【正文】 標(biāo)志在同一時(shí)間可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)這樣的位 窗口大小這個(gè) 16 位字段定義了對(duì)方必須維持的窗口值 以字節(jié)為單位 TCP校驗(yàn)和 TCP 首部數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和 緊急指針只有當(dāng)緊急標(biāo)志置位時(shí)這個(gè) 16 位字段才有效這時(shí)的報(bào)文段中包括緊急數(shù)據(jù)緊急指針定義了一個(gè)數(shù)把這個(gè)數(shù)加到序號(hào) 上就得出報(bào)文段數(shù)據(jù)部分中最后一個(gè)緊急字節(jié) 選項(xiàng)在 TCP 首部中可以有多達(dá) 40 字節(jié)的可選信息 源端口 Source Port16bit 宿端口 Destination Port16bit 序列號(hào) Sequence Number 32bit 確認(rèn)號(hào) Acknowledgement Number32bit 頭長(zhǎng)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(yàn)和 Checksum16bit 緊急指針 Urgent Pointer16bit 選項(xiàng) Options 0 或多個(gè) 32bit 字 數(shù)據(jù) Data 可選 圖 24TCP 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(jiǎn)稱它位于 TCPIP協(xié)議集中與 TCP相對(duì)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(tái)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(tái)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(hào)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(duì)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(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)度以及校驗(yàn)和UDP 報(bào)文格式如圖 25 所示 16 位源端口號(hào) 16 位目的端口號(hào) 16 位 UDP 長(zhǎng)度 16 位 UDP 校驗(yàn)和 數(shù)據(jù)如果有 圖 25UDP 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(duì)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(jiǎn)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(huì)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 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(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(duì)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)端口資源總的比較起來 UDP 的實(shí)際流量要比 TCF 還要大 基于對(duì)以上幾點(diǎn)的考慮本文認(rèn)為 TCP 傳輸更能滿足本系統(tǒng)對(duì)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(chǎng)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(hào)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(dòng)后自動(dòng)連接 GPRS網(wǎng)絡(luò)根據(jù)監(jiān)控中心的 IP地址自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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)定的心跳包流程圖如圖 26 所示 圖 26 實(shí)時(shí)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(qǐng)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(zhǎng)所以會(huì)引起較大延時(shí)不能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求 圖 27 中心呼叫模式流程圖 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(dòng)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(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 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 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(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 Inter 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(cè)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行基于 TCPIP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊 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現(xiàn)在市場(chǎng)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(huì)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?cè)谶M(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(zhǎng)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(jí)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(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(diǎn)在考慮系統(tǒng)性能要求的前提下決定了最終的設(shè)計(jì)方案然后對(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)的研究研究表明 GPRS 無線通訊技術(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 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 終端硬件平臺(tái)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(hào)參數(shù)采集控制命令執(zhí)行和通訊等功能的測(cè)控及通訊裝置對(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)和未來其他功能擴(kuò)展對(duì)硬件平臺(tái)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 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(chǔ)及運(yùn)行空間片上實(shí)時(shí)時(shí)鐘經(jīng)測(cè)定誤差在 1s 天內(nèi) 鋅紐扣電池為獨(dú)立的時(shí)鐘源和電源用于抄表時(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(chǔ) 終端參數(shù)一片 SPI接口的 FlashAT45DB32 32Mbit 存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程軟件升級(jí)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(yè)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(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(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(zhǎng)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(chǎng)合多采用微處理器作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控制器同時(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 對(duì)它的主要要求是有較大容量的存儲(chǔ)器高速的運(yùn)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(qiáng)大的功能可以大大簡(jiǎn)化測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 下面就簡(jiǎn)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 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(cè) BOD 電路 2 小型的 LQFP64 封裝上包含多達(dá) 47 個(gè)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(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) RAM512KB 片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)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) UART2個(gè)高速 I2C接口 400kbits 一個(gè) SPI和 SSP 具有緩沖功能數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變 7 2 個(gè) 8 路 10 位 AD 轉(zhuǎn)換器共包含 16 個(gè)模擬輸入每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至244us 單個(gè) 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(jí)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 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(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(dòng)復(fù)位電路 本系統(tǒng)選用的電源監(jiān)控