基于GPRS的低压配电网远程监控系统设计

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1、.1 前言1.1选题的目的和意义随着经济的开展，用户对电网的可靠性和平安性的要求越来越高。同时随着电力系统朝着高电压、大容量的方向开展，保证电力设备的平安运行尤为重要。一旦发生停电事故，将给生产和生活带来巨大的影响和损失，因此迫切需要对电力设备运行状态进展实时或定时地在线监测。数据传输将由监控终端测量的反映设备状态的数据送进主站，它是在线监测的关键环节之一。我国幅员辽阔,电力供应覆盖围广，但各地区环境差异很大，如果架设有线监测网络，施工难度极大,维护本钱也很高，随着中国移动3G业务的开展，将GPRS无线通信技术应用于低压配电网监测，既可以有效地弥补有线监测方式的缺乏，又能省去高额的建网费用。配

2、电变压器具有量多面广的特点，如何将分散的配电变压器的运行数据实时、可靠、便捷的传输是一个关键的技术问题。基于通用分组无线业务的 GPRS 无线数据传输方式是目前十分适合远程监控的一种通讯方式，具有运行本钱低、实时性好、可靠性高、不受地域限制等优点。最重要的是 GPRS 网络是由移动运营商投资系统，可以节省巨额的远程监控网络建立费用，到达环保、节能、资源最大共享的目的，而且免除了网络的日常修改和维护，最大限度地节省了投资。GPRSGeneral Packet Radio Service，通用分组业务是一种基于第二代移动通信系统 GSM 的无线分组交换技术。利用 GPRS“永远在线、“流量计费、“

3、快捷登陆、“高速传输、“自如切换等优点进展传输。GPRS 网络在空中的全程通信中采用分组加密和矢量压缩处理技术，使得用户的通信平安功能非常强，保障了系统传输的可靠性。利用 GPRS 进展传输，组网简单、迅速、灵活。系统可以通过 Internet 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，接入便利，节省接入投资。通信链路由专业运营商维护，GPRS 链路维护由中国移动负责，免除通信链路维护的后顾之忧。GPRS 网络传输采取按数据流量计费，可以大大节省系统运营费用。将 GPRS 应用于配电网远程监控中，可以满足系统的实时性、可靠性、经济性要求。因此利用 GPRS 无线通信网络实现配变的

4、远程实时监测，可使配电监测系统建立及维护本钱大大降低。GPRS 无线通信网络在配变监测中的应用，为提高配电管理和需求侧管理的自动化水平提供了有力的技术手段，因此具有广阔的应用前景。1.2 国外研究现状目前将 GPRS 无线传输技术应用于工业远程监控系统的数据传输是当前比较热门的研究课题。采用 GPRS-Internet 通信网络，使工业远程监控系统的监控空间延伸到了公用通信网络和 Internet，在保证系统实时性、可靠性的同时降低了系统的开发本钱以及运营费用。GPRS 技术在国外已广泛的应用于电力、交通、医疗、勘探、供热管网等领域的工业远程监控系统中。在国外，意大利 SPA 公司开发的基于

5、GPRS 的空气质量监控系统，对大围的国土环境进展监控来获得实际的空气质量等级以保障公众身体安康。荷兰 2004 年完成的移动安康工程，通过在病人身上放置一个移动的传感部件实时采集病人的安康状况数值并通过 GPRS 方式发送到监控中心，使医务人员可以随时随地查看到病人的安康情况，以预防突发疾病和及早做出治疗。在国，移动与夜景照明管理部门合作，建立了基于 GPRS 的夜景照明管理系统(LMAS)，实现了对夜景照明的远程控制，以及对夜景照明系统设备的远程实时监控和集中管理，从而降低了新建夜景照明系统的网络投资和建立周期。胜利油田厂于 2002 年利用 GPRS 对配电网进展了自动化技术改造，有效改

6、善了供电质量，提高了供电可靠性，对线路的运行实现实时监测，到达快速排除线路故障，降低运行费用，提高经济效益，减少劳动强度，实现了电网的自动、优化、高效运行的目的。省公安厅交巡警总队采用的 GPRS/GIS/GPS 高速公路巡警指挥调度系统，实现了对全省路面交巡警勤务的实时指挥调度、管理,高速公路恶劣天气(路况)的分级处置,建立起巡逻民警和指挥中心的信息交互通道,使总队能够及时掌握全省各项实时信息,从而进展更加科学的管理和协调,全省交巡警指挥调度、勤务管理现代化水平迈上一个新台阶。此外，西南交通大学电气工程学院和铁道部第二勘察电气化设计处在当前铁道监控系统中对监控图像清晰度要求不高和 GPRS

7、网传输速度低的前提下，对利用 GPRS 在铁路监控系统中进展图像、视频传输做了实验研究，采取了一定的打包传送策略和图像格式转换和压缩技术，实验到达了设计目标并取得了较好的实验结果。将 GPRS 应用于配电网远程监控中，可以有效的解决配电网通信网络问题，满足系统的经济性、可靠性、实时性要求。随着 Internet 技术和 GPRS 通信技术的开展，远程监控系统将会更严密地与现代通信技术相结合，GPRS 的应用前景将是相当广阔的。1.3 本文的主要工作本文通过分析研究 GPRS 网络和 Internet 网在配电网远程监控中的应用。根据GPRS 自身的特点，设计了一个基于 GPRS低压配电网远程监

8、控系统。主要完成配电网数据的采集以及故障判断，并于监测中心进展数据传输，以便工作人员及时处理故障信息，以免造成不必要的经济损失。本文共分为七章，各章节的主要容安排如下:第一章 主要简述课题的背景及意义及国外开展现状。第二章 主要讲述相关的技术和涉及到协议。第三章 主要提出总体设计方案,实际要解决的问题。系统整体的设计思想和具体要实现的功能。第四章 详细讲解终端硬件电路的设计,各局部功能电路的实现,搭建配电网监测硬件平台。第五章 详细描述软件设计的过程。第六章 主要介绍终端软硬件调试。第七章 对系统的总结与展望。2相关技术和协议 随着芯片制造行业不断地开展,嵌入式系统的构造越来越小型化,外围扩展

9、也由并行方式过渡到串行方式,出现了UART和SPI等多种先进的串行接口技术,极丰富了电子监测系统的设计,当前移动通信3G业务逐渐铺开,GPRS无线上网资费更低,直接为配电网监测数据的传输提供了一个可靠、稳定和快捷地无线渠道，采用此技术的监测终端具有可移动的特点,可以有效弥补了采用有线通信方式的缺乏，现逐一对相关技术以及涉及到的协议进展介绍。2.1接口技术接口技术可以说是实现微处理器和外部设备数据交换的桥梁，实际工作过程中,微处理器的执行速度往往很快,而外部设备由于既要处理己接到的数据,又要负责接收新的数据,处理速度有限,很容易发生冲突死锁而陷入死循环。这时,采用接口技术就可以很好地协调两者的矛

10、盾,极发挥系统的高效率性。因此,接口技术在数字系统设计中是必不可少的。这里主要介绍本文使用的串行接口技术。SPI接口技术SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议，比方DS1302。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以单向传输时。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI数据输入，SDO数据输出，SCK时钟，CS片选。1SDO 主设备数据输出，从设备数据输

11、入2SDI 主设备数据输入，从设备数据输出3SCLK 时钟信号，由主设备产生4CS 从设备使能信号，由主设备控制其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时高电位或低电位，对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。接下来就负责通讯的3根线了，通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用

12、同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变上沿和下沿为一次，就可以完成8位数据的传输。要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。在点对点的通信中，S

13、PI接口不需要进展寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。这里以DS1302芯片为例,介绍SPI的读写时序,DS1302的接口方式采用SPI 三线接口与 CPU 进展同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟数据和 RAM 数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于 31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。 1SCLK ：串行时钟输入。 2I/O ：三线接口的双向数据线。3RST ：输入信号，在读、写数据期

14、间，必须为高。该引脚有两个功能：第一RST 开场控制字移位存放器的控制逻辑；其次，RST 提供完毕单字节或多字节数据传输的方法。要想利用单片机对DS1302进展操作， 则要了解其读写时序与控制字是必要的，表2-1就是DS1302的控制字。7654321 01RAMA4A3A2A1AORDCKWR表2-1 控制字即地址及命令字节Table 2-1 Control word ( the address and mand bytes)1位 7：高位必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入到 DS1302 中。2位 6： 如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM 数据；3位5至位1A

15、4A0：指示操作单元的地址；4位 0：低位如为 0，表示要进展写操作，为1表示进展读操作。图2-2图2-3 分别是单片机对 DS1302 的单字节读时序与单字节写时序 。控制字总是从最低位开场输出。在控制字指令输入后的下一个 SCLK时钟的上升沿时，数据被写入 DS1302，数据输入从最低位0位开场。同样，在紧跟 8 位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出 DS1302 的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。DS1302 是通过 SPI串行总线驱动方式，它不仅可以向存放器写入控制字，还可以读取相应存放器的数据。如图2-2、2-3所示：图2-2 单字节读时序Figure 2-2 R

16、eading Sequence of Single-byte 图2-3 单字节写时序Figure 2-3 Writing sequence of Single-byte 串口技术UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用来主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。UART首先将接收到的并行数据转换成串行数据来传输。消息帧从一个低位起始位开场，后面是58个数据位，一个可用的奇偶位和一个或几个高位停顿位。接收器发现开场位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器

17、时钟频率同步。如果选择了奇偶，UART就在数据位后面加上奇偶位。奇偶位可用来帮助错误校验。在接收过程中，UART从消息帧中去掉起始位和完毕位，对进来的字节进展奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。UART也产生额外的信号来指示发送和接收的状态。例如，如果产生一个奇偶错误，UART就置位奇偶标志。数据传输可以首先从最低有效位(LSB)开场。然而，有些UART允许灵活选择先发送最低有效位或最高有效位(MSB)。微控制器中的UART传送数据的速度围为每秒几百位到1.5 Mbps。例如，嵌入在ElanSC520微控制器中的高速UART通信的速度可以高达1.152Mbps。UART波特率还受发送和接收

18、线对距离(线长度)的影响。和UDP协议分析TCP 协议处于TCP/IP 协议簇的传输层，它可以为网络提供有序可靠的分组数据交换效劳。TCP提供的是面向连接、可靠的字节流效劳。通信双方必须先建立TCP连接后才能进展彼此的可靠通信。TCP 在不可靠的分组传输网络上提供可靠的进程间通信机制，它具有分组丧失检测、自动重传、错误处理等保证可靠有序传输的功能接收端在接收时进展TCP数据校验，如果接收的数据报校验有过失，将丢弃这个分片，接收端将不确认接收，致使超时重发来确保数据传输的准确性和可靠性。TCP 不对高层协议的数据产生影响，它将来自高层的数据看成不连续的字节流，TCP 为流中的每一个字节都分配一个

19、序列号，在与对等的TCP 交换报文时，TCP 给这些段附加的控制信息包括该段中第一个字节的序列号以及该段中所有数据字节的个数，接收方的TCP 就能够根据这些信息将不连续的数据流传送给自己的高层协议。TCP 连接是一个全双工的数据通道，在通信开场之前，客户端通过向效劳器端发送一个 SYN 来建立主动翻开的连接，作为“三次握手的第一局部。如果是合法的 SYN，效劳器端会向客户端回送一个 SYN/ACK。最后，客户端再发送一个ACK，这样就完成了“三次握手，进入到了连接建立状态。“三次握手协议可以确保通信双方都做好通信准备，确保了数据传输的可靠性。当通信的一方将所有数据发送完成后，使用FIN 向对方

20、发送关闭连接请求。虽然不再发送数据，但是仍然可以接收该连接上的数据。只有当对方也发送关闭连接请求后，该连接才会关闭。数据传输中的“三次握手协议确保了数据传输的可靠性。UDP协议即用户数据报协议，主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式在网络中进展传输。数据包的前8个字节包含报头信息，剩余字节包含实际传输的数据。UDP协议是一个面向无连接的传输层协议，提供不可靠的数据传输效劳。UDP 在传输数据时没有事先建立连接没有流的概念不提供流量控制，且没有超时重传机制，因此 UDP 的传输速度相对较快。UDP 与TCP 一样能够进展数据校验，当校验出现过失的时候，抛弃数据，不做处理。UDP只管发送消息，

21、不管消息是否到达，出错的话交由上一层进展处理。对于视频、语音这些时效性比可靠性重要的传输来说，UDP 协议显然更加适宜，因为即使在传输过程中即便丧失几个数据包，不会对接收结果产生多大影响。基于前述分析可知，可得TCP 是面向连接的传输控制协议，而UDP 提供了无连接的数据报效劳；TCP 具有高可靠性，确保传输数据的正确性，不出现丧失或乱序；UDP 在传输数据前不建立连接，不对数据报进展检查与修改，无须等待对方的应答，所以会出现分组丧失、重复、乱序，应用程序需要负责传输可靠性方面的所有工作；UDP 具有较好的实时性，工作效率较 TCP 协议高；UDP 段构造比TCP 的段构造简单，因此网络开销也

22、小。TCP协议可以保证接收端毫无过失地接收到发送端发出的字节流，为应用程序提供可靠的通信效劳。对可靠性要求高的通信系统往往使用TCP传输数据。比方HTTP运用 TCP进展数据的传输。UDP适用于对可靠性要求不高的通信系统，优点是传输速度快。比方，通过“ping命令检测主机之间是否通信正常，ping 命令的原理是向目的主机发送UDP数据包，如果数据包是否到达的消息能够及时返回来，证明网络是通的，由此证明了 UDP 协议是面向无连接的网络协议。比方QQ运用UDP协议进展传输，虽然可靠性不如TCP，但其优点是通信效率高，占用资源少。2.2GPRS无线通信技术GPRS的中文全称是“通用分组无线业务。它

23、早在1993年就被提出了,是GSMPhase2+阶段引入的新功能,其目标是为用户提供高速的分组数据业务。GPRS是一项先进的无线通信技术,它是以GSM网为根底,并对其进展了补充。GPRS是第二代系统向3G系统过渡性技术,也被称为“2.5代技术。分组交换方式为GPRS技术所采用,与业务的电路交换方式相比,它仅在有数据传输时才占用频道资源,信道利用率高。在同一基站效劳区,一条无线信道可以被多个用户所共享。GPRS的数据传输速率可高达170kbps。巨大的数据吞吐量能完全支持文本、图形、视频等多媒体业务。GPRS手机用户可以随时收发,发送高分辨率的彩色图像和文档资料。值得注意的一点是,170kbps

24、是GPRS协议给出的理论值,网络的实际运行速率要稍微低一些,大概在14.3一44.1kbps左右。GPRS技术的显著特点是用户可以永远保持在线，移动终端只需要输入账号建立连接,就能实现GPRS无线通信。具体的操作过程是,用户在登陆WAP时,先初始化射频参数,只要任意一个超文本被点击,终端会通过无线信道收发分组数据。如果长时间不对网页进展操作,终端就会转入“准休眠状态。此时,终端并不是立即断开所有连接,只是它所占用的信道被释放给其他用户传输数据，但仍然与GPRS网络保持逻辑连接,当用户再次点击时,终端会立即发送命令申请无线信道,而不必效仿普通拨号上网,断线以后需要重新拨号建立连接才能上网，GPR

25、S资费低,而且可以通过TCP/IP协议浏览普通的网页,使用非常方便。2.3 GPRS 技术在电力通信网中应用的可行性分析2.3.1 GPRS 技术可以应用的领域GPRS 技术可以应用的领域有：(1) 实现移动上网。GPRS 移动终端可实现诸如收发 、图像发送、浏览等功能。(2) 无线接入。GPRS 可以给智能、掌上电脑等设备提供高达171kb/s 的无线接入速率，而目前最快的无线接入速度只有 19.2kb/s。这大大拓宽了无线接入带宽。(3)GPRS 电子支付。随着 GPRS 网平安保障的不断提高，GPRS 电子商务、GPRS 电子银行都将会引入到移动通信网中来。(4) 基于 WAP 的应用。

26、通过 GPRS 可使基于WAP的业务应用的开发变得更加容易，其WAP业务应用可兼容各种GPRS终端。(5) 以GPRS承载业务为根底的网络应用。VPN业务通过与企业部 Intranet互通，使用户能无线接入部局域网，实现移动办公等。(6) 车辆调度。通过GPRS可以实现交通工具的定位、道路信息的获取，从而有效地调度车辆。(7) 工业遥信、遥测、遥控：电信行业无人值守机房监控和远程维护(如移动基站、微波、光纤中继站等)；(8) 城市配电网自动化系统数据传输；自来水管道、闸门、泵站与水厂监控；煤气管道、闸门与加压站监控；供热系统实时监控和维护；气象数据采集与传输；水文监测；其他无人值守站点(如仓库

27、、办公楼等)监控。在电力通信网的可行性分析(1) 从技术角度分析，GPRS 是中国移动在其现有的 GSM 网络上开通的一种分组数据传输技术，它所依托的网络稳定可靠、覆盖面广、数据传输速度快,能够提供40100kbit/s 带宽，能满足电力通信网对通信速度的要求。目前该技术现已正式投入商用，运营稳定。目前GPRS技术在电力通信行业应用的环境下有实时流数据和块数据两种典型数据。实时流数据：典型应用为发电厂和变电站的实时运行信息，包括电压、电流、功率、开关位置和运行参数等的监控，一般遇到的实际情况是600bit/s 和1200bit/s两种。虽然，理论上 GPRS 网络不适合流数据的传输(更适合快速

28、包数据的传送),但目前的调度自动化系统数据采集和传送的周期是25s左右，其实可以看作是一个准实时的系统，因此，GPRS 作为一种通信手段是可以满足要求的。块(包)数据：典型的应用为电能计量和抄表等系统，其应用环境通常是配电网，分布的面很广，单独为其建立通信网本钱很高，维护困难。由于此种数据类型应用一般为非实时传送，因此就更加适合 GPRS 网络的特性，在实际使用中也反映出GPRS 网络能非常好的支持这类应用。(2)从经济角度分析，GPRS 存在着比较“诱人的资费计算方式，可以减少专用网络和通道建立的大量投资，而且不用电力企业自己维护，经济上是合算的。从上述分析来看，GPRS 技术在电力通信行业

29、有广泛的应用前景。2.4本章小结本章首先介绍了接口电路的作用,并依次详细地讲解了UART、SPI串行接口技术和TCP、UDP协议,当中的时序局部对软件设计非常重要。最后简单说明了GPRS技术的应用领域和可行性分析,以及其优越的开展前景。3 系统总体设计方案监测系统由微处理器，外围感知硬件设备及其驱动软件组成,总的概括,可以理解为由硬件和软件两局部组成。基于GPRS的低配电网监测系统就是针对当前用电需求而设计的监测系统，实际需要监测的配电网参数很多，本文主要对电流和电压两个参数进展采集。它由四局部组成:电能参数采集模块，GPRS无线通信模块，通信网络和数字终端(如手机和电脑)。本文的工作重点是低

30、压配电网监测终端的软硬件设计,故障判断的信息发送和GPRS网络的无断线连接。电 能参 数采 集模 块GPRS无 线通 信模 块监 测 点GPRS通 信网 络Internet网 络监 测 中 心图3.1基于GPRS的低压配电网远程监控系统框图Figure 3-1 Block diagram of remote monitoring and control systemof Low voltage power distribution network based on GPRS 3.1终端硬件设计要解决的问题及要求监测终端位于整个系统的最底层,是保证系统稳定运行和正确决策的根底，该终端主要完成低压

31、配电网的监测,我们首先对配电线路进展电压电流采样,然后送入ADC0809完成转换,最终把采集数据交与单片机处理，配电网监测一般要求数据实时传送,也就意味着需要实时更新的数据量较大,应选用存储量较大的芯片以满足以下要求。(l)抗干扰性强。(2)电气连接性简单。(3)人机界面美观。(4)电源工作稳定。3.2终端软件设计要解决的问题及要求软件虽然不以实物的形式出现,但它以硬件为载体,运行于硬件之上,控制着整个系统正常有序地运行,因此软件设计在嵌入式系统开发显得尤为重要。因为本终端采用了三种常用的串行接口电路,所以我们必须编写UART收发程序。在数据采集方面,我们需要完成对芯片的存放器初始化，当采样过

32、程完毕时,要求通过程序能读出电能参数。此外,本文还统一分配EEPROM存储空间,合理规划数据的存放，由于终端需要处理多个中断处理程序,因此我们应该先设置好中断优先级,以快速响应紧急的外部中断，以保证配电网监测数据的准确度。软件设计要求如下：(l)可读性好:代码构造清晰，美观,易于其他用户理解。(2)不陷入死循环:代码执行稳定,不出现程序跑飞等异常现象。(3)占用存少:尽量减少全局变量的使用,充分利用存空间。(4)便于移植:目标代码容易移植到各类单片机系统中。3.3软件开发工具本文采用简单实用的KEILC51uVision3.0作为集成开发环境。它是一款以80C51核为根底的嵌入式软件开发工具,

33、含多种标准的工业级插件,能在同一界面完成工程的新建,源程序的编辑、编译、,目标文件生成和软硬件仿真。值得一提的是,它的C编译效率极高,生成的目标代码可移植性好,利于大型软件工程的开发KEILC51集成开发环境如图3-2所示,它的功能分为以下几点:(1)uVision3.0IDE:在同一个窗口界面下可以完成源文件创立、工程工程管理和程序调试等操作。(2)C穿插piler:遵循C国际标准规,新增一些用于80C51的关键字。(3)宏Assembler:识别80C51及其派生的各种汇编功能指令。(4)库Manager:提取生成目标模块所需的库文件,管理自定义生成库。(5)模块Linker:使用由C51

34、和A51产生的可重定位目标模块和LIB51库中的相关模块生成绝对地址模块。(6)OH51目标文件Builder:主要实现绝对地址模块向特定二进制格式的HE*文件的转换,它可以直接被烧写到嵌入式系统的Flash中。(7)RT*51实时0S:含一个专门用于80C51微处理器的实时、多任务核。图3-2KeilC51开发环境Figure 3-2Development environment of KeilC513.6本章小结本章首先描述了系统的总体设计方案,指出了本文的工作重点。然后依次从硬件和软件两个方面阐述了所要解决的问题和设计指导思想,为接下来的终端设计打好根底。最后详细地介绍了本系统使用的集成

35、开发环境及其强大开发优势。4硬件设计根据当前低压配电网的监测需求来分析，终端的硬件模块有两个局部来组成：一是电能参数采集模块，它以STC89C52型单片机作为控制核心，连接着电源电路、数模转换电路、实时时钟电路、LCD液晶显示电路、按键电路和串口通讯电路。二是GPRS无线通信模块。主要实现故障信息的短信发送和GPRS网络无断线连接。完整的电路设计图纸见附录1、2。4.1 电能参数采集模块功能需求分析远程数据采集分站的设计目标是能够传送和存储电流量、电压量、开关量和有关的遥测等信息；是为实现数据自动采集传输和远程控制设计的系统,应遵循国际、国家有关标准。下面是对采集分站详细的设计需求:1采集分站

36、应能完成对配电网远程数据的高精度采集,平安可靠的存储采集的数据、能按指定的时间起点、指定的容向主站传送信息。2每个采集分站能实时采集配网开关的三相电气参数(电流量和电压量),测量精度能够到达国家标准。3具备同时与多个远方主站通信的功能,通过传输通道将信息送主站系统,但只能定义有一个端口能远诚设置参数。4采用GSM/GPRS网络与远方主站通信。5拥有开关量监测功能,可以实时监测开关量状态,当发生事件时向主站报警。6运行环境:工作温度可达-20+55,湿度可达85%。由采集分站的功能需求,完成采集分站的功能设计，数据采集分站包括数据采集终端和GPRS模块两个局部,二者通过RS232串行通信,数据采

37、集终端通过变压器和整流滤波电路以及辅助开关等将配电网中开关的运行数据进展采集,并借助GPRS模块将采集信息通过GPRS网络传送到监控中心的监控系统中。采集分站同监控主站通信需要实现的功能如下:1参数设置：监控主站通过GPRS网络设置采集分站中的GPRS模块参数。2串口设置：通过设置串口参数到达采集分站与监控主站之间串口一致。3异常处理：采集分站不连续监视现场数据采集的异常情况,一旦发现立刻保护现场(存储当时的瞬时数据量及时间),同时将异常情况一起传给监控主站。4.2电能参数采集模块设计电能参数采集模块处于整个检测系统的最前端，采集模块一般安装在需要监测的现场，并配以必要的保护措施，确保模块平安

38、可靠工作。该模块可以完全独立运行，主要负责低压配电网的电能参数采集，并根据国家标准判断配电网运行情况，保存电压电流等参数，当这些参数在规定的围之时，显示正常数据并定时发送给后台监测中心。假设参数超出所规定的围时，立即将报警信息发送给手机和后台，并作相应的处理。模块框图如下4-1所示。配电网STC89C52模数转换电路实时时钟电路数据显示电路串口无线通信模块键盘控制电路电源供电电路图4-1数据采集模块方框图Figure 4-1Block diagram ofdata acquisition module 4.1.1 STC89C52处理器STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器

39、FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压，高性能OS8的微处理器俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。STC89C52主要功能如表4-1示。表4-1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256*8bit部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件

40、设置睡眠和唤醒功能STC89C52RC+系列单片机部构造框图如图4-2所示。STC89C52RC+单片机中包含中央处理器CPU、程序存储器Flash、数据存储器SRAM、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块。STC89C52RC+系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。RAM地址存放器RAM256字节AU*-RAM1024字节B存放器ACC双数据指针堆栈指针TMP2TMP1ALUEEPROMPSWWDT定时器0/1定时器2串口程序存储器ISP/IAP地址生成器程序计数器Control UnitPort 0,1,2,3,4锁存器

41、图4-2 STC89C52片构造Figure 4-2 Structure of STC89C52为了更好地管理STC90C58AD型单片机的I/0口,必须按需求先对其进展合理的分配,如表4-2所示，MCU各引脚的功能配置有:ADC0809引脚、实时时钟引脚、LCD引脚、串口通讯引脚、矩阵键盘引脚、晶振引脚。完成引脚的规划,是进展硬件设计的准备工作,对于系统开发有着非常重要的作用。表4-2 STC89C52芯片引脚分配引脚功能单片机端引脚名数据方向备注晶振*TAL1I连接时钟电路*TAL2O复位RSTI连接复位电路LCD12864显示P3.3O使能控制P3.4O读写控制P3.5O数据/指令控制P

42、2.0I/O三态数据线P2.1I/OP2.2I/OP2.3I/OP2.4I/OP2.5I/OP2.6I/OP2.7I/O时钟日历电路P3.6I时钟信号输入控制P3.7I/O数据读写控制键盘扫描电路P1.0I/O数据线P1.1I/OP1.2I/OP1.3I/OP1.4I/OP1.5I/O串口通讯P3.0I接收串口数据P3.1O发送串口数据复位电路STC89C52的上电复位电路如图4-3所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至端，下接一个电阻到地即可。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续

43、时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。在图4-3的复位电路中，当掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个适宜的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开场执行程序。图4-3 复位电路Fi

44、gure 4-3 Reset Circuit4.1.2 时钟电路时钟电路用于产生CPU执行指令所需的脉冲信号,确保程序按节拍运行，该电路的根本要能快速起振，自我恢复平衡，它一般有两种电路模式:部电路自己产生时钟和外部电路输入时钟。本文采用外部时钟模式。电容的选择关乎着振荡电路的频率及其稳定性,通常C1和C2电容为30PF，值得注意的是,频率较高的晶振通常为有源晶振,时钟电路也会产生较高的脉冲信号,系统的运行速度也会大，但也对电路板的PCB设计提出了较高的要求。本文采用11.0592MHz的无源晶振为系统提供时钟,数据采集模块的串口波特率可以准确地被设置9600bps,方便与GPRS无线模块通信

45、。如图4-4所示。图4-4 时钟电路Figure 4-4 Clock Circuit时钟日历电路DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进展计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进展同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302部有一个318的用于临时性存放数据的RAM存放器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进展涓细电流充电的能力。DS1302的引脚排列,其中Vcc1

46、为后备电源，Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。*1和*2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位存放器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进展操作。如果在传送过程中RST置为低电

47、平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc12.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)。SCLK为时钟输入端。连接电路如图4-5所示。图4-5 时钟日历电路Figure 4-5 Calendar Clock Circuit显示电路带中文字库的12864 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 置8192个16*16 点汉字，和128个16*8 点ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方

48、式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616 点阵的汉字。也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不管硬件电路构造或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于一样点阵的图形液晶模块。如图4-6所示。图4-6LCD12864显示电路Figure 4-6 LCD12864 display circuitADC0809模数转换器ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码信号，通8路模拟输入信号中的一个进展A

49、/D转换。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近存放器、逻辑控制和定时电路组成。其作过程为首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进展。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换完毕，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据

50、应及时传送给单片机进展处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进展传送。为此可采用下述三种方式1定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进展数据传送。2查询方式A/D转换芯片由说明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进展数据传送。3中断方式把说明转换完成的状

51、态信号EOC作为中断请求信号，以中断方式进展数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进展数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机承受。4.1.6 逐次逼近法原理及A/D转换器的参数指标逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近存放器各位清零；转换开场时，先将逐次逼近存放器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为，与送入比较器的待转换的模拟量进展比较，假设，该位1被保存，否则被去除。然后再置逐次逼近存放器次高位为1，将存放器中新的数字量送D/A转换器，输出的再与比较，假设，该位1被保存，否则被

52、去除。重复此过程，直至逼近存放器最低位。转换完毕后，将逐次逼近存放器中的数字量送入缓冲存放器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进展的。A/D转换器的参数指标主要有：1分辨率：它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。A/D转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分个不同等级的输入电压，能区分输入电压的最小值为满量程的。在最大输入电压一定时，输出位数愈多量化单位愈小，分辨率愈高。常有的8，10，12，16，24，32位等。例如，本文采用的A/D转换器输出为8位二进制数，输入信号最大值为5V，则这个转换器能区分的输入信号的最小电压为1

53、9.53mV。2转换误差：表示A/D转换器实际输出的数字量与理论输出数字量之间的差异。在理想情况下，输入模拟信号所有转换点应当在一条直线上，但实际的特性不能做到输入模拟信号所有转换点在一条直线上。转换误差是指实际的转换点偏离理想特性的误差，一般用最低有效位来表示。例如，给出相对误差，这就说明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的一半。注意，在实际使用中当环境发生变化时，转换误差也将发生变化。3转换精度：它是A/D转换器的最大量化误差和模拟局部精度的共同表达。具有*种分辨率的转换器在量化过程中由于采用了四舍五入的方法，因此最大量化误差应为分辨率数值的一半。本文采用的8位

54、转换最大量化误差为40mV全量程的相对误差则为0.4%。可见，A/D转换器数字转换的精度由最大量化误差决定。实际上，许多转换器末尾数字并不可靠，实际精度还要低一些。由于含有A/D转换器的模/数转换模块通常包括有模拟处理和数字转换局部，因此整个转换器还应考虑模拟处理局部的误差。一般转换器的模拟处理误差与数字处理误差应处在同一数量级，总误差则是这些误差的累加和。4转换时间：指A/D转换器从转换控制信号到来开场，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器转换时间可达50ns以。逐次A/D转换器次

55、之，它们多数转换时间在1050us。间接A/D转换器速度最慢。本文采用的是逐次A/D转换器可到达系统要求。如图4-7所示。图4-7 模数转换器Figure 4-7 AD Converter4.1.7外围扩展电路本文采用74HC573来扩展输入输出口，如图4-6所示，当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的也就是说输出同步。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。图4-874HC573Figure 4-874HC5734.1.8键盘电路在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图4-9所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在穿插处

56、不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口如P1口就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比方再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键9键。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式构造的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否

57、有键按下了。图4-9 键盘扫描电路Figure 4-9 Keyboard scanning circuit4.1.9 整流滤波电路由于低压配电网的电压、电流数据不易采集，本文将电压数据经降压整流滤波稳压之后转换为成比例的直流电压来进展监控。本章主要介绍各种整流电路、滤波电路和稳压电路的工作原理。系统组成如图4-10所示。图4-10 整流滤波电路组成Figure 4-10Rectification filter circuit图中各组成局部的功能如下： 电源变压器：将电网交流电压220V 或 380V 变换成符合需要的交流电压，此交流电压经过整流后可获得电子设备所需的直流电压。大多数电子电路使用

58、的电压都不高，这个变压器是降压变压器。 整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，把方向和大小都变化的 50Hz 交流电变换为方向不变但大小仍有脉动的直流电。 滤波电路：利用储能元件电容器C两端的电压或通过电感器L的电流不能突变的性质，把电容C或电感L 与整流电路的负载RL并联或串联，就可以将整流电路输出中的交流成分大局部加以滤除，从而得到比较平滑的直流电。在小功率整流电路中，本文使用的是电容滤波。 稳压电路：当电网电压或负载电流发生变化时，滤波电路输出的直流电压的幅值也将随之变化，因此，稳压电路的作用是使整流滤波后的直流电压根本上不随交流电网电压和负载的变化而变化。1整流电路工作原理1单相全

59、波桥式整流电路的工作原理:由图4-11可看出，电路中采用四个二极管，互相接成桥式构造。利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U2的正半周，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周，正好相反，D1、D3截止，D2、D4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。因此，利用变压器的一个副边绕组和四个二极管，使得在交流电源的正、负半周，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。2.性能参数：输出电压平均值，由图 4-11 的波形图可知，桥式整流电路的输出电压波形与全波整流电路一样，所以其输出电压平均值。=(2)整流二极管正向平均电流在桥式整流电路中，

60、整流二极管D1、D2和D3、D4是两两轮流导通的，因此，流过每个整流二极管的平均电流是电路输出电流平均值的一半，(3)最大反向电压 桥式整流电路因其变压器只有一个副边绕组，在正半周时，D1、D3导通，D2、D4 截止，此时D2、D4所承受的最大反向电压为的最大值，即同理，在负半周时，D1、D3 也承受同样大小的反向电压。4变压器副边电流的有效值流过变压器副边绕组的电流正半周是半个正弦波，负半周是另一半正弦波,所以副边电流中无直流分量，变压器副边电流的有效值桥式整流电路与单相半波整流电路和单相全波整流电路相比，其明显的优点是输出电压较高，纹波电压较小，整流二极管所承受的最大反向电压较低，并且因为

61、电源变压器在正负半周都有电流流过，所以变压器绕组中流过的是交流,变压器的利用率高。在同样输出直流功率的条件下，桥式整流电路可以使用小的变压器，因此，这种电路在整流电路中得到广泛应用。图4-11整流电路Figure 4-11Rectifier Circuit3. 滤波电路工作原理 整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件如电容、电感组成的滤波电路来 滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容 C 及电感 L 所组成的滤

62、波 电路的根本形式如图 4-12 所示。因为电容器 C 对直流开路，对交流阻抗小， 所以 C 并联在负载两端。并联的电容器 C 在输入电压升高时，给电容器充电，可把局部能量存储在 电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储 的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。CR图4-12滤波电路Figure 4-12 Filter Circuit 图 4-12给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。接通交流电源后，二极管导通，整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。在时刻， 开场以正弦规律下降，此时二

63、极管是否关断，取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。 先设时刻二极管关断，则只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是时刻后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超过时刻以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管导通。随着 的下降，正弦波的下降速率越来越快，的下降速率越来越慢。所以在 超过时刻后的*一点，例如图 4-12中的时刻，二极管开场承受反向电压,二极管关断。此后只有电容器C 向负载以指数规律放电的形式提供电流，直至下一个半周的正弦波来到，再次超过，如图 4-11中的时刻，二极管重又导电。以上过程电容器的放电时间常数为 电容滤波一般负载电流较小，可以满足较大的条件，所以输出电压波形的 放电段比较平缓,纹波较小，输出脉动系数S小，输出平均电压 大，具有较好的滤波特性。Ot图4-13 桥式整流滤波电路Figure 4-13Bridge rectifier filter circuit4.1.10电源供