【文章內容簡介】 相同。對于工頻信號，電容 C1 的阻抗遠大于線圈原邊電感的阻抗，所以電容 C1 承擔了電力線上的交流電壓；對于 120KHz 的系統(tǒng)信號，線圈原邊電感的阻抗遠大于電容 C1 的阻抗，所以系統(tǒng)擴頻信號幾乎都加在了耦合線圈上。這個電路能把工頻與擴頻信號疊加和分離開來。設計框圖 如圖 22所示 ： 信息科學與技術學院畢業(yè)論文 第二章 功能概述和方案論證 6 圖 22 設計框圖 方案二： 本系統(tǒng)采集模塊采用 Vango V9401 芯片， V9401 芯片是一款低能高性能的單項計量 SoC 芯片，集成模擬前端、電能計量模塊、增強型 8052 MUC、 RTC、 Flash 和 LCD 驅動等功能模塊。 計量電路特點： 1）支持 對電壓信號 U、電流信號 I 以及用于測量溫度 / 電池電壓的 M 通道信號采樣 ； 2） 支持正反向有功 / 無功能量計量 ； 3） 支持同一路電流進行有功與無功能量計量 ； 4） 支持電流有效值電能計量模式 ； 計量電路與原理如 圖 23 所示 ： 圖 23 計量電路與原理圖 模擬信號輸出方式： V9401 支持 2 種電流信號輸入。其中，電流傳感器（ CT， Current Transformer）輸入電流采用雙端完全差動輸入方式，共需要占用 2 個端口 ；本系統(tǒng)采用另一種方式 ：錳銅電阻分流網(wǎng)絡輸入電流，采用 AGND 接地。接線方式如圖 24 所示 ： 信息科學與技術學院畢業(yè)論文 第二章 功能概述和方案論證 7 圖 24 接線方式圖 電壓輸入方式 V9401 支持 1 路電壓信號輸入。電壓采用偽差分輸入方式，因為 UN 端在芯片內部接地，所以僅需要 1 個端口， 所以本系統(tǒng)采用 電阻分壓方式。 如圖 25 所示： 圖 25 電壓采集原理圖 GPRS傳輸模塊的選擇和論證 方案一：利用傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)，該方法無法滿足遠距離的需求，且無線信號頻率受國家有關部門的限制。該方案不采用。 方案二： GPRS 傳輸方案； GPRS(General Packet Radio Service, 通用分組無線業(yè)務 ), 是在 GSM 系統(tǒng)的基礎上建立的移動網(wǎng)絡系統(tǒng)。他使用分組交換技術 , 能兼容 GSM, 并在網(wǎng)絡上傳輸高速數(shù)據(jù)。 GPRS 在傳統(tǒng)的 GSM 網(wǎng)絡中引入了 3 個新的組件 :PCU(Packet Control Unit, 分組控制單元 )、 SGSN(Serving GPRS Support Node, GPRS 服務支持節(jié)點 ) 和 GGSN(Gateway GPRS Support Node, GPRS 網(wǎng)關支持節(jié)點 )。 GPRS 通信具有以下特點 : 資源利用率高 GPRS 引入了分組 交換的傳輸模式 ,用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源 , 這意味著多個用戶可高效率地共享同一無線信道 , 從而提高了資源的利用率。而 GSM 傳輸信息科學與技術學院畢業(yè)論文 第二章 功能概述和方案論證 8 數(shù)據(jù)方式為電路交換模式 , 在整個連接期內 , 用戶無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨自占用無線信道。GPRS 用戶的計費按通信的數(shù)據(jù)流量為計費標準。 傳輸速度高 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸速度可達 5716kb/ s, 最高可達到 11511712kb/ s, 完全可以滿足用戶應用的需求。 接入時間短 GPRS 接入等待時間短 , 可快速建立連接 , 平均為 2s。 提供實時在線功能 用戶將始終處于 連線和在線狀態(tài) , 這將使訪問服務變得非常簡單、快速。 支持 IP協(xié)議和 X. 25協(xié)議 GPRS支持 Inter 上應用最廣泛的 IP協(xié)議和 X. 25協(xié)議 , 而且由于 GSM 網(wǎng)絡覆蓋面廣 , 使得 GPRS 能提供 Inter 和其他分組網(wǎng)絡的全球性無線接入。 從上述的 GPRS 特點可以看出 , GPRS 網(wǎng)絡特別適合于頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實時傳輸。本系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是一個比較典型的頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實時傳輸系統(tǒng)。 本系統(tǒng)選用 SIM300， SIM300 是一款三頻段 GSM/GPRS 模塊，可在全球范圍內的 EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、 PCS 1900MHz 三種頻率下工作，能夠提供 GPRS 多信道類型多達 10 個，并且支持CS CS CS3 和 CS4 四種 GPRS 編碼方案。 SIM300 內部集成了 TCP/IP 協(xié)議棧，并且擴展了 TCP/IP AT 指令，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設備變得非常簡單方便 [5]。 如圖 26 所示， 數(shù)據(jù)采集 設備通過串 行接口 RS232 連接到 GPRSDTU 上，然后將數(shù)據(jù)打成IP/TCP 包，再通過 GPRS 網(wǎng)絡接入到 INTERNET，最終通過各種網(wǎng)關和路由到達系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。 圖 26 接口連接圖 網(wǎng)絡協(xié)商之后即可進行數(shù)據(jù)傳送， GPRS 網(wǎng)絡支持 TCP/IP 協(xié)議，所以通過收發(fā) IP 數(shù)據(jù)包來傳送數(shù)據(jù)，此時， 控制器 向 GPRS 發(fā)送的所有包含 IP 報文的都會被傳送給 Inter 網(wǎng)中相應的 IP地址，從而完成終端系統(tǒng)向遠程監(jiān)控中心通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的過程 [6]。 信息科學與技術學院畢業(yè)論文 第二章 功能概述和方案論證 9 小 結 經(jīng)過以上論證，我們設計的設備無線監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。控制模塊我們使用的是一塊簡單的單片機學習板，單片機分析后通過 GPRS 傳輸數(shù)據(jù)來實現(xiàn)要求的功能。在理論上可以實現(xiàn)的。 信息科學與技術學院畢業(yè)論文 第三章 硬件設計 10 第三章 硬件設計 本章介紹 了無線設備監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計，其中主要包括有：電氣設備數(shù)據(jù)采集模塊、 GPRS傳輸模塊、數(shù)據(jù)控制模塊的設計。目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳送等功能 。 電氣設備數(shù)據(jù)采集模塊 V9401芯片硬件結構 V9401 是一款低功耗高性能的單相計量 SoC 芯片，集成模擬前端、電能計量模塊、增強型 8052 MCU、 RTC、 Flash 和 LCD 驅動等功能模塊，為單相多功能表提供單芯片方案 [8]。 系統(tǒng)結構圖 如 圖 31 所示 ： 圖 31 V9401 系統(tǒng)結構圖 該芯片采用 8052MCU 結構， V9401 芯片內部存儲器包括三個模塊： 32kB Flash 存儲器 、256B 的 IRAM 、 1024B 的 XRAM IRAM 和 SFR 映射到同一地址空間。 XRAM 以及外設寄存器地址映射到數(shù)據(jù)存儲器空間。 FLASH 映射到 程序存儲空間。 1024 字節(jié)的 XRAM 以及外設寄存器地址都映射到數(shù)據(jù)存儲器空間， XRAM 的地址范圍為 信息科學與技術學院畢業(yè)論文 第三章 硬件設計 11 0000h 03FFh 。其中， 0000h 037Fh 可以被自由訪問； 0380h03FFh 的 寫操作受寫保護寄存器控制，在對 0380 h~ 03FFh 區(qū)域進行寫操作之前，必須先訪問 “XRAM 寫入保護寄存 器（ 0x28A0 ） ” ，取消寫入保護。寫保護取消后，只要沒有恢復寫保護，都可以對這個區(qū)域進行寫入操作。 XRAM 中保存的數(shù)據(jù)在 LDO25 輸出電壓大于 的條件下不會丟失，也不受復位的影響。 數(shù)據(jù)存儲空間分如 圖 32 所示 ： 圖 32 數(shù)據(jù)存儲空間分布圖 32KB 的 FLASH 以及 FLASH 控制寄存器和程序加密字節(jié)都映射到程序存儲空間。 FLASH 控制寄存器（ 0x8001 和 0x8002 ）控制著 FLASH 的編程模式和功耗模式 等。向 FLASH 控制寄 存器 0x8002 寫入 0x86， FLASH 的功耗會降低，但不會降低性能。 中斷控制電路的寄存器在上電復位、 RSTn、 IO/RTC 休眠喚醒復位、 WDT 溢出復位或調試復信息科學與技術學院畢業(yè)論文 第三章 硬件設計 12 位發(fā)生后被復位為默認值。進入 Sleep 或者 Deep Sleep 模式后，中斷控制電路寄存器停止工作，進入低功耗狀態(tài) 。系統(tǒng)提供 2 個外部端口中斷輸入。使用外部端口中斷的時候，需要同時設置 GPIO 寄存器確定 IO 引腳用于外部中斷功能。 IE SFR（中斷允許寄存器）、 IP SFR（中斷優(yōu)先級寄存 器）、 EXIF SFR（擴展中斷觸發(fā)方式選擇寄存器）、 EICON SFR（擴展特殊寄存器）、EIE SFR （擴展中斷允許寄存器）以及 EIP SFR （擴展中斷優(yōu)先級寄存器） 為中斷單元提供了中斷使能、優(yōu)先級控制和標志位等 [9]。 時鐘電路 根據(jù)芯片的各個功能單元所使用的時鐘類型，時鐘控制電路的輸出可以分為以下幾個時鐘。 時鐘 1：供 CPU、 RAM、 FLASH、擴展中斷、擴展定時器 /UART 和 IO 使用； 時鐘 2：供計量電路使用； 時鐘 3：供 LCD 使用； 時鐘 4：供 WDT 使用； 時鐘 5： 供 RTC 使用。 時鐘控制電路控制著各個時鐘的頻率，以及這些時鐘的開啟和關閉，如圖 51 所示。時鐘 1 和時鐘 2 可以 選擇 OSC 時鐘或 PLL 時鐘 時鐘作為時鐘源。時鐘 時鐘 時鐘 3 以及時鐘 4 都可以被關閉，時鐘關閉后，使用這些時鐘的相應電路單元停止工作 [10]。 如 時鐘控制電路框圖33 所示 ： 圖 33 時鐘控制電路框圖 信息科學與技術學院畢業(yè)論文 第三章 硬件設計 13 復位電路 芯片的復位電路可以分為三個復位等級，不同的復位等級有著不同的復位范圍。系統(tǒng)狀態(tài)寄存器中所有的復位標志位互斥 [11]。 如 電路 圖 34 所示 ： 圖 34 復位電路圖 電源系統(tǒng) 如圖 35 所示 V9401 電源供電系統(tǒng)有以下特點： 1. 采用外電源 單電源供電； 2. 芯片內部模擬電路和 IO 等由 供電； 3. 芯片內部數(shù)字電路和 PLL 等由 供電； 4. 支持低電壓監(jiān)測，實時監(jiān)測電池電壓。 信息科學與技術學院畢業(yè)論文 第三章 硬件設計 14 圖 35 電源系統(tǒng) 圖 GPRS傳輸模塊的設計 GPRS（通用分組無線業(yè)務） ， 作為 當前的 GSM 網(wǎng)絡向第三代移動通信 技術轉換 的過渡技術（ ）具有接入 快 速、 時刻 在線、按流量計費等 優(yōu) 點，在遠程突發(fā)性數(shù)據(jù) 及 時傳輸中有 不可比擬 的優(yōu)勢。 GPRS（ General Packet Radio Service）通用分組無線業(yè)務，是在 GSM 系統(tǒng)的基礎上建立的移動網(wǎng)絡系統(tǒng)，他使用分組交換技術，能兼容 GSM，并 且能 在網(wǎng)絡上傳輸高速數(shù)據(jù)， GPRS 在傳統(tǒng)的 GSM 網(wǎng)絡中引入了 3 個新的 器件 ： PCU（ Packet Control Unit，分組控制單元）、 SGSN（ Serving GPRS Support Node， GPRS 服務支持節(jié)點）和 GGSN（ Gateway GPRS Support Node， GPRS 網(wǎng)關支持節(jié)點） ， GPRS 通信具有以下特點 [12]： 資源利用率高 GPRS 引 進 了分組交換的傳輸模式，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，這 就是說 多個用