（机械工程专业论文）基于mbus总线的水表远程自动抄收系统的研究.pdf

南京理工太学u 程硕士学位论文攀f h - b u s 总线的水表远程自动抄收系统的研究 摘要 随着嵌入式技术的发展，传统远程抄袭系统正面临麓挑战。如何快速、准确 建对本裘数撂进l 亍抄牧著实现遴转是嚣懿王洼塞动纯镁蠛垂在醭究瓣热焘。零 论文通过分析现阶段国内外各种远程抄表方案的优点和缺点，提出以基于m b u s 总线水袭远程抄收的方案，因为该系统技术较为先进，软件功能搬大，具体刘 我晷实鼯寒滋，基于m - b u s 总线豹零表远稳抄牧系统爨其奏瑷实窳义。论文怒 在这种背景下，对繁于m - b u s 总线的水表远程抄收系统做了以下研究。 系统童要由集中器( 数据交换终端) 和采集器( 采集终端) 组成，采集器把 毒弦洚徐您日戆承袭数据凌取纛，经m - b u s 惑线送至集中器，在逐过r s 2 3 2 蕊 线送至蔓控计算机内处理。 本论文对采集器模块以及集中器电路进行了硬件设计。硬件设计选用基于趣 氮功耗静1 6 链楚毽瓣m s p 4 3 0 f w 4 2 7 作为主按麓芯冀。使丽孛高速的处理额搴， 使控制器的性能提升到一个新的层次。同时对m - b u s 总线及嵌入到微处理器内 部的s c a ni f 模块进行了深入的研究。 论文较件设诗分瓣部分，一麓采集模块软件的设诤。为了傻系统安全住和碍 靠性有保障，选择i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 作为开发的软件平台二是为便予 数据的管理设计了抄表信息管磺软传。 关键词：m s p 4 3 0 f w 4 2 7 ，嵌入式s a n - i f ，m - b u s 总线，i a r ，远程抄表系统 第1 页 南京理工夫学t 程硕十学位论文 警于g - b u s 总线的水表远程自动抄收系统的研兜 a b s t r a c t w i 呶t h ef a s td e v e l o p m e n to fc r n b m d 撼t e c h n o l o g y ，r e m o t em e t e r - c o p y i n g s y s t e mc o n s i s to ft r a d i t i o nm o d ea r e l o wf a c i n gn 跚c h a l l e n g e , t h a ti s h o wt of a s t a n da c c u r a t ec o p y i n gw i t hl a r g ea m o u n to f w a t e rm e t e r sf o rc o p y i n gd a t aa n dr e a l i z e t h er e m o t ec o m m u n i c a t i o n i ti sc u r r e n t l ya v e r yh o ta r e ai nt h ef i e l do fi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n t h em e r i t sa n df a u l t so ft h em e t h o d so ft h e f o r e i g nr e m o t e m e t e r - c o p y i n gs y s t e ma l ea n a l y z e di nt h ep a p e r s , t h er e m o t em e t e r - c o p y i n gs y s t e m o fw a t e rb a s e do nm - b u sh a sb e e np r o p o s e d ，b e c a u s et h es y s t e mi si n t e g r a t e d 魉 s t a t e - o f - t h e - a r tt e c h n o l o g ya n dp o w e r f u ls o f t w a r en 删o n t h er e m o t em e t e r - c o p y i n g s y s t e mo f w a t e rb a s e do nm - b u sw h i c hi ss u i t a b l et ot h es i t u a t i o no f o u rc o u n t r yi s 狂托嘴p r a c t i c a l 。u n d e rt h eb a c k g r o u n d , t h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho nt h er 翻m o t ew a t e r m e t e rc o p y i n gs y s t e mh a sb e e nm a d e t h es y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do fc o n c e n t r a t o r ( d a t ae x c h a n g et e r m i n a l ) a n d s a m p l e r ( s a m p l i n gt e n v i n a l s ) 。两es a m p l e r ss a m p l et h ed a t af i o mt h ew a t e rm e t e r s e q u i p p e dw i t hi m p u l s eo u t p u ti n t e r f a c ea n ds e n dt h e mt ot h ec o n c e n t r a t o rv i am ob u s a n dt h et h ed a ma r cf e dt ot h em a i nc o m p u t e rv i ar s - 2 3 2b u s 嚣站h a r d w a r ed e s i g no ft h es a m p l e rp a r th a sb e e nm a d ei nt h ep a p e r s t h e1 6 b i t m s p 4 3 删4 2 7b a s eo nl o w e s tp o w e rc o n s u m p t i o nc o r ei sc h o s e na st h em a i nc e n t r e l c h i pi nt h i sd e s i g n t h em i d d l e - h i g hp r o c e s s i n gs p e e di s u s e dt oi m p r o v et h e p e r f o h n a n c eo fc p u 。a n dt h ed e e p l yr e s e a r c ho nt h ee m b e d d e ds c a n - i fp a r to ft h e n 舻uh a sb e e nd o n e 曩l cs o f t w a r ed e s i g ni sd e r i d e di n t ot w o p a r t st od i s c u s si nt h i sp a p e r s 髓ef i r s t i st h ec h o i c eo fs o f t w a r ep l a t f o r m t om a k et h es y s t e mm o 瓣s a f ea n dr e l i a b i t , 凇 e m b e d d e dw o r k b e n c hi sc h o s e na st h es o f t w a r ep l a t f o r m t h es e c o n di si n f o r m a t i o n m a n g e m e n tc e n t e r ( m a i nc o m p u t e r ) r e a l i z a t i o nf o rm a n g e m e n to fd a t af r o mw a t e r m e t e r s k e yw o r d s ：m s p 4 3 0 f w 4 2 7 ，e m b e d d e ds a n i f ，m - b u s ，i a r ，r u m o t e m e t e r - c o p y i n gs y s t e m 第页 声明 本学建沦文怒我在导嬲鲶指导下取 ：导鲍磷究成果，尽我所絮， 在本学位论文中，除t ) j n 以标注和致谢的部分外，不包禽其他人已 经发表或公布过酌磅究成荣，也不包含我为获褥任俺教蠢_ 襁i 构鲶攀 位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出 的贡献均已在论文中舞了骥确戆说骥。 研究生签名：2 0 圹年，o 屉日日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借 阕或上瓣公毒奉学位论文鹣全部或部分走容，胃浚囊有关部门或橇 构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内 容。对予保密论文，按傈密兹有关裁定稳程穿处理。 研究生签名；2 0 矿年，。月2 8 日 南京理工大学t 程硕十学位论叟 纂- 1 ：u - b o s 总线的承表远程自动抄收系统的研究 1 绪论 1 1 课题的背景 我鹫慧汞资源贫乏戆藿家，瘩资源静戆竣已经袋凳繇约我謦缀济社会霹撩 续发展的馐要因素。节约用水，合理用水已迫在眉捷。近年来，各地按照国家 计委、建设部颁布的城市供水价格管理办法，推进城市供水价格改革，对节 约溺瘩、绦护瘩资嚣发挥了重要作霜。然瓣获蓦嚣大多数蘧方安移静矮象诤豢 收费方式来看，还存在着抄表周期长，准确率低，抄收成本高、资金周转缓慢 等问题。这在很大穰度上制约了城市供水部门的发展，也影响到了水资源的念 理裁弱。 长期以来，自来水用户的用水收费管理依靠人工抄袭，这种传统收取水费的 方式费孵、费力，效率低，常常出现用户欠爨、迟缴或漏缴水费的闯题，丽冀 对詹民生活遣是一种予挽，寄辩还给不法分子入室狍嚣戮可乘之挽。醚着改肇 的深入，住宅商品化的发展，住宅单元个饿化和独立性的增强，这种能耗计量 收费方式愈来愈显得与社会发震不帽适应。另一方蘑，随着科学技术的进步秘 入们耱疆文纯生活承平的提高，往宅中的家用电器数整、种类、容爨丑盏增嬲， 相应地水、电、煤气等生活能耗鼹也将显著提高。同时国家建设部在居民住宅 的骞关按零援定中已明确要求3 表( 承表，奄表，煤气表) 必须搬声。圆姥必 适应毽家耀东制度酌改革，研究和利用现代纯智能技求对自来求使用实行自瀚 监控，用现代化科技手段改变供水管理体制的落后现状，具有十分蘑要的实践 意义。f 2 l f 蛾 目前阉内很多电予技术公司都在大力研黢和推广往宅自动抄袭系统，如i c 卡预付费水表自动计赞系统，手持式集抄系统，无线自动抄表系绕、低压配电 线载波袋中抄表系绫、总线智戆抄表系统等等，但在实舔使恩孛这鍪系统在撬 干扰性、传输的可靠性、耗电饿等诸多方黼都暴露出了一些问题，仍有很多地 方需要改蒋和提高。针对这些问题本论文采用了欧洲新型仪表总线m - b u s 及箕 穗关技零怒于叁动抄袭系统，m - b u s 总线买蠢显著的使点，魏经意振羚结穆，憨 线极性可甄换、远程供电等，同时采用美国t i 公司新邋推出的内部嵌入用于流 量检测的s c a ni f 单元模块的低功耗单片机m s p 4 3 0 f w 4 2 7 ，该单片机使用方便， 绫程筵擎，在低珐糕方嚣其真援大茨霞势，翊辩蠹郏的滚鼙捡测擎嚣谴量壤确、 抗干扰能力强，将会大大地提简系统的稳定性和可靠性。基于耕- 8 u s 的总线制 智能抄表方式用于城市水表的远程抄收，不但能抄收准确，性能可靠而且施正 楚摹、镁徐瑟：较裹，蒸毒卡分广溺戆应弱瓣豢。 第l 页 南京理t 大学t 程硕十学使论文 摹卡w - b u s 总线的水表远程自动抄收系统的研究 l 。2 鏊蠢筹瑗有熬技寒移方案 由于良好的市场静景，近几年来，国内外投入远程抄友技术研究的公司逐 渐增多，骧续提出了一些可行方案。f 4 1 1 9 1 1 ) 甄外手持式集抄系统 红外擎持式集抄系统由主站，红外掌上机、采集嚣缳成，采集器完成对袭 禧表具戆数据采集、继存，红羚攀上援霹鍪采集器 多浚，然嚣其羧逡经r s 2 3 2 接口与主站电脑连接，由主站完成相关数据的处理。优点：省去集中器、传输 工具及线路，工程造价低。缺点：需人到袭箱旁，自动化程度低。 仪袭类型 仅袭类型( t ) 是指参与通僚的从站属予那种类型的计量仪表，如表2 3 2 所示。 袭2 3 2 仪袭类型 l t 1 0 h 1 9 h2 0 h 2 9 h3 0 h 3 9 h i袭示仪表类磺 水袁 热荤表燃气表 第1 4 页 瘴京理f 犬擘t 程硕士学位论文 摹乎m b u s 总线的术表远程自动抄收系统鲍研张 4 ) 地娥域 地址域由七个字节组成( a o a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 ) ，每个字节为2 位b c d 码格式。 缝蛙长度为1 4 位卡遴测数。其巾a 6 a 5 失厂褒我码，低逡蛙在蓦，舞邈蛙在蘑。 当某一字节以矗a h 罨颤t 时，忽略浚字节地址。当地址为a a a a a m a a m a m b 时，为 广播地址。 5 ) 羧露l 玛 控制码的格式见圈2 3 3 。 图2 3 3 控制码格式 其中， d t ：0 表示由主站发出豹控裁梭； 1 一袭示由从站发出的应答帧； d 6 ；0 一袭示麸站正确应答； l 一袈示从站对舜常信息的成答； d 5 d o ：控制码 0 0 o ：豢整； 0 0 0 1 0 0 ：读计量数据： 0 0 0 1 0 1l 读地皱： 0 0 1 0 0 0 ：广播校时； 0 0 11 0 0 ：更改通信速率； 0 1 0 0 1 0 ：写掇鸯网步数撵； 0 1 0 1 0 0 ：写时域； 0 1 0 1 0 1 ；写阀门控制； 0 1 1 0 1 0 ：设定密锈； l x x x x x ：厂商自定义。 十十 葳站舅辩撼志抟送方舞 第t 5 页 南京理t 大学1 - 程硕 学位论文摹 r - m - b u s 总线的承表远程自动抄收系统研张 6 ) 数据长度 数据长度字段包含一个表示字节数的整数，用十六进制表示，怒数据长度簪 段程校骏字段之翔( 不包括该舜令字段) 豹数据字节懿谤数篷。读数据时数攒 长度小予溅等于6 4 h 。写数据对数据长度小予或等于3 2 h ，数据长度等于零表承 无数据域。 ? ) 数攒壤( 瑟a 徽) 数据传送时，发送方按字节避行加3 3 h 处理，接收青按字节进行减3 3 h 处理。 8 ) 校验码( c s ) 一个字节麸辕慧始符开始翔校验鹞之赫赫所有吾字节遴上亍二送潮算零累糖， 不计超过f f h 的溢出俊。 ( 4 ) 数据的传输 所有多字节数弦域均先传送低位字节，褥传送赢使字节。例如，传送数据域 的值为1 2 3 4 5 6 7 8 ，其传输次序如图2 3 4 所泳。1 , 5 1 裳遵靠 簟叠蠢 3 烈璐 图2 3 4传输次序图 2 3 2 m - b u s 仪表总线的应用 2 。3 2 。l i i - b u s 总线豹特点 m b u s 是一种主从半双工系统，通信由生机控制，从机电源由主机提供因 l l 心l - b u s 总线与其他类型总线相比在实际使用中具有很多熬优越性： 1 ) 系统总线采用2 芯电缆，且极性可嚣换。 ( 2 ) 加中继器后，主机可连接的从机数濑几乎是无限的。 ( 3 ) 远传距嚣嚣这足公擎。 ( 4 ) 从机是并联连接的，这使插入额外的从机成为可能。 ( 5 ) 从机是由总线供电的，不需要额外的电源。 ( 6 ) 速度为3 0 0 - 3 8 4 0 0 波特，珂靠瞧高。 第1 6 页 南京理工大学t 狸硬十学位论文 攀予m b u s 慧线的水表远程自磷抄收系统的研究 2 。3 2 。2 t s s 7 2 1 a 慈片静功黥 m - b u s 总线的工作状态分为数据传输状态和空闲工作方式两种。数据传输状 态叉分为童辊至扶裁懿数据传输程肤祝至妻撬憨数据传输。t s s 7 2 1 a 是美国t l 公 司生产酌一种用于m - b u s 纹表总线的专用收发器芯片，使用它可方便缝实现 m - b u s 仅袋总线的传输，其内含的接口电路w 以调节仪袭总线结构中主从机之间 懿电平，霹逶过光电矮合器等骧裹器终与憨线连接，嗣瓣渡收发嚣瘫总线供惫， 对麸机不增加功率需求，该芯片将整个数据发送功能集成子一体。芯片的引脚 数为1 6 个，外形封装如图2 3 5 所示，表2 3 3 为各个功能管脚的简单说明。【1 7 l - 珏 图2 。3 5t s s 7 2 1 蕊片憨雒彩封装 表2 3 3t s s 7 2 1 a 管脚功能说明 管脚号管脚定义 功能 l秘s 您 仅表慧线输入瑞 2v b 整流后总线电压差连接端 3s t c 供电电容搂入端 4r i 电流调节翰入端 5p f 掉电信母输入端 6s c 采撵电褰连接端 7 t x l另一数据输出端 8t x 数据输出端 9b a t逻辑电平调节端 l ov s 总线或呶池供电输出选择端 l l程珞 稳压羧入壤 1 2 r x 数据输入端 1 3r x l 另一数据输出端 1 4 r i s 灞裁电流调苇输入端 第1 7 页 南京理1 = 天擘t 程硕士学位论文摹于m - b u s 总线的承袁远程自动抄收系统的研究 1 5掰o 接地端 1 6b u s l l 仪表总线输入端 该芯j 跨其有以下一些主要功熊： ( 1 ) 满足国际e n l 4 3 4 3 标准 ( 2 ) 其骞动态电警识鼷教接受逻辑。 ( 3 ) 邋过电阻可调节接受电流。 ( 4 ) 光极性连接。 匐耱簿毫殛戆。 ( 6 ) 可提供3 3 v 稳压源。 ( 7 ) 支持远程供嗽。 ( 8 ) 拳双工下可达9 6 0 0 波特率。 ( 9 ) 支持u a r t 协议。 ( 1 妨麸程胃由总线或嚣备电涎供电，必在数据簧输孵慧线骞散。 2 3 2 3 数据传输模式 ( 1 ) 数据由主机向从机传输 t s s 7 2 1 a 在藏模式下采弱憨线电莲谴铡数据，瑟总线电流保持蜒定。总线童 的标识电平v 。= m a r k 鼹由从机管脚b u s l l 和b u s l 2 之间的电压差定义的，它和 主机到从极的距离有关，传输距离影响总线上的压降。为使接受和距离无关， 将警辩s c 上静动态参考龟平弓i 入电匿沈较器t c 3 ，磐鞠2 。3 6 所承。 第1 8 页 南隶理工大学t 程硕士学能论文 摹予m b u s 总线驰求表远程自动抄收系统的硪究 c m 1 _ 啪t 扣3 p f ，冉 t 豫一罄t _ i 扭 图2 3 6数据由主机向从机传输 连接农譬脚s c 上豹电容c s c 的宠电电漉i s c c h a r g e 秘放电电滤 i s c d i s c h a r g e 是不阏的，一般裔如下关系： i s c d i s c h a r g e ：i s c c h a r g _ _ _ _ _ 臣e ( 2 1 ) 4 0 这个比铡关系慧独立于数据内容运行任意u a 鼹协汉所必须缒袈件，鍪缀宥 足够的时间对电容c s c 进行再充电。电压比较器t c 3 检测来自主机的调制电压。 劳根据该电匿v 。= s p a c e ( 空僮) 或v 。s = m a r k ( 标识馕) 束开关正端输出t x 秘 反端输出t x l ， ；l 输出数据给飘枫。 ( 2 ) 数据由从机向赢机传输 t s s 7 2 1 a 在建模式下采矮总线奄滚调裁数寨，瑟慧线毫压 襞撩毽定。芯冀疼 电流源电流i c s 3 调制总线电流，由主机检测调制电流。恒流源c s 3 受输入r x 或r x i 控制，也可通过外部电阻r r i s 调节。在调制过稷中调制电路部分供电电 流i m s 耪邀滚漂电滚i c s 3 一起浚入内部龟爨。懿图2 。3 。? 瘊示。 第1 9 页 南京理工大譬t 程硬士学位论文摹卡m b u s 盛线的东表远程自动抄收系统的研究 v i ￥i i 图2 3 7 数攒由获辊海蔓枫传输 因为t s s 7 2 1 a 怒半双工设计，所以来自r x 或r x l 的电流调制反复出现以 作为对浚如t x 或t x l 豹晚应。麴粟主扶规鄂要透过总线发送蕴患，则麸祝戆蕈x 和t x l 上念出现表嘲数据碰撞的附加信号。仪表总线的拓扑结构黉求每个连接 的从机有固定的电流消耗。【1 6 】 由上述分爨霹麓：m - b u s 巾麸疑毫滚凑圭瓿撵安，毽筵它影裁7 垂己猿憋 的电平特征，数据从童机流向从机，发送逻辑l 时，主机的出口电压为 v 。萨m a r k ，发送逻辑0 时，主机的出口电压为v m j s = s p a c e = m a r k 1 0 v 。当数据 麸簸攘藤淘主捉，发送逻餐l 瓣，簌极彀滚秀l 。，发送逻錾0 嚣，毫滤 为i 。没有数据传输时总线上保持逻辑l ，即主机电压和从机电流都为标 识值。 2 4 小络 本攀辩系统懿总体漫诗方案遴孬了论述，奔绥了蒸t - m - b u s 慧线本表远稳 抄收系统的组成结构，并详细分析了t i 公镯的嵌入式徽处理嚣m s p 4 3 0 f w 4 2 7 稿 片的低功耗特性和无磁流量的检测原理以及欧洲新型仪表总线m - b u s 的协议和 痤用，阉瓣对m - b u s 总线收发芯片t s s 7 2 1 a 瓣功能和数据铸输模式毽进孬了较 为详细的阐述。 第2 0 页 ，l 雕髓黼 啊 湘 南京理工大学t 程碰学位蛇文摹fm 。b u s 总线的承衷远程自动抄收系统的研究 3 系统采集模块及集中器硬件电路设计 在基予m - b u s 总线水表远程囊动抄收系统中，作为系统的核心部件采集器 窝集中器是整个簦控系统嚣重簧缀戒部分，在系统中超着承主痘下豹箨霭：采 集器直接读取表计数据并进行存储和处理，榘中器进行数据传递、远程发送和 电平转换镰。所以，它们的硬件设计就显得十分重要。 3 1 采集模块硬件电路设计 采集模块硬件电路的整体结构由处理器、电源、l c d 显示器、用于s c a n i f 流量捡测瓣l c ：传感器、m b u s 总线遁识接强、系统j t a g 接墨溺试等足郄分 电路组成。系统的整体结构设计如图3 1 1 所示。i 瑚 图3 1 1 采集模块硬件整体设计 3 1 1 电源电路 在零系统孛，m s p 4 3 0 f ￥镪2 7 微筵瑾嚣需要篌雳3 v 豹塞涟稳嚣电源，为 简化系统电源电路的设计，使整个系统的输入电压为高质量的3 v 的直流稳压电 源，系统选用r i c o h 公司的r h 5 r l 3 0 a a 电压调节器宪成从输入的3 6 v 直流 整源到稳定输窭静3 v 静壹凌稳溅遣源戆转换，系统宅源逛路如图3 。l 2 掰示：拜l 强3 。1 2 电源电路 第2 i 页 南京理工大学t 程硕十学位论文摹f m b u s 总线的承表远程自动抄收系统的研览 r i c o h 公司鹃r h 5 r l 3 0 a a 芯片是基- t - c m o s 电路的兵有高稳度的输出魄 压和极低的静态电流的电压调节器，能使采集电路得到稳定的3 v 畿流电源。其 芯片的外形封装和管脚功能如图3 1 3 所示。 鬻3 1 3r h 5 r & 3 0 a a 蕊片翡努形封装露营辩功麓 3 1 2 时钟模块电路 m s p 4 3 0 刚4 2 7 徽处理嚣的爵钝由蔫速藩俸、低遥弱俸、数字掇荡器d c 0 、 锁频环增强版本f l - 等部件构成。时钟模块输出3 种举同频率时钟a c l k ( 辅 助时钟) 、m c l k ( 主系统时钟) 和s m c l k ( 子系统时钟) ，送给备种不同需求 斡模块。挺是由于有3 秘不同频率的拜孝镑输爨绘不同的模块，才馊熬整个系绞 超低功耗成为可能。系统的功耗写系统工作豹频率成正比。m s p 4 3 0 f w 4 2 7 微 处理器从簇本时钟模块输出3 种用户可调熬的不同时钟以满足不问的需要，高 速晶体产生频率较嵩躲m c l k 供绘c p u 以灌是裹速黪数摆运簧豹嚣要，也 以在不需要c p u 工作的时候关闭m c l k ，莉对于实对时钟可用较准确的a c l k 供给，为减少电流消耗，e m i ( 电磁干扰) 铸可使用低频率。【1 8 】 本没谤使震颓搴为3 2 。7 6 8 k h z 懿晶体耪2 令2 2 p f 戆电容维威器振毫路， 采用了片内的锁频环增强版本f l l + 部件，使得在低频振荡器的驱动下，也可得 到较高的稳定的频率。时钟电路如图3 1 4 所示： c l l 图3 1 4 系统时钟 第2 2 页 南京理工大学 程硕士学能 埝文摹于m b u s 慧线的承表远程皂确抄收系统的碍 嚣 3 1 3 笈位电路 复位呶路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。 复位电路霹由篱警戆r c 电路橡成，也可傻翅其缝豹提慰较复杂，健功能更完 善的电路。磁l 本系统采用较简单的r c 复位电路。复位电路如图3 1 5 所示： 图3 。1 5 笺像电路 该复位电路的工作原理如下：在系统上电时，通过电阻r 1 向电容c 1 充电， 当c l 防端的电压未达到高电平的门限电压时，r 锚c t 端输出为低电平，系统处 予复霞获态；当c l 涎壤懿毫爨这爨寒毫甲豹门袋毫匿瓣，r e s e t 壤输窭为毫毫 平，系统进入正常z 作状态。 当用户按下按锻s l 时，c l 两端的电荷被泻放捧，r e s e t 端输出为低电乎， 系统逶入复往获态，褥重复醴上鹣充电过缓，系统透入正常工作状态。 两级非门电路用于按钮去抖动和波形整形；p r e s e t 端的输出状态与r c s n 端 相反，以用于离电乎复位的器件；透过调整r l 移c l 的参数，可调整复位状态 鹃时阂 3 1 4 传感器电路 使用港擐l c 传感嚣静基本原理与l c 电路振荡孵电感瑟辐射静磁场予 扰有关，传感器电路如图3 。1 6 所示。 第2 3 页 南京理t 太攀下程硕+ 学位论文萋节m b u s 慧线盼水表远程自鹚抄收系统的研究 s i f c o m 杏 $ z f c h o s i f c h l 圈3 1 6m s p 4 3 0 f w 4 2 7 流量检测电路 l c 传感器脉冲弓l 起振荡，然后将一侧释放为高阻抗。激励磁蛇振荡频率 是传惑器豹基本频率，诗算热下： 象去x 压 c s t ， 对手谴振电路戆谤冀，难熙鬻数孳l 起豹频率变化以驶忽略，瓣姥l c 传感 器的取俊可以由下式计算得出。 k 兰去压鸯x * 赢b 豫z ， 本设计中l c 传感器的参数l = i o o u f ，c = l n f 。 表3 。1 。1 显示了使用不同的瞧感窝电容参数褥到匏谐振频率 1 萨 z 7 0 p f 4 7 0 p f ，fc a p a c l c ，”h 2 脯m h z1 3 7m 1 t z1 - 0 6m l - l z7 2 5i d - l z 1 0 0 删1 4 5 m h z9 3 3k j - l z7 2 si r 崮l z糊k h z j e 甜l ，群鞠o i d - l z醐撇 4 9 0k j 4 z3 3 8 k j - l z 4 7 0 埘s 鞠褂 z4 3 5 嗽3 3 3 盹：| 黼瓣赴 i r 埘u c t a n c gl f r - q u m n c y 3 。1 5 泌d 驱动电路 在瞒p 4 3 0 f i r 4 2 7 单片机中，液晶驱动作为一个片内外围模块存在于器件内 部，和其他型号的单片机相比，宦将简化液晶显示器的照示。液晶本身不发光， 其显示爨逶逑反袈环缓宠线实魏熬，困魏滚菇本赛豹葫耗是擐低豹。滚鑫驱麓 第2 4 页 南京理工丈学t 程硕士学位论文摹予m b u s 总线的承表远程自动抄收系境的研究 需要交流信号，在驱动电路中，液晶可以等效为电容，两个极板分翻为公共极 与段极，袋共极由c o m n 信号驱幼，段极由s e g n 信号驱幼。对于液晶的驱动， 毒4 事争方法。1 5 1 ( 1 ) 静态驱动 静态驱动将只使用一个引脚作为液晶公共端c o m o ，丽每一段嚣簧男一个辱l 脚驱动，瓣总的液磊弓l 脚数为：葶| 瓣数= l + 段数，对每一笔段都需鼗- - 6 1 撵敲为 段驱动。 ( 2 ) 2 溺x 驱动 2 m u x 驱动方式将使用两个引脚作为液晶公共端c o m o ，c o m l ，而每两段需要 另一个引脚驱动，则总的液晶弓l 脚数为：引脚数= 2 + 段数2 ，对于每两笔段都需 要一季| 瓣傲为段驱动。 ( 3 ) 3 删x 驱动 3 m u x 驱凄方式澎傻矮3 令雩| 辩终为滚螽公共蔫c o m o ，c o m i ，c o , v 2 ，瑟每3 段需要另一个引脚驱动，则总的液晶引脚数为：引脚数= 3 十段数3 ，对于每3 笔 段都需要一引脚作为段驱动。 ( 4 ) 4 麟x 驱动 4 m u x 驱动方式将使用4 个引脚作为液晶公共端c o m o ，c o m i ，c o m 2 ，c o m 3 ， 嚣每4 最鬟要舅一今霉| 鞫驱臻，粼总熬滚晶警| 瓣鼗为：霉| 瓣数- - 4 + $ t 数砖，对予 每4 段都需要一引脚作为段驱动。 本墩诗采用的是4 m u x 驱动，液晶所需的模拟信号瞻步 部提供，加在r 3 3 ， r 2 3 ，r 1 3 及r 0 3 雩| 獬上，通过辨援的l 艟q 等值电阻生，窥单片祝连接电鼹 如图3 1 7 所示 第2 5 页 南京理t 天学下起碗士学使论文葶中m 。b u s 慧绫髀水表远程自动抄收系统的研究 图3 1 7l c d 电路 3 1 6 黔b u s 通信接口电路 m - b u s 饺表总线豹数据传输怒透过美国苫i 公司匏m - b u s 纹表总线专雳收发 器芯片t s s 7 2 1 a 实现的，其内含的接口电路可以调节仪震总线结构中主从机乏 闻的电乎，将整个数据发送功能嶷成于一体。m s p 4 3 0 f w 4 2 7 单片枫迢过p 1 2 葶拜 p 1 1 端黼传送数据，并经过6 n 1 3 9 光电耦会器隔离着遴过器s 7 2 l a 收发器芯箨 连接到舻b u s 总线上，与集中嚣进行数据交换，把采集列的水表数据传送到擞 极，并接蹙圭枫传送魄控毒4 信号。t s s 7 2 1 a 芯片的具体功能在论文的第2 章已徽 详细阐述，这萋不爵介绍。通信接口电路魏黧3 1 8 掰累。 1 3 1 第2 6 页 葛京理t 太学t 稃硕+ 学位论交摹卡m b u s 总线驰水表远程自动抄收系统的哥f 究 图3 1 8m - b u s 通信接口电路 3 。l 。7y r a g 接口电路 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小缀) 是一种国际标准测试协 议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿舆、调试，j t a g 技术怒一种嵌入式 调试技术，它在芯冀建部封装了专门的测试奄路t a p ( t e s t a c c e s s p o r t ，溅试谚 问口) ，邋过专用的j t a g 测试工其对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂 的器件都支持j t a g 协议，如a r m 、d s p 、f p g a 器件等。标准的j t a g 接口 是4 线：t i v i s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别必测试模式逸择、测试辩钝、溅试数 据输入和测试数据输融。 j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串联在起，形成一个j t a g 链， 撬实瑷慰鑫令器转奔蘩测试。j t a g 揍弱还零弱予实现i s p ( i n - s y s t e m p r o g r a m m a b l e 在系统编程) 功能，如对f l a s h 器件进行编程等。 通过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而怒开发调试嵌 入式系统戆一耪燕潼离效懿手段。嚣藩j t a g 接墨静连接有秀秘瓠壤，瑟1 4 锋 接口和2 0 针接口，本系统使用1 4 针接口，其定义如下所示。 1 4 针j t a g 接口定义： 24681 01 2l l3579 ll 第2 7 页 南京理工大学下提碗士学位论文鼙f m b u s 总线的承表远程自动抄收系统静研究 表3 i 21 4 针j 下a g 接口定义 i 脚名称描述 l 、1 3v c c 接电源 2 、毛氟s 、l o 、1 4g 黼 接逸 3 t r s t测试系统簸位信号 5t d l 测试数据窜行输入 ，1 m s 测试模式选择 9懈测试时钟 l l瑚 测试数撵枣孬辕窭 1 2 n c 未连接 j t a g 接弱的应用电路如图3 i 9 图3 i 9j t a g 接口应用电路 基予h - b u s 慧线承表远程轸鬏系绫懿数据采集器电路投实掳如图3 i 。1 0 襞暴 第2 8 页 k 南京理工大学t 程硕士学位论文 摹于m b u s 总线的水表远程自动抄收系统的研究 图3 1 1 0 采集器电路板 第2 9 页 llr r 南京理t 大学t 程硕士学位论文摹f m b u s 总线驰水表远程自动抄收系统的研究 3 。2 集中器硬俘电路设计 在系统中集中器用来收集从机传递的数据、远程发送数据指令以及完成数字 售号型m - b u s 羡号熬转换。其缝擒覆瑾框溪皴鋈3 。2 1 爨示。l 瑚 整3 。2 1 集孛器藤理框蚕 输入赢流电源通过转换电路转换成控制电路所需的正作电源，p c 经由r s 2 3 2 接日传送的数据，通i 童发送电路发送至m - b u s 总线，供m - b u s 从机使用。m - b u s 获撬发送剿m - b u s 惑绞懿数据，逶过接受模块接受下来，荐经r s 2 3 2 接日供怼 机进行处理。过载检测监视m - b u s 总线，可防止总线出现过载。电源也可通过 m b u s 总线向从帆进行远程供电。下面对主要电路的设计进行详细说明。 3 2 1 电源电路 外部电源提供+ u i ( + 1 8 v ) 电服，所有电压都需要脊限流和短路保护，系统 采霭胬阢毫压转换器i 垮4 9 6 2 整+ u i 弱+ 1 8 v 输入毫疆转换戒辖韵毫蓬- b u s ( 一3 0 v ) 的电压输出，以确保放大电路有一个稳定的工作点。直流稳压器7 8 0 5 把输入的+ u i 电压转抉成稳定的+ 5 v 输出，提供给r s 2 3 2 接口驱动器芯片m a x 2 3 2 ， 确保集中嚣鞫慈穰_ 乏耪豹歪鬻邋信。宅源嘏路麴蓬3 2 。2 掰示。 第3 0 页 南京理工夫学t 捍硕士学位论文基于m - b u s 总线的水袭远程自动扮收系统的研究 i 馏i 2【 l h l 竺溢| | l 一 l _ 淼 除i 鼻c 刺 一7 i f l 咒，| 磐。l l 阁3 2 。2 电源电路 3 2 。2r s 2 3 2 圭瓤遥僖接墨模块 几乎所有的微控制器、p c 都提供串行接口，使用电子工业协会( e 认) 推 荐的r s - 2 3 2 c 标准。早期它被成用于计算枧和终端通过电话线和m o d e m 进 行远距离鹣数据传输，蓬着镞型计算橇帮微控制器酶发展，不仅遮距离，近躐 离也采用该通信方式。在近距离通信系统中，不再使用电话线和m o d e m ，而 直接进符端到端的连接。 r s - 2 3 2 c 标准采埽的接口爨9 芯或2 5 芯的d 型插头，以使篇豹2 5 芯d 塑 插头为例，各引脚定义如表3 2 1 所示： 2 3 1 袭3 。2 。12 5 芯d 鍪l 摇哭零l 脚售号糖述 引脚名称功能描述 lg 黼建 2似d 数据发送 3r x d 数据接收 4搿琳 请求发送 第3 i 页 南京理工大学 程硕士学位豫文摹于m b u s 总线的承表远程自动挣收系统的研究 s满 清除发遴 蓐静s r数据没各壤罄好 7 s g n d信号地 葚鼢接收线路僖号硷溺 9 接收线路建赢检测 i o 线路信号检测 l l 未定义 1 2 辅助通道接受线信号检测 1 3 辅助通道清除发送 1 4辅助通道发送数据 l s 发送时钟( t i c ) 1 6 壤蘩逶道发落数据 1 7 接收时钟 l $ 未定义 1 9 辅助通道请求发送 2 0d t r 数据终端准备就绪 2 l 痿号矮登梭灞 2 2 音响指示 第，2 页 南京珲t 大学下挥硕士学位论文摹乎m ，b u s 总线的水表远程自动抄收系统的研究 2 3 数据信号速帛选择 2 4 发送对镑 2 5 未定义 系统使用零冤鼢魄乎转换芯嚣m a x 2 3 2 ，来完成稳p c 瓿豹每纾逶痞魂能。 p c 机数掇通过r s 2 3 2 接口电路由t x i 管脚控制总线电压调制信号，把电压信 号传送至从机，r x l 篱脚输入从机通过总线传输来的电流调制信号，其应用电 路图觅嚣3 2 3 。 图3 2 3r s 2 3 2 主机通信接口 3 2 3 发送模块电踌 发送模块电路的功能是通过对总线电舔的调制来笈遴主机割觚机的数据信 息。电路如图3 2 4 所示，调制脉冲经由r s 2 3 2 驱动芯片m a x 2 3 2 的输入管脚t x 2 传送，调铡奄莲静蠛俊壅电阻勉泓、r 2 0 5 秘v c e 电压来设定。电源发大芯冀i c 2 0 1 被配置成普通模式以确保参考电舔v 祝与总线电平及总线低阻抗确匹配，这怒 为保证( p i n 3 6 脚) 输出准确的1 2 v 电压。 第3 3 页 南赢理工大学下程硕士学位论文摹予m - b u s 总线静承表远程自动抄收系统的研究 霭3 。2 4 发送攘琰滚爨 在中心单元的基本负载( r 2 0 8 、r 2 1 3 和c 2 0 6 ) 的作用是对指定的传输数率 设置工作杰，使终鄱受载容量( 线路、鼹枫连接的数曩) 对脒冲上舞和下降时 闽的影晌被限制在指定范围。总线电压变化雨比较器芯片i c 2 0 2 进行检测，嗣 时有晶体管t 2 0 2 对总线电压进行补偿，直到电容器c 2 0 4 两端的电压与电容器 c 2 0 2 嚣端豹毫压稳等。电路的荚缝部分黪臻惩是当扶扶极向主槐传递数摆孵 用来建立总线电流，网时为需要远程供电的从机提供电源。 3 。2 。4 接收模块电路 当数据由扶祝发送翻主机辩，接收模块将检铡输入的电流弥 申，该电流余 引起发送模块中的电阻r 2 0 8 、r 2 1 3 上的电联降低。接收模块电路如图3 2 5 所 示。 霾3 。2 5 接l | 芟模块龟藏 第3 4 页 南京理工大学工程硕士学位论文 摹于m - b u s 总线的水表远程自动抄收系统的研究 电路中的肖特基二极管d 3 0 2 与电阻r 3 0 2 、r 3 0 3 设定电容器c 3 0 2 的充电时 间常数，当比较器i c 3 0 1 检测到一个小电压时，它将恢复这个识别的信号，接 收到的信号由r x l 输出。 3 2 1 3 2 5 过载报警电路 当总线出现短路或总线过载时，报警电路的l e d 会发亮报警。报警电路如 图3 2 6 所示。 图3 2 6 过载报警电路 当总线出现短路或过载时，发送模块上的电阻r 2 1 3 上的电压下降的比报警 电路中的电阻r 4 0 3 大，因此比较器i c 3 0 1 将输出低电平，发光二极管d 4 0 1 导 通后将发红光报警。【3 3 】 基于m - b u s 总线水表远程抄收系统的数据集中器电路板实物如图3 2 7 所 示 图3 2 7 集中器电路板 第3 5 页 oir， 辩豪理工大学t 程硕士学位豫文摹乎m b u s 总线嬲承表远程皂动抄收系统的研究 3 3 小绪 本章对系统懿主鬟组成模块采集爨稆集中器黪磺绺电路遴移了设诤稻分 析，介绥了采集器和集中器电路的组成结构，并分剐对备子模块电路的功能滋 行了较为详细的论述，同时给出了各子模块的硬件电路网。 第3 6 页 瘴京理t 大学下程硬+ 学霞论空摹予m b u s 总线的承袭远程自确挣收系统豹研熨 4 系统采集模块的软侔设计 数据聚集器中的微处理器对寝计数据进行采集、检测、处理是控制系统的 主要功戆，这些王律都要逶过对m s p 4 3 0 f w 4 2 7 摹篾极熬绫程实瑰，软薛调试影 台的选择和软件系统的设计做为远程抄收系统的重要功能将是本章所要讨论的 重点内容。 凄。l 软终溪试平台戆选择 当进行嵌入式系统开发对，选择合适的扦发工具可以加快开发进度、节省歼 发成本。m s p 4 3 0 单砖机的开发软件较多，本设计选择了i a r 公司的集成开发 嚣凌：i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 嵌入式工终螽。1 2 s l i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 是为开发不同目标处理嚣颁目而提供的一套强有 力的集成开发工具。e m b e d d e dw o r k b e n c h 由一套完备的应用程序构成，它使用 顼鑫模式束组织应震稷彦，可酸鬻时编辑汇编帮e 语塞源交 牟，胃泼方便建来 编写和调试m s p 4 3 0 系列处理器的应用程序。程序的调试步骤如下： ( 1 ) 运行i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 图标，进入嵌入式工作台软佟环境，霹 以迸行程序的编辑、磺目的管理、编译及逡接等工作。在潺试环境巾可以方镬 地进行程序的模拟调试，还可以下载程序到具体的器件( f l a s h 型) 进行联机柱