（测试计量技术及仪器专业论文）基于hfc网络的远程自动抄表系统的研究与开发.pdf

山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电力发展和电网改造的进行，目前市场刈电力自动化管理系统的需求j e j 荭一步 增大但现有的系统或自动化程度不高或抗干扰能力差，不能满足实际使用的要求，因此 迫切要求提高系统性能。 该课题的研究内容为h f c 自动抄表系统，通过此系统来达到抄表的自动化。提出一 种使用h f c 宽带传输数据的方法，以求达到较高的抗干扰能力和数据传输可靠性，论文 中对集中器软硬件的设计开发过程做r 重点论述，对开发集中器软件用到的网络编程技 术、串行通信的编程技术进行了深入的探讨。论文同时描述了智能电表采集器的原理， 并对集中器与主站系统的数据传输规范作了说明。对系统管理软件的设计亦进行了简要 说明。 电表数据集中器是以通用单片机为硬件基础，连入i n t e r n e t 网络，完成对远程数据 的采集，实现其网络和串行通讯的功能。对数据集中器的开发实际上是开发一个单片机 嵌入式系统。 结果表明本系统能够达到较高的抗干扰性，可达到较远的传输距离，符合自动抄表 的要求。同时具有成本低廉，计量准确，工作稳定可靠等特点。与其他几种a m r s 系统 相比，弥补了各种缺陷，市场应用前景十分巨大。 关键词：集中器，嵌入式以太网，电表集抄系统，h f c 网络，智能电表 山东科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ee l e c t r i cp o w e rd e v e lo p m e n ta n dt h eo n g o i n gr e c o n s t r u c t i o eo ft h e e l e c t r o n i c - p o w e rn e t ，t h er e q u i r e m e n to fa u t o m a n a g i n gs y s t e mo fe l e c t r o n i c p o w e p e r f t h e r1 s1 n c r e a s l n g o r m a n c eo fa n t i s v s t e m t h ee x i s c i n gs y s t e m sh a v el o wa u t o m a t j o no rh a v en o tg o o d d i s t u r b i n g ，s oi t isu r g i n gt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f 7 f h eo b j e c to ft h i st h e s i si sa na u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do n h f cn e t ，a n dt h es y s t e mi su s e dt oa t t a i nt h ea u t o m a t i o n w eu s et h eh f cn e t t oi m p r o v et h ea b i l i t yo fa n t i d i s t u r b i n ga n dr e l i a b i l i t yo ft h et r a n s m i s s i o n o ft h ed a t a t h ed i s s e r t a t i o np l a c e st h ee m p h a s i so nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n 七 o ft h ec o i l e c t o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i td i s c u s s e sd e e p l yt h en e t w o r k p r o g r a m m l n gt e c h n o l o g y ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y i nt h e d i s s e r t a t i o n ，t h ea u t h o rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo fi n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e r t h ed a t at r a n s m i s s i o np r o t o c o lb e t w e e nt h ec o l l e c t o ra n dt h em a s t e rc o m p u t e r ， a n ds oo n a b o u tt h em a n a g i n gs o f t w a r eo ft h es y s t e m ，t h e r ei ss o m ed i s c u s s i o n i nt n i st h e s i s p h ec o l l e c t o ri sb a s e do nm i c r o p r o c e s s o r ， c o n n e c t i n gi n t ot h en e t w o r ko f i n t e r n e t i th a s t h ef u n c t i o n sa sl o n g d is t a n c ea u t o m a t i cc o l l e c t i n g ，n e t w o r k a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o l l e c t o ri s a c t u a l l yt o d e v e l o pa ne m b e d d e d e t h e r n e ts y s t e m p h es y s t e mt h a tw ed e s i g n e dw a sp r o v e dt ob eh a v i n gag o o da n t i d i s t u r b i n g a b i l i t ya n d t h es i g n a lc a nb et r a n s m i t t e da sf a ra sw ee x p e c t e d s oi tm e e t s t h ed e m a n do fa m r s t h es t r o n gp o i n to ft h i ss y s t e mi s ：l o wc o s t ，p r e c i s e m e a s u r i n g ，s t a b l ew o r k i n g ，a n ds oo n i tw i i lb o o s t t h ea m re f f i c i e n t l ya n d h a sa ne n o r m o u sa p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：c 0 1 l e c t o r ，e m b e d d e d e t h e r n e t ，e l e c t r i cm e t m 。sr e a d i n gs y s t e m ， h f cn e t w o r k ，i n t e l l i g e n te l e c t r i cm e t e r s 山东科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 实现电表自动集抄的意义 长期以来，我国使用的电度表为感应式机械电度表，靠人工抄表的方式获得用电数 据，该方式劳动强度大，效率低，数据的管理和维护困难，并且抄的数据不准确，抄表 周期长，更无法对用户的用电进行控制。 近年来，随着我国国民经济及电力事业的迅速发展，城镇建设步伐的加快，以及一 户一表制的推广和实施，对电力系统生产、管理自动化程度提出了更高的要求。人工抄 表和非实时的数据监控与电力工业的发展变得愈加不协调。因此把电度表智能化，建立 一套远程网络自动抄表管理系统，实现电能表数据的自动采集和集中监控管理，成为一 种发展趋势。 同时，随着计算机技术、计算机网络技术和通信技术的飞速发展，智能化，模块化 和网络化已成为测控仪表的发展趋势。在这种情况下，电能表自动抄表系统 ( a m r s ：a u t o m a t i c m e t e rr e a d i n g s y s t e m ) 应运而生。 电表自动集抄系统是供电部门将安装在用户处的电表所纪录的用电量数据通过遥 测、传输和计算机系统汇总到营业部门，实现对电量的自动、定时、集中抄录，按峰谷、 季节自动调整及计算电价并进行统计和分析，代替人工抄表及一系列后续工作。该系统 的实现是迈向配电自动化的第一步，自动抄表系统的实施，一方面杜绝了人工抄表扰民 的问题，另一方面有利于提高供电部门的现代化管理水平，提高工作效率。电表数据集 中器是自动抄表系统重要设备之一，它的作用是将多台电表连接起来，一般为几十台到 几千台，集中器处于信息通路的中间位置，起桥梁作用。对上，它具有网络功能，接收 上一级服务器发来的命令，经过处理，发送命令给下一级的电能表，对下，它将电能表 传来的数据集中储存并以某种方式向上一级服务器发送。 自动抄表系统广泛应用于电力领域，并正在不断的发展和完善，为电网的运行提供 r 考核依据，提高了电网的经济运行水平，使用电管理真正实现了自动化、规范化和科 学化，对电力系统的现代化建设起着积极的推动作用。 自动抄表系统在我国具有巨大的发展潜力，虽然起步较晚，但势头非常迅猛，发展 前途看好。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 2 国内外自动抄表技术的现状 为_ r 解决原始的人工抄表存在的各种问题，国内外纷纷研究开发了各种自动抄表系 统，它改变_ 人工抄表的人为性，数据真实可靠，传输迅速，受到人们的高度重视。 a m r 系统通常包括电能表、集中器、中央信息处理机和通信网络j l 部分。具体系统 的组成由各系统的技术要求和特点决定。各部分的主要功能如下： 1 电能表。是最基本的，也是最末端的设备，要求其具备自动抄表的功能。电子式 电能表本身就具备这个功能，而目前普遍应用的感应式电能表则需要加上转换装置后， 才可以在该系统中应用。 2 集中器。集中器的作用是将多台电能表连接起来，连接数一般几十台至1 2 千台， 集中器具有将电能表传来的数据集中存储并以某种方式向上一级发送的功能。 集中器一般都有较大容量的e e p r o m ，以保证存储器在掉电的情况下原有的存储数 据不会丢失，同时还具备红外线或其他方式的通信功熊，以便在集中器与外界联系中断 时使用，或采用半自动的方式进行抄表。 3 中央信息处理机。该部分是a m r 系统的中枢和大脑；由计算机或服务器组成。在 这里，管理人员可以通过计算机随时观察到各用户的电量数据，并可显示、打印各种所 需的数据报表。通常，中央信息处理机可以方便地与银行系统的计算机联网，实现电费 的自动划拨和管理。 1 2 1 国外自动抄表技术的现状 8 0 年代末期，国外就进行了自动抄表系统的试验，但还没有达到完全的实用阶段。 9 0 年代不少国家己进入r 实际应用阶段。 目前推出的商品化的自动抄表系统各有特点。除了在工作方式( 单工或双工) 、传输 速率( 高速或低速) 以及安装方式( 固定或移动) 有区别外，最主要的在于所采用的传输媒介 和通信技术的不同。在自动抄表系统中利用的通信媒介大致有：市话线，电力线载波，微波 以及无线广播方式。 美国i t r o n ( 依通) 计量公司建立了多种自动抄表系统。 1 手持式抄表 这种抄表方式是通过在配备有相应模块的电表和手提电脑之间进行无线通信实现 的，。f 提机向电表的通讯模块发出唤醒信号后，由通讯模块将其读数自动反送回手提机 储存。这种疗式能有效地解决因抄表场地难以进入而带来抄表上的困难，但是本方式自 2 些查型苎查兰堡主兰堡笙壅堑堡 动化程度还不高，很大程度上还需要人工参与。 2 移动式自动抄表( m o b i l ea m r ) 这种抄表方式的环境适应性强，利用汽车、电表上的通信模块进行无线电通信即可 实现自动抄表，此系统可在8 小时内抄表多达2 4 0 0 0 块。 3 网络自动抄表 这种系统采用电线、电话和无线电等多种通信媒体，结合电表上的模块使用，其特 点是把电费管理系统中的电脑与电表借助通信介质通信，获得采集数据，适合于居民用 电抄表，有较高的自动化程度。 而a b b 公司采用了多种媒介混合应用，利用电力线载波采集电表数据，集中到各 电站内，再借用市话线或租用微波通道将数据发送到控制中心。 t u r t l e 公司的产品，利用超窄频带传送数字信号，发送频率很低，仅为6 h z ，功耗 很小，可以有效地跨越电容器组、变压器等配电设备，从而保证信息长距离传输。 h u n t 公司的自动集抄系统传输距离可达上百公里，但自动读表次数却受到很大限 制，每天只能读表一到两次。 日本的关西电力公司最近开发的远程抄表系统，在变电站和用户之间用同轴电缆通 信。对电力、煤气和水三种计量表的数据结果进行远程抄取，同时能够对用户用电实行 负荷控制。 日本福冈市k y u s h u 电力公司( 简称k e p c o ) 早在1 9 7 6 年就开始了利用输电线路传 输数据的研究工作，以减少抄表人员工作量，提高抄表的准确度。近年来，该公司一直 积极从事着利用专用线路如光缆、通信线进行数据传输的小规模试验。目前，一种使用 电缆电视( c a t v ) 同轴电缆作为数据传输介质的集中化抄表系统，在福冈市的一个规模巨 大的高级公寓区内投入使用。该系统有以下优点： 1 利用已有的t v 信号的同轴电缆充当自动抄表系统的传输介质，因此投资费用小。 2 系统可通过一台家庭终端设备f h t u ) 对许多用户耗能表实施综合控制，这样又可进 一步节省投资费用。 3 利用定时抄表的时间间隙，中央处理机可在固定的时间内执行对家庭终端设备的 状态查询，通过收集家庭终端设备的状态数据对传输介质进行维护。 4 设备体积小，在该系统专用的电表内集成了两个常规电度表和一个时间转换器。 陔抄表系统利用了未被c a t v 电视转播服务占用的频道进行抄表。k e p c o 选取 4 2 7 5 m h z 用于用户电表至中央抄表处理机的上行信号传输，选取7 0 2 5 m h z 用于中央抄 些查型垄查兰堕主兰堡垒苎 堡堡 表处理机至用户电表的下行信号传输。 k e p c o 除了利用光缆和c a t v 同轴电缆实现自动化抄表以外，还正在研究利用电 力线载波系统和无线系统实现自动抄表。 1 2 2 国内自动抄表技术的现状 目前，国内越来越多的人士意识到自动化抄表技术对电力工业发展的重要性，已经 有不少的单位就此进行研究和开发。 对系统的要求，一方面应造价低，另一方面数据的采集要准确及时，又要有一定的 环境适应能力和抗干扰能力。系统的总体性能在很大程度上取决于通信系统的优劣。 国内目前出现的抄表系统有基于电话线网络的抄表系统、无线通信网抄表系统、 r s 一4 8 5 总线网抄表系统，低压电力线载波通信网抄表系统和基于l o n w o r k s 网络的自动抄 表系统等。 1 租用电话线网络 由于电活网在城镇的迅速普及，利用现有的电话网进行数据通信也是一个经济有效 的方案。利用电话网通信，只需在数据采集器和营业室主机各加装调制解调器( m o d e m ) 即可。其通信速率可以2 4 k b p s 、9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s 速率传输，主机对采集器的呼q 可 以通过拨号由交换机自动完成，也可以租用专线，但费用高。 租用电话线方式进行数据通信时，线路续接( 包括呼叫应答等) 时间较长，通常需几 秒到几十秒，当采集器数目n 较多时，通信效率将大幅度下降，而且租用电话线路多， 其租用费用电很高，因此不适合大容量系统。 2 使用无线通信网 目前主要有手持式无线抄表和车载式无线抄表两种方式。这种通信一般采用超短波 频率，有效距离从几百米到几十公里不等。在进行通信时，工作站主机控制无线电台发 出呼叫命令，各采集器收到命令后进行地址对比，如正确则发出应答信号，完成数据链 路的建立，然后进行数据通信。 其特点是现场仅需安装终端，不需要额外铺设专用线路和其他专用通讯设备，因此 安装不受环境限制，既方便施工，又节约成本，特别适用于范围广、分布分散的地区的 集中抄表。主要缺点是需申请频点使用权，如果频点选择不合理，相邻两个信道会产生 相互干扰。而且在城市里由于受无线电管理的限制，其无线收发装置的功率不可能很大， 故而影响其使用效果。 3 使用r s 一4 8 5 总线网 4 些奎翌垫= 苎兰堡主兰焦笙苎 堕堡 e i ar s 一4 8 5 是一种平衡式电气特性标准。该标准采用专用集成电路，在一对平衡的 尉童电缆上传送差分信号。这种接口具有抑制共模干扰的能力，因此抗干扰性能很好。 信号的发送频率最高可达1 0 m h z 。在信号速率小于1 0 0 k b i t s 时，传输距离可达l k m 。 r s 一4 8 5 接h 在一个通道上进行半双工通信，所以只需两根线便町双向通信，并可方便地 构成一点对多点或多点之间的相互通信网络。 虽然4 8 5 总线方式的数据传输可靠性高，且造价较低，但是需要布线，安装较复杂， 另外拉线易被人为破坏，特别是现在许多小区不允许拉明线，使这种总线方式难于施工。 4 利用低压电力线载波 电力线载波是电力系统特有的基本通信方式。其工作原理是，在发送端，发送器将 电表数据调制到一高频载波上，经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。信号的 频带一般为5 0 k h z 一3 0 0 k h z ，峰值电压不超过1 0 v ，因此不会对电力线路造成不良影响。 此高频信号经电力线传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干 扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号，在同一台配电变压供电范围内用 户统一编址，并由采集器巡回读写。由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒 介，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理、可同时复用远动信号等特点，是唯一不需 要线路投资的有线通信方式。 但是用低压电力线作为传输信道还存在许多问题。首先电力线的干扰非常大。特别 是在用户线路上，用户的家用电器、开关电源等产生的高次谐波，各种用电设备的通断 产生的瞬时脉冲干扰和各种大功率开关器件的开关产生的宽频谱的驻波干扰等等。其次， 不同地方的线路特性可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负荷情况都会对高频信 号在电力线上的传输特性产生很大的影响。即使是同一段电力线路，其传输特性也会随 各种电力负荷的变化而改变。在对集抄系统越来越高的实时性要求下，目前在国内采用 电力线载波的方式实现自动抄表是比较困难的。 5 基于l o n w o r k 网络的自动抄表系统 l o n w o r k 网络是一种性能优异的局域网络，它具有局域网和测控网两者的特性，可 以方便地实现管理网和各种测控网的连接。 智能电能表实时地测量和记录电量参数，并作为网络节点通过通信接l i 完成数据的 发送和接受。配电变压器侧的综合监测仪，一方面实时地测量和记录配电变压器供电电 量参数和数据，另一方面作为集中器接受用户电能表数据，存储并向上级网络传送，起 到网络路由器的作用，通信采用l o n t a l k 协议。 e 山东科技大学硕士学位论文 这种方式具有成本较低，可靠性较好等特点。但是仍然需要布置专线，存在和4 8 5 总线方式相同的问题。 1 3h f c 网络电表集抄系统 前述几种自动抄表系统各有优缺点，它们大多自成一体，很难与企业中原有的收费 系统和信息网络接入，因此也无法利用实际的大量用户来进行这个系统的仿真试验，小 规模试验很难验证处理系统的纠错能力以及网络服务功能。 下面提到的基于混合光纤同轴电缆( h y b r i df i b e rc o a x ，h f c ) 的网络电表集抄系统是 一种较理想的方案。 h f c 是h y b r i df i b e rc o a x 的缩写，原本含义仅指采用光传输系统代替全同轴c a t v 网络中的干线传输部分，而用户分配网络仍然保留同轴电缆结构。随着数字通信技术的 发展，特别是高速宽带通信时代的到来，h f c 己成为现在和未来一段时期内宽带接入的 最佳选择，因而h f c 又常常被赋予新的含义，特指利用混合光纤同轴来进行宽带数字通 信的c a t v 网络。 h f c 网作为一种新兴起的通信机制，由于其提供的频带宽( 可达1 g h z ) ，等时服务陛 能好，支持全部现存的和发展的窄带和宽带业务，并为用户提供了廉价的以电为基础的 终端设备，这可以使用户根据需要逐渐增加投资以加入某些新的通信业务，从而使h f c 网与其它网络环境相比在带宽、等时性、兼容性及投资方面占据了优势，成为目前实现 多媒体通信最具竞争力的网络。 全国各大中城市h f c 网络已经形成相当规模，进行局部双向改造，并利用现有的计 算机网络技术、数据库技术、数据采集和接口技术，实现用电的实时监控和信息管理， 具有实时性强，传输速率快，有良好的抗干扰性能等优点，是一种比较理想的自动抄表 方案。在我国有线电视普及率很高的今天，将会得到广泛的使用。 其具体方案在下一章将作较详细论述。 1 4 分布式数据采集系统简介 由于我国的电能计量方式采用的是一户一表制，这就决定了系统的两个主要特点 其一系统数据采集点多，成千上万，数据量大；其二系统是一个覆盖面很广的通信网络， 6 东科技大学硕士学位论文 堑笙 底层数据的采集采用总线型采集点具有分散性。因此系统整体是采用分布式体系结构 结构。 随着现代计算机网络技术的发展，较大规模的数据采集系统采用分布式结构己是大 势所趋。分布式数据采集系统一般由若干数据采集站和上位机组成。数据采集站的组成 相当于小型的集中式数据采集系统，一般是由单片机控制的数据采集装置组成，位于被 测对象附近，可独立完成数据采集和预处理任务，采集的数据将以数字信号的形式传送 给上位机，从而彻底克服了模拟传输的固有缺陷。上位机一般是微机或工作站，将传送 来的数据集中处理、显示、打印，或者以文件形式存储起来。此外，还可以将系统的控 制参数发送给各个数据采集站，以调整数据采集站的工作状态。 分布式数据采集系统的主要优点是： 1 系统适应能力强。不同数量的数据采集站可以构成不同规模的系统； 1 系统的可靠性高。由于采用了多个以单片机为核心的数据采集站，某个数据采集 站出现故障，不会对系统的其他部分造成任何影响； 3 系统的实时相应性好。系统中的各个数据采集站是真正并行工作的； 4 对系统硬件的要求不高。每一个数据采集站仅需要完成数量有限的数据采集和处 理任务，可以用低档的硬件组成高性能的系统； 5 这种数据采集系统是用数字信号传输代替模拟信号传输，有利于克服常模和共模 干扰，特别适合于恶劣的环境工作。 在分布式数据采集系统中，数字信号的传输方式越来越受重视。数据传输技术对分 布式系统结构的发展也起着重要的作用。 1 4 1 基于以太网的数据采集系统 以太网和t c p ，舻协议的飞速发展使得几乎所有的网络底层技术都可用于传输t c p i p 的通信，应用t c p i p 技术的以太网可满足控制系统各个层次的要求。并且，随着制造 工艺的进步，智能控制芯片和智能传感器的成本越来越低，功能却越来越强大，这不仅解 决r 嵌入式微控制器与以太网连接的技术问题，同时也使得这种连接费用降低到用户完全 可以接受的程度。这种技术的发展促使了基于嵌入式以太网的数据传输网络的出现。在这 种网络体系结构中，基于t c p f l p 的以太网贯穿于系统的各个层次，将一台台孤立的现场 设备作为一个网络节点通过以太网有机的连接在一起，形成一个有机的整体，实现了现 场设备到管理层的直接通信，使数据传输设备的控制与维护由过去那种封闭、各行其事 的管理模式逐步向开放、共享、合作的新型管理模式转变，并最终实现企业控制、管理 当查整垫茎兰婴主兰堡堡茎 信息的无缝集成。 如果将以太网用于远程数据采集系统中的数据传输 多优点： 比较用现场总线的方式会有很 1 以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术，它受到广泛的技术支持，因此容易 获得各个厂家的认可。人们对以太网技术也十分熟悉，可以显著降低系统的开发、培训 和维护费用。同时，由于应用广泛，其硬件价格十分低廉。目前，以太网卡的价格只有 现场总线网卡的十分之一一。 2 以太网通讯速率高。目前最低速率以太网就是1 0 m ，其速率也比目前的现场总 线。 3 交换以太网效率高，实时性好。在交换以太网中，任意站点之间的通信通过交换 机实现透明的转发，不存在信道共享引起的竞争问题，系统的通信容量成倍增加。 4 整个系统完全建立在网络上，系统的各个功能 扫各组成部分通过一致的标准和协 议共同完成，整个系统实现全开放，用户不会受终端产品的限制。 1 4 2 嵌入式以太网的实现方式 单片机或微控制器( m c u ) ，通称嵌入式系统，已经在家庭和工业的各个领域得到了应 用。目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与一些监测、伺服、 指示设备配台实现一定的功能。而以太网现已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息 流通的重要渠道。将嵌入式系统与以太网结合起来的想法其实很早以前就有了，主要的困 难在于，以太网上的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高。 3 2 6 4 位高端嵌入式系统的实现方式 这类芯片有足够的能力和资源在实时操作系统的支持下，加上以太网接口芯片，实 现下列网络协议：t c p ( 传输控制协议) 、u d p ( 用户数据报协议) 、r a r p ( 反向地址转 换协议) 、i c m p ( 网际控制报文协议) ，还有关于i i l m m e t 网的高层软件协议：h t t p ( 超 文本传输协议) 、s m t p ( 简单邮件传输协议) 、f t p ( 文件传输协议) 等。国外许多公司 提供了具有t c p i p 协议支持的实时操作系统，如v r t x 、n u c l e u s p s o s 、q n x v x w o r k 、r t x c 、c m x - k r x 等产品。但是这些实时操作系统的报价一般都要￥7 0 0 0 ￥8 0 0 0 以上，在我国难以推广。 采用嵌入式网关的实现方式 各个嵌入式系统首先和网关通信，再由嵌入式网关实现t c p p 协议。这种方式可 以降低对嵌入式系统的要求，但需要一个专门的嵌入式网关，对于过于分散的嵌入式系 8 些查型垄奎兰堡主兰堡堡茎 堕堡 统而言，嵌入式系统和网关之间的通信将加大成本。 e m w a r e 公司e m i t ( e m b e d d e d m i c r o i n t e r n e t t e c h n o l o g y ) 技术就是将嵌入式设备的 服务器部分刻意地简化到仅仅保留h t m l 的标记，其它的服务器部分全部移到网关一 侧；网络协议部分则放弃使用代码较长的t c p i p 协议而换用十分轻型的网络协议，从而 将设备端代码减少到很小的1 k 字节。 p h a r l a p 公司把能独立的智能部分和网络部分尽可能地移出嵌入式设备，如有些预 定义的数据转移到客户机上，使用时用嵌入式设备通过远程调用那里的d l l 来访问。 经过对代码的高度优化，将嵌入式设备端的w e b 服务器尽可能地做到最小。p h a r l a p 最后做出的m i c r o w e b 服务器是2 5 k 字节。 国内的武汉力源电子股份有限公司( p s ) 推出的w e b c h i pp s 2 0 0 0 也采用了类似 的技术。m c u 应用系统通过w e b c h i p 网络芯片与嵌入式网关连接。w e b c h i p 包含四部 分：一是w e b c h i p 与嵌入式网关的通信及控制单元。通过控制字可选择通信电路类型， 如r s 一2 3 2 ，r s 一4 8 5 ，m o d e m 等；二是协议转换层，在这个转换层中完成数据包的识别， 校验，有效数据的提取和判断等；三是w e b c h i p 与m c u 通信及其控制单元；四是中央 控制单元，控制以上3 个单元的协调运行，完成w e b c h i p 的管理。 s c e n i x 网络单片机方式 s c e n i x 单片机( 8 位) 基于r i s c 结构，具有在系统可编程功能。可以运行h t t p 、 s m t p 、p o p 3 、t c p 、u d p 、i c m p 、i p 、p p p 等协议，可以在执行数据采集和控制功能 的同时将数据打包并发送到以太网上。s c e n i x 公司( w w w s c e n i x t o m ) 还兔费提供软 件模块和原理图参考设计，开发较为方便，是近期出现的较理想的嵌入式以太网的解决 方式。 8 1 6 位低端嵌入式系统的简化方式 嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外，大量存在的是8 位和1 6 位m c u ，速度较慢， 内存较小，如要支持t c p i p 协议将占用大量系统资源，或根本不可能。考虑到这类系统 功能较为单一，数据量较小，可以根据实际要求尽量简化，即提供最低要求的t c p i p 堆 栈和最精简的t c p i p 协议。如实现简化的w e bs e r v e r ；简化i c m p 协议；使用u d p 协 议而不是t c p 协议等。精简后的t c p i p 协议虽然功能收到了一定的限制，但对于这种低 端嵌入式系统的要求而言，如传送少量数据或是信令，还是完全可以胜任的。而且，这 种方式的实现成本很低，在很多场合下，也不失为一种可行的低端嵌入式以太网解决方案。 9 i “东科技大学硕士学位论文 1 5 国内外开发网络接口设备采用的两种方案 1 5 1 数据集中器简介 电表数据集中器是自动抄表系统重要设备之一，它的作用是将多台电表连接起来， 一般为儿十台到几千台，集中器处于信息通路的中间位置，起承上启下的桥梁作用。，对 上，它具有网络功能，接收主站监控系统的任务，经过处理，发送命令给下一级的采集 器或电能表，对下，它将采集器或电能表传来的数据集中储存而后将数据结果打包，回 传主站并主动上传异常信息。集中器与主站通过支持t c p i p 协议的网络来进行通信。集 中器弼采集器通过r s 4 8 5 串口进行串行通讯，读取采集器的参数或者对其进行如复费率、 最大需量等参数设置。 数据集中器实际上是一个网络接口设备，它的主要功能之一是要能接人以太网，实 现上网通讯的功能。国内外开发人员在开发数据集中器这样的网络接口设备时一般采用 的方法有两种，一种是采用专用芯片开发，另一种是采用普通芯片开发。 1 5 2 基于专用芯片开发 随着信息技术和互联网络技术的发展，网络产品的功能日趋复杂，越来越多的应用 系统采用高性能的3 2 位微处理器，以满足产品的网络化功能。目前己有很多公司，如摩 托罗拉公司，惠普等也推出具有该种性能的芯片。专用芯片，如摩托罗拉推出的6 8 k 系 列芯片，z - w o r l d 公司推出的r a b b i t 2 0 0 0 微处理器芯片，国产的智能i n t e r n e t 网络接口 芯片p s 2 0 0 0 等，其功能强大，具有优良的性能，集成了更多的外围接口，为通讯外围 设备组的需要提供了高性能的选择。 1 p s 2 0 0 0 芯片 p s 2 0 0 0 是w e b c h i p 网络接v i 系列中的重要成员，通过它可以实现智能装置与p c 机 平台的网关接口，使智能装置通过p s 2 0 0 0 上网十分方便。 它主要由核心控制单元、u a r t 、嵌入式m o d e n 接口模块、标准m o d e n 接口、 r s - 4 8 5 收发控制单元、l e d 显示控制、d s 2 4 0 1 接口、s p i 接口模块等组成。核心控制 单元主要实现通讯和协议转换；d s 2 4 0 1 接口为电子标签接口，用于连接d s 2 4 0 1 集成电 路，为电子设备提供唯一的电子标识；通过s p i 串行接口，可与m c u 应用系统方便连接； 状态显示接口能直接驱动l e d ；有多种串行通讯方式可供选择：可外接r s 4 8 5 ，r s 4 8 5 ，嵌 入式m o d e n 或标准m o d e n 等接口电路。p s 2 0 0 0 为4 4 脚m q f p 封装，采用单5 v 电 1 0 些查型茎查兰堡主兰篁笙茎堕堡 源，具有体积小，功耗低等优点。 在软件设计方面，p s 2 0 0 0 芯片内驻留有网络协议和网络防议编译程序模块，它与 m c u 应用系统交换信息由1 7 条简单的指令进行控制。开发人员在使用p s 2 0 0 0 开发具 有网络功能的智能装置时，既不需要了解复杂的网络技术，也不需要更改原来己成熟的 设计，只需增加一小段和p s 2 0 0 0 芯片通信的接口程序即可。因此，能够大大缩短产品 的开发周期。设计的较优方法是：m c u 应用系统通过w e b e h i p p s 2 0 0 0 网络芯片与网关 ( g a t e w a y ) 连接，再进入i n t e r n e t 网。比较采用普通芯片开发而言，这种方案简单、方便、 但开发成本较高。 2 6 8 k 系列芯片： 6 8 k 系列芯片是一种3 2 位r i s c 结构的通用微处理器，具有优良的性能和低廉的价 格，它延承了c o l d f i r e ( v 2 版本) 的一切优点，并集成了更多的外围接1 3 ，使芯片的使用 效率得到了较大提高，从而在c o l d f i r e 系列芯片中占有重要地位。该芯片可被广泛用于 l m e r n e t 设备、l a n 电话、低端路由器、 s d n 终端适配器、本地无线基站、打印机、 p o s 终端、工业自动化以及机顶盒等。 6 8 k 系列芯片能被用于开发不同功能的低端网络产品。以6 8 k 系列芯片为核心的低 成本路由器就是一种用于家庭或办公室的网络设备。这种路由器除了具有路由器的一般 功能外，自身还具有网络服务器的一些功能( 例如d h c p 服务器、w e b 服务器) ，可以通 过以太网，a d s u m o d e m 自动拨号等方式共享接入互联网，可联接u s b 设备，还可以 多机共享打印机等。 6 8 k 系列芯片以其性能价格比高的优势，配合多种优秀的嵌入式操作系统，在低成 本高性能的网络产品中得到越来越广泛的应用。 3 r a b b i t 2 0 0 0 芯片 由于嵌入式系统与i n t e m e t 结合起来的主要困难在于：i n t e r n c t 上面的各种通信协议对 计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外，大 量存在的是8 位和1 6 位m c u ，支持t c p i p 等网络协议根本不可能。r a b b i t 2 0 0 0 微处理 器就是面向i n t e r n e t 的嵌入式系统而设计的。它很好地锯决了存储空间、运行速度、网 络通信及程序开发的问题。 ，与传统的微处理器硬件和软件开发相比，r a b b i t 2 0 0 0 芯片的开发大大简化。因为对 r a b b i t 2 0 0 0 用户来讲，不再需要复杂的在线仿真器和e p r o m 写入器，将p c 串口通过 一条简单的接口电缆与基于r a b b i t 2 0 0 0 处理器的目标系统连接起来就可以进行软件的编 1 1 坐变登垫查兰堡主兰篁堡塞 堑堡 辑、编译、下载和运行。软件开发方面，动态c 语言是基于w i n d o w s 及l i n u x 平台的 r a b b i t 应用软件的完整开发系统，应用动态c 语青进行软件开发，无需仿真器和编程器， 大大降低了开发成本。 当然，可用于开发电表数据集中器的专用芯片很多，作者在本论文巾就只讨论上述 的几种芯片。 1 5 3 基于普通芯片开发 如采用c 5 1 系列单片机，a v r 单片机实现。由于单片机具有功能强，体积小，可靠 性高，耗电少，价格便宜等独特优点，因而受到人们的高度重视，单片机在设备装置的 开发中始终处于非常重要的地位。 计算机系统的发展已明显地朝着三个方向发展，即：巨型化，单片化，网络化。单片 机在出现时，i n t e l 公司就给其取名为嵌入式微控制器( e m b e d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) ，单片机 的最明显的优势就是它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。这一点是巨型机所做 不到的。 目前，把单片机嵌入式系统和i n t e r n e t 连接已是一种趋势。 为了把单片机为核心的嵌入式系统和i n t e m e t 相连，已有多家公司在进行这方面的 较多研究。 e m w a r e 公司提出嵌入式系统入网的方案e m r r 技术。这个技术包括三个主要部 分：即e m m i c r o ，e m g a t e w a y 和网络浏览器。其中，e m m i c r o 是嵌入设备中的一个只占内 存容量l k 字节的极小的网络服务器；e m g a t e w a y 作为一个功能较强的用户或服务器，它 用于实现对多个嵌入式设备的管理，还有标准的i n t e r n e t 通信接入以及网络浏览器的支 持。网络浏览器使用e m o b j e c t s 进行显示和嵌入式设备之间的数据传输。 如果嵌入式设备的资源足够，则e m m i c r o 和e m g a t e w a y 可以同时装入嵌入式设备中， 实现i n t e r n e t 的直接接人。否则，将要求e m g a t e w a y 和网络浏览器相互配合。 e m w a r e 的e m i t 软件技术使用标准的i n t e r n e t 协议对8 位和1 6 位嵌入式设备进行 管理，但比传统上的开销小得多。 目前，如何使8 位、1 6 位单片机控制的产品，也即嵌入式产品或设备能实现和互联 网互连是当前嵌入式系统的一个热点问题。 1 5 4 两种开发方案的优缺点 1 5 4 1 采用专用芯片 l 毒妻有的优点有： 1 ， 些至型垫查兰堡主兰焦堕苎 堕堡 ( 1 ) 功能强大。如：摩托罗拉的6 8 k 系列芯片，该芯片可用于设汁互联网设备、l a n 电话系统、低端网络控制、工业控制、图像设备，存储解决方案等。再如p s 2 0 0 0 ，用 该芯片可以设计或改造计费电话和自动售货机等智能设备，可使其增加网络功能，实现 远程上网、控制、故障诊断等，还可以用于工业自动化领域，如工业过程控制，电力系 统监控，远程抄表等方面，从而提高生产效率和产品质量，减少人力资源。 ( 2 ) 编程简单，软件开发工作量较小。3 l f l ：p s 2 0 0 0 芯片内驻留有网络协议和网络协议 编译程序模块，它与m c u 应用系统交换信息由1 7 条简单的指令进行控制。开发人员在 使用p s 2 0 0 0 开发具有网络功能的智能装置时，既不需要了解复杂的网络技术，也不需 要更改原来己成熟的设汁，只需增加一小段和p s 2 0 0 0 芯片通信的接1 3 程序即可。因此， 能够大大缩短产品的开发周期。 2 缺点： ( 1 ) 要新学习的软硬件内容多。由于专用芯片提供的开发软件包和硬件开发平台是一 般开发人员所不熟悉的，所以开发人员必须熟悉专用芯片所提供的现有开发资料，这样 就必须花很多时间去学习新的东西。 ( 2 ) 开发成本高。比如：购买专用j 占片，仿真器，开发板等开发装置都需要很多资金。 1 5 4 2 采用普通芯片 1 优点： 开发的软件和硬件成本较低。单片机价格低廉，购买开发装置便宜。 2 缺点： 编程复杂，软件开发工作量较大。由于单片机使用了t c p i p 协议芯片，需要扩展程 序存储器和数据存储器，t c p i p 协议的实现，所有的算法都需要编程，而且m c u 的运 行速度较慢，这些都需要编程实现。应用系统的设计人员还必须熟悉t c p f l p 协议和相关 的接口，因此软件设计复杂，工作量大 1 6 课题的研究背景、意义和研究内容 1 6 1 课题的背簧和意义 后p c 机时代的到来引发了信息产品的产生，而i n t e r n e t 与信息产品的结合是当今发 展的一个趋势，单片机嵌入式i n t e r n e | 技术的产生正好迎合了这个趋势。2 0 世纪9 0 年代， 以因特网为代表的计算机网络通信技术的发展和应用取得了前所未有的突破和成功，单 些变! 燮查兰堡圭兰堡垒奎 堑堡 片机嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。单片机上网技术在生活和现代 化建设的各方面的应用和研究随之成为当今一个热门话题。8 位、1 6 位单片机因为其较 好的性价比，在控制领域仍占据着重要地位。 对于电表数据集中器的开发和研究，其意义是重大的。电表数据集中器是以通用单 片机为硬件基础，连人i n t e r n e t 网络，完成对远程数据的采集，实现其网络和串行通讯 的功能。对数据集中器的开发实际 ：是开发一个单片机嵌入式系统，以实现其主要功能 之一一上网通讯功能。 我们采用了单片机为设计硬件，目的是对单片机上网技术方面的尝试。实现数据集 中器与上一级的服务器的网络通讯。随着嵌入式系统的迅猛发展，以单片机为中心的应 用系统将搭上i n t e r n e t 的快车逐步取代传统的以p c 机为中心的应用，单片机将成为未来 i n t e m e t 发展中的主力军。 数据集中器运用在i - i f c 网络电表集抄系统中，实现了对用电数据的自动采集和远程 监控，并最终实现网络自动抄表。通过该系统提高了电网系统的管理自动化水平，同时 也为电网的运行提供了考核依据，提高了电网的经济运行水平。 1 6 2 课题的研究内容 本文所作的主要