（通信与信息系统专业论文）多功能自动抄表系统的研制——上位机及数据处理部分.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 f 随着通信技术的发展和成熟，从8 0 年代开始，人们在 无线秒表方面做了许多研究，并取得了巨大的成功。但是市 场上出现的无线抄表技术几乎没有用到大型网络数据库，因 此无法克服传输距离这个瓶颈；同时在数据分析方面有所欠 缺，无法提供给用户直观、对比分明的数据分析结果。 本论文对无线抄表的上位机部分进行了研究，并且取得 了成功。主要工作有以下三个方面：1 、提出适合于无线通 信的接口模块：同时制定了适合无线环境下的通信协议，提 高了通信的可靠性和成功率。2 、针对无线通信的瓶颈一 距离问题，提出使用大型数据库s q ls e r v e r 7 ，采取 c l i e n t s e r v e r 结构，利用八处上位机采集点分别负责本区域 的数据采集工作，然后通过m o d e m 远程访问数据库服务器， 完成数据的采集工作，同时又大大扩展了工作区域。3 、因 为用户需要通过两台投影仪对采集到的电能数据在大屏幕 上进行分析，我们研制了v g a 矩阵切换系统，该系统可以 对计算机显示信号进行重新分配和组合，这样用户可以从若 干台计算机中选取合适的信号送到大屏幕上。火 论文主要分为三个部分： 1 上位机与下位机通信接口。该部分由外围通信设备模 块、用户功能控制模块和通信协议组成，主要实现与下位机 的通信和用户控制功能。 2 基于c l i e n t s e r v e r 结构的数据库模块。该部分的核心 是网络型数据库s q ls e r v e r 7 ，不同的客户机分别同各自管 理区域的下位机通信，然后通过m o d e m 远程访问数据库服 务器，把采集到的数据信息写入到数据库，最后在数据库服 务器中汇总处理，这是整个系统的核心。 3 v g a 矩阵切换模块。因为用户要求对采集的电力数据 进行分析，需要把若干台不同的客户机信号经两台投影仪投 射到大屏幕进行分析处理。这样需要v g a 矩阵对计算机显 2 山东大学硕士学位论文 示信号进行重新分配和组合，该模块主要由v g a 切换( 放 大) 模块、状态显示模块、切换控制模块组成。 关键词： 自动抄表无线通信iv b 6 ；数据库jc s 结楱 s q ls e r v e r 7v g a 矩阵 7 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g y o fw i r e l e s s c o m m u n i t c a t i o n ，s c i e n t i s t ss t a r t e dr e s e a r c ho ni t sa p p l i c a t i o n o na u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ( a m r ) g r e a tp r o g r e s sh a v eb e e n m a d es i n c e19 8 0 s b u tn o w m a n y k i n d so fm e t e r e a d i n g t e c h n o l o g yh a r d l y u s en e t w o r kd a t a b a s e ，s o t h e y c a l l t o v e r c o m et h ep r o b l e m so f d i s t a n c e ；a n do nt h eo t h e rh a n dt h e y w e r es h o r to fd a t aa n a l y s i s s oc a n t0 f f e ru s e rag o o ds c h e m e f o ra n a l y z i n gd a t ac l e a r l y t h et h e s i sr e s e a r c hi n t ot h em a s t e rc o m p u t e rs y s t e mo f a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n g a n d a c q u i r eg r e a t s u c c e s s t h i s p a p e rs h o w ss o m eo fr e s u l t so fm yw o r ko nm a s t e rc o m p u t e r s y s t e m ：f i r s t 、 i b r i n g f o r w o r di n t e r f a c em o d u l ea n d c o m m u n i c a t ep r o t o c a lf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w h i c hc a n m a k ec o m m u n i c a t i o nm o r er e l i a b l e s e c o n d 、i no r d e rt o o v e r c o m et h e p r o b l e m o fd i s t a n c eim a k eu s e o f b i g d a t a b a s e s q ls e r v e r 7 0 b y t h es t r u c t u r eo fc “e n t s e r v e r e i g h tm a s t e rc o m p u t e rp r e s i d eo v e rt h ed i f f e r e n tj o bo f m e t e r r e a d i n g ，t h e na c c e s s i n g d a t a b a s es e r v e r b y m o d e mw i t h l o n g d i s t a n c e ，s ot h ejo bo fm e t e rr e a d i n ga r ec h i e v e d t h i r d 、 b e c a u s eu s e rn e e dt o a n a l y s ed a t ao nt h eb i g s c r e e n b yt w o e p i d i a s c o p e s ，w ed e v e l o pv g ae r o s s p o i n ts w i t c hi n s t r u m e n t ， t h ei n s t r u m e n tc a nr e d i s t r i b u t et h ed i s p l a ys i g n a lo fc o m p u t e r ， b ym a n i p u l a t i n gv g ac o r s s p o i n ti n s t r u m e n tu s e rc o u l dc h o o s e t h ea p p r o p r i a t es i g n a lt ot h ee p i d i a s e o p e t h i st h e s i si sc o n s i s to ft h r e ep a r t s ： 山东人学碗j 学位论义 - _ _ _ _ - - _ - - _ - - i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ - - - _ i _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ - _ _ 一1 1thei n t e r f a c em o d u l eb e t w e e nm a s t e rc o m p u t e r s y s t e ma n ds l a v ec o m p u t e rs y s t e m t h ep a r t is c o m p o s e d o f p e r i p h e r i a l c o m m u n i c a t i o n m o d u 】e、u s e r sc o n t r ojm o d u l ea n d 2 k e y w o r d s c o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 m a i n l y r e a l i z e s c o m m u n i c a t i o nw i t hs l a v ec o m p u t e ra n du s e r s c o n t r o if u n c t i o n d a t a b a s em o d u l eb a s e do nc 1 i e n t s e r v e r s t r u c t u r e t h ec o r eo f p a r t i sd a t a b a s e s q l s e r v e r 7 d e f f i r e n tc i i e n t st a k e c h a r g e o fs o m e s l a v e c o m p u t e rl e a v e e a c ho t h e r t h e na c c e s s d a t a b a s es e r v e rb ym o d e mw j t h l o n g d i s t a n c e a tt h es a m et i m ed a t aa r e p i e k e da n dd e p o s i t e d i nt h ed a t a b a s es e r v e r f i n a l l yd a t ai nd a r a b a s e s e r v e ra r et r a s a c t e db yt h ew a yo fs u m ，t h i si s t h ec o r eo fw h o l es y s t e m v g ac r o s s p o i n ts w i t c hm o d u l e b e c a u s eu s e r n e e dt o p r o j e c ts e v e r a ld i f f e r e n td i s p l a ys i g n a l t o b i g s c r e e n b y t w o e p i d i a s c o p e s ，t h e nt h e y c o u l d a r i a l y s e d a t a v g ac r o s s 口o i n ts w i t c hi s d e v e l o p e d t or e d i s t r i b u t e c o m p u t e rd i s p l a y s i g n a l ，t h e m o d u l eis c o m p o s e d o fv g a c r o s s p o i n t ( a m p l i f i e r ) m o d u l e 、 s t a t u s d i s p l a y m o d u i ea n ds w i t c hc o n t r o lm o d u l e a m r ( a u t o m a t i c m e t e r r e a d i n g ) w i r e l e s s c o m m h a i c a t i o nv b 6d a t a b a s ec s s t r u c t u r e s q ls e r v e r 7 v g a c r o s s p o i n t 4 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 在当今信息社会中，通信与传感、计算机技术紧密结合， 成为整个社会的高级“神经中枢”。通信在国民经济中占的 比重越来越大，没有通信人类社会是不可想象的。目前通信 除了满足个人通信的需要外，更广泛地用于集散控制系统的 监控方面。集散控制系统通常由三部分组成，第一部分是在 工业现场单独实行控制任务的下位机模块：第二部分是符合 通信协议的通信接口程序；第三部分是实现用户控制的上位 机模块。本文介绍的无线自动抄表系统即为典型的集散控制 系统。 1 1 课题研究背景 由于我国广大油田地区及化工企业用电量大，电力用户 多，这给电力部门的电量计量、数据处理提出了很高的要求， 而且许多电力线路地处野外，电力计量箱比较分散，供电量 流失严重，不仅数据采集非常困难，并且给厂矿带来了严重 的成本负担。为了有效地解决目前手工抄取数据带来的弊 端，提高效率和节省成本，因此非常必要采取多功能自动抄 表系统。 从2 0 世纪6 0 年代，人们开始把信息技术引进了电力系 统，从而出现了自动抄表( a u t o m a t i cm e t e l - r e a d i n g a m r ) 的概念。自动抄表( a u t o m a t i c m e t e r r e a d i n g a m r ) 是指 采用通讯和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据，是 一项集计算机、数字通信等多种技术于体的高新技术，a m r 是一项较为复杂的系统工程。发展电能自动抄表技术是提高 用电管理水平的需要，也是网络和计算机技术迅速发展的必 然。 自从出现a m r 的概念后，一些发达国家就开始着手研究 低压电力用户的自动抄表系统，最新开发出来的是车载无线 山东大学硕士学位论文 - _ - _ _ _ - _ _ - l _ - - _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ - - - i _ _ _ - - - _ _ l - _ _ l _ - l - _ _ l - - 一i - _ 一 抄表系统，我国某些地方在8 0 年代曾引进这项技术，终因 国情难以适应而废弃。在这个时期，有人提出了利用低压配 电线路载波抄表的理论，但是因为没有更好的方法解决低压 线路上抗干扰的问题而搁浅；9 0 年代随着计算机和通讯技 术的普及，不少厂家推出了基于r s 4 8 5 通讯的自动抄表系 统，避开了制约自动抄表技术发展的干扰问题，形成了第二 代低压抄表系统，但需要铺设专用的通讯通道；9 0 年代后 期，少数国家在低压载波技术上取得了突破性的进展，推出 第三代自动抄表系统( 即低压载波远程自动抄表) 系统，充分 解决了在低压配电线路进行数据通讯的抗干扰性能，使系统 的工程应用成为现实，同时第三代自动抄表技术也成_ 为国际 主流。但是，自动抄表技术尚未形成统一开放的标准，国外 的抄表系统都是针对本地电网特性、电网结构，在国内使用 都难尽人意。因此必须从国情出发，有效利用国外先进技术， 开发出自己的自动抄表系统。 根据以上的分析，从目前的抄表技术来看，它们没有使 用分布式数据处理方式，系统的控制范围有限；而且提供给 用户的数据分析能力非常有限，功能单一。本文研究的自动 抄表系统克服了以上缺陷，可选用无线电波和电力线载波扩 频两种信道；同时使用c 1 ie n t s e r v e r 模式的数据库系统一 s o ls e r v e r 7 0 ，利用多台客户机在各自控制的区域抄取电 力数据，然后使用拨号的方式通过电话线建立与服务器的连 接，把数据传送到数据库服务器中。 出于安全和保密的需要，我们在系统服务器端使用一台 路由器( c i s c o2 5 0 9 ) 、个m o d e m 池、八部外线电话、一个 遇忙跳转中继模块( 需向电信申请) 和多个m o d e m 配置成为 提供远程拨号访问的局域网。o u i d w a yt mr 2 5 0 9 具有2 个多 协议同异步串口，同时有8 个异步串口。异步串口作为异步 拨线，互连8 个低速局域网。2 个多协议同异步串口可接高 速同步线路，连接远程局域网，或互连其它i s p 。r 2 5 0 9 使 用简单网管协议( s n m pv 1 ) ，可打开所有协议调试开头，帮 助诊断网络故障配置命令分级保护，确保未授权用户无法侵 入路由器。8 个异步串口配置接口可经m o d e m 远程拨入，同 山东大学硕士学位论文 时路由器提供配置i p 包过滤防火墙。 在系统实际配置中，我们把路由器的1 个以太网端口接 局域网：一个异步串口通过m o d e m 池接8 个调制解调器。首 先配置完毕路由器以后，我们分配给客户端一个用户名和密 码，同时密码必须定期改动，这样用户端在拨号时使用该用 户名和密码，进行远程拨号，就可以借助s q ls e r v e r 的客 户端工具远程访问数据库服务器。此时路由器给该客户端分 配一个i p 地址，远端相当于局域网内的一个虚拟计算机， 这样整个系统可以非常有效的防御外来的人为和病毒攻击， 同时确保了电能数据的保密性。 该系统能够达到计量准确、使用安全的要求，各部分功 能实现了模块化，并具备高压开关、断相保护、电能计量等 多项功能，同时兼有健壮性和稳定性。这样就可以实现用电 管理自动化，从而彻底解决了人工抄表带来的人为误差和诸 多缺点。 1 2 本文的主要内容和安排 本文研究的主要内容是实现自动抄表技术的上位机控 制部分。论文共分为6 章，各章内容如下： 第一章：概述了研究背景和自动抄表系统的现实意义。 第二章：介绍无线自动抄表系统部分总体方案设计。 第三章：介绍上位机通信模块。 第四章：基于c l s 结构的数据库模块设计。 第五章：v g a 矩阵切换系统的设计与实现。 第六章：对本论文的工作进行了总结，并对进一步的研 究方向做了说明。 山东大学硕士学位论文 第二章无线自动抄表系统总体方案设计 因为无线自动抄表系统主要应用在油田、厂矿等大型 企业，这些地方位置偏僻，地形复杂，外部环境比较恶劣， 所以必须综合考虑各种外部因素对系统的影响，增强系统的 健壮性和稳定性。 本系统提供两种信道传输方式一无线信道和扩频载波 信道，扩频载波信道主要用在小区抄表中：针对油田位置偏 僻、电力设备复杂的特点，系统采用了无线通信的方式。扩 频载波通信将由孙志行同学仔细介绍。 本系统采用集散控制方式，以若干a t 8 9 c 5 2 为下位机中 央控制单元；使用带远程数据通信板( i p c 5 6 4 1 ) 的工业控制 机为上位机中央处理单元；使用s o ls e r v e l - 7 作为c s 结构 的数据库：利用2 2 0 m 的高频载波数据传输信道作为传输介 质：从而构成了主从式测控系统。同时上位机、下位机系统 都实现了模块化，用户可以根据需要自由搭配。 首先，该系统通过下位机完成对各个电能采集点的巡回 检测；然后通过高频无线信道，不同区域内的上位机接收各 自区域的下位机传送的电力数据：然后远程访问数据库服务 器，在工业控制机的数据库中集中处理。采用c s 结构的数 据处理方式，不仅克服了距离这个瓶颈问题，而且更加有利 于数据的归纳、汇总，并且数据可以在企业级的局域网上共 享。这样就可以实现用电管理自动化，从而彻底解决了人工 抄表带来的人为误差和诸多缺点，图2 一l 为整个上位机系统 的结构示意图。 山东大学硕：j j 学位论文 便携式无线抄收仪 歹弋 图2 1 上位机系统结构示意图 2 1 上位机通信接口模块介绍 上位机通信接口模块主要由工业控制机、i p c 5 6 4 l 远程 数据通信板、高频数据传输模块和通信控制程序组成。因为 上位机需要长时间工作，系统使用i b m 的工业控制机。并且 系统是通过高频数据传输信道传送数据信息，上位机通过 2 2 0 m 的高频载波信道与下位机交换信息。上位机作数据接 收和数据处理中心站，下位机实时采集数据之后，进行简单 的数据过滤，当收到上位机发送指令之后，开始向上位机发 山东大学硕：l 学位论文 送数据。上位机无线通讯接口使用的是一块插在i s a 扩展槽 中的无线m o d e m 远程数据通信板，无线m o d e m 与k e n w o o d 公司的无线高频发射模块相连，数字信号通过无线m o d e m 调 制成为模拟信号之后，传送到无线高频发射模块的数据输入 口，然后通过2 2 0 m 的高频数据传输信道传送到下位机。接 收数据的方式与上述相同，由无线数传模块接收到信息后， 经无线m o d e m 将模拟信号解调为数字信号进入计算机处理。 上位机通信程序的编写采取了模块化的结构。上位机的 系统软件是用v b 6 0 开发的，v is u a 】b a s ic 是m i c l e o s o f t 公司推出的强有力的系列开发软件之一，而且以其实用、方 便、快捷、开发周期短、广泛而强大的功能越来越被广大编 程人员所接受。在v b 的控件工具箱中，提供了一个使用非 常方便的串行通讯控件m s c o m m ，它全面的提供了使用r s 一2 3 2 串行通讯上层开发的历有细则，它既可以使用查询方式又可 以使用事件驱动方式来完成串行通讯。除了完成与下位机的 通信外，各模块完成不同的功能，主要功能有电力数据采集、 高压通( 断) 电、断电( 相) 报警、电流( 压) 状态显示、数据处 理和显示等。由于系统除了完成各种功能外，同时还有考虑 到无线环境下噪声的干扰问题，因此通信协议的制定变得非 常重要，必须制定可靠、有效的通信协议。最后，在数据处 理和显示部分采用了0 l e ( o b j e c t l in k i n ga n d e m b e d d i n g ) 技术调用电子表格e x c e l 来完成各种数据处理、显示功能。 2 2 基于c l i e n t s e r v e r 结构的数据库模块介绍 基于c lie n t s ej - v e r 结构的数据库模块包括s o ls e r v e r 数据库和v b 访问数据库的接口程序。因为采集到的电力数 据需要在局域网上共享，因此系统采用的是c l ie n t s e r v e r 方式的数据库应用系统，服务器端的数据采用s o l s e r v e r 7 0 企业版，在w ir l d o w s2 0 0 0 的操作系统下工作：客 户端安装了s q ls e r v e r 7 0 的桌面版，通过配置s o ls e r v e r 客户端网络使用工具建立与s q ls e r v e r 服务器的连接。然 山东大学硕士学位论文 s e r v e r 客户端网络使用工具建立与s q ls e r v e r 服务器的连 接。然后在v b 6 0 的编程环境下，使用h 9 0 ( a c t iv e x 数据对 象) 访问数据库服务器( s q ls e r v e r 7 ) 。 如何降低数据仓库的成本和复杂性，同时使技术为更广 泛的用户服务是数据仓库技术追求的一种境界。m ic r 0 s 0 f t 数据仓库框架是一组为简化数据仓库解决方案的集成和管 理而设计的编程接口。在s q ls e r v e r7 0 中捆绑了代码名 为p 1 a t 0 的o l a p 服务器。p 1 a t o 是企业解决方案的核心组 件，它需要在线分析处理( o l a p ) 服务，包括从企业报表和分 析到数据建模和决策支持。其灵活的存储架构对m o l a p 、 r o l a p 和混合o l a p 接供了平等的技术。p 1 a t o 使用简便， 提供了大量的分析功能。其立方体浏览器( c u b eb r o w s e r ) 简化了三维数据的分析过程，为数据建模和决策支持提供了 全面的支持，微软公司的s q ls e r v e r 是目前中小型网络中 常用的数据库管理系统。 传统的c l i e n t s e r v e r 结构( 即客户机服务器结构) 是 一种分布计算模式，目前这种结构比较流行，这种数据库应 用系统特别适合于中小型企业的管理信息系统。并且v is u a l b a s ic 的推出为我们带来了客户机服务器应用开发的新时 代，它的三个版本提供了不同级别的数据存取功能。企业版 不仅包含了数据控件的全部功能，提供了全面的数据库对象 编程接口，可以把数据库存取对象和数据控件结合起来，以 得到更大的便利；而且另外增加了大量专门用于主从模式的 工具，包括专门存取远程o d b c 数据库的控件和对象。 本系统中客户端应用程序通过数据对象a d o 访问服务 器端的数据库( s q ls e r v e r ) 。2 5 舨本的h c t iv e x 数据对象 ( a c t iv e xd a t ao b j e c t ，a d o ) 是v is u a b a s ic 数据访问领 域中的最新内容，它提供了一种与v b 程序、a c t iv e x 组件 交互操作的方式。a d o 将要代替v b 数据库访问的最初方法 d a o ( d a t 8a c c e s so b j e c t ，数据访问对象) ，和一种代替d a o 的较快方式r d o ( r e m o t ed a t ao b j e c t ，远程访问对象) 。a d o 提供了程序代码访问数据库的方式，它通过一个o l ed b 提 供商连接数据库。o l ed b 是提供了访问许多不同类型的数 山东大学硕士学位论文 据的接口。o l ed b 建立在c o m 之上，c o m 即组件对象模型 ( c o m p o n e n to bj e c tm o d e l ) ，是m i c r o s o f t 提供的一种在不 同数据进程组件之间进行通信的方式。实际上，o l ed b 也 就是为数据访问而设计的一系列c o m 接口。o l ed b 提供商将 这些数据库呈现给a d o ，接着a d o 能以数据控件和对象界面 的方式连接数据。 2 3v g a 矩阵切换模块介绍 因为油田、厂矿等单位用电量很大，系统把采集到的电 力数据存储到数据库以后，还要对数据进行处理，以供企业 定期分析使用。同时企业要求把不同客户机中的电力数据投 射到大屏幕上进行对比分析，这样就需要研制一套v g a 矩阵 切换系统对计算机的显示信号进行重新分配和组合。 我们研制的v g a 矩阵切换系统能够把八路客户机显示 信号重新分配组合，然后根据客户的需要切换成八路输出信 号，输出信号通过投影仪投射到大屏幕上，最后用户可以对 大屏幕上的数据进行分析处理。因为计算机的显示信号由 红、绿、蓝、行、场五部分组成，其中红绿蓝是模拟信号， 行场为数字信号，设计电路时需要把他们分开考虑。而且 v g a 信号频率较高，为了不失真的切换信号，我们采用了 m a x i m 公司的视频矩阵开关芯片m a x 4 4 5 6 ，同时为了增加带 宽，在每路r g b 信号的输出端使用了专门的视频放大芯片 m a x 4 9 7 放大v g a 信号，m a x 4 9 7 是同m a x 4 4 5 6 匹配的视频放 大芯片。同时为了避免在信号切换过程中出现抖动的现象， 我们采用了在输入信号的场消隐期间进行切换的方案。 为了尽可能的方便用户，我们提供了三种控制方式：小 键盘控制、按键控制和计算机控制；同时使用e2 p r o m 提供 断电保护功能。在意外情况下可以保存控制状态；最后使用 了专门的显示芯片提供用户操作的控制信息，这样用户对整 个操作过程一目了然。 山东大学硕j ? 学位论文 第三章上位机通信模块介绍 3 1 上位机无线通信接口介绍 在无线信道中系统是构建在主从查询结构上的，上位机 利用专用的无线数据传输信道与下位机交换信息，完成电力 数据采集、高压开关控制、状态监控等功能。下图为通信接 口示意图。 计算机远程数据通信，由于受传输介质的制约，数字信 息直接在通信介质上进行远距离传输是很困难的。因此系统 采取了i p c 5 6 4 1 远程数据通信板，i p c 5 6 4 1 正是为满足远程 数据通信的需要，在微机i s a 总线的基础上，用符合国际通 信标准的大规模调制解调芯片开发的产品，可实现用短波、 微波作为信道的无线远程数据通信。i p c 5 6 4 l 本身带有与微 机兼容的串行口，因此不占有微机的资源，板上装有电平转 换接口电路，它可与r s 一2 3 2 电平的板外串行口相连也可以 和t t l 电平的板外串行口相连。也就是说i p c 5 6 4 l 既可以 作为一个一般的串行接口板使用，也可作为一个纯粹的调制 解调板使用，增加了灵活性，i p c 5 6 4 1 的串行接口使用了与 i n s 8 2 5 0 全兼容的w d l6 c 4 5 0 ，它是由c m o s 电路构成的异 步通信控制器，板上的调制解调器芯片为大规模的模拟及数 停 山东大学硕士学位论文 - ii i i _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ - i 字混合集成电路a m 7 9 10 。本系统中i p c 5 4 6 1 采用的调制方 式是f s k ，波特率设为1 2 0 0 b p s 时工作比较稳定，通信标准 符合c c i t tv 2 3 ，传输体制是p c m f s k f m ，半双工模式 并带幅度均衡器。具有体积小功能强，可靠性高，性能稳定 等优点。 3 2 系统通信协议的介绍 系统中上位机与下位机通过无线高频载波信道交换信 息，信道受空间噪声的干扰较大。因此，通过从实践中摸索， 我们制定了一套可靠有效的、非常适合于无线环境下的通信 协议。 本系统采用的是符合中华人民共和国电力行业标准 ( b l t 6 4 5 1 9 9 7 ) 通信规约的三相电子式多功能电能表，该 通信规约于1 9 9 8 年6 月1 日实施。因电能表的数据量非常 丰富，需单片机根据此通信规约读取数据，井暂存在r a m 中 以备上位机查询；下位机与上位机采用系统约定的通信格式 来传送数据。通过以上两个通信规约，即可完成一次通信过 程。下面逐一介绍： 3 2 1 字节格式 每字节含8 位二进制码，传输时加上一个起始位0 、 个偶校验位和一个停止位1 共1 1 位。其传输序列如图3 2 。 d 0 是字节的最低有效位，d 7 是字节的最高有效位，先传低 位，后传高位。 3 2 2 帧格式 帧是传送信息的基本单元，帧格式如表3 1 所示。 t | p d 7d 6 f d 5d 4d 3d 2d ld 00 l il 图3 2 字节传输序列 帧起始符6 8 h ：标示一帧信息的开始。 传送方向 山东大学硕：l 学位论文 地址域a 0 “a 5 ：地址域由6 个字节构成，每字节2 位b c d 码。 说明代码 帧起始符6 8 h a o a 1 地 a 2 址 a 3 a 4 域 a 5 帧起始符 6 8 h 控制码c 数据长度域l 数据域 d 盯a 校验码c s 结束码1 6 h 表3 1 帧格式 地址长度为l2 位十进制数，低地址位在先，高地址位在 后。当地址为9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 h 时，为广播地址。 控制码c ：控制码的格式如图3 3 所示。 d 7 = 0 ：由主站发出的命令帧d 7 = 1 ：由从站发出的命令帧 d 6 = 0 ：从站正常应答d 6 = l ：从站对异常信息的应答 d 5 = 0 ：无后续数据帧d 5 = l ：有后续数据帧 d 4 、d o ：请求及应答功能码 数据长度l ：l 为数据域的字节数。 数据域d a t a ：数据域包括数据标示和数据、密码等，其 山东丈学硕士学位论文 结构随控制码的功能而改变。传输时发送方按字节进行加 3 3 h 处理，接收方按字节进行减3 3 h 处理。 校验码c s ：从起始符开始到校验码之前的所有字节的模 2 5 6 的和，即各字节二进制算术和，不计超过2 5 6 的溢出值。 结束符号1 6 h ：标示一帧信息的结束。 3 2 3 系统自定义的通信规约 包头地址功能嶝制长度数据c r c包尾l f i j 图3 - 4 数据报文格式 系统的通信规约主要用于上位机与下位机的相互通信， 并以不同的帧格式区分不同的控制命令。鉴于无线信道受空 i 司的噪声干扰很大，我们在上位机与下位机之间的通信协议 中采取了以下抗干扰措施。 1 下位机是以数据报文的形式向上位机传送信息，下位 机把采集到的数据封装成包，并在包里加上包头、包尾识别 码，假如识别码有误，把这一次的传输作为不正常数据处理。 2 数据报文里还有各种识别码和控制校验码，上位机据 此判断通信是否正常。 3 我们还对字段和包的长度作了规定，一个字段有多少 个字节，一包有多少个字段组成如果数据最后不够整包， 也按照整字段的格式作为半包发送过来。 在发送过程中，如果由于干扰的原因数据传输出现错 误，下位机受到误码信息以后，会暂时把采集到的数据保存 在r a m 中；等到下次上位机发送传输命令之后，这些数据还 会重新发送到上位机来，这样可以避免了由于信道带来的数 据损失，从下位机向上位机传送的代码有a s c ij 码和压缩的 b c d 码，测量数据部分使用压缩的b c d 码主要是为了节省资 源，由上位机向下位机发送的命令均为a s c i 】码。 表3 2 为本系统自定义的通信规约，我们在制定高压供 断电命令帧时发现，由于无线信道的不可靠性出现了通信的 鲁棒性。鲁棒性是指一个系统在非理想环境下的工作能力， 6 山东大学硕j ：学位论文 这种环境里可能有许多其他信号或干扰，或者收到的信号电 平具有快速起伏的特征。由于无线信道充满了噪声，对数据 的正常传输干扰较大。我们在实际制定通信协议中发现，在 干扰较大的时候，往往上位机与下位机之间出现命令帧丢失 的情况，这样会出现一个奇怪的现象：下位机进行商压开关 的工作，但是上位机没有收到确认信息帧，所以它认为下位 机没有进行开关工作：或者下位机没有进行高压开关工作， 上位机以为工作进行完毕。鉴于高压通断电的严重性，必须 保证万无一失。因此为了克服此问题，我们把通信过程做了 一些修改，在每次发送完供断电命令帧后，上位机会检查一 次下位机的开关状态，以此来解决通信鲁棒性问题。 a 0 a 1 为下位机的标示号，c s 为校验和，0 d h 是结束码。 帧名称代码说明 握手位栅与下位：机在每踟自信时进行握手操作 命刽贞 队h ，f _ l h ，a 0 ，a i ，c s ，0 d h 以握手信鬯档沤别若干下位规。 跳频 嗍在蔡频殴工作不正常时，t 位柳发此 e a h ，e b h ，d ( m ，c d h ，0 1 h 命令帧 命令侦，下位老兀收到后更改避镕渤殴。 t 位棚姻b 虫蚓! 嫉觋高压电的接通，为安全 供电 1 日狙，a 0 ，a 1 ，d d h ，h ) h ，b c h c s ，o d h 起见需两次确认。匕逝们发出信息帧1 后， 命令帧 等待下出i 圊i 羞正确# e 后才能毖递鲼2 ， 2 e e h ，a 0 ，a 1 ，d o h ，e d h ，d h ，c s ，h 正确接收后正式供电。 断电 i 日翻，a 0 ，a j ，d d h ，f d h ，f u h ，c s ，0 d h 说明同供电i 今帧 命令f 赜2 e 日h ，a 0 a 1 ，d d h ，f d h ，f 3 h ，c s 0 d h 断电 下逝黝蛭嘶电( 相) 时，向匕位饥抽羞 报警帧f f = h ，a 0 ，a 1 ，c s h ，f f h ( 此嘲粘圈堀高) 数据 系统握手成功后，e t 湖发凶呦姨赇下位 通信帧e e h ，a 0 ，a 1 ，b b h ，1 3 1 ，l ，c s ，0 1 i - i 机糖羞数据，d i 是数 标示l 为数目目长度。 表3 - 2 系统自定义的通信规约 山东夫学硕士学位论文 3 3 上位机应用程序的设计与实现 3 3 1 软件的概念与特点 软件”这一名词在2 0 世纪6 0 年代初从国外传来，对 于它的一种公认的解释为，软件是计算机系统中与硬件相互 依存的另一部分，它是包括程序、数据及其相关文档的完整 集合。其中，程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指 令序列；数据是使程序能正常操纵信息的数据结构：文档是 与程序开发、维护和使用有关的图文材料。同时软件有以下 特点： 1 软件是一种逻辑实体，而不是具体的物理实体，具 有抽象性。 2 软件的生产与硬件不同，没有机械磨损、老化问题。 在软件的开发过程中没有明显的制造过程，它通过人们的智 力活动，把知识与技术转化成信息。所以对软件的质量的控 制必须着重在软件开发方面下功夫。 3 软件的开发和运行常常受到计算机系统的限制，对计 算机系统有着不同程度的依赖性。软件不能完全摆脱硬件单 独活动。在开发和运行中必须对硬件提供的条件为依据。而 且软件是非常复杂，成本相当昂贵。值得注意的是硬件软件 的成本4 0 年来发生了戏剧性的变化，现在软件的开销已经 大大超过了硬件。 3 3 2 软件的发展和软件危机 2 0 世纪4 0 年代中出现了世界上第一台计算机以后，就 有了程序的概念，它也算是软件的前身。经历了几十年的发 展，使人们得以对软件有了更为深刻的认识，在这几十年中， 计算机软件经历了三个发展阶段： 程序设计阶段，约为5 0 至6 0 年代 程序系统阶段，约为6 0 至7 0 年代 软件工程阶段，约为7 0 年代以后 早期的程序开发者只是为了满足自己的需要，这种自给 山东大学硕十学位论文 自足的生产方式仍然是其低级阶段的表现。进入软件工程阶 段以后，软件开发的成果具有社会属性，它要在市场中流通 以满足广大用户的需要，软件开发者和用户的分工和责任也 是十分清楚。同时随着计算机硬件技术的迸步，计算机的容 量、速度和可靠性有明显的提高，生产硬件的成本降低了。 计算机价格的下跌为它的广泛应用创造了极好的条件，在这 一形势下，要求软件能与之相适应。一些开发复杂的、大型 的软件项目提了出来。然而软件技术的进步直未能满足形 势发展提出的要求，在软件开发中遇到的问题找不到解决的 办法，致使问题积累起来，形成了日益尖锐的矛盾，这些问 题归结起来如下： 1 开发无计划性 2 软件需求不充分 3 软件开发过程无规范 4 软件产品无检测手段 以上这些矛盾多少描绘了软件危机的某些侧面，如果这 些障碍不能突破，从而摆脱困境，软件的发展是没有出路的。 经过许多计算机和软件科学家尝试，把其他工程领域中行之 有效的工程学知识运用到软件开发工作中来，经过不断实践 和总结，最后得出一个结论：按工程化的原则和方法组织软 件开发工作是有效的，也是摆脱软件危机的一个主要出路。 3 3 3 软件生存期模型 软件生存期模型是从软件项目需求定义直至软件经使 用后废弃为止，跨越整个生存期的系统开发、运作和维护所 实施的全部过程、活动和任务的结构框架。到现在为止，已 经提出了多种软件生存期模型。本软件的设计基于瀑布模型 ( w a t e r f a l lm o d e l ) ，因此主要介绍该模型。 瀑布模型规定了各项软件工程活动，包括：制定开发计 划，进行需求分析和说明。软件设计，程序编码，测试及运 行维护。如下图所示，并且规定了它们自上而下、相互衔接 的固定次序，如同瀑布流水，逐级下落。 软件开发的实践表明，上述各项活动之间并非完全是自 上而f ，呈线性图式。结合奉系统软件开发的过程来看，实 1 9 山东大学硕士学位论文 际开发活动应具有以下特征： 1 从上一项活动接受该项活动的工作对象，作为输入； 2 利用这一输入实施该项活动应完成的内容； 3 给出该项活动的工作成果，作为输出传给下一项活动； 4 对该项活动实施的工作进行评审。若其工作得到确认， 则继续进行下一项活动，在图3 5 中用向下指的箭头表 示：否则返回前项，甚至更前项的活动进行返工，在图 3 5 中用向上的箭头表示。 需要注意，软件维护在软件生存期中有它的特点。一方 面，维护的具体工作要求是在软件投入运行以后提出来的， 经过“评价”，确定变更的必要性，才进入维护工作。另一 方面，维护中对软件的变更仍然要经历上述软件生存期在开 发中已经经历过的各项活动。事实上，维护可以成为软件的 二次开发，正是出于这种考虑，软件在投入使用后可能经历 多次变更，这样可以把开发活动和维护活动区别开来，形成 丁完整的软件生存期图( 如图3 - 6 ) 。 图3 - 5 软件生存期的瀑布模型 2 0 山东大学硕士学位论文 本系统软件设计时大体遵循了以上步骤，首先针对本项 目提出总体计划：然后根据用户提出的需求进行分析：接着 设计整体方案，进行工作细分；其次开始软件的具体编程工 作：最后调试完毕进入软件测试阶段，通过测试交付用户使 用：最后用户开始试运行，进入软件维护阶段。根据个人的 体会，在最后一个阶段尤其重要，不仅使软件的结构更加完 善，增强了健壮性，而且根据实际情况作出一些修改，更利 图3 - 6 软件生存期循环 3 3 4 系统通信程序的实现 上面已经谈到，上位机无线通讯接口使用的是一块插在 i s a 扩展槽中的无线m o d e m 远程数据通信板，该数据通信板 带有一个9 针的标准串口，信号调制以后通过串口送入 k e n w o o d 公司的无线数据传输模块，然后通过2 2 0 m 的高频数 传信道传送到下位机完成通信过程。因此我们必须实现串口 通信程序的设计。 3 3 4 1 使用v b 6 编写w i l 2 d o w s 串口程序的概述 总所周知，在w in d o w s 环境下操作系统完全接管了各种 硬件资源，不允许用户直接控制串行口的中断管理。w i n d o w s 系统提供中断方式驱动的串行通信驱动程序( c o m m d r v ，t 山东大学硕士学位论文 通信程序无需直接对串行端口进行操作，而是通过驱动程序 这一编程接口进行间接操作。在w in d o w s 操作系统中，串行 通信采用“事件通知”方式，支持数据