【正文】 可選） TCP報(bào)文格式（2）UDP協(xié)議UDP是用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議的簡稱。它位于TCP/IP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(bào)的機(jī)制。將每臺機(jī)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(jī)器上運(yùn)行的多個(gè)程序。每個(gè)UDP報(bào)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(bào)文送到正確的接收進(jìn)程，并回送應(yīng)答報(bào)文給對應(yīng)的發(fā)送進(jìn)程。UDP使用底層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來傳送報(bào)文，同IP一樣，提供不可靠的無連接數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。它不提供報(bào)文到達(dá)確認(rèn)、排序以及流量控制等功能，因此報(bào)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(gè)UDP報(bào)文稱為一個(gè)用戶數(shù)據(jù)報(bào)，分UDP報(bào)頭和UDP數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。報(bào)頭由四個(gè)16位長的字段組成，分別說明該報(bào)文的源端口、目的端口、報(bào)文長度以及校驗(yàn)和。16位源端口號16位目的端口號16位UDP長度16位UDP校驗(yàn)和數(shù)據(jù)（如果有） UDP報(bào)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(bào)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(shí)，大概是1600ms，UDP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(shí)時(shí)的傳輸數(shù)據(jù)。TCP本身就是可靠鏈路傳輸，提供一個(gè)實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。從這一點(diǎn)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(jì)性的角度考慮，要求降低費(fèi)用，和費(fèi)用直接相關(guān)的就是流量了，流量低，費(fèi)用就低了。雖然TCP本身的包頭要比UDP多，但是UDP在實(shí)際應(yīng)用中往往需要維護(hù)雙向通道，就必須要通過大量的心跳包數(shù)據(jù)來維護(hù)端口資源?？偟谋容^起來，UDP的實(shí)際流量要比TCF還要大?；趯σ陨蠋c(diǎn)的考慮，本文認(rèn)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(gè)方面考慮，一個(gè)是下位機(jī)終端GPRS模塊的通訊模式，一個(gè)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(yuǎn)在線模式、中心呼號模式和定時(shí)傳輸模式，下面以傳輸TCP數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)時(shí)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(hù)鏈路的連接，當(dāng)鏈路發(fā)生異常時(shí)，GPRS模塊自動重新建立與監(jiān)控中心的連接。實(shí)時(shí)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(shí)器，當(dāng)設(shè)定心跳時(shí)間到時(shí)，DTU向數(shù)據(jù)中心發(fā)送設(shè)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(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(shí)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。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(shí)，不能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。 （3）定時(shí)傳輸模式描述：GPRS模塊根據(jù)事先設(shè)置的定時(shí)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(shí)傳輸模式是在設(shè)定時(shí)間到時(shí)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(shí)間到時(shí)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(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，考慮到無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)要求的是實(shí)時(shí)，雙向的數(shù)據(jù)傳輸，而且GPRS通訊是按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)的特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中選用永遠(yuǎn)在線的模式，即讓下位機(jī)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(shí)間里一直維護(hù)鏈路的暢通，以保證通訊的正常進(jìn)行。監(jiān)控中心的通訊模式也是一個(gè)不容忽視的環(huán)節(jié)，由于GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)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(luò)中，從而與下位機(jī)終端的GPRS模塊完成通訊；另外一種就是先接入Internet網(wǎng)絡(luò)，利用Internet網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)可以互通的原理來實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)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(luò)，通過GPRS網(wǎng)關(guān)GGSN接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，下位機(jī)終端在進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)之后，就可以連接這個(gè)固定地址來與監(jiān)控中心建立無線的連接，從而組建遠(yuǎn)程測控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的時(shí)候，應(yīng)考慮各方面的因素影響?，F(xiàn)在市場上流行的設(shè)備和產(chǎn)品五花八門，功能很多，價(jià)格也很昂貴，如果一味追求高端、先進(jìn)，會使成本過高，功能過剩，造成不必要的浪費(fèi)。結(jié)合系統(tǒng)的功能指標(biāo)需求，應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)實(shí)用的前提下，不斷提高抄表系統(tǒng)的性能。我們在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：（l）技術(shù)的成熟性及先進(jìn)性系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須采用成熟而先進(jìn)的技術(shù)，使系統(tǒng)在今后一段時(shí)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(qiáng)，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(hù)工作量要少。（4）系統(tǒng)的可擴(kuò)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(kuò)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(shí)都要符合開放的系統(tǒng)規(guī)范。第八章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)終端硬件平臺設(shè)計(jì)成以ARM7微處理器為核心，在Nucleus Plus實(shí)時(shí)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(jì)要求包括：（1）功能性要求所設(shè)計(jì)出的硬件平臺必須能充分支撐其上的軟件系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(jìn)行保存、上報(bào)處理；實(shí)時(shí)響應(yīng)和執(zhí)行監(jiān)控中心的控制命令具備簡潔的人機(jī)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(yuǎn)程下載升級和未來其他功能擴(kuò)展對硬件平臺的要求。（2）性能要求要保證所設(shè)計(jì)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(jì)性要求在此基礎(chǔ)上還要考慮實(shí)現(xiàn)此終端系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本。 終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(yùn)行空間：片上實(shí)時(shí)時(shí)鐘經(jīng)測定誤差在1s/天內(nèi)，用于抄表時(shí)間控制和實(shí)時(shí)時(shí)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(yuǎn)程軟件升級時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)鐘和RTCLCD及按鍵LPC2138多功能電表RS485MC55開關(guān)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(fù)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(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(jì)算機(jī)來實(shí)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(jì)算機(jī)啟停時(shí)間長，系統(tǒng)的可靠性不如采用專用芯片實(shí)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(shí)，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(yùn)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(qiáng)大的功能可以大大簡化測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。下面就簡單介紹一下LPC2138的情況。LPC2138是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(fù)位（POR）和掉電檢測（BOD）電路.（2）小型的LQFP64封裝上包含多達(dá)47個(gè)通用I/O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?？诰€與其他功能復(fù)用，可進(jìn)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(shí)現(xiàn)最大為60MHZ的CPU操作頻率，PLL的穩(wěn)定時(shí)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(gè)32位定時(shí)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(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART，2個(gè)高速I2C接口（400kbit/s），一個(gè)SPI和SSP（具有緩沖功能，數(shù)據(jù)長度可變）。（7）2個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器共包含16個(gè)模擬輸入。單個(gè)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?？膳渲脙?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(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。（9）2個(gè)低功耗模式為空閑和掉電；實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)立的電源和時(shí)鐘源，在節(jié)電模式下極大地降低了功耗；可通過個(gè)別使能/禁止外部功能和降低外部時(shí)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(shí)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(fù)位電路對于實(shí)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(yùn)行時(shí)極有可能發(fā)生干擾和被干擾的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)可能會出現(xiàn)死機(jī)，因此可靠性是一個(gè)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(hù)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(hù)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)控及復(fù)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(fù)位、人工復(fù)位功能及低電壓報(bào)警功能，其主要性能為：（l）上電自動復(fù)位，電源電壓超過復(fù)位門限以后，復(fù)位低電平維持200ms；（2）具有人工復(fù)位輸入，復(fù)位按鍵彈起后，復(fù)位脈沖維持200ms；（3）獨(dú)立的看門狗電路，；（4）~，低電平復(fù)位輸出。 自動復(fù)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(diǎn)就是可以通過JTAG控制器實(shí)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它是一種能夠?qū)π酒M(jìn)行在線測試的接口技術(shù)，JATG接口在實(shí)際應(yīng)用中只用到了少量的幾個(gè)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(shí)鐘輸入）、/TRST（測試復(fù)位）和RTCK（測試時(shí)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(shí)現(xiàn)CPU仿真調(diào)試功能了，整個(gè)調(diào)試過程中，外部只需要一臺能實(shí)現(xiàn)JTAG接口控制功能的主機(jī)即可。在電路板上將LPC2138內(nèi)JTAG模塊的幾個(gè)引腳分別引出，構(gòu)成一個(gè)JTAG接口。在調(diào)試的過程中，將LPC2138的仿真器的一端接到PC機(jī)的并行口上，另一端接到電路板上的JTAG接口上就可以進(jìn)行在線的調(diào)試和程序的下載了。JTAG接口對于設(shè)計(jì)開發(fā)過程的幫助很大，在調(diào)試本系統(tǒng)的下位機(jī)終端軟件時(shí)，利用在線調(diào)試，能夠很方便的進(jìn)行程序的修改和運(yùn)行狀態(tài)的測試，大大加快了設(shè)計(jì)和開發(fā)的進(jìn)度。 JTAG接口電路 時(shí)鐘電路（l）系統(tǒng)時(shí)鐘給ARM芯片提供時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）提供一套計(jì)數(shù)器在系統(tǒng)上電和關(guān)閉操作時(shí)對時(shí)間進(jìn)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(shí)間控制和實(shí)時(shí)時(shí)間顯示。 RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 人機(jī)接口電路為了提高本系統(tǒng)的可操作性和可維護(hù)性，方便工作人員在現(xiàn)場對下位機(jī)終端系統(tǒng)的測試和維護(hù)，在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了直觀和友善的人機(jī)界面，為開發(fā)和操作的靈活