基于P89LPC932的红外抄表系统设计

设计一个抄表系统时，最关键的技术是抄表的方式。目前，电度表的抄表方式主要有：人工抄表、低压电力线载波抄表、现场总线或RS－485总线抄表、手持终端（电脑）人工抄表。手持终端（电脑）人工抄表是一种较理想的社区抄表方式。它具有系统简单、数据可靠完整、操作方便、维护费用低等特点，抄表省时、省力，可避免误抄。手持终端与电度表间的通信可采用无线通信或红外通信，广泛采用的是红外通信。
本文结合已有的技术，基于P89LPC932微处理器，提出了一种新型红外抄表系统的设计方案。该系统与已有的同类系统相比，具有结构简单、功耗和成本低的特点，可进行多电量测量，并能长期保存数据。
1 抄表系统的总体结构
　　红外抄表系统的总体结构框图如图1所示，系统由二部分构成：多功能电度表和手持抄表终端，二者通过红外线进行通信。多功能电度表在单片机的控制下，可测量多种用电数据（如用电的功率、用电功率因数、用电量等），并可根据功率因数的不同按不同比率计算电费。多功能电度表能将得到的各种数据记录下来，在停电时保持数据不丢失。手持抄表终端可通过红外线对多功能电度表进行抄表，将电度表中保存的各种数据存储到抄表终端中，然后抄表终端通过串口将存储的数据传给计算机进行处理。多功能电度表和手持抄表终端的单片机均采用Philips公司最近生产的P89LPC932。该单片机不仅功能强大，而且接口简单，处理速度快，价格低廉，功耗小，内部集成了多个系统级功能部件。这是系统设计的特色之一。

2 多功能电度表的设计
　　多功能电度表由P89LPC932单片机、红外通信模块、显示模块和信号采集模块等组成。其中起关键作用的是单片机P89LPC932。P89LPC932的管脚如图2所示。

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P89LPC932主要特性：(1)指令执行速度快。在同一时钟频率下，其速度为标准80C51的6倍。(2)操作电压范围为2.4～3.6V，I/O口可承受5V，可上拉或驱动到5.5V。(3)8KB的Flash程序存储器，具有可擦除扇区，提供ISP和IAP编程功能。(4)256B的RAM数据存储器，512B的附加片内RAM。(5)512B的E2PROM存储区，可以存放序列码及设置参数等。(6)捕获/比较单元（CCU）提供PWM，输入捕获和输出比较功能。(7)2个模拟比较器，可以选择输入和参考源。（8）8个键盘中断。在掉电情况下可以通过键盘中断唤醒CPU。（9）增强型UART。具有波特率发生器、帧错误检测、自动地址识别和通用中断等功能。(10)具有I²C和SPI二种串行通信接口。(11)提供空闲和掉电模式，典型掉电电流仅为1μA，极大地降低了功耗。(12)所有的口线均有20mA的驱动能力，可以方便地驱动数码管。
　　在该系统的设计过程中，最大限度地开发了P89LPC932本身的功能，尽量以软件代替硬件，各种计算和数据处理都在CPU内部完成，故各部分硬件电路都比较简单，降低了成本和体积。以下是几个主要模块电路的实现原理。
2.1 功率因数和用电信号的测量
　　在多功能电度表中，主要的测量参数是功率因数和用电信号。根据这2个参数可计算出有功功率、无功功率、用电量、电费等多项数据。测量这2个参数的硬件电路如图3所示。

当市电的负载不是纯电阻性负载时，流过负载的电压和电流就存在相位差，设二者的的相位差为 渍＝φu－φi，则cosφ就是功率因数。因此只要比较出电压和电流在相位上的差φ，再由P89LPC932通过查表和插值法计算cosφ，就可以求出功率因数，进而可以求出其他的数据。
　　如图3所示，经电压互感器和电流互感器降压后所得的电压和电流信号分别输入到P89LPC932的2个输入比较引脚，即P0.4/CIN1A和P0.2/CIN2A，而参考电压（约为1.4V）由5V电源通过2个电阻分压得到。图3中：电容C1起到滤除干扰脉冲的作用，保证参考电压的稳定；二极管起箝位的作用，保护P89LPC932免受外界过压或过流的影响。
　　功率因数的具体测量原理：设置比较器的控制寄存器CMP1和CMP2，并使能2个比较器，当正向输入大于参考电压时，输出为“1”（必须从寄存器中读出），其他情况输出为“0”。这样2路信号在CPU内部整形成近似方波，通过对不同情况下的输入进行比较操作，就可以得出2路信号相差的时间间隔t，进而得到 渍、cosφ。
　　用电脉冲可由机械式电表经改装或采用专用电能计量芯片产生(在此不作讨论)，本文只讨论用电脉冲的处理问题。将已经产生的用电脉冲直接输入到CPU的输入捕获引脚P2.7/ICA，捕获事件由CCCRA寄存器的高3位（ICECA2、ICECA1、ICECA0）选择输入捕获边沿，此时必须设置CPU的P2.7为输入状态（高阻）。当管脚产生捕获事件时，定时器的内容就会传送到相应的16位输入捕获寄存器ICRAL中。CPU通过读取ICRAL中的内容就可以精确地得到捕获时间。采用这种方法，不仅可以计算用电脉冲，而且可以计算用电脉冲的占空比，将不符合占空比的干扰脉冲滤除，实现软件抗干扰措施。

电度表的所有数据处理后都存入到P89LPC932内部的E²PROM中，以保证断电后数据不丢失。当抄表时，将相应的数据传送给手持抄表终端。
2.2 红外通信方式的实现
　　红外无线通信一般采用IrDA(Infrared Data Association)作为其通信技术标准。按IrDA标准设计的红外通信接口具有通信速度快、通用性好的特点，但传输距离较近，一般仅有数米。在红外抄表系统中，由于传输的信息量较少，故对通信速度要求不是很高，但要求传输距离尽量远些。
　　本文提出了一种利用红外遥控器件实现较远距离无线通信的低成本、高可靠性的方案。在实际应用中，为了增强抗干扰能力，延长通信距离，一般都要对发射信号进行调制，接收电路对信号进行选频接收和解调。红外收发接口电路如图4所示。红外发射的数据信号通过Q1输出，调制载波信号则通过Q2输出，最后由红外发射管D1将调制好的信号发射出去；接收模块由通用的38kHz红外遥控接收模块构成，接收模块对接收到的红外信号进行选频接收，并解调输出。红外发射的38kHz载波信号由P89LPC932的CCU模块产生，从P2.6/OCA输出控制Q1。

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为了利用红外遥控器件实现无线数据通信，通信双方要制定好相关的通信协议，即要对数据进行编码和解码。由于红外通信方式与串行通信方式类似，因此在该模块的电路连接上，将红外通信的接收和发射信号线直接连到CPU串行通信的2个引脚RXD和TXD上。采用这种方式的优点是：用熟悉的串口通信代替相对复杂的红外解码操作十分简便，表面上CPU是和串口通信，实际上是红外通信。这样处理也有助于单片机和PC机之间的串行数据传输。本系统中采用的通信方式是主-从结构异步串行多机通信方式，手持抄表终端是主站，多功能电度表是从站，每个多功能电度表都有惟一的地址编码。通信链路的建立和解除均由主站发出的信息帧来控制。
　　在抄表系统的通信过程中，可采用如表1所示的信息帧传输格式。

为了提高传输的可靠性，在帧校验的基础上，可采用除地址域外的其他数据域取反重发的方法。当判断出错或受到其他红外线的干扰时，则请求重发信息帧。由于发送和接收模块在印制板上相互距离比较近，通信过程中必须采用半双工通信方式，即发射与接收不同时进行，否则就会造成自发自收的情况，干扰正常的通信。
3 手持抄表终端的设计
　　手持抄表终端要完成的主要功能是红外无线抄表、数据存储和上传数据给PC机等。由于抄表终端是手持设备，只能采用电池供电，故设备有很高的低功耗设计要求，待机电流应非常小，而且存储的数据要安全可靠。
　　针对这些要求(主要是低功耗设计要求)，在手持抄表终端的软、硬件设计上做了一些考虑。由于P89LPC932不仅功能强，内部有丰富的存储单元，而且当其工作在完全掉电模式时，功耗仅为1μA，故手持抄表终端的CPU选用P89LPC932是较为理想的。P89LPC932内部有512B的附加片内RAM，512B的用户E²PROM，还有8KB的Flash存储器，完全不需要再扩展片外存储器。抄表时所得的数据一般可以保存在E²PROM，若容量不够，也可以将其保存在未用完的Flash存储器中。P89LPC932提供了对Flash存储器的擦写操作。
　　手持抄表终端的红外通信模块与多功能电度表的相同，不同之处主要是在键盘以及与计算机的通信方面。由于P89LPC932提供了键盘中断功能（一有键按下，硬件就会自动产生一个键盘中断），因此手持抄表终端的键盘接口非常简单，只需将按键接到相应的键盘中断引脚即可，具体连接如图5所示。为了省电，手持抄表终端在没有按键操作时，CPU处于完全掉电状态，一旦有按键就会通过键盘中断唤醒CPU，执行相应操作。

手持抄表终端与计算机的通信可采用有线串口或无线串口的方式通行工作。有线串口是在手持抄表终端中增加1片MAX232实现与计算机的串口通信，但平时这部分电路不供电，只有需要通信时才供电。无线串口则是在计算机一端增加1个装置，将手持抄表终端发射的红外信号转化为RS-232电平信号传给计算机，或将计算机送来的数据通过红外发送给手持抄表终端（这也是前面提到的红外通信采用串口通信协议的原因之一）。
4 结束语
　　本系统已完成设计和制作，正在进行实际测试。该系统的最大特点是充分利用了P89LPC932微处理器功耗低、功能强大的优势，结合简单实用的红外通信技术和软件抗干扰技术，因而系统结构简单、可靠性高、成本低、使用和维护方便。该系统的设计综合了多种技术，为抄表系统的设计提供了一种新的方案，可供设计时参考。