 SE介绍5第三章 集中器硬件设计芯片介绍63.1STM32F103ZET6芯片介绍63.1.1管脚图及主要引脚介绍63.1.2系统中的作用及接线73.2K

9、9F2G08U0M芯片介绍73.2.1管脚图及主要引脚介绍83.2.2系统中的作用及接线83.3TSC2200IRHB芯片介绍83.3.1管脚图及主要引脚介绍83.3.2系统中的作用及接线93.4MAX3082芯片介绍93.4.1管脚图及主要引脚介绍103.4.2系统中的作用及接线10第四章 集中器硬件电路设计114.1集中器整体结构设计114.2CPU模块电路设计114.2.1NAND FLASH电路原理图114.2.2JTAG电路原理图124.2.3振荡电路设计134.2.4复位电路设计134.3LCD&触摸屏模块电路设计134.3.1触摸屏控制电路设计144.3.2LCD液晶接口电路设计

10、144.4通信电路设计154.4.1RS232接口与RS485接口的介绍154.4.2RS232&RS485通信电路设计164.5电源电路设计164.6PCB板设计174.6.1PCB板设计步骤174.6.2PCB板设计图18第五章 硬件调试及分析195.1整板电路测试195.2STM32F103ZET6芯片测试195.2.1复位管脚、晶振管脚、串口通信管脚测试195.2.2I/O口功能测试程序设计195.3串口电路测试20第六章 总结与展望216.1总结216.2展望21结束语22参考文献.23远程电力抄表系统集中器硬件设计第一章 概述1.1 远程电力抄表系统的研究背景随着我国电网改造的逐步

11、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、漏抄误抄率高、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。在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。

12、我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费，再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。随着我国电力事业的发展，电力系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。传统的人工抄表模式的弊病越来越突出，主要表现在：1. 查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大；2. 错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形象；3. 窃电问题严重，尤其是工业大用户的窃电问题，由于数额较大，严重地损坏了电力企业的利益，扰乱了供用电秩序。以上这些问题一直困扰着电力部门，

13、并成为制约电力部门提高效益、实现电网自动化的瓶颈。国家如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。1.2 国内外远程自动抄表系统的发展及现状目前许多国家和地区都已广泛采用远程电力抄表系统代替传统的人工抄表，主要集中在煤气表、电量表和水流量表的自动抄表，特别是煤气抄表已经有几十年的发展历史。抄表技术的快速发展得益于80年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的高速发展，使得抄表系统在向着智能化、低功耗、低成本和通信标准化设计的过程迈出了坚实的一步，达到了可以大规模推广的实用性阶段。我国内所采用的抄表方式大致可以分为三种：一是传统

14、的人工抄表方式，抄表人需到用户处读取数据，返回总局后将数据重新输入电脑进行处理；二是预付费方式，抄表人无需到用户处，用户通过银行划拨收费或到仪表管理部门购买磁卡、IC卡等，按购买额提供用量，完成收费工作；三是远程抄表方式，监控中心通过远程通信系统(例如公用电话网、电力线载波、数据网等)自动获取远程仪表数据的方式。这也是本设计重点研究的抄表方式。当前在我国国内大量使用的是预付费方式，部分地区已经开始了远程抄表的试点。1.3 远程电力抄表统的目的意义随着一户一表的推广及城网、农网的改造，以及国家打破电力供应垄断局面、引入竞争政策的逐步深入，发展远程自动抄表技术是提高用电管理水平的需要，也是网络和计

15、算机技术迅速发展的必然。远程自动抄表技术具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与营业计算机联网等突出的优点。采用远程电力抄表系统可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的抄表误差，并能迅速地统计实时线损等。它从根本上克服了传统人工抄表模式的弊端，给电能管理的现代化带来了新的希望。采用远程电力抄表系统有如下优势：1. 采用远程电力抄表，不再需要预约上门抄表时间，居民用电量自动抄收，收费实现自动划拨，还能迅速查询账单，能更好地方便用户。2. 随着一户一表的推广及城网、农网的改造，电表的数量迅速增大，抄表的工作量越来越大，所需抄表人员越来越多，人力成本大幅度上升。采用远程自动抄表，能节

16、约人力资源实现减员增效。3. 远程电力抄表，对加强用电管理，防止窃电，电费催收，杜绝贪污腐败等都有积极的意义。4. 采用远程电力抄表，可提高抄表的准确性，减少因估计或抄写而造成账单错误，使供用电管理部门能及时准确获得数据信息。5. 电力的发展，需要从用户处尽快获取更多的数据信息，如电能需量、配电变压器的监测、线损的准确统计、分时电量和负荷曲线等，远程电力抄表为实现上述要求提供了切实可行的技术手段。第二章 系统需求分析远程电力抄表系统的设计主要是为了弥补传统人工抄表的落后方式，实现不需要人员到达现场，利用特定的通信方式将用户处的电能表所记录的各种数据传送到远程主控站的计算机网络中，并由软件对数据

17、进行统计、分析和计算。为电力部门减少庞大的工作量，节省大量时间。此外远程电力抄表系统是未来电力系统的发展方向，是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个电力管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的电力管理系统。可以有效地提高电力抄表效率，因而正在日益受到社会的广泛重视！2.1 远程电力抄表系统需求介绍在能源紧缺而又不可或缺的今天，科学、及时、有效的能源管理和电力调度已经至关重要了。我国电力系统长期以来的查收方式是人工抄表，由查表人员入户查表计费，再由收费人员入户收费或将收费单送到用户通过银行进行结算。随着我国电力事业的发展，电力

18、系统两网改造工作的逐渐推进，厂网分离、同网同价和分时计费等政策的出台，用电网络规模急剧膨胀，使得供电企业对用电网络的管理任务日益加剧。传统的人工抄表模式的弊病越来越突出，主要表现在：1. 查表收费人员工作入户难，条件差，效率低，劳动强度大；2. 错抄、漏抄、估抄的现象严重，影响电供应部门的经济效益和社会形象；3. 窃电问题严重，尤其是工业大用户的窃电问题，由于数额较大，严重地损坏了电力企业的利益，扰乱了供用电秩序。国家如何把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析，成为供电企业一个迫切需要解决的问题。从上文可以看出，现在的抄表方式需要一种可以自动完成这些操作的应用系统

19、，远程电力抄表系统就是针对这些需求而研发的，它可以实现把庞大且分散的用电量及其它数据及时有效并且准确无误地收集、统计及分析。2.2 远程电力抄表系统的组成介绍远程电力抄表系统整体由四部分组成：控制中心、集中器、表箱控制器和用户电表；分为两层结构，包括集中器与表箱控制器的底层通信和控制中心与集中器的上层通信。系统组成框图如图2.2所示。自动抄表系统的通信信道方案包括集中器与表箱控制器的底层通信信道方案和管理中心与集中器的上层通信信道方案。底层数据采集采用RS-485总线型通信方式。上层通信系统是以安装在管理中心的系统工作站为中心点，以发散的形式分别通过通信信道与分散于各区域的集中器连接，信道的通

20、信数据量大，要求有一定的传输速率和带宽。鉴于GPRS网络的成熟度较高、覆盖面较广，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求，因而选用GPRS网络作为上层通信方式。但是由于此设计尚处于试验阶段，还没有实现真正的GPRS网络通信，仅仅是利用RS-485总线型通信方式进行数据的传输。控制中心服务器与集中器构成上层通信系统。底层通信系统位于数据采集现场，包括用户电表、表箱控制器和集中器。表箱控制器通过RS-485串行总线把采集到的数据传送给集中器。集中器的主要功能就是数据的采集、汇总、显示和转发。本系统中集中器主要由控制器和通信模块构成。集中器利用RS-485总线把比较接近的表箱控制器的数据汇总过

21、来，对它们进行分时存储，并利用通信模块通过GPRS网络（此设计用RS-485串行总线）把数据传送给上位供电部门管理中心。集中器又称为抄表数据采集终端设备，其设计实现就成为本系统的关键部分，集中器的硬件设计也是本文将重点进行阐述的部分。下面两章将对集中器的硬件设计做详细介绍。系统组成框图如图2.1所示： 图 2.1远程电力抄表系统的组成框图2.3 远程电力抄表系统实现目标远程电力抄表系统的整体设计分为集中器硬件设计、集中器上行程序设计、表箱控制器硬件设计以及集中器下行程序设计四大部分，分别由四位同学共同完成，而本文重点阐述的是集中器硬件设计。本次设计旨在实现自动抄表、表箱控制单元与集中器的下行通

22、信、集中器与控制中心的上行通信，在控制中心能够显示抄表数据及数据状态，便于记录与整合。以此来为电力工作人员带来抄表以及统计的方便。2.4 系统开发环境及应用工具介绍2.4.1 系统软硬件要求本次设计是在PC机与实验箱的共同作用下完成的，关于PC机的要求并不是十分严格，只是一般的配置即可，不过实验箱的连接需要驱动USB口，具体的实验环境要求具体如下：操作系统：Windows 2000以上版本；内存：64M及以上；CPU：512MHZ以上；USB驱动口：COM4口；2.4.2 编译环境Keil uVision2介绍单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件。本次设计应用的软件为Keil uVisi

23、on2，该软件是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发。Keil内部建立有一个仿真CPU用来模拟执行程序，该仿真CPU功能强大，可以在没有硬件和仿真机的情况下进行程序的调试工作。如图2.2所示，就是Keil uVision2工作界面。 该编译环境的特点是全功能的源代码编辑器，器件库用来配置开发工具设置，项目管理器用来创建和维护用户的项目，集成的MAKE工具可以汇编、编译和连接用户嵌入式应用，所有开发工具的设置都是对话框形式的， 图2.2 Keil uVision2工作界面真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器，高级GD

24、I接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和Monitor-51进行通信。在Keil uVision2中，有三种存储模式，分别是Small、Compact和Large。其中Small模式是指所有缺省值变量参数均装入内部RAM，优点是访问速度快，缺点是空间有限，只适用于小程序；Compact模式是指所有缺省变量均位于外部RAM区的一页（256 Bytes），具体哪一页由P2口指定，在STARTUP.A51文件中说明，也可用Pdata指定，优点是空间较Small宽裕，速度较Small满慢，较Large要快，是一种中间状态；Large模式是指所有缺省变量可放在多达64KB的外部RAM区，优点是空间大，可

25、存储变量多，缺点是速度慢。因本设计涉及到的程序较多，因此采用Large模式。2.4.3 画图工具Ptotel 99 SE介绍Protel99SE是应用于较高操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层。如图2.3 ，即Protel99SE工作界面。本设计主要应用该软件的电路原理图设计，电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和

26、各种文本编辑器。本系统的主要功能是绘制、修改和编辑电路原理图；更新 图2.3 Protel99SE工作界面和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。这是一个易于使用的具有大量元件库的原理图编辑器，主要用于原理图的设计，它可以为印刷电路板设计提供网络表，使用户可以轻松完成所需的设计任务。第三章 集中器硬件设计芯片介绍本章主要介绍该远程电力抄表系统中集中器硬件设计中应用的硬件芯片，分别从芯片基本介绍、芯片工作原理等方面阐述应用到的主要芯片。同时每块芯片在系统中起到的作用，以及该芯片在公交系统中主要使用哪些引脚，这些引脚是怎样与单片机连接的等内容也将在该章讲述。3.1 STM32F

27、103ZET6芯片介绍STM32F103ZET6采用ARM公司的高性能Cortex-M3内核，该内核集高性能、低成本、低功耗、性价比高于一体。同时，Cortex-M3中还集成了大部分存储器控制器，这样可直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍。内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器以及带校准功能的32kHz RTC振荡器。除此之外，其运算速度可达1.25DMips/MHz ,集成1s的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI，18MHz的I/O翻转速度；7组112个通用I/O口；片上外设资源包含有温度传感、PWM定时器、CAN总线、USB、UART、SPI、无线通

28、信等接口、电压比较器、看门狗定时器、电源监测模块可编程逻辑阵列(PLA)等。该芯片采用2V-3.6V供电供电，在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2A。3.1.1 管脚图及主要引脚介绍图3.2就是STM32F103ZET6芯片的管脚图，具体管脚介绍如下： PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG 7组共112个I/0口：112个多功能双向的I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号。OSC_IN、PC14-OSC32_IN：振荡电阻输入端，与OSC_OUT所接电阻决定振荡频率；OSC_OUT、PC14-OSC32_OUT：振荡电阻振

29、荡器输出端。PA2/USART2_TX 10个USART接口：同步异步收发器（USART），它支持同步单向通信和半双工单线通信。它也支持LIN(局部互连网)，智能卡协议和IrDA(红外数据组织)SIR ENDEC规范，以及调制解调器(CTS/RTS)操作。它还允许多处理器通信。用于多缓冲器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。NRST：异步复位脚。为低时，选择该芯片成为当前被控制设备并且开启SPI接口。空闲时，需要拉高。SPI：串行外设接口。总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在

30、主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。 图3.1 STM32F103ZET6管脚图 3.1.2 系统中的作用及接线本次毕设集中器的功能主要通过STM32F103ZET6芯片来实现的，STM32F103ZET6芯片本身具有高性能Cortex-M3内核，丰富的I/0接口。它可以控制电源，液晶，触摸屏，存储设备，数据传输等。本次设计中涉及到STM32F103ZET6的接线有很多引脚，几乎所有的I/0接口都用上了，除了像PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG 7组I/0口外，主要用到的引脚分别是OSC_IN、P

31、C14-OSC32_IN、NRST 、SPI 以及USART接口，具体的引脚分配将在后文讲述。3.2 K9F2G08U0M芯片介绍K9F2G08U0M-Y,P有2G+64M位的存储单元。存储单元组成128k页(page)(2k+64)列的存储阵列。每页由2k字节的主存储区和64字节的备用存储区组成64字节的备用存储区可用来存放数据，也可以存放校验值。整个芯片包含128k页，每64页构成一个块(block)。芯片共包含2k个块。除基本数据存储单元外，K9F2G08U0M-Y,P还包含有一个2112字节的数据寄存器和2ll2字节的高速缓存，它们可在读写FLASH的过程中起到IO接口与存储单元之间的

32、数据缓冲作用。K9F2G08U0M-Y,P存储器的地址、命令和数据总线均使用同一个8位IO口，可在片选信号CE和写信号WE为低时写人命令、地址和数据，并在WE信号的上升沿锁存。通过命令锁存信号CLE和地址锁存信号ALE可指示当前IO口的数据是命令还是地址。命令一般占用2个周期。但查询状态READ STATUS1 命令只占用1个周期。K9F2G08U0M-Y,P的读写操作都是以页为单位进行的,读写命令后需要发5个地址周期；擦除则是以块为单位进行的,擦除命令只需要3个地址周期发送块地址即可。本设计中主要是应用到了该芯片庞大的存储的功能，具体见下文介绍。3.2.1 管脚图及主要引脚介绍 图3.2就是

33、K9F2G08U0M-Y,P芯片的管脚图，具体管脚介绍如下： I/O0I/O7：输入，输出。I/O0I/O7既可作为数据输入输出引脚，又可作为命令地址的输入引脚，命令、地址、数据分时复用，根据不同的命令区分地址和数据；CLE：命令锁存允许。ALE：地址锁存允许。CE：片选。WE：写允许。RE：读允许。R/B：准备好忙。WP：写保护。 图3.2 K9F2G08U0M-Y,P管脚图 3.2.2 系统中的作用及接线由于本设计的目的是为了高速存储大容量的数据，因此，选择NAND型K9F2G08U0M存储器。它的存储容量是2 Gbit，8位位宽，页大小为20488 bit，每块由64页组成，共有2048

34、块。每页带有648 bit的空闲存储区，共有8192 K8 bit的空闲存储区。本次采用的K9F2G08U0M-Y,P NAND FLASH使用3.3V供电，拥有8个256M的储存颗粒，也就是大约2G的储存空间。由于在实际设计中NC引脚不连接，因此K9F2G08U0M的连线连接的管脚为：I/O0I/O7、CLE、ALE、CE、WE、RE、WP 、R/B。K9F2G08U0M与STM32F103ZET6连接简单，另STM32F103ZET6的7个FSMC引脚分别与I/O0I/O7先连，CLE、ALE、CE、WE、RE、WP 、R/B分别与STM32F103ZET6的几个I/O接口相连。具体的连接

35、将在下文中详细阐述。3.3 TSC2200IRHB芯片介绍TSC2200IRHB 是一个完整的可编程模拟接口电路, 专门控制四线触摸屏应用中的位置、 压力和plate电阻测量。TSC2200IRHB 采用内置处理单元, 不需要微处理器的参与就能执行所有触摸屏处理任务, 如触摸检测、可编程触摸屏( X/Y)驱动器和转换控制、数据平均过滤和存储、以及触摸面板稳定等。这种协处理解决方案减少了微处理器中断服务程序( ISR) 的负担, 为微处理器节省了大量MIPS计算能力,从而提高了系统的运行速度和精度。该芯片由选择器、触摸屏接口、键盘接口、直接电源管理、辅助输入、温度控制、电流输出D/A 转换器等部

36、分组成。TSC2200 支持4 线电阻模式, 除了能用X 和Y 来给触摸点定位以外, 还能直接测量触摸压力。本课题设计的电力抄表系统提供液晶显示中文菜单操作界面以及数据的实时显示，所以显示系统需要选择大屏幕细点阵液晶，细点阵液晶可以提供良好的波形显示效果，所以本设计中的点阵显示屏为320*240。3.3.1 管脚图及主要引脚介绍图3.3就是TSC2200IRHB芯片的管脚图，主要管脚介绍如下： X+：位置输入端；Y+：位置输入端；X-：位置输入端；Y-：位置输入端；VBAT1：电源管理输入1；VBAT2：电源管理输入2；VREF：参考电压源；KBIRQ：键盘中断( 低电平有效) ；R1 R4：

37、键盘第一行至第四行输入；C1 C4 ：键盘第一列至第四列输入；SLCK：串行时钟输入；SS：片选输入；MOSI：串行数据输入；DAV ：数据有效端；MISO：串行数据输出；PENIRQ：笔中断；ARNG：模数转换器输出范围设置；AUX2：辅助数模转换器输入2；DAV：数据有效端；AUX1：辅助数模转换器输入1。 图3.3 TSC2200IRHB管脚图3.3.2 系统中的作用及接线TSC2200 通过标准的SPI 总线跟处理器相连接。串行时钟的空闲状态是0 电平。当串行时钟出现第一个高电平时, 处理器才开始对MOSI 发送数据。同时, TSC2200 也通过MISO 返回处理器数据。在传输字节之

38、间, 片选输入端SS应保持高电平。系统中涉及到的TSC2200IRHB接线主要是MISO、MOSI 、DAV、SS、SLCK及KBIRQ，要实现触摸屏控制功能要将他们与单片机的I/O接口相连。3.4 MAX3082芯片介绍RS-485是一种基于差分信号传送的串行通信链路层协议。它解决了RS-232协议传输距离太近（15m）的缺陷，是工业上广泛采用的较长距离数据通信链路层协议。RS-485收发器市场上的种类很多，MAX3082是其中最经常用到的一种。MAX3082只适用于半双工通信，即同一时刻线路上只能进行数据的接收或发送 它允许将主系统的RS-232接口的通信电缆长度延长至RS-485总线的

39、1200米的长度，并可以同时在总线上挂接若干个子系统，从而能够构成一个上位机可以同时控制若干个下位机的分布式控制系统。MAX3082是具有给来自通信总线上的信号故障提供自动保护的RS-485收发器。它有1个带3态输出的差分驱动器和1个带3态输入的差分接收器。1/8单位负载的接收器输入阻抗，允许多达256个收发器接入总线。在5V供电电源下数据传输速率可达115Kb/s。当接收器输入为短路、开路或空闲时，真正的失效保护使接收器输出逻辑为高电平。采用8引脚的SO型和DIP型封装并具有工业级产品的工作温度范围。3.4.1 管脚图及主要引脚介绍MAX3082共有8个管脚 其管脚排列如图3.4所示各管脚功

40、能如下：RO：接收数据的TTL电平输出端； RE：接收允许端低电平有效；DE：发送允许端高电平有效；DI：发送数据的TTL电平输入端；A：485差分信号的正向端；B：485差分信号的反向端；VCC：电源端；GND：接地端。 图3.4 MAX3082管脚图3.4.2 系统中的作用及接线由于RS-485总线使用一对双绞线传送差分信号，属半双工通信，所以应用时需要进行接收和发送状态的转换。在用MAX3082进行RS-485电路设计中，通常将RE和DE短接，用1根信号线来控制，这样可以保证收发的正常切换。MAX3082通常处于接收状态。当要发送数据时，由程序控制DE变为高电平，然后UART单元发送数据

41、，数据发送完毕后，程序再控制DE变为低电平，使MAX3082转换到数据接收状态。发送完毕的标志一般由UART的特定寄存器提供状态指示，程序需要去查询。第四章 集中器硬件电路设计本章要讲述的内容是集中器硬件设计，首先从整体连线图讲解该系统的硬件连接，然后再分模块详细讲解各个模块中的硬件地电路设计，具体见下文。4.1 集中器整体结构设计集中器在整个远程无线抄表系统中起着承上启下的作用，是整个通信系统的桥梁。决定着系统的整体性能。整个集中器功能结构中是以MCU微控制器STM32F103ZET6为核心的。其中包括用来完成电力中心服务器与集中器通讯功能的基于RS485接口的串行通讯模块，用来实现集中器与

42、采集器通讯功能的基于RS485接口的电路模块，用来存储采集器传送过来的数据的Flash存储器，LCD和触摸屏用来显示数据以及对集中器进行初始化和参数设置。集中器整体方案设计如图4.1所示。仿真器接口单片机STM32F103ZET6 LCD显示FLASH数据存储区SR232通信RS485通信直流电源触摸屏图4.1集中器整体方案设计框图4.2 CPU模块电路设计4.2.1 NAND FLASH电路原理图Nand-flash内存是flash内存的一种，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的

43、存储。而由于抄表系统将产生大量的数据，必须要有个内存较大的存储器才能够存储大量的数据，经过筛选比较最后决定用K9F2G08U0M-Y,P芯片，在上一章对其的管脚以及作用进行了详细的介绍。NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于FLASH需要特殊的系统接口，而STM32F103ZET6为其提供了标准化接口使困难迎刃而解。图4.2为NAND FLASH电路原理图。 图 4.2 NAND FLASH电路原理图4.2.2 JTAG电路原理图设计ARM JTAG的目的是用于芯片内部测试及对系统进行仿真与调试。JTAG 技术是一种嵌入式调试技

44、术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP（Test Access Port ，测试访问口），通过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进行测试。标准的 JTAG 接口是 4 线： TMS 、 TCK 、 TDI 、 TDO ，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。在设计JTAG与ARM的接口时，需按IEEE 1149.1标准连接，其中ARM_TCK管脚通过为TAP提供了一个独立的、基本的时钟信号来驱动TAP；ARM_TMS在标准中是强制要求的，其信号用来控制TAP状态机的转换；ARM_TDI为数据输入接口，所有要输入到特定寄存器的数据都是通过TDI接口一位一位串行输入的；A

45、RM_TDO为数据输出接口，作用与TDI接口相反；ARM_TEST接口可用来对TAP Controller进行复位。其电路原理图如图4.3所示。 图4.3 JTAG电路原理图4.2.3 振荡电路设计STM32F103FZET6采用双时钟振荡方式：实时时钟（RTC Clock）以及系统时钟（SYS Clock）。两时钟均采用外置晶振设置，在引脚OSC32_IN、OSC32_OUT外接32KHz晶体振荡器构成实时时钟，其具有校准功能；在引脚OSC_IN、OSC_OUT外接8MHz晶体振荡器构成系统时钟。图4.4中的电容均为稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。图4.4，图4.5

46、 给出振荡电路连接图： 图4.4实时时钟 图4.5系统时钟4.2.4 复位电路设计STM32F103ZET6芯片具有异步复位脚NRST，芯片内部电源为复位电路充电，上拉电阻亦在芯片内部。复位电路的基本功能：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。STM32F103ZET6为低电平复位有效。为了防止外部干扰，STM32数据手册上建议外接一个对地电容。当按下复位键后，复位管脚接收复位信号，STM32F103ZET6执行复位指令，由于按下复位键后电路相当于直接接地，按照低电

47、平复位有效，即可实现STM32F103ZET6的上电复位。复位电路如图4.6所示。 图4.6 复位电路图 4.3 LCD&触摸屏模块电路设计本课题设计的集中器需要显示某个电表的数据，与上位机服务器连状态，数据传输状态，信号传输状态，电源开关状态等。所以显示系统需要选择大屏幕细点阵液晶，细点阵液晶可以提供良好的波形显示效果。根据需要本文选用了320240的触摸屏，利用插接接口与PCB板进行连接，应用芯片TSC2200IRHB设计触摸控制电路，此显示系统有较强功能的I/O缓冲器，指令功能丰富，8位数据并行发送，显示速度快，支持图形和文本方式混合显示。液晶屏为320240点阵型，能清晰地以反射方式显

48、示黑白图像。STM32F103ZET6通过功能复用引脚控制液晶控制器，具体的电路图设计见下文。4.3.1 触摸屏控制电路设计由于本次设计要是集中器能够显示某个电表的数据，与上位机服务器连状态，数据传输状态，信号传输状态，电源开关状态等，触摸屏起着键盘的作用，需要进行初始化设置，此设计主要做五个方面的设置，可以设置数据中心服务器的IP 和端口号，并把设置值传送给集中器模块和数据传输模块，以便GPRS 与服务器相连。TSC2200IRHB芯片能实现这些设置。在双端工作模式下,由于由VREF端引入外部参考电压,所以要在VREF端和VDD端同时并联1uF左右的电容来提供电源的旁路,以减少TSC2200

49、IRHB 的功耗。图4.7为触摸屏控制电路图，图4.8为触摸屏接口电路图。图4.7 触摸屏控制电路图 图4.8 触摸屏接口电路图4.3.2 LCD液晶接口电路设计U405为点阵型为320240的液晶模块, +5V 供电；液晶数据传输方式为16 位并行方式,液晶模块的8 根I/O口线分别接液晶模块的8个并行接口。Backlight为亮度驱动控制输入, 经8050三极管放大后作为液晶背光。图4.9为LCD液晶接口电路。图4.9 LCD液晶接口电路4.4 通信电路设计本毕业设计中集中器硬件设计中的通信方式有JTAG，RS232以及RS485远程通信，在CPU模块中已经介绍了JTAG通信方式，本章主要

50、介绍的是RS232以及RS485无线通信方式。集中器在整个自动抄表系统中起着承上启下的作用，它既要与下行的表箱控制器通信接收数据，又要与控制中心通信传送数据，这两个过程按理论来讲都应该用，由于此设计尚在试验阶段，还不能实现真正意义上的GPRS无线通信，遂利用两对RS232&RS485通信方式，其中起到通信作用的主要是RS485，而RS232为以后实现GPRS无线通信提供串口。下文将对这种通信方式进行详细的阐述。4.4.1 RS232接口与RS485接口的介绍1. RS232接口的介绍RS-232是现在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： 1）

51、接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；因此在“南方的老树51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。 3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。2. RS485接口的介绍1) RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(0.26)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(0.26)V表示

52、。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。 2) RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。 3) RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。 4) RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个

53、节点。4.4.2 RS232&RS485通信电路设计在设计中集中器与表箱控制器以及与控制中心的通信都是通过RS-485实现的，之所以每对通信中都加一个RS232是因为为了以后实现GPRS无线通信提供串口，这样就为了以后的实际应用提供了方便。图4.10为RS232&RS485通信电路。图4.10 RS232&RS485通信电路设计图4.5 电源电路设计电源设计是远程电力抄表系统集中器硬件设计中的一项非常重要的工作。系统中除了液晶接口电路需要5V供电，触摸屏控制电路、RS232&RS485通信电路、STM32F103ZET6等电路均需要3.3V供电。所以系统需要实现5V电压到3.3V电压的转换。如

54、图4.5外接+5V直流电源经AMS1084稳压器稳压后, 输出+3.3V电压。AMS1084的特点是输出电流大( 800mA) ,输出电压精度在1%以内, 具有电流限制和热保护功能, 稳定性好。C613、C614、C615、C616 均为电源滤波电容。图4.11为电压转换电路。图4.11 电压转换电路设计图4.6 PCB板设计PCB板设计是集中器硬件设计的最后一项工作，也是极其重要的环节，没有这个重要步骤就不会生成PCB板，这个设计也就没法投入生产，这个设计将会失去实际意义，所以PCB板设计是硬件设计中不可或缺的重要步骤。下文将对具体怎么设计PCB板进行详细的阐述。4.6.1 PCB板设计步骤

55、设计印制电路板可以按照如下的七个步骤完成原理图的设计工作：1、绘制电路原理图：protel 99SE绘制电路原理图生成网络表。当所设计的电路图非常简单时，可以不必进行原理图的绘制和网络表的生成，而直接进行PCB的设计，即有时可跳过这一步。 2、规划电路板：在绘制印制电路板之前，用户还要对电路板有一个初步的规划，比如电路板采用多大的物理尺寸、采用几层电路板（单面板、双面板还是多层）、各元件采用何种封装形式及其安装位置等。这是一项极其重要的工作，它是确定电路板设计的框架。3、设置参数：设置参数主要是指设置元件的布置参数、层数参数、布线参数等。有些参数用其默认值即可。4、装入网络表及元件封装 ：该步

56、是将已生成的网络表装入，此时元件的封装会自动放置在印制电路板图的电气边界之外，但这些元件封装是叠放在一起没有布局的。若没有生成网络表，则可以用手工的方法放置元件。5、元件的布局 ：可以利用自动布局和手工布局两种方式，将元件封装放置在电路板边框内的适当位置。适当位置包含两个意思：一是元件所放置的位置能使整个电路板看上去整齐美观，二是元件所放置的位置有利于布线。6、 布线：完成元件之间的电路连接.有两种方式：自动布线和手工布线。若在PCB设计系统中装入了网络表，则在该步中就可以采用自动布线方式。7、文件保存及输出：保存PCB图，然后根据需要利用各种图形输出设备，如打印机、绘图仪等输出电路板的布线图

57、。4.6.2 PCB板设计图图4.12为最终的集中器PCB板设计图： 图4.12 PCB板设计图第五章 硬件调试及分析测试是电路设计成功与否的重要环节，测试不到位重则会引起整个系统烧毁，轻则导致系统工作不正常。测试时，主要测试电路的焊接问题，其中包括芯片焊接方位是否正确，是否有短路、虚焊，元件正负极性是否正确等问题。5.1 整板电路测试整板电路测试主要是进行芯片焊接测试。整个电路板焊接完毕后，首先，观察整个电路板是否有短路、虚焊，元件焊反等问题，其次，将万用表打到测试二极管档，检查电路是否有短路或虚焊。测试系统电源正负极是否短路。系统电源是系统工作的能量来源，系统电源若短路将会引起外部电源毁坏

58、，发生火灾等危险。5.2 STM32F103ZET6芯片测试经过上一整板电路测试环节的测试STM32F103ZET6芯片是否有短路、虚焊，元件焊反等问题，检查测试完后，便要重点对芯片各个管脚的测试以及I/O口功能测试。用万用表测试核心元件STM32F103ZET6，检查是否有相邻管脚短路或管脚与PCB线之间虚焊。若有短路将会引起芯片毁坏，有虚焊会导致芯片工作不正常。经过测试，STM32F103ZET6无短路和虚焊。上电测试系统电源电压为5V，STM32F103ZET6所有接电源的管脚均为3.3V，一切正常。5.2.1 复位管脚、晶振管脚、串口通信管脚测试复位管脚：系统上电后，NRST（25管脚

59、）为高电平，按下RESET键后，NRST（25管脚）变为低电平，由此判断，复位电路工作正常。晶振管脚：用示波器观察STM32F103ZET6的晶振(8、9及23、24)管脚，能够观察到与晶体频率（32.768KHz）吻合的正弦波，幅值大约1V，说明晶振电路工作正常。串口通信管脚：在KEIL里编写一段简单的程序，让某一管脚输出方波信号，编译、下载到STM32F103ZET6，用示波器能在该管脚观察到方波信号，说明下载电路和串口通信管脚工作正常。5.2.2 I/O口功能测试程序设计I/O口是STM32F103ZET6与外部元件交换数据的通道，I/O口有两种工作模式，一种是总线模式，一种是I/O模式

60、。由于系统外围器件众多，且多数以位控方式为主，因此使用I/O模式。I/O模式有三种工作方式：字节输出方式、位输出方式、字节读方式。（1）测试字节输出方式STM32F103ZET6有七组I/O口，分别为PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG。字节输出方式是使STM32F103ZET6的一组I/O口输出一个字节，测试时只要能使STM32F103ZET6的任一组I/O口按照程序输出一个字节就说明字节输出方式正常。分别在PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG口输出一个字节，例如在PD口输出0x08，用万用表测得PD口的高低电平与程序的设置相同，说明PD口输出字节工作方式正常。经过测试，所有端口的字节输出方式正常。（2）测试位输出方式STM32F103ZET6的每组I/O口有8位，位输出方式是使每组的任一位输出0或1。测试时只要能使STM32F103ZET6其中每一组的8位都能按照程序输出0或1就说明位输出方式正常。经过测试，所有端口的所有位输出方式正常。（3）测试字节读方式字节读方式是从STM32F103ZET6的一组I/O口读入一个字节，测试时只要能使STM32F103ZE