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硬件設計

1計量設備的接入

在工業控制場合，RS－485總線因其接口簡單，組網方便，傳輸距離遠等特點而得到廣泛應用．大多數RS－485通訊采用主從通訊方式，接口遵循TIA／EIA－485A標準，對傳輸的信號采用平衡發送和差分接收［6］．采集部分采用的計量設備是具有RS－485串行通信接口且有功測量等級為1．0S的計量型單項電能表．考慮到總線型結構接入時，數據采集的延時會隨著總線上接入設備數量的增加呈線性增長的趨勢，因而不能充分滿足對數據采集實時性的要求．實際應用中電能表采用星型結構接入，每個計量設備都單獨使用一個串行端口通訊，避免了設定地址的繁瑣步驟，簡化了現場配置．電能表接線連接圖如圖2所示．220V市電的火線（L）和零線（N）分別接入各電能表的端口1和端口4，端口2和端口6分別接入民用負載．

2無線數據傳輸模塊

無線數據傳輸需要考慮的主要因素包括發射功率、接收／發射天線增益、傳播損耗和接收靈敏度等，微控制器采用＋5V供電，無線數據傳輸模塊的芯片均采用＋3．3V供電，為了保證接口電平具有兼容性，需要通過電平轉換芯片MP2104實現3．3V與5V的雙向轉換．如圖4所示。通過適當調整這些因素可以增加數據傳輸的距離．無線通信芯片選用Chipcon公司生產的一款CC1100單片射頻收發芯片．單片機與CC1100的電氣連接圖如圖3所示，該芯片具有500Kbps的最大無線數據傳輸速率，工作電壓在1．8～3．6V范圍之間，工作頻率為300MHz～1000MHz，接收靈敏度高、能耗非常低，－40℃～＋85℃的溫度范圍內均可正常工作．CC1100芯片的內部結構主要包括低噪聲放大器、積分器、ADC數模轉換器、自動增益控制器、頻率濾波器、壓控振蕩器和相移裝置．設計中的微控制器采用AT89S52單片機，內部含有8K字節Flash，256字節RAM，32位I／O口，看門狗定時器，2個數據指針，3個16位定時器／計數器，片內晶振以及時鐘電路．單片機通過對SI、SCLK、GDO0、GDO1、GDO2和CSn的控制實現與CC1100芯片進行通信．地址和數據轉換時，應將CSn口一直置低，并在時鐘上升延時進行數據采集

系統軟件設計

為了提供可靠的無線數據傳輸，發送數據時需要將數據打包后發送，通信數據包格式如圖5所示．即將較長的數據幀拆分為較短的數據幀并插入由硬件自動添加的附加信息位、同步字和在數據發送前由軟件添加的數據長度和地址位，同時根據寄存器的設置還應自動加入CRC校驗位等信息之后等待發送．接收數據的過程和發送過程相對，首先將接收到的數據解包，重新組合成完整的數據再經處理后發給中心．數據采集射頻發射部分主程序的流程圖如圖6所示．由于在操作過程中需要運用到PC機與PIC之間的異步通信方式以及MCU內部的數模轉換功能，上電后不僅需要將89S52各個端口進行初始化操作，還要對內部RAM、串口、定時器、CC1100等進行初始化，并啟動定時器開始記錄當地相對時間．延時1ms后，判斷接收的地址是否有效，若有效則開始采集電能表的數據并進行相關處理后存儲．此時，啟動CC1100并設置為發射模式，傳送數據采用半雙工通信方式，即收發器在發射時接收終端必須自動屏蔽，發射結束后恢復．運行過程中出現上位機命令標志位RX＝1時，則先執行上位機命令．通信速率設定為250Kpbs，發送完數據后等待響應，接收超時或者是校驗出錯時，接收端將重新等待數據接收．在CC1100之間的通信過程中，接收方容易產生數據溢出而導致RF無法繼續接受新的數據時會出現通信異常的情況，此時需要對RF重新初始化并關中斷，再清空接收存儲器即可，只有接收到完整的數據后函數才能返回．

測試與驗證

為了測試所設計的無線通信模塊的工作效果，在程序中設定需要傳送的數據，數據長度設定為最大長度32字節，內容為阿拉伯數字00－15、15－00．發送部分將設定好的程序下載到單片機89S52中，啟動CC1100并設置為發射模式，同時接收部分啟動CC1100并設置為接收模式．按下發送按鍵數據發送出去，接收部分通過RS232與電腦串口相連，通信的波特率設定為9600bps．如圖7所示為接收部分接收到的數據，接受距離為50m左右．通過實驗驗證了傳送距離為50m左右的無線數據可以準確接收，達到了預期的目的．

結論

大型公共建筑能耗監測系統的數據傳輸環節要綜合考慮多方面的因素，本文根據RS－485總線的特點，結合CC1100單片射頻芯片，通過對上位機和下位機硬件電路的設計和監測系統軟件的設計，實現了用電能耗數據的無線傳輸．該系統具有成本低、通用性強、可靠性高等特點．

作者：吳烜席自強王莎單位：湖北工業大學電氣與電子工程學院