专利名称：三表智能采集器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种与测量有关的数据采集装置，特别是指一种将水、电、气表的数据采集集为一体的三表智能采集器。
目前，我们各家各户的电表、水表以及煤气表等大多安装在室内，有的尽管安装在室外，但都需要依靠人工抄表的方式来统计、核算，工作量大，工作效率低，存在统计误差等问题。同时，入户抄表也给居民造成潜在的不安全因素，如有人冒充工作人员骗取住户开门后，入户作案。另外，随着信息技术的发展，人们希望实现楼宇及住宅的现代化管理，这是城市走向现代化的一项重要标志，也是针对城市建设集群化、小区化的发展状况而急需解决的一个问题，采用楼宇自动化管理系统的高低完善程度，业已成为房产价值估计的重要环节。
为了实现三表的自动采集、计费、管理，必须解决采集数据的传输问题，其一是敷设专线到每家每户，这种方法不仅存在线路开销的问题，在进行旧楼改造时还存在有施工的问题；另一种直接的解决办法是利用现有的电力线作为传输介质，利用电力载波的方式解决传输问题，现有技术中，如中国专利90223666.0电、水、煤气全自动监测抄表装置，和中国专利92110485.8电表、水表、气表自动数据采集系统就是以这种方式来解决传输问题的。
在这些现有技术中，有的把着重点放在传感器及传感方式上，在线路传输上没作细致、具实用性的设计，实施起来难免存在传输距离及和电网的相互干扰问题，如中国专利90223666.0。而中国专利92110485.8电表、水表、气表自动数据采集系统在用户终端器上采用类似加法器的计数方式，不仅量程有限制，且对采样周期有限制，否则可能出现溢出或采集误差问题，而且，由于其在用户终端器上的数据每采集一次即清除掉，如果线路传输有误差或出现溢出、进位误差时，将会造成不可弥补的错误，同时它的最大计数源仅为三个，因此，在实际实施时有准确性和灵活实用性等问题，在线路传输上也同样存在上述问题。
另外，现有技术中虽然大多具有掉电保护功能，但都仅仅局限在交、直流电源切唤上，对用备用电池供电时，没有更多的节电措施，实际应用中，时间上难以满足需要。
因此，作为楼宇及住宅的自动化管理系统之一子系统的三表自动计费管理系统的一部分-三表智能采集器则被提出更高的要求，必须具备稳定性、准确性、实用性和规范性，还必须有灵活的适应性。
为达到上述要求及鉴于上述之种种问题，本实用新型的目的就在于提供一种计数准确量程大，载波耦合效率高，传输距离长，抗干扰性强，掉电工作时间长的稳定、准确、灵活、实用的三表智能采集器。
本实用新型的进一步目的是提供一种具有网络传输协议，能将采集的数据通过电力载波或专用通信信号线的方式传送给管理系统的三表智能采集器。
为了实现上述发明目的，本实用新型三表智能采集器，具有单片微处理器(CPU)、输入输出接口端子、载波驱动及耦合电路、双路直流稳压电源，单片微处理器的输入输出端口通过输入输出接口端子与数字式水、电、气表的数字接口连接，另外，该三表智能采集器还具有数据传输及载波调制模块、备用电池掉电电路及双定时复位电路，其中，所述的数据传输及载波调制模块由单片通信微处理器、数据网络控制协议、载波调制解调电路组成，所述的单片微处理器的串行通信口与所述的单片通信微处理器的串行通信口相连，所述的载波驱动电路由两个互补对称功率管构成，其基极分别与两个光耦连接，光耦的控制端由所述的数据传输及载波调制模块的输入输出控制端控制，所述的耦合电路一端通过所述的输入输出接口端子与信号传输线相连，一端与所述的载波驱动的一端及数据传输及载波调制模块的载波输入端相连，数据传输及载波调制模块的载波输出端与所述的载波驱动的另一端连接，所述的双定时复位电路包括由两个双稳态电路分别构成的一个短定时电路和一个长定时电路，短定时电路的电源由备用电池掉电电路提供，长定时电路的电源由双路直流稳压电源提供，双定时复位电路的复位信号线与单片微处理器的复位端连接，双路直流稳压电源与单片微处理器的一个中断端口连接。
所述的备用电池掉电电路具有两组备用电池，其中一组备用电池提供的电源与所述的单片微处理器的电源相连，另一组备用电池经过一个功率管，通过所述的输入输出接口端子与数字式水、电、气表的数字接口的信号供电端相连，所述的功率管的基极与所述的单片微处理器的供电控制端连接。
所述的数据传输及载波调制模块为集成的专用芯片Ci0805。
所述的信号传输线可为电力传输线或专用通信信号线。
所述的输入输出接口端子可与12路数字式水、电、气表的数字接口连接。
由于上述的载波驱动及耦合电路，由两个互补对称功率管构成驱动电路，并分别用两个光耦控制其基极电压，光耦的控制端由数据传输及载波调制模块的输入输出控制端控制，发送信号时，该输入输出控制端信号为高电平，光耦不导通，两个互补对称功率管的基射结加载正向偏压，构成射随型互补驱动电路，输出电阻很低，确保恒定的输出信号幅度，对电网上的干扰具有很强的吸收能力；接收信号时，该输入输出控制端信号为低电平，光耦导通，两个互补对称功率管由于基射结加载反向偏压而截止，从而输入电阻很高，提供较大的输入信号幅度，从而实现载波耦合效率高，传输距离长，抗干扰性强的目的。
另外，在掉电时，双路直流稳压电源为零伏，长定时电路不工作，由短定时电路产生周期的复位信号，以唤醒CPU进行定时的数据采集，而双路直流稳压电源与CPU的中断线连接，CPU完成数据采集后，立即进入中断程序，进行掉电处理，置掉电状态，系统进入睡眠状态，此时系统的功耗不到正常工作状态的1％，由于数据采集时间相对睡眠时间短得多，从而系统在保证不中断正常数据采集的前提下，大大地降低了系统的平均功耗，仅为正常工作状态下的5％，极大地增加了备用电池的连续工作时间。
再者，上述设计中，本实用新型还具有数据传输及载波调制模块，采用专用芯片Ci0805，内含专用单片通信微处理器、数据网络控制协议，可将载波输入信号解调为网络数据，再转换为上行数据通过串口传送CPU，或将CPU的串口传送的下行数据转换为网络数据，再经调制变为载波输出信号，经载波驱动及耦合电路，通过信号传输线传送给管理系统上位机进行统计、计算、报表打印等管理工作。
由于上述设计中，支持电力传输、专用通信信号线两种传输方式，可与12路数字式水、电、气表的数字接口连接，因而具有很好的适应性和实用性。
以下结合附图及具体实施例对本实用新型再做进一步详细的说明。
图1为本实用新型的电路原理框图；图2为本实用新型实施例电路原理图之一；图3为本实用新型实施例电路原理图之二；图4为本实用新型实施例电路原理图之三；图5为本实用新型实施例电路原理图之四；图6为本实用新型系统应用的示意图；图7为本实用新型与数字式表头的数字接口电路连接原理图；图8为本实用新型网络数据及载波信号转换示意图；图9为本实用新型软件主程序及定时0程序流程图；图10为本实用新型软件网络通信模块流程图；图11为本实用新型软件数据采集模块流程图；图12为本实用新型软件中断1程序流程图；图13为本实用新型多户型结构安装示意图。
首先，请参见图6及图13，本实用新型在系统应用中的示意图。其中的水、电、气表分别为数字式水表、电表、气表，或将机械式水表、电表和煤气表改装后经核准使用，其功能是将水量、电量、煤气量等物理量转化为数字量，传至本实用新型的三表智能采集器，参见图7，水、电、气数字式表头的数字接口与本实用新型三表智能采集器的电路连接原理图，S为数字表头的开关控制，与相关的物理量对应，控制开关信息输出，三表智能采集器在其一端提供电源信号VIN，在另一端获得数字信号输入INi，该数字信号连接到三表智能采集器的数字信号输入线IN1～IN12。
请参见图1，本实用新型的电路框图，在此实施例中具有四户水电气三表数据的计数存储、数据传输等功能，其电路由七个模块组成，分别标志为输入输出接口端子M1、单片CPU电路M2、数据传输及载波调制模块M3、载波驱动及耦合电路M4、双路直流稳压电源M5、备用电池掉电电路M6、双定时复位电路M7。具有两种工作状态正常状态和掉电状态，正常状态下，七个模块全部工作，系统由直流稳压电源供电；掉电状态下，M3、M4、M5停止工作，系统使用备用电池。
参照图2所示，本实用新型M1、M2模块的电路图。其中，M1输入输出接口端子，含十二路数字信号输入线IN1～IN12、一组专用通信信号线SNN、SLL，一组220V电力线PNN、PLL，以及一组信号电源线VIN、GND，数字输入信号线IN1～IN12连接前述的水电气表头的数字输出接口，并将该信号送给M2的I/O端口进行计数，从而获得水电气表的计量数据。M2对十二路数字信号采集存储，每路数据分别用4个字节存放，量程可达232。
M2单片CPU电路，在此实施例中为Inte18751单片机系统，内含8K字节程序存储器、256字节数据存储器、两个计数定时器、两个外部中断和一个全双工串口。M2可工作于两种状态正常状态和掉电状态。在正常状态下，M2由内部定时器0控制，执行两个进程数据采集和网络通信，参照图9、图10、图11。在掉电状态下，M2由双定时复位电路M7提供的复位信号线RSTM控制。
请参见图5,M7双定时复位电路，该模块设计了两个双稳态电路，一个为由三极管N2、N3，电容C2、C3，二极管D5、D6，电阻R8、R9组成的短定时电路，一个为由三极管N4、N5，电容C5、C6，二极管D10、D11，电阻R17、R18组成的长定时电路，短定时电路部分使用备用电池B2提供的电源VPN，长定时电路部分使用直流稳压电源提供的电源VCC。
在系统掉电时，VCC=0，长定时电路不工作，由短定时电路产生周期的复位信号，以唤醒CPU进行定时的数据采集。VCC与CPU的中断线INT1连接，CPU完成数据采集后，立即进入中断1程序，参见图12，进行掉电处理，置掉电状态，系统进入睡眠状态，此时系统的功耗不到正常工作状态的1％。由于，数据采集时间相对睡眠时间短得多，从而系统在保证不中断正常数据采集的前提下，大大地降低了系统的平均功耗，仅为正常工作状态下的5％，极大地增加了备用电池的连续工作时间。
而在非掉电期间短定时电路提供的周期性信号，由于三极管P2的反向偏压被封锁，这时长定时电路工作，通过三极管P3产生长定时周期性复位信号，确保系统能够避免软件紊乱。
M2可根据M3获得的网络命令，进行计数初值设置或输出采集数据，CPU的P1口与M3的CI0805连接，用于数据通信控制，并由串口TXD、RXD收发数据，CPU中断0用于载波同步检测/SYSA。
请参见图3,M3数据传输及载波调制模块，采用专用芯片Ci0805，内含专用单片通信微处理器、数据网络控制协议、载波调制解调电路，M3可将M4送来的载波输入信号SIN解调为网络数据，再转换为上行数据通过串口传送给M2，或将由M2的CPU8751的串口传送的下行数据转换为网络数据，再经调制变为载波输出信号SOUT传送给M4，网络数据及载波信号转换示意请参见图8。
M4载波驱动及耦合电路，由两个互补对称功率管P5、P6构成驱动电路，并用两个光耦K3控制其基极电压，光耦K3由M3提供的输入输出控制端/SIOC控制，发送信号时，/SIOC为高电平，光耦K3不导通，P5、P6的基射结加载正向偏压，构成射随型互补驱动电路，输出电阻很低，确保恒定的输出信号幅度，对电网上的干扰具有很强的吸收能力；接收信号时，/SIOC为低电平，光耦K3导通，P5、P6由于基射结加载反向偏压而截止，从而输入电阻很高，提供较大的输入信号幅度。
由耦合变压器TT3，电容CP2、CP3、CP5组成的双谐振载波耦合电路，具有隔离低频，传输高频的特性，使得载波信号可以通过，并隔离了220V工频电压；由耦合变压器TT2，电容CS2、CS3、CS5组成的双谐振载波耦合电路，提供专用通信信号线SNN、SLL。
请参见图4,M5双路直流稳压电源，使用二极管V4～V7整流、电容E3、E5滤波、三端稳压器V2、V3稳压，获得系统所需的正负电源V+、V-。
M6双电池备用模块，该模块设计了三组电源VCC、VPP、VIN，两个备用电池B1、B2电路，备用电池采用低电流限压浮冲电路。掉电时，B1提供的VPP用于M2,B2经过一个功率管P1提供VIN，用于M1的信号供电，P1受M2的供电控制端/VINC信号控制，/VINC在数据采集期间为低电平，P1导通，提供该电源。
权利要求1.一种三表智能采集器，具有单片微处理器、输入输出接口端子、载波驱动及耦合电路、双路直流稳压电源，单片微处理器的输入输出端口通过输入输出接口端子与数字式水、电、气表的数字接口连接，其特征在于该三表智能采集器还具有数据传输及载波调制模块、备用电池掉电电路及双定时复位电路，其中，所述的数据传输及载波调制模块由单片通信微处理器、数据网络控制协议、载波调制解调电路组成，所述的单片微处理器的串行通信口与所述的单片通信微处理器的串行通信口相连，所述的载波驱动电路由两个互补对称功率管构成，其基极分别与两个光耦连接，光耦的控制端由所述的数据传输及载波调制模块的输入输出控制端控制，所述的耦合电路一端通过所述的输入输出接口端子与信号传输线相连，一端与所述的载波驱动的一端及数据传输及载波调制模块的载波输入端相连，数据传输及载波调制模块的载波输出端与所述的载波驱动的另一端连接，所述的双定时复位电路包括由两个双稳态电路分别构成的一个短定时电路和一个长定时电路，短定时电路的电源由备用电池掉电电路提供，长定时电路的电源由双路直流稳压电源提供，双定时复位电路的复位信号线与单片微处理器的复位端连接，双路直流稳压电源与单片微处理器的一个中断端口连接。
2.根据权利要求1所述的三表智能采集器，其特征在于所述的备用电池掉电电路具有两组备用电池，其中一组备用电池提供的电源与所述的单片微处理器的电源相连，另一组备用电池经过一个功率管，通过所述的输入输出接口端子与数字式水、电、气表的数字接口的信号供电端相连，所述的功率管的基极与所述的单片微处理器的供电控制端连接。
3.根据权利要求1所述的三表智能采集器，其特征在于所述的数据传输及载波调制模块为集成的专用芯片Ci0805。
4.根据权利要求1所述的三表智能采集器，其特征在于所述的信号传输线为电力传输线。
5.根据权利要求1所述的三表智能采集器，其特征在于所述的信号传输线为专用通信信号线。
6.根据权利要求1所述的三表智能采集器，其特征在于所述的输入输出接口端子可与12路数字式水、电、气表的数字接口连接。
专利摘要本实用新型公开了一种三表智能采集器,具有载波驱动及耦合电路由两个互补对称功率管构成驱动电路,并分别用两个光耦控制其基极电压,光耦的控制端由数据传输及载波调制模块的输入输出控制端控制,可以实现载波耦合效率高,传输距离长,抗干扰性强的目的,而双路直流稳压电源与CPU的中断线连接,保证掉电时,由双定时复位电路唤醒CPU完成数据采集后,立即进入中断,系统进入睡眠状态,大大地降低了系统的平均功耗,极大地增加了备用电池的连续工作时间。
文档编号G01D1/00GK2315535SQ9723151
公开日1999年4月21日 申请日期1997年12月24日 优先权日1997年12月24日
发明者刘泽仁, 蔡晓红 申请人:北京智力通信息工程有限责任公司