CN102945594B - 一种超低功率损耗的计数器总线数据采集器 - Google Patents
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Abstract
一种超低功率损耗的计数器总线数据采集器，包括集成有通用异步接收/发送装置UART芯片的主CPU模块、时钟模块、存储器、RS-485通信模块，其特征在于：主CPU模块采用由时钟模块唤醒的16位FIash型MSP430系列超低功率损耗单片机，RS-485通信模块采用高速隔离芯片隔离且由时钟模块唤醒，还设有采集数据的M-Bus通信采集模块。本发明功率损耗约为现有数据采集器的1/20，长期运行可节省大量的能源，在运行过程中根据采集方案自动进行数据采集，采集可靠性较高，对故障的计量仪表进行标记，可以尽早发现故障并进行处理，有利于减少计量损失。还不必频繁抄表通信速度较高，可以进一步降低系统的功率消耗。
Description
技术领域
本发明涉及数据采集，特别是涉及一种超低功率损耗的计数器总线数据采集器。
背景技术
能源管理系统中的自动化集群抄表广泛应用计数器总线(Meter-Bus，缩略词为M-Bus)进行数据远传，其采用普通的两芯电缆连接，同时完成提供表计电源和数据通信的功能，传送数据能力、速度和数量完全可以满足要求。现有的具有现场实时数据采集和通信转换功能的M-Bus数据采集器，将M-Bus的接口转换为RS-232总线或者RS-485总线，由上位机通过RS-232总线或者RS-485总线访问采集器，现场实时采集智能化水表或者智能化气表(以下统称计量仪表)的数据，M-Bus数据采集器需要保持在运行状态以备进行采集，因此，功率损耗比较大，例如以一个抄表终端的功率损耗为2W计算，六千个集群抄表终端的总功率损耗为12KW，年耗电费用数万元，浪费大量资源。而且，每次通信都要经过RS-485总线，以及M-Bus数据总线，不仅降低了系统可靠性，直接影响抄表成功率，而且，由于RS-485总线相对速度比较高，实用最高速率可达38400bps，而M-Bus数据总线相对速度比较低速，实用最高速率只有9600bps，M-Bus数据采集器花大量的时间等待M-Bus网络的回复，相应增加了功率损耗。特别是现有的M-Bus数据采集器无数据存储功能和自动诊断功能，不能对相应的能源消耗进行追溯，也不能诊断计量仪表的故障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种超低功率损耗的计数器总线数据采集器。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种超低功率损耗的计数器总线数据采集器，包括集成有通用异步接收/发送装置(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，缩略词为UART)芯片的主CPU模块、分别与所述主CPU模块连接的具有定时中断功能的时钟模块、存储器、RS-485通信模块、电源模块，以及指示灯。
所述主CPU模块用于根据模块本身的控制逻辑和其他模块提供的信号，控制和访问其他模块，实现数据采集器的相关功能，所述主CPU模块根据采集时间间隔设定时钟模块的输出时间间隔，所述时钟模块在设定输出时间间隔后输出启动采集脉冲至所述主CPU模块，所述主CPU模块在接收到时钟模块输出的启动采集脉冲后，启动采集程序，不需人工或者其他辅助设备干预。
所述存储器用于存储采集方案和采集到的数据，所述采集方案包括采集时间间隔、采集数据点个数。
所述RS-485通信模块用于上位机与区域所有计量仪表之间进行通讯，所述上位机通过所述RS-485通信模块访问M-Bus数据采集器，通信命令将所述主CPU模块从待机状态唤醒，对上位机命令进行解析，从所述存储器获取相应的采集方案数据，组成通信帧返回相应的命令，所述RS-485通信模块功能还包括支持通信口程序在线升级，对M-Bus数据采集器的固件进行更新，全部操作通过通信口进行。
这种超低功率损耗的M-Bus数据采集器的特点是：
所述主CPU模块是采用由所述时钟模块唤醒的16位FIash型MSP430系列超低功率损耗单片机的主CPU模块，所述超低功率损耗是长期运行功率损耗低于0.1W，可以显著降低整机功率损耗。
所述RS-485通信模块是采用高速隔离芯片隔离且由所述时钟模块唤醒的RS-485通信模块，具有较高的抗干扰能力，所述RS-485通信模块读取全部数据仅需要40分钟，而在上位机中心站与所有计量仪表之间采用波特率为9600bps的信号转换器进行通讯连接的，需要200分钟。
设有采集数据的M-Bus通信采集模块，所述M-Bus通信采集模块通过访问采集器的M-Bus数据总线依次访问M-Bus数据总线上的所有计量仪表进行抄表，现场实时采集与读取其计量数据，并存储至所述存储器中，所述M-Bus通信采集模块包括电平转换电路、保护电路，以及M-bus总线电源控制电路，所述电平转换电路与所述主CPU模块的UART芯片连接。
本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述主CPU模块在1.8～3.6V电压、1MHz的时钟条件下，耗电电流在400μA以内，在非采集状态时待机电流仅为2.6μA，从待机模式唤醒时间仅为6μs，有着极低的功率损耗和较高的响应速度；
所述主CPU模块的UART芯片每隔6小时对M-Bus数据总线上的所有计量仪表进行一次轮询检测；
如果M-Bus数据总线上的所有计量仪表都未回复，则判定M-Bus数据总线出现故障；
如果M-Bus数据总线上的部分计量仪表未回复，则判定有部分计量仪表出现故障，将故障状态进行保存；
如果连续两次都没有回复，则判定该台计量仪表损坏，用标志字进行标识并存储至所述存储器中，上位机通过所述RS-485通信模块读取计量仪表是否有相应的标志字，以及采集器运行灯是否快速闪烁，诊断M-Bus数据总线和所有计量仪表是否出现故障，及时维修或者更换损坏的M-Bus数据总线和计量仪表。
所述M-Bus通信采集模块抄表失败时，会自动连续读取3次数据，以排除计量仪表出现的故障，保证抄表成功率达到100％。
本发明的技术问题通过以下再进一步的技术方案予以解决。
所述M-Bus总线电源控制电路由光电耦合器和功率开关器件组成，所述光电耦合器的一输入端与所述主CPU模块的一I/O口连接，所述功率开关器件的一输出端与M-Bus总线的正极性端M-BUS+连接，M-Bus总线电源由所述主CPU模块通过I/O口控制，在通信开始前接通M-Bus总线电源，并在通信完成后立即关闭M-Bus总线电源，以进一步节省系统功率损耗。
所述M-Bus数据总线与64台计量仪表连接，每小时采集一次计量数据，其输出功率为3W，M-Bus数据总线关闭后系统功率损耗仅为0.1W，节能超过96.7％。
所述时钟模块是采用带温度补偿的芯片RX8025T的时钟模块，时钟精度小于0.5秒/日。
所述存储器采用Flash存储芯片，可保存10个月的数据，数据掉电可保存20年以上，存储容量为4M字节，存储的每个数据长度为8字节，其结构为：
采集数据(4字节)+采集时间点(4字节，unix秒)，最长可存储5000条记录，因为存储的数据包括采集时间点，可以提供对历史的能量消耗情况进行追溯。
所述采集方案的采集时间间隔为1小时～744小时，采集数据点个数30个～5000个，通过标准modbus帧进行设置，数据帧格式是：
通信ID(1字节)+功能码(0X10)+寄存器地址(2字节)+寄存器个数(2字节)+字节个数(1字节)+CRC校验码。
所述RS-485通信模块由高速隔离芯片ISO7231、RS-485电平转换芯片SN65HVD3082和保护电路组成。
所述指示灯包括RS-485通信灯、M-Bus通信灯、M-Bus电源灯、M-Bus电源过载灯，以及采集器运行灯，RS-485通信模块工作时，RS-485通信灯闪烁；M-Bus通信采集模块工作时，M-Bus通信灯闪烁；M-Bus总线电源接通时，M-Bus电源灯亮；M-Bus总线电源过载时，M-Bus电源过载灯亮；采集器自检正常，采集器运行灯以1秒/次的频率闪烁，自检失败，采集器运行灯以0.5秒/次的频率快速闪烁，表明采集器存在故障。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明采用超低功率损耗技术，功率损耗约为现有数据采集器的1/20，长期运行可节省大量的能源，在运行过程中根据采集方案自动进行数据采集，不需要RS-485通信模块的干预，采集可靠性较高，对故障的计量仪表进行标记，可以尽早发现故障并进行处理，有利于减少计量损失。还不必频繁抄表，数据读取不通过低速M-Bus数据总线，通信速度较高，可以进一步降低系统的功率消耗。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的组成方框图；
图2是图1中M-Bus通信采集模块的M-Bus总线电源控制电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。
一种如图1～2所示的用于能源管理系统的超低功率损耗的M-Bus数据采集器，与64台计量仪表连接，长期运行功率损耗低于0.1W，其包括：
集成有UART芯片的采用由时钟模块唤醒的16位FIash型MSP430系列超低功率损耗单片机的主CPU模块，其在1.8～3.6V电压、1MHz的时钟条件下，耗电电流在400μA以内，在非采集状态时待机电流仅为2.6μA，从待机模式唤醒时间仅为6μs，有着极低的功率损耗和较高的响应速度，可以显著降低整机功率损耗，主CPU模块用于根据模块本身的控制逻辑和其他模块提供的信号，控制和访问其他模块，实现数据采集器的相关功能，主CPU模块根据采集时间间隔设定时钟模块的输出时间间隔，在接收到时钟模块输出的启动采集脉冲后，启动采集程序，不需人工或者其他辅助设备干预；
与主CPU模块连接的采用带温度补偿的芯片RX8025T的时钟模块，时钟精度小于0.5秒/日，具有定时中断功能，在设定输出时间间隔后输出启动采集脉冲至主CPU模块；
与主CPU模块连接的采用Flash存储芯片的存储器，可保存10个月的数据，数据掉电可保存20年以上，存储容量为4M字节，存储的每个数据长度为8字节，其结构为：采集数据(4字节)+采集时间点(4字节，unix秒)，最长可存储5000条记录，因为存储的数据包括采集时间点，可以提供对历史的能量消耗情况进行追溯，存储器用于存储包括采集时间间隔、采集数据点个数的采集方案和采集到的数据，采集方案的采集时间间隔为1小时～744小时，采集数据点个数30个～5000个，通过标准modbus帧进行设置，数据帧格式是：通信ID(1字节)+功能码(0X10)+寄存器地址(2字节)+寄存器个数(2字节)+字节个数(1字节)+CRC校验码，例如采集时间间隔的寄存器地址为40000，采集数据点个数的寄存器地址为40001，设置时间间隔为2小时，相应的modbus帧为：01109C 4000010200027558；
与主CPU模块连接的由高速隔离芯片ISO7231、RS-485电平转换芯片SN65HVD3082，以及相应的保护电路组成的RS-485通信模块，由时钟模块唤醒的RS-485通信模块，具有较高的抗干扰能力，RS-485通信模块读取全部数据仅需要40分钟，而在上位机中心站与64台计量仪表之间采用波特率为9600bps的信号转换器进行通讯连接的，需要200分钟，RS-485通信模块用于上位机与区域64台计量仪表之间进行通讯，上位机通过RS-485通信模块访问M-Bus数据采集器，通信命令将主CPU模块从待机状态唤醒，对上位机命令进行解析，从存储器获取相应的采集方案数据，组成通信帧返回相应的命令，RS-485通信模块功能还包括支持通信口程序在线升级，对M-Bus数据采集器的固件进行更新，全部操作通过通信口进行；
与主CPU模块连接的电源模块，
以及
与主CPU模块连接的包括RS-485通信灯、M-Bus通信灯、M-Bus电源灯、M-Bus电源过载灯和采集器运行灯的指示灯，RS-485通信模块工作时，RS-485通信灯闪烁。
本具体实施方式还设有包括与主CPU模块的UART芯片连接的电平转换电路、保护电路和M-bus总线电源控制电路的M-Bus通信采集模块，其与64台计量仪表连接，M-Bus总线电源控制电路由光电耦合器、功率开关器件组成，光电耦合器的一输入端与主CPU模块的一I/O口连接，功率开关器件的一输出端与M-Bus总线的正极性端M-BUS+连接，M-Bus总线电源由主CPU模块通过I/O口控制，在通信开始前接通M-Bus总线电源，并在通信完成后立即关闭M-Bus总线电源，以进一步节省系统功率损耗，M-Bus通信采集模块工作时，M-Bus通信灯闪烁；M-Bus总线电源接通时，M-Bus电源灯亮；M-Bus总线电源过载时，M-Bus电源过载灯亮。
本具体实施方式的工作过程是：
M-Bus通信采集模块通过访问采集器的M-Bus数据总线依次访问M-Bus数据总线上的64台计量仪表，每小时抄表一次，现场实时采集与读取其计量数据，并存储至存储器中，每小时输出功率为3W，M-Bus数据总线关闭后系统功率损耗仅为0.1W，节能超过96.7％。
主CPU模块的UART芯片每隔6小时对M-Bus数据总线上的64台计量仪表进行一次轮询检测；
如果M-Bus数据总线上的64台计量仪表都未回复，则判定M-Bus数据总线出现故障；
如果M-Bus数据总线上的部分计量仪表未回复，则判定有部分计量仪表出现故障，将故障状态进行保存；
如果连续两次都没有回复，则判定该台计量仪表损坏，用标志字进行标识并存储至存储器中，上位机通过RS-485通信模块读取计量仪表是否有相应的标志字，以及采集器运行灯是否以0.5秒/次的频率快速闪烁，诊断M-Bus数据总线和所有计量仪表是否出现故障，及时维修或者更换损坏的M-Bus数据总线和计量仪表。采集器自检正常，采集器运行灯以1秒/次的频率闪烁，采集器自检失败，采集器运行灯快速闪烁，表明采集器存在故障。
M-Bus通信采集模块抄表失败时，会自动连续读取3次数据，以排除计量仪表出现的故障，保证抄表成功率达到100％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种超低功率损耗的计数器总线数据采集器，包括集成有通用异步接收/发送装置UART芯片的主CPU模块、分别与所述主CPU模块连接的具有定时中断功能的时钟模块、存储器、RS-485通信模块、电源模块，以及指示灯，
所述主CPU模块用于根据模块本身的控制逻辑和其他模块提供的信号，控制和访问其他模块，实现数据采集器的相关功能，所述主CPU模块根据采集时间间隔设定时钟模块的输出时间间隔，所述时钟模块在设定输出时间间隔后输出启动采集脉冲至所述主CPU模块，所述主CPU模块在接收到时钟模块输出的启动采集脉冲后，启动采集程序，不需人工或者其他辅助设备干预，
所述存储器用于存储采集方案和采集到的数据，所述采集方案包括采集时间间隔、采集数据点个数，
所述RS-485通信模块用于上位机与区域所有计量仪表之间进行通讯，所述上位机通过所述RS-485通信模块访问M-Bus数据采集器，通信命令将所述主CPU模块从待机状态唤醒，对上位机命令进行解析，从所述存储器获取相应的采集方案数据，组成通信帧返回相应的命令，所述RS-485通信模块功能还包括支持通信口程序在线升级，对M-Bus数据采集器的固件进行更新，全部操作通过通信口进行，
其特征在于：
所述主CPU模块是采用由所述时钟模块唤醒的16位FIash型MSP430系列超低功率损耗单片机的主CPU模块，所述超低功率损耗是长期运行功率损耗低于0.1W，可以显著降低整机功率损耗；
所述RS-485通信模块是采用高速隔离芯片隔离且由所述时钟模块唤醒的RS-485通信模块，具有较高的抗干扰能力，所述RS-485通信模块读取全部数据仅需要40分钟；
设有采集数据的M-Bus通信采集模块，所述M-Bus通信采集模块通过访问采集器的M-Bus数据总线依次访问M-Bus数据总线上的所有计量仪表进行抄表，现场实时采集与读取其计量数据，并存储至所述存储器中，所述M-Bus通信采集模块包括电平转换电路、保护电路，以及M-bus总线电源控制电路，所述电平转换电路与所述主CPU模块的UART芯片连接。
2.如权利要求1所述的超低功率损耗的计数器总线数据采集器，其特征在于：
所述主CPU模块在1.8～3.6V电压、1MHz的时钟条件下，耗电电流在400μA以内，在非采集状态时待机电流仅为2.6μA，从待机模式唤醒时间仅为6μs，有着极低的功率损耗和较高的响应速度；
所述主CPU模块的UART芯片每隔6小时对M-Bus数据总线上的所有计量仪表进行一次轮询检测；
如果M-Bus数据总线上的所有计量仪表都未回复，则判定M-Bus数据总线出现故障；
如果M-Bus数据总线上的部分计量仪表未回复，则判定有部分计量仪表出现故障，将故障状态进行保存；
如果连续两次都没有回复，则判定该台计量仪表损坏，用标志字进行标识并存储至所述存储器中，上位机通过所述RS-485通信模块读取计量仪表是否有相应的标志字，以及采集器运行灯是否快速闪烁，诊断M-Bus数据总线和所有计量仪表是否出现故障，及时维修或者更换损坏的M-Bus数据总线和计量仪表。
3.如权利要求1或2所述的超低功率损耗的计数器总线数据采集器，其特征在于：
所述M-Bus通信采集模块抄表失败时，会自动连续读取3次数据，以排除计量仪表出现的故障，保证抄表成功率达到100%。
4.如权利要求3所述的超低功率损耗的计数器总线数据采集器，其特征在于：
所述M-Bus总线电源控制电路由光电耦合器和功率开关器件组成，所述光电耦合器的一输入端与所述主CPU模块的一I/O口连接，所述功率开关器件的一输出端与M-Bus总线的正极性端M-BUS+连接，M-Bus总线电源由所述主CPU模块通过I/O口控制，在通信开始前接通M-Bus总线电源，并在通信完成后立即关闭M-Bus总线电源，以进一步节省系统功率损耗。
5.如权利要求4所述的超低功率损耗的计数器总线数据采集器，其特征在于：
所述M-Bus数据总线与64台计量仪表连接，每小时采集一次计量数据，其输出功率为3W，M-Bus数据总线关闭后系统功率损耗仅为0.1W。
6.如权利要求5所述的超低功率损耗的计数器总线数据采集器，其特征在于：
所述时钟模块是采用带温度补偿的芯片RX8025T的时钟模块，时钟精度小于0.5秒/日。
7.如权利要求6所述的超低功率损耗的计数器总线数据采集器，其特征在于：
所述采集方案的采集时间间隔为1小时～744小时，采集数据点个数30个～5000个，通过标准modbus帧进行设置，数据帧格式是：
通信ID+功能码0X10+寄存器地址+寄存器个数+字节个数+CRC校验码。
8.如权利要求7所述的超低功率损耗的计数器总线数据采集器，其特征在于：
所述存储器采用Flash存储芯片，可保存10个月的数据，数据掉电可保存20年以上，存储容量为4M字节，存储的每个数据长度为8字节，其结构为：
采集数据+采集时间点，
最长可存储5000条记录，因为存储的数据包括采集时间点，可以提供对历史的能量消耗情况进行追溯。
9.如权利要求8所述的超低功率损耗的计数器总线数据采集器，其特征在于：
所述RS-485通信模块由高速隔离芯片ISO7231、RS-485电平转换芯片SN65HVD3082和保护电路组成。
10.如权利要求9所述的超低功率损耗的计数器总线数据采集器，其特征在于：
所述指示灯包括RS-485通信灯、M-Bus通信灯、M-Bus电源灯、M-Bus电源过载灯，以及采集器运行灯，RS-485通信模块工作时，RS-485通信灯闪烁；M-Bus通信采集模块工作时，M-Bus通信灯闪烁；M-Bus总线电源接通时，M-Bus电源灯亮；M-Bus总线电源过载时，M-Bus电源过载灯亮；采集器自检正常，采集器运行灯以1秒/次的频率闪烁，自检失败，采集器运行灯以0.5秒/次的频率快速闪烁，表明采集器存在故障。
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