【正文】 標(biāo)志在同一時間可以設(shè)置一個或多個這樣的位 窗口大小這個 16 位字段定義了對方必須維持的窗口值 以字節(jié)為單位 TCP校驗和 TCP 首部數(shù)據(jù)的校驗和 緊急指針只有當(dāng)緊急標(biāo)志置位時這個 16 位字段才有效這時的報文段中包括緊急數(shù)據(jù)緊急指針定義了一個數(shù)把這個數(shù)加到序號 上就得出報文段數(shù)據(jù)部分中最后一個緊急字節(jié) 選項在 TCP 首部中可以有多達 40 字節(jié)的可選信息 源端口 Source Port16bit 宿端口 Destination Port16bit 序列號 Sequence Number 32bit 確認號 Acknowledgement Number32bit 頭長度 4 Reserved 6bit U R G A C K P S H R S T S Y N F I N 窗口大小 Window Size 16bit 校驗和 Checksum16bit 緊急指針 Urgent Pointer16bit 選項 Options 0 或多個 32bit 字 數(shù)據(jù) Data 可選 圖 24TCP 報文格式 2 UDP 協(xié)議 UDP是用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議的簡稱它位于 TCPIP協(xié)議集中與 TCP相對應(yīng)是一種提供應(yīng)用程序之間傳送數(shù)據(jù)報的機制將每臺機器看作是一些抽象的協(xié)議端口的集合協(xié)議端口能區(qū)分在一臺機器上運行的多個程序每個 UDP 報文不僅傳送用戶數(shù)據(jù)還包括發(fā)送方和接收方的協(xié)議端口號以使接收方的 UDP 軟件能將報文送到正確的接收進程并回送應(yīng)答報文給對應(yīng)的發(fā)送進程 UDP 使用底層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來傳送報文同 IP 一樣提供不可靠的無連接數(shù)據(jù)報傳輸服務(wù)它不提供報文到達確認排序以及流量控制等功能因此報文可能會丟失重復(fù)以及亂序等而可靠性的問題將由使用 UDP 的應(yīng)用程序來解決 每個 UDP報文稱為一個用戶數(shù)據(jù)報分 UDP報頭和 UDP數(shù)據(jù)區(qū)兩部分報頭由四個 16 位長的字段組成分別說明該報文的源端口目的端口報文長度以及校驗和UDP 報文格式如圖 25 所示 16 位源端口號 16 位目的端口號 16 位 UDP 長度 16 位 UDP 校驗和 數(shù)據(jù)如果有 圖 25UDP 報文格式 綜上所述再結(jié)合 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的情況具體談一下它們的區(qū)別 l 從對系統(tǒng)資源 的要求上看 TCP 較多 UDP 少 2 UDP 程序結(jié)構(gòu)較簡單 3 TCP 是基于流模式的 UDP 是基于數(shù)據(jù)報模式的 4 TCP 保證數(shù)據(jù)正確性和數(shù)據(jù)的順序 UDP 可能會丟包數(shù)據(jù)順序也沒有保證 5 TCP 傳輸存在一定的延時大概是 1600msUDP 響應(yīng)速度稍微快一些 6 從 GPRS 網(wǎng)絡(luò)端口資源分析 UDP 十分緊缺變化很快而 TCP 采用可靠鏈路傳輸不存在端口變化的問題 本系統(tǒng)中要求監(jiān)控中心和 GPRS 模塊能相互的實時的傳輸數(shù)據(jù) TCP 本身就是可靠鏈路傳輸提供一個實時的雙向的傳輸通道能很好的滿足這一要求而對于UDP 傳輸在一段時間沒有數(shù)據(jù) 流量后端口容易改變產(chǎn)生的影響就是從監(jiān)控中心向 GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù) GPRS模塊接收不到從通訊的可靠性方面來說不容許傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失或者最大限度的要求數(shù)據(jù)的可靠性否則根本無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控從這一點來看很顯然在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中 TCP比 UDP更能保證數(shù)據(jù)的完整性可靠性存在更小的丟包率從經(jīng)濟性的角度考慮要求降低費用和費用直接相關(guān)的就是流量了流量低費用就低了雖然 TCP本身的包頭要比 UDP多但是 UDP在實際應(yīng)用中往往需要維護雙向通道就必須要通過大量的心跳包數(shù)據(jù)來維護端口資源總的比較起來 UDP 的實際流量要比 TCF 還要大 基于對以上幾點的考慮本文認為 TCP 傳輸更能滿足本系統(tǒng)對通訊的要求所以在本系統(tǒng)的 GPRS 通訊部分選擇了 TCP 協(xié)議 GPRS 通訊模式選擇 為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場合 GPRS 通訊模式的選擇必須從兩個方面考慮一個是下位機終端 GPRS 模塊的通訊模式一個是監(jiān)控中心的通訊模式下面分別介紹 GPRS 終端單元可以工作在三種工作模式下永遠在線模式中心呼號模式和定時傳輸模式下面以傳輸 TCP 數(shù)據(jù)報為例來說明三種不同的數(shù)據(jù)傳輸模式下 GPRS終端單元的工作流程 1 實時在線模式 描述保持 GPRS模塊與監(jiān)控中心的永久連接工作過程 GPRS模塊啟動后自動連接 GPRS網(wǎng)絡(luò)根據(jù)監(jiān)控中心的 IP地址自動連接監(jiān)控中心并保持和維護鏈路的連接當(dāng)鏈路發(fā)生異常時 GPRS 模塊自動重新建立與監(jiān)控中心的連接 實時在線模式下終端要通過發(fā)送心跳包來維持與數(shù)據(jù)中心之間的鏈路終端系統(tǒng)啟動定時器當(dāng)設(shè)定心跳時間到時 DTU 向數(shù)據(jù)中心發(fā)送設(shè)定的心跳包流程圖如圖 26 所示 圖 26 實時在線模式流程圖 2 中心呼叫模式 描述由數(shù)據(jù)中心發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求 GPRS 模塊應(yīng)答并發(fā)送接收數(shù)據(jù)工作過程當(dāng)監(jiān)控中心需要收集或發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)出呼叫指令 GPRS模塊立即連接 GPRS網(wǎng)絡(luò)并登錄監(jiān)控中心網(wǎng) 絡(luò)按照中心的指令傳輸數(shù)據(jù)或執(zhí)行操作流程圖如圖 27 所示 由于該模式下每次通訊都有由中心發(fā)出呼叫指令隨后等待 GPRS 抄表模塊的響應(yīng)而響應(yīng)的過程一般較為漫長所以會引起較大延時不能滿足系統(tǒng)的實時要求 圖 27 中心呼叫模式流程圖 3 定時傳輸模式 描述 GPRS 模塊根據(jù)事先設(shè)置的定時間隔向數(shù)據(jù)中心 DSC 發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)完畢自動斷線 在該模式下工作流程和中心呼叫模式相似不同之處在于定時傳輸模式是在設(shè)定時間到時終端登錄 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)傳輸完畢后終端等待下一次預(yù)定時間到時登錄 GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù) 中心傳輸數(shù)據(jù) 在無線遠程抄表系統(tǒng)中考慮到無線遠程抄表系統(tǒng)要求的是實時雙向的數(shù)據(jù)傳輸而且 GPRS 通訊是按數(shù)據(jù)流量計費的特點在本系統(tǒng)中選用永遠在線的模式即讓下位機終端的 GPRS 模塊啟動后就主動連接監(jiān)控中心并且在以后的時間里一直維護鏈路的暢通以保證通訊的正常進行 監(jiān)控中心的通訊模式也是一個不容忽視的環(huán)節(jié)由于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Inter網(wǎng)絡(luò)一樣是基于 TCPIP 協(xié)議的并且它們是互通的所以監(jiān)控中心的通訊模式就有兩種一種是直接通過 GPRSMODEM 或者專線的方式接入到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)中從而與下位機終端的 GPRS 模塊完成通訊 另外一種就是先接入 Inter 網(wǎng)絡(luò)利用 Inter網(wǎng)絡(luò)與 GPRS網(wǎng)絡(luò)可以互通的原理來實現(xiàn)與下位機終端 GPRS通訊在本系統(tǒng)中監(jiān)控中心以固定 IP 連接的方式接入 Inter 網(wǎng)絡(luò)通過 GPRS 網(wǎng)關(guān) GGSN 接入 GPRS 網(wǎng)絡(luò)下位機終端在進入 GPRS 網(wǎng)絡(luò)之后就可以連接這個固定地址來與監(jiān)控中心建立無線的連接從而組建遠程測控網(wǎng)絡(luò)進行基于 TCPIP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊 系統(tǒng)設(shè)計要求 自動抄表系統(tǒng)是由各功能模塊組合而成的控制系統(tǒng)在設(shè)計的時候應(yīng)考慮各方面的因素影響現(xiàn)在市場上流行的設(shè)備和產(chǎn)品五花八門功能很多價格也很昂貴如 果一味追求高端先進會使成本過高功能過剩造成不必要的浪費結(jié)合系統(tǒng)的功能指標(biāo)需求應(yīng)該在經(jīng)濟實用的前提下不斷提高抄表系統(tǒng)的性能我們在進行具體設(shè)計的時候應(yīng)該注意以下幾點 l 技術(shù)的成熟性及先進性系統(tǒng)設(shè)計時必須采用成熟而先進的技術(shù)使系統(tǒng)在今后一段時間內(nèi)都處于領(lǐng)先地位延長系統(tǒng)的生命力 2 系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)的通訊都必須準(zhǔn)確可靠系統(tǒng)各部分的抗干擾抗攻擊能力要強要求能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境 3 系統(tǒng)的方便性系統(tǒng)的構(gòu)建調(diào)試要盡可能方便施工安裝要方便系統(tǒng)一旦發(fā)生故障維護工作量要少 4 系統(tǒng)的可擴充性系統(tǒng)要能夠根據(jù)用 戶的數(shù)量調(diào)整安裝結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要升級或擴充功能并且備有廣域聯(lián)網(wǎng)的功能 5 系統(tǒng)的開放性今后的發(fā)展趨勢是多元化的因此系統(tǒng)在選用通信協(xié)議以及硬件接口時都要符合開放的系統(tǒng)規(guī)范 24 本章小結(jié) 在本章中首先論述了不同的方案優(yōu)缺點在考慮系統(tǒng)性能要求的前提下決定了最終的設(shè)計方案然后對 GPRS 的工作原理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及技術(shù)優(yōu)勢等方面進行了詳細的研究研究表明 GPRS 無線通訊技術(shù)在覆蓋范圍大實時性好免網(wǎng)絡(luò)維護傳輸速率快數(shù)據(jù)量大按流量計費和可以接入 Inter 等方面的優(yōu)點非常適合運用在無線遠程抄表系統(tǒng)中最后在以上各工作的基礎(chǔ)之上 完成了系統(tǒng)的各模塊定義系統(tǒng)整體設(shè)計及工作原理和設(shè)計要求的分析等工作 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 終端硬件平臺設(shè)計成以 ARM7微處理器為核心在 Nucleus Plus實時操作系統(tǒng)的支持下完成信號參數(shù)采集控制命令執(zhí)行和通訊等功能的測控及通訊裝置對硬件平臺的總體設(shè)計要求包括 1 功能性要求所設(shè)計出的硬件平臺必須能充分支撐其上的軟件系統(tǒng)以實現(xiàn)強大的功能準(zhǔn)確迅速地完成智能電表相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)和事件的監(jiān)測并能對數(shù)據(jù)進行保存上報處理實時響應(yīng)和執(zhí)行監(jiān)控中心的控制命令具備簡潔的人機交互界面便于現(xiàn)場了解信息控制和調(diào)試滿足應(yīng)用程序 遠程下載升級和未來其他功能擴展對硬件平臺的要求 2 性能要求要保證所設(shè)計的系統(tǒng)能適應(yīng)環(huán)境的要求具體表現(xiàn)為有很好的抗干擾性性能其中最主要的是抗電磁干擾的性能 3 經(jīng)濟性要求在此基礎(chǔ)上還要考慮實現(xiàn)此終端系統(tǒng)的經(jīng)濟成本 31 終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖 31 所示終端選用 LPC2138 為主控 MCU 利用其片上的 512kFlash32kRAM作為程序存儲及運行空間片上實時時鐘經(jīng)測定誤差在 1s 天內(nèi) 鋅紐扣電池為獨立的時鐘源和電源用于抄表時間控制和實時時間顯示外接一片 12C 接口的E2PROMAT24C16 16Kbit 存儲 終端參數(shù)一片 SPI接口的 FlashAT45DB32 32Mbit 存儲歷史數(shù)據(jù)以及遠程軟件升級時暫存接收到的新程序液晶屏用于顯示終端當(dāng)前參數(shù)實時狀態(tài)和抄表數(shù)據(jù)可由按鍵控制顯示頁面切換和更改終端地址 圖 31 終端硬件原理圖 LPC2138 通過 UARTO 以 RS232 電平與 GPRS 模塊 MC55 連接用 AT 命令控制其登錄互聯(lián)網(wǎng)建立與主站的連接后按國家電網(wǎng)公司的《電力負荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約 2020》與之通信終端通過 UART1 以 RS485 電平與電表連接按各電表協(xié)議如《多功能電能表通信規(guī)約 DLT 6451997》獲取 抄表數(shù)據(jù) 32 ARM 控制單元及相關(guān)外圍電路 ARM 控制單元 在監(jiān)測系統(tǒng)中一般采用微處理器或工業(yè)控制計算機來實現(xiàn)高速信息處理數(shù)字化控制及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能由于工業(yè)控制計算機啟停時間長系統(tǒng)的可靠性不如采用專用芯片實現(xiàn)的微處理器系統(tǒng)因此在可靠性要求很高的場合多采用微處理器作為監(jiān)測系統(tǒng)的主控制器同時在監(jiān)測系統(tǒng)中作為主控制器的微處理器對監(jiān)測系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)提高具有舉足輕重的作用因此選擇性能優(yōu)良的微處理器是提高控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵 對它的主要要求是有較大容量的存儲器高速的運算速度豐富的集成外圍模塊足夠的 IO 口以及 較好的適用環(huán)境的能力等等考慮到以上因素本系統(tǒng)最終決定選用 PHILIPS公司的 32位 ARM7系列 LPC2138作為該系統(tǒng)的微處理器其強大的功能可以大大簡化測控系統(tǒng)的設(shè)計 下面就簡單介紹一下 LPC2138的情況 LPC2138是基于一個支持實時仿真和跟蹤的 1632 位 ARM7TDMISTMCPULPC2138 的主要特性如下 1 單電源供電 CPU 操作電壓范圍 3036V 33V10 含有上電復(fù)位 POR 和掉電檢測 BOD 電路 2 小型的 LQFP64 封裝上包含多達 47 個通用 IO 口 可承受 5V 電壓 這些GPIO 內(nèi)部設(shè)有上拉電阻輸入輸出方式可選口線與其他功能復(fù)用可進行相關(guān)的連接配置選擇 3 片內(nèi)晶振頻率范圍 130MHZ 通過片內(nèi) PLL 可實現(xiàn)最大為 60MHZ 的 CPU 操作頻率 PLL 的穩(wěn)定時間為 1OOus 4 32KB 片內(nèi)靜態(tài) RAM512KB 片內(nèi) Flash 程序存儲器 5 2 個 32 位定時器 帶 4 路捕獲和 4 路比較通道 PWM 單元 6 路輸出 和看門狗 6 2個 16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART2個高速 I2C接口 400kbits 一個 SPI和 SSP 具有緩沖功能數(shù)據(jù)長度可變 7 2 個 8 路 10 位 AD 轉(zhuǎn)換器共包含 16 個模擬輸入每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至244us 單個 DA 轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生不同的模擬輸出 8 向量中斷控制器可配置優(yōu)先級和向量地址通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒 9 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳 9 2 個低功耗模式空閑和掉電實時時鐘具有獨立的電源和時鐘源在節(jié)電模式下極大地降低了功耗可通過個別使能禁止外部功能和降低外部時鐘來優(yōu)化功耗 10 片內(nèi) Boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程 ISP 和在應(yīng)用中編程 IAP Flash編程時間 1ms 可編程 256 字節(jié)扇區(qū)擦除或整片擦除只需 400ms 控及復(fù)位電路 對于實際的 ARM應(yīng)用系統(tǒng)而言由于 ARM芯片的高速低功耗低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低在運行時極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象嚴(yán)重時系統(tǒng)可能會出現(xiàn)死機因此可靠性是一個不容忽視的問題為了克服這種情況除了在軟件上作一些保護措施外硬件上也必須作相應(yīng)的處理硬件上最有效的保護措施就是采用具有監(jiān)視 WatchDog 功能的自動復(fù)位電路 本系統(tǒng)選用的電源監(jiān)控