电气工程及其自动化专业毕业论文

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4.3.2硬件电路设计

图4-3 单片机存储器的扩展电路

W77E58单片机由于受管脚的限制，在扩展存储器时，数据线和地址线是复用的。P2口的P2.0- P2.4作为高5位地址线，P0口作为低8位地址/数据总线，P0、P2口的P2.0- P2.4共同组成13位地址，寻址范围为:0000H-3FFFH。扩展的数据存储器6264为8KB，需13根地址线, 寻址范围为:0000H-1FFFH。扩展的程序存储器2764为8 KB，需13根地址线, 寻址范围为:1000H-2FFFH。W77E58的P0、P2口和6264的A0-A12地址线相连接，P0口P0.0-P0.7双向数据线相连；RD/是用于访问外部数据的读选通，连接6264的输出允许端OE/；WR/是用于访问外部数据的写选通信号，连接6264的输入使能端。当WR/为低电平，片选端CE/为低电平时，将P0口和P2口的P2.0- P2.4上的数据写到A0~A13选中的存储单元中。在扩展了外部数据存储器后，PO和P2口P2.0- P2.4不能再用于其它功能。由于W77E58的低8位地址和数据分时复用，因此需要外部地址锁存器74LS373和ALE锁存信号来锁存低8位地址，它在下降沿锁存地址。 4.3.3 存储器的掉电保护

在单片机系统中，当主电源 DC 5V 失去时，我们称之为掉电。掉电之后，单片机会停止工作，时钟会停止往前走，存储器的数据容易丢失，这种结果在许多场合往往是不希望的，为了保证单片机在主电压失去时仍然能够保持运行，人们就利用干电池对单片机系统继续进行供电。 单片机允许在电压低至 2V 甚至更加小一些的电压供电时，仍然可以保证其最基本的运行。 电池在主电源失去时，对单片机存储器的继续运行提供能源，此时的电池能源是非常宝贵的，而且随着保护时间的延长，电池的电量也会用完的。所以，保护电路有一个最长保护时间的参数，使用中不能超过，否则，保护就会失效。当电池经过保护时间的使用之后，就需要补充电能，以便下一次保护时能够正常投入保护工作。所以在系统正常工作时应该给电池充电。电池在主电源正常供电时，需要由主电源对其进行充电；当主电源失去时，又由电池放电以保持单片机系统的运行。

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图4-4 数据存储器的掉电保护电路

在本系统中，采集的用户电表数据都存储在外部扩展的数据存储器中，存储器一旦掉电，将失去所有数据，所以必须给数据存储器加掉电保护，防止数据的丢失。正常工作时，由VCC 5V电源供电，此时，VCC 5V 电源通过 D1 和 R1 ，对保护用电池进行充电，以保证电池电量的充足。适当选择 R1 的大小，可以保证充电电流和充电时间都比较合理。当主电源失去后，电池通过 R1+R2 ，对存储器供电端口进行供电，供电电流通过 R1+R2 之后，会有压降，到达存储器的 VCC 端口时，电压就会比 3.6 低，一般会在 2V—2.5 左右，但可以防止存储器中的数据丢失。

4.4时钟模块

4.4.1设计思想

电力线载波抄表系统是一个与时间记录有很大关系的系统，上位机不但要从集中器采集电表数据，还要知道固定时刻电表数据的值，因此实时时钟是必不可少的。将时钟放在集中器上，既可以满足系统对时间信息的基本要求，也不会给系统增加过多的负担。当平时运行抄收命令时，集中器会每抄收一块电表就加上当时的时间。将时钟放在集中器上还有利于上位机对时钟进行精确校时。 4.4.2 时钟模块的选择

本文选用的DS12887是DALLAS半导体公司新推出的实时时钟芯片,可直接取代DS1287,该芯片引脚少、体小、使用方便、价格便宜，功能丰富，应用广泛。它在工业控制及智能仪器仪表中有广泛用途,一般PC机内的时钟信号就是由DS12887提供的。DS12887的特点：(1)可作为个人计算机的时钟和日历；(2)与MCl46818B和DS1287的管脚兼容；(3)在没有外部电源的情况下可工作10年；(4)自带晶体振荡器及锂电池；(5)可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日、月、年七种日历

信息并带闰年补偿；(6)用二进制码或BCD码来表示日历和闹钟信息；(7)并有128字节带掉电保护的RAM。DS12887的管脚图如下：

AD0-AD7：地址/数据，应接P0口；

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MOT：总线类型选择，与89C51连接时接地； CS：片选 ；

AS：地址选通，与89C51连接时接ALE； R/W：读/写控制，与89C51连接时接WD； DS：数据选通，与89C51连接时接RD； RESET：复位，接+5V；

图4-5 DS12887的管脚图 IRQ：中断请求输出。4.4.3 时钟模块与单片机的连接

时钟芯片在智能电量测量仪的设计中有着广泛的应用，显示积累值及当前时间。DS12887芯片在为系统提供时间信息的同时，还保证了积累值及其它重要数据在掉电情况下不致丢失 ，对时间的读取可以采用查询方式，即查询到位IRQ/为0时读时间，也可以采用中断方式使芯片每秒钟中断一次，在中断程序中读时间，为了提高工作效率 通常采用中断方式。

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DS12887芯片与单片机的接口

电路如图所示,因为与51系列单片机连接，所以MOT接地；片选CS接138译码器的Y2端；IRQ端接一上拉电阻连到W77E58的中断INT1端，即采用中断方式读取时钟参数，当允许DS12887向单片机申请中断，SQW端输出为500ns的方波；数据模式为BCD码，时间采取24h模式。由于DS12887内部带有锂电池，可保证其正常工作达十年之久。所以不管外部供电电压如何，一旦启动DS12887的计时功能，它将自动地进行年、月、日、星期、时、分、秒的计时。并能保证在25℃环境温度的情况下，计时精度在±1min/月的范围内。

图4-6 单片机与时钟芯片DS12887的连接电路

4.5电力线载波通信电路设计

电力线载波电路是负责与载波电表的通信，能同时接收多路电力载通信，每一路电力载波均有独立的收发系统。载波电路是整个系统的核心，本文采用SSC P300作为电力线载波专用调制解调芯

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片。需要配合外围功率放大电路和接收回路才能工作，载波通信的距离与外围电路设计优劣、功率小等密切相关。从SSCP300输出的信号幅度小、驱动能力弱，而且有各种谐波，因此要放大滤波，然后通过耦合电路将信号调制到电力线上。电力线传来的载波信号由SSCP300接收，需一个带通滤波器，经过预放大再送到SSCP300的接收端，再送给单片机进行处理，单片机中存储的数据经过现有的电话网传送给控制计算机，控制计算机根据数据对供配电进行控制。

低压扩频载波模块主要由SSCP300低压电力线扩频载波网络控制器、前置功放和电力线藕合电路构成，负责对单片机送来的数据进行线性扫频调制，放大后藕合到电力线上，对通过电力线送来的载波信号进行扫频解调后送给单片机。这种数据通信采用了收发分时控制的半双工通讯。该模块与配变集中器的设计通信距离为1000米。在信道特性最恶劣的情况下，也要保证不小于600米。

低压电力线载波通信的原理结构框图如图4- 7所示。 低压电力线 载波耦合 功率放大器 滤波器 缓冲器 S SCP 3 0 0 带通滤波器 前级放大器 图4-7 低压电力线载波通信的原理结构框图

电力线载波通信是电力线载波抄表集中器的核心任务，采用先进的载波调制原理，充分利用电子技术和微处理器技术，开发通用的电力线载波通信设备则是电力线载波抄表的重要基础工作。本文将以SSC P300为核心器件，就其工作原理、电路设计开发展开讨论。

扩频通信技术是将信息在载波调制的基础上再进行扩频调制，将信号频带展宽成比信息带宽大得多的宽频信息带进行通信的一种信息传输方式。扩频通信具有很强的抗干扰性能，通过相关分析实现可靠的数据传输。线性扩频是指在发送数据信号的一个周期内，其载波的频率作线性变化。线性调频信号的产生可由一个锯齿波信号调制压控振荡器来实现（与扫频信号相似）。发送时将该线性调频波作为载波来对传送的基带信号（信息数据）进行扩频调制，实现频谱扩展后形成相当带宽的低功率谱密度信号，通过输出放大器和媒介耦合电路传输到媒介；接收时电力线上的线性扩频信号通过耦合[滤波网络输入，并可采用匹配滤波器对线性调频信号进行压缩处理，使信号在一个很短的时间内输出集中的能量。而与滤波器不匹配的信号在时间上没有压缩，甚至反被扩展，从而提高信噪比。最后对检出的信号进行解调及相关处理，恢复原始信息。 4.5.1载波通信芯片SSCP300的发送与接收原理

SSCP300是Intellon公司推出的网络接口控制器提供了扩频载波电力线的传输技术,是符合CEBus标准的低价位产品,P300提供了EIA-600标准中的数据链路服务,物理层收发器,串行外围接口的主机接口；通讯中的数据链路功能的物理层的数据链路模式(DLL),控制模式(CON)和监控模式(MON)。

图4-10给出了SSCP300网络接口控制器的节点图，SSCP300提供了通讯中的数据链路功能和物理层协议服务,主处理器负责与SSCP300的通信及执行特殊的应用工作,SSCP300提供数据链路功能和物理层的协议LinkLa服务。其中特殊的DLL服务包含了对通信分组的发送和接收,对发送的字符由字节向符号转化,对于接收的分组由符号向节字转化,以及发送信道的存取和CRC的产生与校验,