电能表远程数据采集系统.doc

目录前言3正文3一、关键技术31、现场可编程门阵列(FPGA)技术32、多线程技术33、无线数传电台技术44、CRC校验技术；45、防止电平触发方式下发生不必要的中断4二、系统设计41、系统的整体设计方案；42、数据采集部分解决方案；53、存储与传输部分解决方案54、无线传输解决方案5三、系统实现61、采集与存储部分62、用户接口部分63、数据传输部分64、测试分析7总结7致谢8参考文献8前言目前，国内很多企业和个人的电能表现场数据的获得还是依靠人工现场抄数，这种方式工作强度大，获得数据的时效性差，管理成本高，在边远地区、无人值守的地方非常不方便，在高压计量点更具有一定的危险性。基于此，自动化的远程数据采集越来越受到重视。在各种自动化量测与控制应用系统中，经常要实现对远距离的现场中各种参数的监测，根据结果掌握研究对象或生产过程的运行情况，并做出相应的分析与控制。在这种过程中，广泛地使用了现场参数的远程采集技术，从而确保整个系统工作过程安全、有效且具有智能化，并且能提高生产率、降低生产成本。正文一、关键技术 远程数据采集系统由数据采集部分、存储和传输部分、远程控制站组成。系统设计以基于FPGA的逻辑控制模块作为数据采集部分，嵌入式系统板单片机作为存储和传输部分、PC机作为远程控制站。嵌入式系统板为整个系统的控制核心，在该板上使用Linux作为系统软件。1、现场可编程门阵列(FPGA)技术 在基于实时嵌入式微处理器的数据采集系统中，嵌入式软件必须从传感器上接收输入数据，数据采集的过程也影响嵌入式软件的设计以及执行时间。传统数据采集的方法是使用入路输入开关从不同传感器上传输数据。而多路开关通道的选择、控制信号的生产和数据读取都是由嵌入式软件来实现。现场可编程阵列(FPGA)的应用，可将某些软件功能由硬件来实现，从而从逻辑上可以大大简化嵌入式软件的设计。在可靠性方面，FPGA有很强的优势，与处理器顺序执行的方式相比，用VHDL设计的硬件，如果设计得当，将不会存在类似于MCU的复位不可靠和PC可能跑飞等问题。2、多线程技术进程（Process）与线程（Thread）是现代操作系统进行多任务处理的核心内容。UNIX操作系统通常以进程作为计算机资源分配的最小单位，这些资源包括处理器、物理及虚拟内存、文件I/O缓冲、通信端口等。为了适应多处理器环境下日益增长的细粒度并行运算的需要，现代操作系统提供了线程支持。线程是进程中执行运算的最小单位，它也是处理器调度的基本单位，我们可以把线程看成是进程中指令的不同执行线路。一个线程同所属进程中其他线程共享该进程占有的资源。线程有时被称为轻权进程。在数据采集系统这类问题中，采集与存储一般由两个不同的线程来实现。另外同时采集不同性质的数据，可以采集部分也要由多个线程来实现。比如本数据采集系统中，数据来源除了AD采集板外，还有方位仪的数据。这样实现时需要三个线程。相比进程而言，使用线程有着自身的优点。首先，可以简化编程模型，它将处理多个异步事件的编程模型转化为多个线程来实现，使得每个线程处理同步事件的编程模型。其次，线程在共享资源时更加方便，比如文件的共享，内存的共享等等。另外，使用线程模型可以提高整个系统的吞吐率。最后，交互式的程序利用线程可以提高系统的响应速度。3、无线数传电台技术在本数据采集系统中需要进行短距离无线数据传输。可以采用建立专用无线数据传输系统或借用GSM、CDMA等公网信息平台两种方式来实现。相比较，用无线电台建立专用无线数据传输方式比其它方式具有投资少、开通快、维护简单、适应性强、扩展性好等优点。随着计算机应用技术和通信技术的飞速发展，采用无线数传电台的数据采集与控制系统在油田、水处理、电力、铁路、煤气、地震、气象、环保、GPS等行业开始普及应用。4、CRC校验技术；CRC检错方法的工作原理是：将要发送的数据比特序列当作一个多项式K（X）的系数，在发送端用收发双方预先约定的生成多项式G（x）去除，求得一个余数多项式R（x）。将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端。在接收端用同样的生成多项式去除接收到的数据多项式，如果除得尽，表明无差错；如果除不尽，表明有差错；余数将指明出错位所在的位置。CRC是一种线性分组码，具有较强的纠错能力并有许多特殊的代数性质，前k位为信息码元，后r位为校验码元，他除了具有线性分组码的封闭性之外，还具有循环性。其编码和绎码电路很容易用移位寄存器实现，因而在FEC（前向纠错系统）中得到广泛的应用。5、防止电平触发方式下发生不必要的中断系统在设计时，一般采集板的数据缓冲区满后，要通知系统板来取走数据，这种握手过程用中断来实现最为有效。在硬中断中，需要考虑的一个十分重要的问题是当中断源申请一次中断在CPU已响应此次中断请求后如何撤消中断请求。如果在CPU执行完此次中断服务程序并在返回原程序断点处之前尚未撤消中断请求，则会引起在CPU返回原程序后再次产生中断（由此类推，还可能引起更多中断），而再次产生的这些中断是不希望的，也是不必要的，因此必须防止其发生。当采用边沿触发方式时不会产生这样的问题，而采用电平触发方式时却很有可能发生这样的问题。解决这个问题的方法是由CPU控制撤消请求。假定CUP的中断请求INTR采用高电平触发方式，触发器的R复位端和S置位端均为上跳沿起作用。当中断源申请中断时，由产生的上跳变使触发器的Q端输出高电平以向CPU申请中断，而CPU在进入中断服务程序后，利用输出指令通过输出接口使触发器R端产生上跳变，使Q端复位，从而撤消了向CPU的中断请求，保证“申请一次，中断一次”。此方式既避免了上通用性差的缺点，又避免上使CPU效率降低的弊端，因此是一种很好的方法。二、系统设计1、系统的整体设计方案；理论上，完整的数据采集系统包括：用于切换输入通道的多路复用器；为不同输入范围提供增益和偏移电压调节的信号调理电路；模拟数据转换器和电压基准，以及处理器、存储器，通讯接口等部分。根据远程数据采集系统的实际要求，将系统分为三个部分：数据采集部分、存储和传输部分、远程控制站。高速的数据采集由FPGA来实现，存储和传输则由ARM9嵌入式系统板来实现，远程控制站为PC机。FPGA在数据缓冲区填满时向嵌入式系统板发中断信号来通知其取走数据。在ARM9嵌入式系统板使用DMA技术将数据写入磁盘，从而提高系统的吞吐率。在从FPGA获取采样数据的同时，系统周期性的通过RS232串口从罗磁盘设备和GPS设备获取方位信息和时间值，这些值和采样数据在一起按照一定的格式打包，然后写入数据文件。数据文件通过Internet网络传送到远程控制站，在条件不具备时，可以通过无线方式发送数据，提高了系统的适应性。2、数据采集部分解决方案；在高性能数据采集系统中，通常采用单片机或DSP作为CPU，控制ADC（模数转换器）、存储器和其外围电路和工作。但基于单片机和DSP设计的数据采集系统都有一定的不足。单片机的时钟频率较低，各种功能都要靠软件的运行来实现，软件运行时间在整个采样时间是占很大的比例，效率低，难以适应高速数据采集系统的要求；DSP的运算速度快，擅长处理密集的乘加运算，但很难完成外围的复杂硬件逻辑控制。在高速数据采集方面，FPGA有单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA时钟频率高，内部时沿小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路；最主要的是FPGA可以采用IP内核技术，通过继承、共享或购买所需的知识产权内核提高开发进度。利用EDA工具进行设计、综合和验证，加速了设计过程，降低了开发风险，缩短了开发周期，效率高而且更能适应市场。FPGA的IP端口多，且可以自由编程支配、定义其功能，再配以Verilog语言进行软件设计；FPGA的最大优点是可在线编程，基于FPGA设计的数据采集器可以方便地进行远程功能扩展，可以适应不同应用场合的需要。3、存储与传输部分解决方案 存储和传输部分是一个典型的嵌入式系统。该系统以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。4、无线传输解决方案ISM频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要医学使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会所定义出来，属于Free License，并没有所谓使用授权的限制，所以使用时不可申请许可证。工作于ISM频段的短距离射频通信技术主要有802.11标准，以及近几年来逐渐成熟的无线数传电台技术。IEEE802.11标准是IEEE（电气和电子工程师协会）制定的一个无线局域网标准，该标准定义了无线节点与网络中各种接入点间相互通信的接口和协议，IEEE802.11定义了三种不同的物理介质：红外线、跳频扩谱方式以及直扩方式。主要用于解决办公室局域网和校园网中的用户与用户终端之间的无线接入。IEEE802.11业务主要限于数据存取，传输速率最高只能达到2Mbps。由于IEEE802.11在速率上的不足，已不能满足数据相应的需求；因此，IEEE又相继推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a两个新的标准。三者之间技术差别主要在媒介访问控制子层和物理层。无线数传电台技术:通过采用RF收发IC设计的无线数传电台技术近几年逐渐成熟。无线数传模块(电台)往往发射、接收、PILL合成、FSK调制以及高速率和低功耗等功能。其工作频率主要集中在433M-1OOOMHZ属于ISM频段。一般具有透明的数据传输:提供透明的数据接F31能适应任何标准或非标准的用户协议。三、系统实现1、采集与存储部分数据采集和存储系统由A/D采集板，系统板，单片机和PC上位机构成。A/D采集板是面向数据采集对象的，负责原始数据的采集。系统板是整个系统的核心，也是数据采集系统软件运行的硬件平台，负责将A/D采集板采集的数据写入磁盘，接收PC上位机的设置命令并设置A/D采集板以及设备的对时等都在此平台上实现。单片机用来提供工作模式的选择、显示系统工作状态，控制系统板的电源，以及处理无线传输命令。PC上位机是面向数据采集系统的管理员的，是系统与人的一个交互界面。管理员可以通过其来设置系统的参数。整个数据采集系统由五大模块组成：系统0远程控制软件，系统1单片机，系统2系统板，系统3上位机，系统4A/D采集板。在设置模式时，“系统3：上位机”通过RJ-45网络接口和“系统2：系统板”相连，完成参数预置、GPS授时、网络传输、时钟比较等功能。在运行模式时，“系统2：系统板”读取硬盘上的配置文件后开始工作。工作过程中，“系统0：远程控制软件”可以通过无线方式对“系统2：系统板”进行控制，包括获取少量采样数据、修改参数设置、开启/关闭系统板电源。2、用户接口部分单片机在系统中有三个作用：一是提供用户操作输入接口及系统状态指示灯等信息；二是当嵌入式CPU板在高速采集和存储时，可以异步的接收来自控制站的无线命令，并对命令进行分析和处理；三是对嵌入式CPU板进行电源控制，在不需要采样时可以将嵌入式CPU板的电源断开。安全关机指示灯指示当前是否可以安全关机。系统工作时不亮，按下安全关机按钮后变红，关机准备好后变绿。系统1和系统2工作指示灯为绿色表示系统1或系统2正在工作。无线指示灯为绿色表示正在进行无线传输。硬盘指示灯为绿色表示硬盘正常上电工作。模式切换有效指示灯绿色表示当前可以进行模式切换，否则系统暂不会响应。设置模式指示灯在当系统2工作在设置模式时变绿。系统2工作在运行模29式时运行模式指示灯变绿。看门狗定时器溢出指示灯指示系统2的看门狗状态。系统产生故障无法恢复时故障指示灯变红。3、数据传输部分该部分由基于TCP/IP的网络传输部分和无线传输部分组成。这里主要关注后者。整个数据采集系统里大量使用到了串口，有必要对串口通信的协议作专门的设计和说明。串口的通讯速度比较慢，一般传输当中均会有误码产生。传输的误码率与传输线路质量和采用的屏蔽措施有很大关系。串口传输当中误码是不可避免的，如何识别误码，并重传这些误码是解决此类问题的关键。如果出现一个错误就放弃整个文件，可能会造成永远传不成功，如果对错误不理，则会造成传输的文件与原文件内容不同，造成文件错误42。针对这种问题我们研究出一种将文件或命令分成长度可变的多个包，分包传送，如果某一包传输错误只重传出错的包的方法。通信涉及远程控制软件，单片机和系统板，我们将它们分别记为系统0，系统1，系统2。下面的讨论以此为准。 首先，通过串口传输的内容要有地址信息。从系统框图上可以看出，系统0与系统1通过串口通信；系统1与系统2也通过串口通信；系统0与系统2不能直接通过串口来通信，而只能由系统1来中转。这样，系统1在从串口收到数据后首先要弄清数据是否是发给自己的，如果是，则自己处理，否则就转发。于是，在发送数据时要添加发送源和发送目的信息，以便于处理。其次，串口传输的数据单位大小不固定。根据工作流程的描述，串口传输内容包括命令，状态信息，数据文件，配置文件等，根据传输内容的不同，每次传输内容的长短不一。对于命令或状态，几个字节，比较短，一次就可传完；而文件传输过程中，数据文件可以达到几百兆，一般要分成若干个小数据包来分批传送。另外，串口通信速度比较慢，一般传输过程中均会有误码产生。如何识别误码并重传是解决此问题的关键。例如在文件传输过程中，如果某个地方出错而重传整个文件，可能造成永远都传不成功。最后，文件传输可能花费较长时间，在传输过程中，考虑到用户可能会中止传输过程，通信协议要考虑到这种需求。针对以上这些特点，设计出以“长度可变的包”为基本传输单位的串口通信协议。一个包由同步字段，控制字段和若干个信息字段组成。4、测试分析 EP9312(ARM9)嵌入式系统板，连接有一块用于存储采集数据的小硬盘，对应于前面讨论的系统2；一块在设计之中的基于FPGA的采集板。主要包括以下工作：测试目的和范围、测试平台的搭建、测试过程、参数预置、数据采集、数据传输和数据回放。总结本文针对远程数据采集系统项目，对与之相关的一些关键技术进行了深入的研究和实践，提出了一整套满足项目的需求的高速数据采集系统。具体来说，主要进行了以下工作：介绍了远程数据采集系统中所用到的关键技术，包括现场可编程阵列技术、多线程技术、循环缓冲区技术、CRC校验技术、DMA技术等等。这些技术和理论论证了系统的可行性。同时对下面两部分进行了技术探讨：远程数据采集系统的设计与实现。系统设计以基于FPGA的逻辑控制模块作为数据采集部分、EP9312(ARM9)嵌入式系统板和单片机作为存储和传输部分、PC机作为远程控制站。系统采用无线数传电台技术实现无线数据传输。EP9312嵌入式系统板为整个系统的控制核心，在该板上使用Linux作为系统软件。对数据采集系统进行整体的测试。包括测试平台的搭建、各功能模块的测试（系统的参数设置、数据采集、数据传输、数据回放）。致谢首先，我要衷心感谢指导老师高锋老师！导师严谨和实事求是的治学态度、渊博的知识、可敬的学者风范和高昂的工作热情，深深地影响着我