【正文】 通過(guò)定義結(jié)構(gòu)體數(shù)組 0S[MAXTASKNUMBER]，保存任務(wù)執(zhí)行信息，按照任務(wù)號(hào)依次檢查已請(qǐng)求的任務(wù)并執(zhí)行。 終端軟件的設(shè)計(jì)思路 首先按照終端軟件將完成的 主要功能將軟件分為幾個(gè)大的功能模 塊，它們分別是 初始化模塊、人機(jī)接口模塊、電能表數(shù)據(jù)采集及處理、命令執(zhí)行模塊以及通訊模塊。 智能抄表系統(tǒng)的軟件部分要按照 《 電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約 》和《 多功能電能表通信規(guī)約 》等國(guó)家的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成用戶電表數(shù)據(jù)的采集和維護(hù)等復(fù)雜的任務(wù)，從而達(dá)到遠(yuǎn)程的用電管理，為用戶提供更方便的服務(wù)。系統(tǒng)的硬件電路一旦確定，系統(tǒng)的主要功能還需要通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)終端硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，嚴(yán)格遵循了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，并以實(shí)際需要作為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的 智能抄表 終端硬件系統(tǒng)能滿足系統(tǒng)的要求。然后進(jìn)行了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì) :主控制器及相關(guān)的外圍電路、 GPRS 通信模塊電路、人機(jī)接口電路、 RS485 信號(hào)采集電路。 本章小結(jié) 在本章中，主要完成了 智能抄表 終端系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)工作。 CCRST 是 MC55 用來(lái)對(duì) SIM卡進(jìn)行復(fù)位的信號(hào)輸入腳。其引腳說(shuō)明如表 31所示： 表 31MC55引 腳說(shuō)明 引腳 信號(hào) I/O 功能 1 CCVCC I SIM卡電源信號(hào)（模塊提供） 2 CCRST I SIM卡復(fù)位信號(hào)（模塊提供） 3 CCCLK I SIM卡操作時(shí)鐘 4 CCGND 電源地 5 CCVPP 未連接 6 CCIO I/O 雙向串行數(shù)據(jù) 7 CCDET1 連 CCVCC 8 CCDET2 I SIM卡狀態(tài)信號(hào) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 CCVCC 是對(duì) SIM 卡供電的電源輸入腳，它直接來(lái)自于 MC55，由 MC55 直接給 SIM 卡供電，供電電壓在 和 3V 之間，完全可以滿足 SIM 卡的操作要求。與 SIM卡操作相關(guān)的信號(hào)被直接引出到 MC55 提供給用戶的接口 上 ，這個(gè) SIM 卡接口包括了所有 SIM卡操作所需的功能， MC55 支持 或 3V 的 SIM 卡，并在內(nèi)部為 SIM 卡的連線提供 ESD保護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。該協(xié)議 棧支持在 GPRS 網(wǎng)絡(luò)中使用以下 Inter 服務(wù) :TCP Socket、 UDP Socket、 FTP、 HTTP、 SMTP、 POPS，本系統(tǒng) 主 要使用了 TCP Socket 和 FTP服務(wù)。 圖 39 MC55模塊 實(shí)物圖 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 GPRS 模塊主要性能簡(jiǎn)介 MC55 內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議棧，它提供了標(biāo)準(zhǔn) AT命令界面支持標(biāo)準(zhǔn)的 3V/ 卡，由AT 指令控制并使應(yīng)用程序很容易地接入網(wǎng)絡(luò)。綜合考慮成本及開(kāi)發(fā)難度，做無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)發(fā)時(shí)選用內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧的 GPRS 模塊才是明智之舉。 隨著 GPRS 技術(shù)的不斷發(fā)展， GPRS 模塊的功能越來(lái)越強(qiáng)大，成本卻越來(lái)越低，即使一個(gè)帶有 TCP/IP 協(xié)議處理功能的 GPRS 模塊的價(jià)格也只需約 5 百元人民幣甚至更低，價(jià)格漸與通用 GPRS 模塊趨同。 (2)內(nèi)置 TCP/IP協(xié)議棧的 GPRS 模塊 這一類模塊是在通用 GPRS 模塊基礎(chǔ)上內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，用戶一般只需調(diào)用相應(yīng)的 AT 命令對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，模塊自身就會(huì)完成 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Inter 的互連，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，開(kāi)發(fā)過(guò)程比較簡(jiǎn)單。因此用戶的開(kāi)發(fā)任務(wù)較重，有時(shí)甚至超過(guò)了應(yīng)用本身的工作量。應(yīng)用此類模塊時(shí)，終端軟件基本的要能處理 PPP 撥號(hào)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。從功能來(lái)分， GPRS 模塊可以分為兩類 :通用的 GPRS模塊和內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧的 GPRS 模塊。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 GPRS 通信模塊 GPRS 模塊選型 智能終端采集、存儲(chǔ)的用戶能耗數(shù)據(jù)最終需經(jīng) GPRS 通信模塊轉(zhuǎn)換發(fā)送，才能上傳到主站。當(dāng) =1時(shí)，光電藕合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出低電壓 (0V)，選中SN75LBC184 的 RE 端，允許接收。 圖 38 RS485通信接口電路 圖 中使用了光電耦合器 TLP521 進(jìn)一步對(duì)終端與 485 總線之間進(jìn)行電氣隔離，提高了工作的可靠性。另外，它的輸入阻抗為 RS485 標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的 2倍 (≥ 24k?)，故可以在總線上連接 64個(gè)收發(fā)器。對(duì)一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件。 硬件電路設(shè)計(jì)如圖 38 所示，在該電路中，使用了一種 RS485 接口芯片 SN75LBC184，它采用單一電源 VCC，電壓在 +3~+ 范圍內(nèi)都能正常工作。因此，RS485 更適合短距離的數(shù)據(jù)傳輸。理論上， RS485 最大傳輸速率為 10Mbps，最大傳輸距離為 1219 米。 圖 37 5V轉(zhuǎn) 路 RS485 電路 RS485是 1983年電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA)為了擴(kuò)展 RS422的應(yīng)用范圍在其基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)，采用差分傳輸方式 (Differential Driver Mode)傳輸數(shù)據(jù)。另外，在電源出現(xiàn)故障或者停電的狀態(tài)下也可以通過(guò)電池來(lái)給下位機(jī)終端系統(tǒng)提供一段時(shí)間的電源，以保證監(jiān)控中心可以有足夠的時(shí)間來(lái)判斷故障原 因，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施。 (1)5V 電源電路 圖 36所示，采用集成的開(kāi)關(guān)電源模塊將現(xiàn)場(chǎng)的 220V 交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閮陕?5V 的直流電壓供下位機(jī)終端系統(tǒng)使用，一路供數(shù)字 IC芯片電路，一路供 RS485 電路使用，避免 485總線所引入的噪聲對(duì)終端系統(tǒng)的干擾。由于選用了帶有 FLASH 存儲(chǔ)器的微處理器作為主控制器，可以方便的修改設(shè)定在其中的參數(shù)，有了這部分電路之后，操作人員就可以利用鍵盤(pán)和 LCD 在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)終端工作中的一些參數(shù)進(jìn)行即時(shí)設(shè)定和修改。 圖 35 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(chǎng)對(duì)下位機(jī)終端系統(tǒng)的測(cè)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(kāi)發(fā)和操作的靈活、方便提供了有利條件。如圖 35所示， LPC2138的 RTC時(shí)鐘由獨(dú)立的 。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 34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(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。本系統(tǒng)選用的就是第一種方法。 JTAG 接口對(duì)于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)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(cè)試，大大加快了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的進(jìn)度。 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。 JATG 是一種所謂的邊界掃描技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即，它是一種能夠?qū)π酒M(jìn)行在線測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)輸入 )、 TDO(測(cè)試數(shù)據(jù)輸出 )、 TMS(測(cè)試模式選擇 )、 TCK(測(cè)試時(shí) 鐘輸入 )、 /TRST(測(cè)試復(fù)位 )和 RTCK(測(cè)試時(shí)鐘返回 )等。微處理器監(jiān)控電路 MAX706T 具有看門(mén)狗、上電自動(dòng)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(dòng)復(fù)位，電源電壓超過(guò)復(fù)位門(mén)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(mén)狗電路，定時(shí)時(shí)間為 ； (4)MAX706T 的電源為 ~，低電平復(fù)位輸出，復(fù)位門(mén)限為 。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(dòng)復(fù)位電路。 電源監(jiān)控及復(fù)位電路 對(duì)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(huì)出現(xiàn)死機(jī)，因此可靠性是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。 (9)2個(gè)低功耗模式 :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(guò)個(gè)別使能 /禁止外部功能和降低外部時(shí)鐘來(lái)優(yōu)化功耗?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址 ； 通過(guò)外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。單個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生不同的模擬輸出。 (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(zhǎng)度可變 )。 (4)32KB 片內(nèi)靜態(tài) RAM， 512KB 片內(nèi) Flash 程序 存儲(chǔ)器。 (3)片內(nèi)晶振頻率范圍 :130MHZ。 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(cè) (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?？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(jiǎn)化測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，作為主控制器 的微處理器對(duì)監(jiān)測(cè)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。 ARM 控制單元及相關(guān)外圍電路 ARM 控制單元 在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一般采用微處理器或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來(lái)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。 圖 31終端硬件原理圖 LPC2138 通過(guò) UARTO 以 RS232 電平與 GPRS 模塊 MC55 連接，用 AT命令控制其登 錄互 LPC2138 系 統(tǒng)時(shí)鐘和 RTC LCD 及按 鍵 系統(tǒng)電源及電源監(jiān)控電路 E2PROM FLASH 本地調(diào)試接口 MC55 開(kāi)關(guān) 多功能電 表 RS485 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 聯(lián) 網(wǎng)，建立與主站的連接后按國(guó)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 2020》與之通信。 (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。對(duì)硬件平臺(tái)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(tái)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(cè)，并能對(duì)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(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，便于現(xiàn)場(chǎng)了解信息、控制和調(diào)試 ； 滿足應(yīng)用程序遠(yuǎn)程下載升級(jí)和未來(lái)其他功能擴(kuò)展對(duì)硬件平臺(tái)的要求。然后對(duì) GPRS 的工作原理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究，華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 研究表明 GPRS 無(wú)線通訊技術(shù)在覆蓋范圍大、實(shí)時(shí)性好、免網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、傳輸速率快、數(shù)據(jù)量大、按流量計(jì)費(fèi)和可以接入 Inter 等方面的優(yōu)點(diǎn)，非常適合運(yùn)用在無(wú)線遠(yuǎn)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(jì)、 及工作原理 和設(shè)計(jì)要求 的分析等工作。 (5)系統(tǒng)的開(kāi)放性 :今后的發(fā)展趨勢(shì)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(kāi)放的系統(tǒng)規(guī)范。系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，維護(hù)工作量要少。 (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。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。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 自動(dòng)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。所以，監(jiān)控中心的通訊模式就有兩種，一種是直接通過(guò) 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 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(lái)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)終端 GPRS 通訊。 收到來(lái)電 掛掉電話 終止連接 GPRS 模塊撥號(hào)成功 PPP協(xié)商成功 建立 TCP 連接 數(shù)據(jù)傳輸完畢 終止 TCP 連接 切換到命令狀態(tài) 模塊復(fù)位等待來(lái)電 TCP 連接成功？ Y N 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 在無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，考慮到無(wú)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(dòng)后就主動(dòng)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。 GPRS模塊撥號(hào)成功 PPP協(xié)商成功 終止連接 建立 TCP 連接 數(shù)據(jù)處理 發(fā)送心跳包 發(fā)送數(shù)據(jù) TCP 連接成功？ 待發(fā)送數(shù)據(jù)？ ?；顣r(shí)間到？ 接收到數(shù)據(jù)？ Y Y Y Y N 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 27中心呼叫模式流程圖 (3)定