基于GPRS的低压配电网远程监控系统设计.doc

1 前言1.1 选题的目的和意义随着经济的发展，用户对电网的可靠性和安全性的要求越来越高。同时随着电力系统朝着高电压、大容量的方向发展，保证电力设备的安全运行尤为重要。一旦发生停电事故，将给生产和生活带来巨大的影响和损失，因此迫切需要对电力设备运行状态进行实时或定时地在线监测。数据传输将由监控终端测量的反映设备状态的数据送进主站，它是在线监测的关键环节之一。我国幅员辽阔,电力供应覆盖范围广，但各地区环境差异很大，如果架设有线监测网络，施工难度极大,维护成本也很高，随着中国移动3G业务的发展，将GPRS无线通信技术应用于低压配电网监测，既可以有效地弥补有线监测方式的不足，又能省去高额的建网费用。配电变压器具有量多面广的特点，如何将分散的配电变压器的运行数据实时、可靠、便捷的传输是一个关键的技术问题。基于通用分组无线业务的 GPRS 无线数据传输方式是目前十分适合远程监控的一种通讯方式，具有运行成本低、实时性好、可靠性高、不受地域限制等优点。最重要的是 GPRS 网络是由移动运营商投资系统，可以节省巨额的远程监控网络建设费用，达到环保、节能、资源最大共享的目的，而且免除了网络的日常修改和维护，最大限度地节省了投资。GPRS（General Packet Radio Service，通用分组业务）是一种基于第二代移动通信系统 GSM 的无线分组交换技术。利用 GPRS“永远在线”、“流量计费”、“快捷登陆”、“高速传输”、“自如切换”等优点进行传输。GPRS 网络在空中的全程通信中采用分组加密和矢量压缩处理技术，使得用户的通信保密安全功能非常强，保障了系统传输的可靠性。利用 GPRS 进行传输，组网简单、迅速、灵活。系统可以通过 Internet 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，接入便利，节省接入投资。通信链路由专业运营商维护，GPRS 链路维护由中国移动负责，免除通信链路维护的后顾之忧。GPRS 网络传输采取按数据流量计费，可以大大节省系统运营费用。将 GPRS 应用于配电网远程监控中，可以满足系统的实时性、可靠性、经济性要求。因此利用 GPRS 无线通信网络实现配变的远程实时监测，可使配电监测系统建设及维护成本大大降低。GPRS 无线通信网络在配变监测中的应用，为提高配电管理和需求侧管理的自动化水平提供了有力的技术手段，因此具有广阔的应用前景。1.2 国内外研究现状目前将 GPRS 无线传输技术应用于工业远程监控系统的数据传输是当前比较热门的研究课题。采用 GPRS-Internet 通信网络，使工业远程监控系统的监控空间延伸到了公用通信网络和 Internet，在保证系统实时性、可靠性的同时降低了系统的开发成本以及运营费用。GPRS 技术在国内外已广泛的应用于电力、交通、医疗、勘探、供热管网等领域的工业远程监控系统中。在国外，意大利 SPA 公司开发的基于 GPRS 的空气质量监控系统，对大范围内的国土环境进行监控来获得实际的空气质量等级以保障公众身体健康。荷兰 2004 年完成的移动健康工程，通过在病人身上放置一个移动的传感部件实时采集病人的健康状况数值并通过 GPRS 方式发送到监控中心，使医务人员可以随时随地查看到病人的健康情况，以预防突发疾病和及早做出治疗。在国内，北京移动与北京夜景照明管理部门合作，建立了基于 GPRS 的夜景照明管理系统(LMAS)，实现了对夜景照明的远程控制，以及对夜景照明系统设备的远程实时监控和集中管理，从而降低了新建夜景照明系统的网络投资和建设周期。胜利油田厂于 2002 年利用 GPRS 对配电网进行了自动化技术改造，有效改善了供电质量，提高了供电可靠性，对线路的运行实现实时监测，达到快速排除线路故障，降低运行费用，提高经济效益，减少劳动强度，实现了电网的自动、优化、高效运行的目的。江苏省公安厅交巡警总队采用的 GPRS/GIS/GPS 高速公路巡警指挥调度系统，实现了对全省路面交巡警勤务的实时指挥调度、管理,高速公路恶劣天气(路况)的分级处置,建立起巡逻民警和指挥中心的信息交互通道,使总队能够及时掌握全省各项实时信息,从而进行更加科学的管理和协调,全省交巡警指挥调度、勤务管理现代化水平迈上一个新台阶。此外，西南交通大学电气工程学院和铁道部第二勘察设计院电气化设计处在当前铁道监控系统中对监控图像清晰度要求不高和 GPRS 网传输速度低的前提下，对利用 GPRS 在铁路监控系统中进行图像、视频传输做了实验研究，采取了一定的打包传送策略和图像格式转换和压缩技术，实验达到了设计目标并取得了较好的实验结果。将 GPRS 应用于配电网远程监控中，可以有效的解决配电网通信网络问题，满足系统的经济性、可靠性、实时性要求。随着 Internet 技术和 GPRS 通信技术的发展，远程监控系统将会更紧密地与现代通信技术相结合，GPRS 的应用前景将是相当广阔的。1.3 本文的主要工作本文通过分析研究 GPRS 网络和 Internet 网在配电网远程监控中的应用。根据GPRS 自身的特点，设计了一个基于 GPRS低压配电网远程监控系统。主要完成配电网数据的采集以及故障判断，并于监测中心进行数据传输，以便工作人员及时处理故障信息，以免造成不必要的经济损失。本文共分为七章，各章节的主要内容安排如下:第一章 主要简述课题的背景及意义及国内外发展现状。第二章 主要讲述相关的技术和涉及到协议。第三章 主要提出总体设计方案,实际要解决的问题。系统整体的设计思想和具体要实现的功能。第四章 详细讲解终端硬件电路的设计,各部分功能电路的实现,搭建配电网监测硬件平台。第五章 详细描述软件设计的过程。第六章 主要介绍终端软硬件调试。第七章 对系统的总结与展望。2 相关技术和协议 随着芯片制造行业不断地发展,嵌入式系统的结构越来越小型化,外围扩展也由并行方式过渡到串行方式,出现了UART和SPI等多种先进的串行接口技术,极大地丰富了电子监测系统的设计,当前移动通信3G业务逐渐铺开,GPRS无线上网资费更低,直接为配电网监测数据的传输提供了一个可靠、稳定和快捷地无线渠道，采用此技术的监测终端具有可移动的特点,可以有效弥补了采用有线通信方式的不足，现逐一对相关技术以及涉及到的协议进行介绍。2.1 接口技术接口技术可以说是实现微处理器和外部设备数据交换的桥梁，实际工作过程中,微处理器的执行速度往往很快,而外部设备由于既要处理己接到的数据,又要负责接收新的数据,处理速度有限,很容易发生冲突死锁而陷入死循环。这时,采用接口技术就可以很好地协调两者的矛盾,极大地发挥系统的高效率性。因此,接口技术在数字系统设计中是必不可少的。这里主要介绍本文使用的串行接口技术。2.1.1 SPI接口技术SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如DS1302。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。（1）SDO 主设备数据输出，从设备数据输入（2）SDI 主设备数据输入，从设备数据输出（3）SCLK 时钟信号，由主设备产生（4）CS 从设备使能信号，由主设备控制其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。接下来就负责通讯的3根线了，通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。这里以DS1302芯片为例,介绍SPI的读写时序,DS1302的接口方式采用 SPI 三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟数据和 RAM 数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于 31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。 （1）SCLK ：串行时钟输入。 （2）I/O ：三线接口的双向数据线。（3）RST ：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一RST 开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，RST 提供结束单字节或多字节数据传输的方法。要想利用单片机对DS1302进行操作， 那么要了解其读写时序与控制字是必要的，表2-1就是DS1302的控制字。7654 32 1 01RAMA4A3A2A1AORDCKWR表 2-1 控制字（即地址及命令字节）Table 2-1 Control word ( the address and command bytes)（1）位 7：（高位）必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入到 DS1302 中。（2）位 6： 如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM 数据；（3）位5至位1（A4A0）：指示操作单元的地址；（4）位 0：（低位）如为 0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。图2-2图2-3 分别是单片机对 DS1302 的单字节读时序与单字节写时序 。控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个 SCLK时钟的上升沿时，数据被写入 DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。同样，在紧跟 8 位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出 DS1302 的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。DS1302 是通过 SPI串行总线驱动方式，它不仅可以向寄存器写入控制字，还可以读取相应寄存器的数据。如图2-2、2-3所示：图 2-2 单字节读时序Figure 2-2 Reading Sequence of Single-byte 图 2-3 单字节写时序Figure 2-3 Writing sequence of Single-byte 2.1.2 UART串口技术UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用来主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。UART首先将接收到的并行数据转换成串行数据来传输。消息帧从一个低位起始位开始，后面是58个数据位，一个可用的奇偶位和一个或几个高位停止位。接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器时钟频率同步。如果选择了奇偶，UART就在数据位后面加上奇偶位。奇偶位可用来帮助错误校验。在接收过程中，UART从消息帧中去掉起始位和结束位，对进来的字节进行奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。UART也产生额外的信号来指示发送和接收的状态。例如，如果产生一个奇偶错误，UART就置位奇偶标志。数据传输可以首先从最低有效位(LSB)开始。然而，有些UART允许灵活选择先发送最低有效位或最高有效位(MSB)。微控制器中的UART传送数据的速度范围为每秒几百位到1.5 Mbps。例如，嵌入在ElanSC520微控制器中的高速UART通信的速度可以高达1.152Mbps。UART波特率还受发送和接收线对距离(线长度)的影响。2.1.3 TCP和UDP协议分析TCP 协议处于TCP/IP 协议簇的传输层，它可以为网络提供有序可靠的分组数据交换服务。TCP提供的是面向连接、可靠的字节流服务。通信双方必须先建立TCP连接后才能进行彼此的可靠通信。TCP 在不可靠的分组传输网络上提供可靠的进程间通信机制，它具有分组丢失检测、自动重传、错误处理等保证可靠有序传输的功能接收端在接收时进行TCP数据校验，如果接收的数据报校验有差错，将丢弃这个分片，接收端将不确认接收，致使超时重发来确保数据传输的准确性和可靠性。TCP 不对高层协议的数据产生影响，它将来自高层的数据看成不间断的字节流，TCP 为流中的每一个字节都分配一个序列号，在与对等的TCP 交换报文时，TCP 给这些段附加的控制信息包括该段中第一个字节的序列号以及该段中所有数据字节的个数，接收方的TCP 就能够根据这些信息将不间断的数据流传送给自己的高层协议。TCP 连接是一个全双工的数据通道，在通信开始之前，客户端通过向服务器端发送一个 SYN 来建立主动打开的连接，作为“三次握手”的第一部分。如果是合法的 SYN，服务器端会向客户端回送一个 SYN/ACK。最后，客户端再发送一个ACK，这样就完成了“三次握手”，进入到了连接建立状态。“三次握手”协议可以确保通信双方都做好通信准备，确保了数据传输的可靠性。当通信的一方将所有数据发送完成后，使用FIN 向对方发送关闭连接请求。虽然不再发送数据，但是仍然可以接收该连接上的数据。只有当对方也发送关闭连接请求后，该连接才会关闭。数据传输中的“三次握手”协议确保了数据传输的可靠性。UDP协议即用户数据报协议，主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式在网络中进行传输。数据包的前8个字节包含报头信息，剩余字节包含实际传输的数据。UDP协议是一个面向无连接的传输层协议，提供不可靠的数据传输服务。UDP 在传输数据时没有事先建立连接没有流的概念不提供流量控制，且没有超时重传机制，因此 UDP 的传输速度相对较快。UDP 与TCP 一样能够进行数据校验，当校验出现差错的时候，抛弃数据，不做处理。UDP只管发送消息，不管消息是否到达，出错的话交由上一层进行处理。对于视频、语音这些时效性比可靠性重要的传输来说，UDP 协议显然更加合适，因为即使在传输过程中即便丢失几个数据包，不会对接收结果产生多大影响。基于前述分析可知，可得TCP 是面向连接的传输控制协议，而UDP 提供了无连接的数据报服务；TCP 具有高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丢失或乱序；UDP 在传输数据前不建立连接，不对数据报进行检查与修改，无须等待对方的应答，所以会出现分组丢失、重复、乱序，应用程序需要负责传输可靠性方面的所有工作；UDP 具有较好的实时性，工作效率较 TCP 协议高；UDP 段结构比TCP 的段结构简单，因此网络开销也小。TCP协议可以保证接收端毫无差错地接收到发送端发出的字节流，为应用程序提供可靠的通信服务。对可靠性要求高的通信系统往往使用TCP传输数据。比如HTTP运用 TCP进行数据的传输。UDP适用于对可靠性要求不高的通信系统，优点是传输速度快。比如，通过“ping”命令检测主机之间是否通信正常，ping 命令的原理是向目的主机发送UDP数据包，如果数据包是否到达的消息能够及时返回来，证明网络是通的，由此证明了 UDP 协议是面向无连接的网络协议。比如QQ运用UDP协议进行传输，虽然可靠性不如TCP，但其优点是通信效率高，占用资源少。2.2 GPRS无线通信技术GPRS的中文全称是“通用分组无线业务”。它早在1993年就被提出了,是GSMPhase2+阶段引入的新功能,其目标是为用户提供高速的分组数据业务。GPRS是一项先进的无线通信技术,它是以GSM网为基础,并对其进行了补充。GPRS是第二代系统向3G系统过渡性技术,也被称为“2.5代技术”。分组交换方式为GPRS技术所采用,与电话业务的电路交换方式相比,它仅在有数据传输时才占用频道资源,信道利用率高。在同一基站服务区内,一条无线信道可以被多个用户所共享。GPRS的数据传输速率可高达170kbps。巨大的数据吞吐量能完全支持文本、图形、视频等多媒体业务。GPRS手机用户可以随时收发E-mail,发送高分辨率的彩色图像和文档资料。值得注意的一点是,170kbps是GPRS协议给出的理论值,网络的实际运行速率要稍微低一些,大概在14.3一44.1kbps左右。GPRS技术的显著特点是用户可以永远保持在线，移动终端只需要输入账号建立连接,就能实现GPRS无线通信。具体的操作过程是,用户在登陆WAP网站时,先初始化射频参数,只要任意一个超文本链接被点击,终端会通过无线信道收发分组数据。如果长时间不对网页进行操作,终端就会转入“准休眠”状态。此时,终端并不是立即断开所有连接,只是它所占用的信道被释放给其他用户传输数据，但仍然与GPRS网络保持逻辑连接,当用户再次点击链接时,终端会立即发送命令申请无线信道,而不必效仿普通拨号上网,断线以后需要重新拨号建立连接才能上网，GPRS资费低,而且可以通过TCP/IP协议浏览普通的网页,使用非常方便。2.3 GPRS 技术在电力通信网中应用的可行性分析2.3.1 GPRS 技术可以应用的领域GPRS 技术可以应用的领域有：(1) 实现移动上网。GPRS 移动终端可实现诸如收发 E-mail、图像发送、www浏览等功能。(2) 无线接入。GPRS 可以给智能电话、掌上电脑等设备提供高达171kb/s 的无线接入速率，而目前最快的无线接入速度只有 19.2kb/s。这大大拓宽了无线接入带宽。(3) GPRS 电子支付。随着 GPRS 网安全保障的不断提高，GPRS 电子商务、GPRS 电子银行都将会引入到移动通信网中来。(4) 基于 WAP 的应用。通过 GPRS 可使基于WAP的业务应用的开发变得更加容易，其WAP业务应用可兼容各种GPRS终端。(5) 以GPRS承载业务为基础的网络应用。VPN业务通过与企业内部 Intranet互通，使用户能无线接入内部局域网，实现移动办公等。(6) 车辆调度。通过GPRS可以实现交通工具的定位、道路信息的获取，从而有效地调度车辆。(7) 工业遥信、遥测、遥控：电信行业无人值守机房监控和远程维护(如移动基站、微波、光纤中继站等)；(8) 城市配电网自动化系统数据传输；自来水管道、闸门、泵站与水厂监控；煤气管道、闸门与加压站监控；供热系统实时监控和维护；气象数据采集与传输；水文监测；其他无人值守站点(如仓库、办公楼等)监控。2.3.2 GPRS 在电力通信网的可行性分析(1) 从技术角度分析，GPRS 是中国移动在其现有的 GSM 网络上开通的一种分组数据传输技术，它所依托的网络稳定可靠、覆盖面广、数据传输速度快,能够提供40100kbit/s 带宽，能满足电力通信网对通信速度的要求。目前该技术现已正式投入商用，运营稳定。目前GPRS技术在电力通信行业应用的环境下有实时流数据和块数据两种典型数据。实时流数据：典型应用为发电厂和变电站的实时运行信息，包括电压、电流、功率、开关位置和运行参数等的监控，一般遇到的实际情况是600bit/s 和1200bit/s两种。虽然，理论上 GPRS 网络不适合流数据的传输(更适合快速包数据的传送),但目前的调度自动化系统数据采集和传送的周期是25s左右，其实可以看作是一个准实时的系统，因此，GPRS 作为一种通信手段是可以满足要求的。块(包)数据：典型的应用为电能计量和抄表等系统，其应用环境通常是配电网，分布的面很广，单独为其建立通信网成本很高，维护困难。由于此种数据类型应用一般为非实时传送，因此就更加适合 GPRS 网络的特性，在实际使用中也反映出GPRS 网络能非常好的支持这类应用。(2) 从经济角度分析，GPRS 存在着比较“诱人”的资费计算方式，可以减少专用网络和通道建设的大量投资，而且不用电力企业自己维护，经济上是合算的。从上述分析来看，GPRS 技术在电力通信行业有广泛的应用前景。2.4 本章小结本章首先介绍了接口电路的作用,并依次详细地讲解了UART、SPI串行接口技术和TCP、UDP协议,当中的时序部分对软件设计非常重要。最后简单说明了GPRS技术的应用领域和可行性分析,以及其优越的发展前景。3 系统总体设计方案监测系统由微处理器，外围感知硬件设备及其驱动软件组成,总的概括,可以理解为由硬件和软件两部分组成。基于GPRS的低配电网监测系统就是针对当前用电需求而设计的监测系统，实际需要监测的配电网参数很多，本文主要对电流和电压两个参数进行采集。它由四部分组成:电能参数采集模块，GPRS无线通信模块，通信网络和数字终端(如手机和电脑)。本文的工作重点是低压配电网监测终端的软硬件设计,故障判断的信息发送和GPRS网络的无断线连接。电 能参 数采 集模 块GPRS无 线通 信模 块监 测 点GPRS通 信网 络Internet网 络监 测 中 心图3.1 基于GPRS的低压配电网远程监控系统框图Figure 3-1 Block diagram of remote monitoring and control system of Low voltage power distribution network based on GPRS 3.1 终端硬件设计要解决的问题及要求监测终端位于整个系统的最底层,是保证系统稳定运行和正确决策的基础，该终端主要完成低压配电网的监测,我们首先对配电线路进行电压电流采样,然后送入ADC0809完成转换,最终把采集数据交与单片机处理，配电网监测一般要求数据实时传送,也就意味着需要实时更新的数据量较大,应选用存储量较大的芯片以满足以下要求。(l)抗干扰性强。(2)电气连接性简单。(3)人机界面美观。(4)电源工作稳定。3.2 终端软件设计要解决的问题及要求 软件虽然不以实物的形式出现,但它以硬件为载体,运行于硬件之上,控制着整个系统正常有序地运行,因此软件设计在嵌入式系统开发显得尤为重要。因为本终端采用了三种常用的串行接口电路,所以我们必须编写UART收发程序。在数据采集方面,我们需要完成对芯片的寄存器初始化，当采样过程结束时,要求通过程序能读出电能参数。此外,本文还统一分配EEPROM存储空间,合理规划数据的存放，由于终端需要处理多个中断处理程序,因此我们应该先设置好中断优先级,以快速响应紧急的外部中断，以保证配电网监测数据的准确度。软件设计要求如下：(l)可读性好:代码结构清晰，美观,易于其他用户理解。(2)不陷入死循环:代码执行稳定,不出现程序跑飞等异常现象。(3)占用内存少:尽量减少全局变量的使用,充分利用内存空间。(4)便于移植:目标代码容易移植到各类单片机系统中。3.3 软件开发工具本文采用简单实用的KEILC51uVision3.0作为集成开发环境。它是一款以80C51内核为基础的嵌入式软件开发工具,内含多种标准的工业级插件,能在同一界面完成工程的新建,源程序的编辑、编译、链接,目标文件生成和软硬件仿真。值得一提的是,它的C编译效率极高,生成的目标代码可移植性好,利于大型软件项目的开发KEILC51集成开发环境如图3-2所示,它的功能分为以下几点:(1)uVision3.0IDE:在同一个窗口界面下可以完成源文件创建、项目工程管理和程序调试等操作。(2)C交叉Compiler:遵循C国际标准规范,新增一些用于80C51的关键字。(3)宏Assembler:识别80C51及其派生的各种汇编功能指令。(4)库Manager:提取生成目标模块所需的库文件,管理自定义生成库。(5)模块Linker:使用由C51和A51产生的可重定位目标模块和LIB51库中的相关模块生成绝对地址模块。(6)OH51目标文件Builder:主要实现绝对地址模块向特定二进制格式的HEX文件的转换,它可以直接被烧写到嵌入式系统的Flash中。(7)RTx51实时0S:内含一个专门用于80C51微处理器的实时、多任务内核。图3-2 KeilC51开发环境Figure 3-2 Development environment of KeilC513.6 本章小结本章首先描述了系统的总体设计方案,指出了本文的工作重点。然后依次从硬件和软件两个方面阐述了所要解决的问题和设计指导思想,为接下来的终端设计打好基础。最后详细地介绍了本系统使用的集成开发环境及其强大开发优势。4 硬件设计根据当前低压配电网的监测需求来分析，终端的硬件模块有两个部分来组成：一是电能参数采集模块，它以STC89C52型单片机作为控制核心，连接着电源电路、数模转换电路、实时时钟电路、LCD液晶显示电路、按键电路和串口通讯电路。二是GPRS无线通信模块。主要实现故障信息的短信发送和GPRS网络无断线连接。完整的电路设计图纸见附录1、2。4.1 电能参数采集模块功能需求分析远程数据采集分站的设计目标是能够传送和存储电流量、电压量、开关量和有关的遥测等信息；是为实现数据自动采集传输和远程控制设计的系统,应遵循国际、国家有关标准。下面是对采集分站详细的设计需求:（1）采集分站应能完成对配电网远程数据的高精度采集,安全可靠的存储采集的数据、能按指定的时间起点、指定的内容向主站传送信息。（2）每个采集分站能实时采集配网开关的三相电气参数(电流量和电压量),测量精度能够达到国家标准。（3）具备同时与多个远方主站通信的功能,通过传输通道将信息送主站系统,但只能定义有一个端口能远诚设置参数。（4）采用GSM/GPRS网络与远方主站通信。（5）拥有开关量监测功能,可以实时监测开关量状态,当发生事件时向主站报警。（6）运行环境:工作温度可达-20+55,湿度可达85%。由采集分站的功能需求,完成采集分站的功能设计，数据采集分站包括数据采集终端和GPRS模块两个部分,二者通过RS232串行通信,数据采集终端通过变压器和整流滤波电路以及辅助开关等将配电网中开关的运行数据进行采集,并借助GPRS模块将采集信息通过GPRS网络传送到监控中心的监控系统中。采集分站同监控主站通信需要实现的功能如下:（1）参数设置：监控主站通过GPRS网络设置采集分站中的GPRS模块参数。（2）串口设置：通过设置串口参数达到采集分站与监控主站之间串口一致。（3）异常处理：采集分站不间断监视现场数据采集的异常情况,一旦发现立刻保护现场(存储当时的瞬时数据量及时间),同时将异常情况一起传给监控主站。4.2 电能参数采集模块设计电能参数采集模块处于整个检测系统的最前端，采集模块一般安装在需要监测的现场，并配以必要的保护措施，确保模块安全可靠工作。该模块可以完全独立运行，主要负责低压配电网的电能参数采集，并根据国家标准判断配电网运行情况，保存电压电流等参数，当这些参数在规定的范围之内时，显示正常数据并定时发送给后台监测中心。若参数超出所规定的范围时，立即将报警信息发送给手机和后台，并作相应的处理。模块框图如下4-1所示。 配电网STC89C52模数转换电路实时时钟电路数据显示电路串口无线通信模块键盘控制电路电源供电电路图4-1 数据采集模块方框图Figure 4-1 Block diagram of data acquisition module 4.1.1 STC89C52处理器STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。STC89C52主要功能如表4-1示。表4-1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能STC89C52RC+系列单片机内部结构框图如图4-2所示。STC89C52RC+单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块。STC89C52RC+系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。RAM地址寄存器RAM256字节AUX-RAM1024字节B寄存器ACC双数据指针堆栈指针TMP2TMP1ALUEEPROMPSWWDT定时器0/1定时器2串口程序存储器ISP/IAP地址生成器程序计数器Control UnitPort 0,1,2,3,4锁存器图4-2 STC89C52片内结构Figure 4-2 Structure of STC89C52为了更好地管理STC90C58AD型单片机的I/0口,必须按需求先对其进行合理的分配,如表4-2所示，MCU各引脚的功能配置有:ADC0809引脚、实时时钟引脚、LCD引脚、串口通讯引脚、矩阵键盘引脚、晶振引脚。完成引脚的规划,是进行硬件设计的准备工作,对于系统开发有着非常重要的作用。表4-2 STC89C52芯片引脚分配引脚功能单片机端引脚名数据方向备注晶振XTAL1I连接时钟电路XTAL2O复位RSTI连接复位电路LCD12864显示P3.3O使能控制P3.4O读写控制P3.5O数据/指令控制P2.0I/O三态数据线P2.1I/OP2.2I/OP2.3I/OP2.4I/OP2.5I/OP2.6I/OP2.7I/O时钟日历电路P3.6I时钟信号输入控制P3.7I/O数据读写控制键盘扫描电路P1.0I/O数据线P1.1I/OP1.2I/OP1.3I/OP1.4I/OP1.5I/O串口通讯P3.0I接收串口数据P3.1O发送串口数据4.1.2 复位电路STC89C52的上电复位电路如图4-3所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至端，下接一个电阻到地即可。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。在图4-3的复位电路中，当掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。图4-3 复位电路Figure 4-3 Reset Circuit4.1.2 时钟电路时钟电路用于产生CPU执行指令所需的脉冲信号,确保程序按节拍运行，该电路的基本要求是能快速起振，自我恢复平衡，它一般有两种电路模式:内部电路自己产生时钟和外部电路输入时钟。本文采用外部时钟模式。电容的选择关乎着振荡电路的频率及其稳定性,通常C1和C2电容为30PF，值得注意的是,频率较高的晶振通常为有源晶振,时钟电路也会产生较高的脉冲信号,系统的运行速度也会大，但也对电路板的PCB设计提出了较高的要求。本文采用11.0592MHz的无源晶振为系统提供时钟,数据采集模块的串口波特率可以准确地被设置9600bps,方便与GPRS无线模块通信。如图4-4所示。图4-4 时钟电路Figure 4-4 Clock Circuit4.1.3 时钟日历电路DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc1>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)。SCLK为时钟输入端。连接电路如图4-5所示。图4-5 时钟日历电路Figure 4-5 Calendar Clock Circuit4.1.4 LCD显示电路带中文字库的12864 是一