【正文】 可選） TCP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TCP/IP協(xié)議集中，與TCP相對應，是一種提供應用程序之間傳送數(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，并回送應答報文給對應的發(fā)送進程。UDP使用底層的網(wǎng)絡協(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。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、以及亂序等。而可靠性的問題將由使用UDP的應用程序來解決。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。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） UDP報文格式綜上所述，再結合GPRS網(wǎng)絡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程序結構較簡單。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1600ms，UDP響應速度稍微快一些。6）從GPRS網(wǎng)絡端口資源分析，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不同的應用場合，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，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，當設定心跳時間到時，DTU向數(shù)據(jù)中心發(fā)送設定的心跳包。（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模塊應答并發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。工作過程：當監(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)絡并登錄監(jiān)控中心網(wǎng)絡，按照中心的指令傳輸數(shù)據(jù)或執(zhí)行操作。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，而響應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。 （3）定時傳輸模式描述：GPRS模塊根據(jù)事先設置的定時間隔向數(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定時間到時終端登錄GPRS網(wǎng)絡連接數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，終端等待下一次預定時間到時登錄GPRS網(wǎng)絡連接數(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)絡和Internet網(wǎng)絡一樣是基于TCP/IP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Internet網(wǎng)絡，利用Internet網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡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Internet網(wǎng)絡，通過GPRS網(wǎng)關GGSN接入GPRS網(wǎng)絡，下位機終端在進入GPRS網(wǎng)絡之后，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，進行基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通訊。 系統(tǒng)設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)，在設計的時候，應考慮各方面的因素影響?，F(xiàn)在市場上流行的設備和產(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。結合系統(tǒng)的功能指標需求，應該在經(jīng)濟實用的前提下，不斷提高抄表系統(tǒng)的性能。我們在進行具體設計的時候應該注意以下幾點：（l）技術的成熟性及先進性系統(tǒng)設計時必須采用成熟而先進的技術，使系統(tǒng)在今后一段時間內(nèi)都處于領先地位，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，要求能適應各種惡劣的環(huán)境。（3）系統(tǒng)的方便性系統(tǒng)的構建、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)整安裝結構，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。第八章 系統(tǒng)的硬件設計終端硬件平臺設計成以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計要求包括：（1）功能性要求所設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，準確、迅速地完成智能電表相關參數(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計的系統(tǒng)能適應環(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)濟性要求在此基礎上還要考慮實現(xiàn)此終端系統(tǒng)的經(jīng)濟成本。 終端系統(tǒng)結構，終端選用LPC2138為主控MCU，利用其片上的512kFlash，32kRAM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)，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。系統(tǒng)時鐘和RTCLCD及按鍵LPC2138多功能電表RS485MC55開關本地調(diào)試接口系統(tǒng)電源及電源監(jiān)控電路E2PROMFLASH 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2004》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DL/T 6451997》獲取抄表數(shù)據(jù)。 ARM控制單元及相關外圍電路 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)性能指標的關鍵。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I/O口以及較好的適用環(huán)境的能力等等?？紤]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16/32位ARM7TDMISTMCPU，LPC2138的主要特性如下：（1）單電源供電，CPU操作電壓范圍：~（+/10%），含有上電復位（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I/O口（可承受5V電壓），這些GPIO內(nèi)部設有上拉電阻，輸入輸出方式可選?？诰€與其他功能復用，可進行相關的連接配置選擇。（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)RAM，512KB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)標準UART，2個高速I2C接口（400kbit/s），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A/D轉(zhuǎn)換器共包含16個模擬輸入。單個D/A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個低功耗模式為空閑和掉電；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）和在應用中編程（IAP）；Flash編程時間為1ms可編程256字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦除只需400ms。 電源監(jiān)控及復位電路對于實際的ARM應用系統(tǒng)而言，由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導致其噪聲容限低，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）功能的自動復位電路。本系統(tǒng)選用的電源監(jiān)控及復位電路為MAXM公司的MAX706T。微處理器監(jiān)控電路MAX706T具有看門狗、上電自動復位、人工復位功能及低電壓報警功能，其主要性能為：（l）上電自動復位，電源電壓超過復位門限以后，復位低電平維持200ms；（2）具有人工復位輸入，復位按鍵彈起后，復位脈沖維持200ms；（3）獨立的看門狗電路，；（4）~，低電平復位輸出。 自動復位電路原理圖 JTAG接口電路LPC2138是FLASH型的微處理器，它的一大優(yōu)點就是可以通過JTAG控制器實現(xiàn)程序代碼的下載，并利用它完成軟件的在線調(diào)試。JATG是一種所謂的邊界掃描技術標準，它是一種能夠?qū)π酒M行在線測試的接口技術，JATG接口在實際應用中只用到了少量的幾個引腳，主要包括：TDI（測試數(shù)據(jù)輸入）、TDO（測試數(shù)據(jù)輸出）、TMS（測試模式選擇）、TCK（測試時鐘輸入）、/TRST（測試復位）和RTCK（測試時鐘返回）等。LPC2138芯片在內(nèi)部集成了JTAG模塊，因此，只要經(jīng)過JTAG接口就可以實現(xiàn)CPU仿真調(diào)試功能了，整個調(diào)試過程中，外部只需要一臺能實現(xiàn)JTAG接口控制功能的主機即可。在電路板上將LPC2138內(nèi)JTAG模塊的幾個引腳分別引出，構成一個JTAG接口。在調(diào)試的過程中，將LPC2138的仿真器的一端接到PC機的并行口上，另一端接到電路板上的JTAG接口上就可以進行在線的調(diào)試和程序的下載了。JTAG接口對于設計開發(fā)過程的幫助很大，在調(diào)試本系統(tǒng)的下位機終端軟件時，利用在線調(diào)試，能夠很方便的進行程序的修改和運行狀態(tài)的測試，大大加快了設計和開發(fā)的進度。 JTAG接口電路 時鐘電路（l）系統(tǒng)時鐘給ARM芯片提供時鐘一般有兩種方法：一種是利用ARM芯片內(nèi)部所提供的晶振電路，在ARM芯片的X1和X2/CLKIN之間連接一晶體，可啟動內(nèi)部振蕩器；另一種方法是將外部時鐘源直接輸入X2/CLKIN引腳，X1懸空，采用封裝好的晶體振蕩器。本系統(tǒng)選用的就是第一種方法。 晶體振蕩電路（2）實時時鐘實時時鐘（RTC）提供一套計數(shù)器在系統(tǒng)上電和關閉操作時對時間進行測量。RTC在掉電模式下消耗的功率非常低，這使其適合于由電池供電的，CPU不連續(xù)工作（空閑模式）的系統(tǒng)。，用于抄表時間控制和實時時間顯示。 RTC實時時鐘電路 人機接口電路為了提高本系統(tǒng)的可操作性和可維護性，方便工作人員在現(xiàn)場對下位機終端系統(tǒng)的測試和維護，在本系統(tǒng)中，設計了直觀和友善的人機界面，為開發(fā)和操作的靈活