摘 要: 本文設計了一種基于RS485總線的智能抄表系統，并對其實現的核心部分: 數據通訊過程的設計和實現進行了詳細描述。系統主要包括以下幾個部分:數據采集器和數據集中器構成的本地抄表通訊網絡，數據遠程通訊和計算機抄表管理軟件。其中著重介紹了RS485總線數據通訊硬件設計，計算機與數據集中器的數據通訊和計算機抄表管理軟件設計。

關鍵字: RS485; 抄表系統; 數據通訊; 數據采集

1 引言

智能抄表系統由主站通過傳輸媒體將多個用戶儀表的數據集中抄讀的系統。它是用現代化的通訊手段去抄讀這些儀表的數據，而不用到現場。智能抄表系統一般是集中抄表系統與數據遠程通訊的組合。網絡遠程集中抄表是工業和民用中新興的一項實用技術，結合了計算機、網絡、通信和工業自動化等現代化技術，并隨著技術的不斷發展而出現許多不同的實現手段。本文詳細介紹了RS485總線在這種智能抄表系統中的應用。

2 智能抄表系統硬件設計

2.1 RS485通訊網絡設計

RS485總線是工業應用中非常成熟的技術，是現代通訊技術的工業標準之一，采用RS485總線設計網絡也是基于這些原因。RS485總線用于多站互連十分方便，用一對雙絞線即可實現，由于采用平衡發送和差分接收，即在發送端，驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出;在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。根據RS-485標準，傳送數據速率達100kbit/s時通訊距離可達1200m。

本文中RS485總線包括數據采集器和數據集中器兩個獨立的子系統。在這種主從式的一點對多點的連接中，數據集中器是主機（即所謂的上位機），數據采集器為從機（即下位機）。網絡結構圖如圖1所示。

網絡拓撲結構為總線型。網絡中只能有一個主設備（Master），從設備從不進行主動通訊。數據集中器作為主設備，主動開始一個通訊過程，即發送指令和數據。而數據采集器作為從設備監聽總線，隨時準備響應總線指令，回應數據集中器。

圖1 基于RS485總線網絡的集中器與采集器結構圖

2.2 數據集中器通訊設計

數據集中器硬件原理框圖見圖2，主要由以下幾部分組成:單片機系統、調制解調器、與計算機間的通訊接口電路、摘機電路、隔離驅動電路、與數據采集器間的通訊接口電路、LED顯示單元、收發控制電路。數據集中器設有小鍵盤輸入和LED顯示模塊，在系統中有承上啟下的作用，即可作為上位機與數據采集器進行通訊（主動模式），也可作為下位機與管理計算機進行通訊（被動模式）。工作模式如下:

1、主動模式:在沒有上層管理計算機聯機控制下，數據集中器作為主控設備，可通過小鍵盤設置下位機從節點（數據采集器，下同）地址進行主動通訊，然后通過LED顯示模塊循環顯示接收到的該下位機從節點發送來的組數據。

2、被動模式:在有上層管理計算機的聯機控制下，數據集中器成為一個通訊中轉站，一方面與上層計算機通訊，一方面與RS48網內從節點通訊。通過這種方式，計算機的指令和數據可傳達到RS48｝網內的任何節點，網內的任何節點的數據也可回送到計算機。

圖2 數據集中器原理框圖

2.3 數據采集器通訊設計

數據采集器是一種通用的多路數據采集處理裝置，可以采集脈沖式水農、電能表、氣表、熱表等工作脈沖，或者采集溫度、電壓、電流等信號。為了正確采集有效脈沖，防止外界的電磁干擾，外接信號先經過濾波和整形等硬件抗干擾電路進入下一級。然后進行軟件抗干擾過程，軟件以極高的速度進行采樣，判斷丟棄干擾脈沖，對符合條件的脈沖輸入計數并處理。對于溫度、電壓、電流等模擬信號，先通過A/D電路的轉換后再處理。數據采集器設有LED顯示器循環顯示每一路的數據。

為保證數據的可靠，采集器設計了兩級數據存儲器，并確保數據為一個一個寫入X5045的串行EEPROM。由于X5045需要一系列的復雜的SPI總線操作才能正確寫入，因此X5045的EEPROM的數據是可靠和可信的。系統配備后備可充電池，正常使用中由交流220V供電，并對電池進行涓流充電。一旦交流供電出現問題，后備電池立刻切換為系統供電，在一定時間內確保系統正常工作。系統設計有串行實時鐘為CPU提供日期和時間，為各個用戶儀表的數據處理與故障檢測提供時間參數。

2.4 數據集中器與計算機的遠程通訊設計

2.4.1 數據集中器遠程通訊部分設計

管理計算機或數據集中器與Modem的接口為RS232接口。PC機一般將RS232口做為標準配置設備，單片機設備則一般是通過RS232接口芯片得到RS232電平。MAX232產品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。該器件包含兩路接收器和驅動器和一個電壓發生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉換成5V TTL/CMOS電平。每一個發送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA-232-F電平。MAX232芯片只需采用單一的+5V電源，可提供RS232電平，這在使用中非常方便。圖3為PC機與MCS51系列單片機通過MAX232接口連接的通訊電路。

圖3 RS232與單片機連接電路圖

2.4.2 數據集中器的振鈴檢測電路

數據集中器振鈴檢測電路如圖4。該電路在檢測到電話線上有振鈴信號后，產生外部中斷請求，外中斷響應后進入中斷服務程序。首先關閉中斷，然后接通MODEM電源，初始化串行口及MODEM，發送AT指令，與上位PC機MODEM建立連接，允許中斷后返回。

圖4 振鈴檢測電路

3 系統可靠性設計介紹

在系統設計中，無論是數據集中器還是數據采集器，都采用了Xicor公司的X6045芯片作為看門狗及電源監控電路，其EEPROM作為一個二級數據存儲保護裝置可以使系統更加可靠。采用X6045使線路板簡化設計，省去了很多的繁瑣電路。當然，由于普通AT89系列單片機沒有SPI接口，所以必須用通用I/O口在軟件設計中模擬其工作時序，進行讀、寫等各種操作。X5045可設定看門狗超時時間，典型時間200ms、600ms、1.4s或禁止，一旦設定好該時間，則軟件在該時間內必須喂狗一次，以不引起看門狗復位。當程序跑飛或者死機，則看門狗電路能及時檢測到并復位以確保程序正常運行。

系統設計中，為保證系統免受外界干擾，確保系統的可靠運行。內系統與外系統的隔離基本上采用了光電隔離器件。器件用光進行信號的傳遞，以使兩個系統在電氣上不再有連接，防止了相互之間的影響。

4 智能抄表系統軟件設計

通過與硬件的配合，完成計算機軟件的編程，實現整個系統的功能。主要是人機界面的設計、通訊模塊的設計、數據庫技術的應用及管理應用的具體實現。遵循從頂向下，逐步細化的軟件設計思想，對以上功能描述進行分析。整體而言，遠程抄表管理軟件應有如下幾個模塊:硬件信息模塊、抄表控制模塊、查詢打印模塊、系統設置模塊、數據庫操作模塊等幾大模塊。

圖5 軟件模塊結構圖

硬件信息模塊:包含整個系統的硬件信息，包括集中器、計量表信心及由此而得到的用戶初始化信息。

抄表控制模塊:完成通訊功能，即指令的發送和數據接收。通訊包括各種硬件條件下的通訊，如:485直接方式、電話撥號方式、TCP/IP方式及電力線載波方式。

查詢打印模塊:完成原始數據的處理，得到對管理員和用戶有用的數據。包括各種查詢打印方式，如:單元查詢打印、單戶查詢打印、所有用戶查詢打印。

系統設置模塊:系統中管理員管理接口，主要有通訊設置、密碼管理、價格設置、報警設置。

數據庫模塊:數據庫應是軟件系統的核心，各種數據處理實際是對數據庫的操作，原始數據的存儲、處理等都在數據庫的支持下進行。

本文作者創新點: 本文從實際應用出發對基于RS485總線的智能抄表系統方案進行了詳細論述。系統采用的是一個開放、靈活的設計方案。低成本、易于實現和使用是設計過程中的一個原則，并著重介紹了RS485總線數據通訊硬件設計，計算機與數據集中器的數據通訊和計算機抄表管理軟件設計，可以達到了良好的使用效果。

參考文獻

[1] 王幸之.AT89系列單片機原理與接口技術[M].北京:航空航天大學出版社，2003

[2] 黃承安.張躍.微控制器撥號上網的實現[J].北京:電子技術應用，2003, （10） :61-63

[3] 馬毅華.基于GSM短消息的集中抄表系統的設計與實現[J]，空軍工程大學學報（自然科學版），2004, 5 （1）:76-79

[4] 李少輝.煤氣表自動抄表系統的研究[D]，河北:河北工業大學，2004

[5] 郭飛,陳根永,張德玲. 基于RS485接口的電能計量數據采集[J]. 微計算機信息, 2007, 8-1: 99-101