（通信与信息系统专业论文）基于网络式rtu技术数据传输系统的研究.pdf

摘要 摘要 由于我国对电力能源需求不断增长、供电范围的扩大，而远动终端采用传 统的串行口通信方式( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 总线等) ，存在串行通信效率低、线路铺设 范围受限制、通信方式不灵活等缺点。 随着计算机技术、嵌入式技术、无线通信的发展和广泛应用，本文对一种 基于无线网络的电量远程采集系统的设计进行研究，它由数据采集模块、无线 通信模块、中继以及服务器接收端组成。数据采集端主要负责对电表能耗数据 进行采集并通过无线模块发送给中继，中继负责将其无线模块接收到的采集端 数据发送给服务器端进行显示并分析。数据采集端硬件方面本文采用 s t c 9 0 c 5 8 a d 型单片机，由于它具有2 9 k b 的e 2 p r o m ，保证了数据的安全性， 保证了断电情况下对能耗以及调度数据的保存，并且在信号采集前添加信号放 大、去毛刺的抗干扰处理电路以及高精度跟踪式稳压电源电路的硬件设计，保 证了信号数据高可靠性，而无线模块本文使用的是j t t - 4 3 3 u d i 嵌入式微功率无 线数字信号传输模块，中继部分按照实际情况制定的通信协议对数据进行路由 发送，保证了数据通信的稳定性，同时由于其采用了无线通信模式，使得系统 适用范围大大增加，免除了线路铺设的困扰。服务器接收端则用v c + + 6 0 设计， 对数据进行直观的显示，以此形成了整个数据传输系统，实现基于网络式r t u 电力数据的传输系统的设计，对远程能耗数据进行了监测，通过一个无线抄表 的实例对网络式r t u 技术数据传输系统进行了深入的研究。 该系统设计之后，对整个系统各个部分以及网络进行了测试，分析了结果， 并对系统当前的问题进行了总结，提出了未来的改进方向。 关键词：能耗；远动终端；无线通信；采集；中继 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eg r o w i n gd e m a n df o rt h ee l e c t r i c a le n e r g ya n dt h ee x p a n s i o no n t h e s c o p eo fp o w e rs u p p l y , t h er e m o t et e r m i n a lu n i ts t i l lu s et h et r a d i t i o n a l c o m m u n i c a t et e c h n o l o g yw h i c hi ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n i th a st h ed e f e c to fl o w e f f i c i e n c y , l a y i n gr a n g er e s t r i c t e da n di n f l e x i b l ei nt h em e a n so fc o m m u n i c a t i o n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r , e m b e d d e d t e c h n o l o g ya n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i tm a k e sar e s e a r c ho nad e s i g no fr e m o t e p o w e ra c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hb a s e do nt h ew i r e l e s sn e t w o r ki nt h ed i s s e r t a t i o n i t c o n s i s t so fd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，r e l a ya n d s e r v e rr e c e i v i n gt e r m i n a l d a t aa c q u i s i t i o nt e r m i n a l ，i ti s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o r c o l l e c t i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nd a t ao fm e t e ra n ds e n d i n gt h ed a t at ot h er e l a y t h r o u g ht h ew i r e l e s sm o d u l e 。r e l a yr e s p o n s i b l ef o rs e n d i n gt h ed a t at ot h es e r v e rt o d i s p l a y a n da n a l y z eb yw i r e l e s sm o d u l e ，t h ed a t ai sr e c e i v e df r o ma c q u i s i t i o n t e r m i n a l i nt h i sa r t i c l e ，i tu s e ss t c 9 0 c 5 8 a dt y p eo fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rf o r t h eh a r d w a r eo fd a t aa c q u i s i t i o n b e c a u s ei th a st h ec a p a c i t yo f2 9 k be 2 p r o m ， w h i c hi ss u f f i c i e n tt om e e tt h ed a t a s t o r a g e a n dc a ns a v et h ed a t ao fe n e r g y c o n s u m p t i o na n ds c h e d u l i n gi nt h ec a s eo fp o w e ro u t a g e s a n dw ea d d e ds i g n a l a m p l i f i c a t i o n a n dd e b u r r i n g p r o c e s s i n gc i r c u i t b e f o r et h e s i g n a la c q u i s i t i o n i t g u a r a n t e e st h er e l i a b i l i t yo fd a t as i g n a l i nt h ep a r to fw i r e l e s sm o d u l e ，i tu s e st h e j t t - 4 3 3u d it y p eo fe m b e d d e dm i c r o - p o w e rw i f e l e s sd i g i t a ls i g n a lt r a n s m i s s i o n m o d u l e i nt h er e l a y , i ts e n d st h ed a t aw i t ht h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw h i c hi s f o r m u l a t e di na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n i te n s u r e st h es t a b i l i t yo fd a t a c o m m u n i c a t i o n s a si tu s e sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e ，m a k i n gt h es y s t e mc a n a p p l yt om o r eg r e a ts c o p ea n de l i m i n a t i n gt h et r o u b l eo fl a y i n gl i n e s i nt h es e v e rp a r t ， i ti sd e s i g n e db yv c 6 0 t h u si t 1 1d i s p l a yt h ed a t ad i r e c t l y a tl a s t ，t h e s ef o r m e dt h e e n t i r ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e ma n da c h i e v e dt h ed e s i g no fp o w e rd a t at r a n s m i s s i o n s y s t e mb a s e do nt h en e t w o r kr t u s o i tc a nm o n i t o rt h er e m o t ee n e r g yc o n s u m p t i o n d a t a w ed e e p l ys t u d i e dt h en e t w o r kr t ud a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mt h r o u g ht h e i n s t a n c eo faw i r e l e s sm e t e rr e a d i n g a b s t r a c t a tt h ee n do ft h ed e s i g n ，at e s to ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e ma n dt h e e n t i r en e t w o r ki sd o n e w i t ht h ea n a l y s i so ft h et e s tr e s u l t s ，t h ee x i s t i n gp r o b l e m so f t h es y s t e ma r es u m m a r i z e da n dt h ef u t u r ed i r e c t i o no fw o r ki sp r o p o s e d k e yw o r d s ：e n e r g yc o n s u m p t i o n ；r e m o t et e r n 血n a lu n i t ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ； a c q u i s i t i o n ；r e l a y h i 第1 章引言 第1 章引言 1 1 背景和意义 近些年以来，伴随着通信技术、电子技术和传感器技术等各方面的发展， 人类已经进入到了高度发达的信息时代。各式各样的智能化设备的出现，越来 越丰富着人们的生活1 1 。在这样的大背景下，技术的飞速发展给整个社会的智 能生活环境的构建提供了结实的基础，数据传输系统在传输速率、稳定性、可 靠性、多样性都有了很大的提高，通过这些技术的发展，家庭宽带上网，网上 缴费、网上购物、全球眼、以及各种设备安全联网等功能，它们无时无刻的不 在体现着各类通信给我们带来的无比的方便和快捷。而相比之下，在电力系统 数据传输系统还停留在使用传统的串行口通信方式，如：r s 4 8 4 , , r s 4 2 2 ，r s 2 3 2 总线等【2 ，它们在使用中存在着易受干扰、传输速率慢、通信效率低、网络节点 少、通信方式不灵活、通信距离受限制等诸多不可忽略的缺点，并且各模块终 端之间无法直接进行点对点通信，只能通过主站中转，大大浪费资源。而随着 现代应用系统的规模不断扩大，继续采用这种数据传输方式，数据的实时性能 会急剧下降，而且在抗干扰和纠错能力方面的表现也较差。 同时随着通信技术、计算机网络技术以及嵌入式技术的高度发展，为了满 足电力系统部门对电力调度系统的需求，实现电力系统的设备实时运行状态的 实时监测以应对目前调度自动化对性能的广度和深度的需要的不断扩大，本课 题提出了基于网络式r t u 技术数据传输系统的研究方案【3 】。该技术的实现将可 以很好的加大电力数据的传输系统的适用范围，方便对现场环境恶劣的设备进 行远程监测和控制，同时减少了有线线路的铺设，大大降低了线路维护的开销， 由此可见，采用灵活性更高的网络式远动系统，它对进一步提高变电站自动化 水平，增加电网经济效益都将有十分重要的意义【4 。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 在二十世纪后期，人们凭借电子技术、传感器技术、通信技术的高度发展， 第1 章引言 发明了自动抄表技术 5 】，它诞生于美国，而后由于其出色的功能表现和智能化， 逐渐变成了新兴的高科技产业。当然，最早美国在1 9 8 6 年已经成立了技术协会， 并命名为自动抄表协会，至此就开始了对抄表系统的大力研究。紧接着，欧洲 也逐步成立了他们的自动抄表协会，它的全称是自动仪表的读数联合会，这个 协会是电气和i e e e ( 电子工程师协会) 认可的符合标准的委员会【6 】【7 1 ，它的成立目 的在于更加的便于开发a m r 系列产品的标准，但是在大部分国家实际发展情况 差异很大的情况下，到目前为止，这个组织还没有提出一套统一的自动抄表的 标准，这也就导致了现在国际上的抄表方式杂乱无章，无规矩可寻。 在日本，也有类似的组织，他们由多家电气公司或是大的电气公司组成， 被称作是“e c h on e t w o r kc o n s o r t i u m ”，于是他们也提出了属于自己的标准，并 且命名为o p u s ( o p e np l a n e t u n i v e r s a ls t a n d a r d ) 标准，该标准是用来实现各 个家电之间以及各种家电与万维网之间的互联【8 】，不仅解决了家庭内部家电之间 的互联通信，还解决了内部与外部的通信问题，这种方式还可以解决电气控制 以及自动抄表等问题一j 。 在欧洲，家庭和楼栋电气系统委员会i - i b e s ( h o m ea n db u i l d i n ge l e c t r o n i c s y s t e m ) t c l 0 5 和主干网通信系统委员会s c 1 0 5 a 成立了多个标准制定工作组 n 0 】。致力于研究在电力网络上的电力载波通信系统的协议标准以及数据规范， 其主要作用在于利用电力网的广泛地域范围，大大减少线路铺设的开支，但是， 虽然电力网拥有巨大的发展潜力，而用于保证抗干扰性和用户系统多样性互兼 容等大部分普通功能，到现在还是没有一致的统一设计，这也就是现在电力线 载波技术发展很受大众关注的重要原由。 目前，在一些发达国家已经开始使用远传方式来进行抄表，并且能够通过 用户银行结算当月费用。在美国目前使用的是无线的远传方式，在欧洲的大部 分国家则使用的r s 4 8 5 等有线连接，然后集中数据一起读取的方式，而日本开 发了利用电话线的进行远传通信的系统方式来进行用户数据的采集。可以看到 美国的电力公司已经在其管理的用户范围已经有超过4 0 的用户采用了无线抄 表系统进行用户数据采集，并且同时还开发了相应的设备如车载抄表器以及手 持抄表器来采集用户的用电量【1 1 1 。再者，d e n v e r 公司已经开始对水表的抄表系 统进行改装构建智能抄表网络，这一网络不仅可以进行双向通信，在向抄表单 元发送数据的同时，还可以对网络的所有采集终端进行控制【l2 1 。还有，基于低 压电力线载波技术的抄表技术目前在国外也具有比较深入的研究和发展。 2 第1 章引言 1 2 2 国内发展现状 目前，在国内大部分的采集方式还是有线的数据采集方式，它的典型设计 如图1 1 所示。首先，将所有的采集终端连接上r s - 4 8 5 总线，并且每个采集单 元用光电藕隔离器进行隔离，以此防止系统的某些终端的电流过大破坏其他的 终端的正常通信工作。然后将全部的终端通过小区集中器汇聚在一起，最后通 过p c 机( 上位机) 进行调度。 图1 1r s - 4 8 5 抄表系统结构图 r s 4 8 5 标准其实可以进行一路多发的电路标准，它不仅在这个方面具有优 势，而且它还能更好地抑制远程传输噪声的干扰，使得传输距离更加的远，最 远距离能够达到1 2 千米，相对传输速度也可达到1 0 0 k b i t s ，r s - 4 8 5 还有超强 的多载的有剧1 3 】【1 4 1 ，用一对线就可以连接超过3 2 多个传送或接收的终端。在当 前的抄表系统，r s 4 8 5 网络获得广泛的应用，但同时它也有缺点的，比如施工 以及维护困难，适用地理环境有限。 除了r s - 4 8 5 以外还有其他大量的采集方式正在研发中，并且部分已经投入 使用，比如电力载波通信、i - i f c ( 综合数字服务宽带通信) 等等。其中电力载波 通信直接采用目前应用的低压的线路传输数据，去除了铺线工程的花费，比较 其他的有线网络有明显的优势，然而其他的技术都着脉冲和其他谐波的影响， 较之h f c 综合数字服务宽带通信技术的有线双向宽带技术，数据传输量多和传 输速度快以及抗干扰能力好这些好的地方，可是投资大、成本高，在现行的水 3 第1 章引言 表的抄表系统里面应用还是很少的【1 5 。 无线数据采集通信技术，应用最为广泛的目前还是在第二代移动通信方式 g s m 后一代分组交换的数据传输方式g p r s ，其使用的是时分复用的技术，可 以进行高速的数据传输，理论上速度的最高值可以达到1 1 5 k b i t s ，但是它的缺 点是，该无线网络的覆盖面还不很全面，有信号盲区，这样就会导致一些没有 无线信号的区域无法进行数据的采集，而这个盲区的取出并不能因为这方面的 功能而去增加基站。 在g p r s 技术应用在无线抄表系统的同时，很多其他的通讯技术也在研究 和开发之中，比较有代表性的有无线传感网络技术的应用，它具有低功耗、组 网方便、成本低、可靠性高等的特点 1 6 1 ，已经成为了各国的重要科研课题，伴 随的这项技术的不断发展和深入研究，把它应用到智能抄表系统当中成为一种 社会的发展趋势【1 。7 1 。 1 3 本文主要工作 本文首先分析了当前国内外在电力能耗数据采集系统的发展现状，结合一 个能耗监测平台设计的项目设计了一个小型的电表无线抄表系统，重点分析其 中系统中数据传输所使用的通信方式的使用，协议的制定，并且设计整个通信 平台，按照自定义的数据格式协议进行了通信。 平台通信协议的制定是根据以前的项目的通信协议再结合当前数据传输系 统的具体要求而制定，其中包括有起始符、命令类型、数据说明、数据、校验 位、结束符的数据格式的设计。 无线抄表系统的设计包括软、硬件两个部分的设计，硬件部分从硬件模块 芯片选型、各芯片外围电路的搭建、各类通信总线技术使用一直到硬件电路p c b 电路板设计来阐述了整个硬件电路的设计。而软件部分，本文详细描述了各个 模块电路的驱动程序的编写，协议的代码实现，并且在p c 机上用v c + + 6 0 编写 了一个接收数据的监测后台，把平台的代码实现过程进行了详细阐述，并对其 中遇到的问题进行了分析，描述了具体的解决办法。 1 4 本文章节安排 本文共分为七章。各章节的主要内容安排如下： 4 第1 章引言 第一章主要讲述背景及意义、国内外发展现状。 第王章主要讲述数据晦通信协议构制庵及相漾编译软舛。 第三章主要讲述硬件芯片选型及模块外围电路设计。 第四章主要描述软件设计流程。 第五章详细介绍系统的软硬件调试。 第六章对系统进行总结和展望。 5 第2 章数据的通信协议的制定及相关编译软件 第2 章数据的通信协议的制定及相关编译软件 系统的构建首先必须制定符合整个通信系统的工能要求的数据通信协议， 本章在2 1 节会对协议的制定原因、内容、目的进行分析阐述，同时为了让整个 系统按照设计的目的运转起来，就必须将设计的方法通过代码的形式表达出来， 发送给整个硬件系统让其工作，这个过程本文要用到一些编程软件，如：k e i l i t v i s i o n 3 、v c + + 6 0 、p r o t e ld x p2 0 0 4 ，本章对此些软件的使用都进行了简要的 介绍，为软件设计提供了重要的基础。 2 1 通信协议的制定 2 1 1 嘲编结点分布 出于整体的网络的设计，这里有3 个采集点和一个中继以及服务器端，整 个的网络结点实际分布图如图2 1 所示。图中采集点2 为员工宿舍，3 为办公楼， 4 为培训部大楼，l 号点为中继部分，蓝色表明的接收端服务器所在地。 图2 1 网络结点实际分布图 2 1 2 传，i 数据协议数据段解析 由于按照实际的需要，论文实验的数据必须要有能够对数据的完整度进行判 6 第2 章数据的通信协议的制定及相关编译软件 断，这里对整个数据包加上起始段和结束段，分别$ s t a r t 和e n d $ 结束符，对 数据包功能进行描述。它里面分配了1 个字节，其中0 x 0 1 为采集到的数据，0 x f f 为清零指令，在数据说明数据段论文中定义了起始结点地址和目标结点地址，这 里系统的整条路由路径的只有两条，所以只要用到两个地址就足以满足要求，表 2 1 即为数据协议的具体格式表。对于更大的，多跳网络的该协议是不适用的，这 里就需要加入本地结点地址、下一跳结点地址，以实现路由的功能，路由路径的 获取会存入每个结点的e 2 p r o m 中，新的协议的制定会在后一部分中提出。 表2 1 数据协议帧结构表 数据位起始 说明 代表意义数据长度例如 下标 起始符协议起始 6o0 x 0 1 命令类型数据包用途 1 6 0 x 0 1 起始结点地址 o x 0 1 目标结点地址 数据说明 47 设备参数( 中继电池电压) 0 x 0 1 m i i ， 电表读数脉冲个数或( 电表读数) 4 1 61 l o x i f , 0 x f f , 0 x f f ， 0 x f ! f 木2 0 校检位数据长度 17 50 x 4 c 结束符协议结束 4 7 6o x 0 1 2 1 3 监控中心指令数据格式 整个系统论文采用的问询方式的采集数据，这就需要监控中心服务器也有 固定的指令数据格式，同样它的起始和结尾是$ e n e r g y 和e n d $ ，数据命令类 型论文用o x 0 0 表示其为取数据指令，若该位为0 x f f 即为清零指令，数据说明 内容如传输数据说明一样，其具体的数据段格式表如下表2 2 ： 表2 2 指令数据段格式表 说明代表意义 数据长度数据位起始下标例如 起始符协议起始 70$ e n e r g y 命令类型数据包意义 17 0 x 0 0 ( 取数据) 本地单片机地址 数据说明 48 o x 0 0 ，o x 0 1 ，0 x f f , 0 x f f 目标单片机地址 结束符协议结束 41 2e n d $ 7 第2 章数据的通信协议的制定及相关编译软件 2 1 4 数据协议的具体数据格式 针对协议，这里就有了具体的各种数据格式的形式，以下是各类数据的实例： 1 取数据指令： 0 x 2 40 x 4 50 x 4 e0 x 4 50 x 5 20 x 4 70 x 5 90 x 0 00 x 0 00 x 01o x f f o x f f0 x 4 50 x 4 e 0 x 4 4o x 2 4 2 清零指令： o x 2 4o x 4 50 x 4 e0 x 4 50 x 5 20 x 4 70 x 5 90 x f f0 x 0 00 x 01o x f fo x f f0 x 4 50 x 4 e 0 x 4 40 x 2 4 3 接收数据： 2 45 3 5 44 15 25 40 20 4o o7 4f fb c5 73 33 30 0 0 00 00 0 0 00 00 0 0 00 00 0 o o o oo o o oo oo o 0 0o oo o0 0 o oo oo oo o0 0o o 0 00 0o oo oo o o oo oo o o oo oo o o o o o o oo oo o o o0 00 0 o oo o o oo o 0 0 o oo o0 00 0 o oo o o o0 0o o0 04 b4 54 e4 4 2 4 ( 该数据为3 相电表的一帧实时数据包) 。 2 1 5 新协议的制定 为了能更好的防止数据丢包和漏包，在平台设计的后期，对数据格式协议 进行了大量的改进，引进了路由路径的概念，以此实现上位机对数据传输路径 的控制，整个数据协议的格式如下表2 3 所示。 表2 3 新数据协议帧结构表 数据段细节说明下标位备注 o x 4 1 0 协议头 0 x 4 11a s c i i3 个字节 a a a 0 x 4 12 0 x 0 13 加密段 0 x 0 24 高字节 5 本结点地址 低字节 6 高字节 7 下一结点地址 低字节 8 高字节 9 起点地址 低字节 1 0 高字节 1 1 终点地址 低字节 1 2 8 第2 章数据的通信协议的制定及相关编译软件 数据段细节说明下标位备注 控制码0 ：c o 1 3 控制码1 ：c 1 1 4 控制段 控制码2 ：c 2 1 5 控制码3 ：c 3 1 6 高字节 1 7 总包数 低字节 1 8 高字节 1 9 当前包 低字节 2 0 结点数单字节( 1 ) 2 1 高字节 2 2 数据域长度 低字节 2 3 数据l 个字节 2 4 校验位单字节 2 4 + l 路由路径。1 2 个字节 2 5 + l 协议尾 0 x 4 22 5 + l + 2 1 0 x 4 22 6 + l + 2 1 a s c i l 3 个字节 b b b 0 x 4 22 7 + l + 2 1 该协议初步指定如此，还是通信调试中，数据的上传，下发的过程已经基 本可以实现。 按照该协议的数据格式示例应该如此： 0 x 4 1 ，0 x 4 1 ，0 x 4 1 ，0 x 0 1 ，0 x 0 2 ，0 x 0 0 ，o x 0 0 ，o x 0 0 ， 0 x 0 1 ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ，0 x 0 5 ，0 x 0 1 ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ， o x 0 0 ，o x l 0 ，o x 0 8 ，o x 0 4 ，0 x 0 5 ，0 x 4 1 ，0 x 4 2 ，0 x 4 3 ， 0 x 4 4 ，0 x 4 5 ，0 x 1 d ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ，0 x 0 0 ，0 x 0 1 ，0 x 0 0 ， 0 x 0 3 ，0 x 0 0 ，0 x 0 5 ，0 x 4 2 ，0 x 4 2 ，0 x 4 2 其中的路由路径为0 0 0 1 0 3 0 5 ，数据位1 2 3 4 5 ，当前地址为o o 。 2 2 软件开发环境简介 2 2 1 单片机程序的编译与调试 单片机开发软件一般包括两个部分：程序的编译和调试。 本文的编译过程已经包括了编译和连接。其中编译是指将c 语言源程序或 是汇编语言源程序编成机器码，此时机器码的地址是相对的，单片机还不能执 9 第2 章数据的通信协议的制定及相关编译软件 行，需要用连接器把这些地址在单片机的绝对地址上进行定位，把代码放到对 应的地址当中【1 8 】。 只有编译器和连接器还不能够进行单片机软件的开发，还必须有一个仿真 的环境，把程序放到单片机的程序存储器中，控制单片机的运行，并且能够把 运行过程中的寄存器等状态内容读出来。 2 2 2k e i lc 5 1 集成开发环境i j lv i s i o n 3 对于单片机程序的开发，一般采用k e i l 公司的v i s i o n 系列开发工具，它 支持汇编语言以及c 5 1 语言程序设计。k e i l tv i s i o n 3 编译器完成对程序的编译、 连接工作，并最终生成可执行程序【1 9 1 。 k e i ll x v i s i o n 3 集成开发环境具有标准的w i n d o w s 界面，对于一个l t v i s i o n 项目工程，其界面效果如图所示。由于采用了标准w i n d o w s 窗口界面，k e i l t v i s i o n 3 集成开发环境是由菜单栏选项、工具栏选项、工作区选项、项目管理窗 口选项以及输出窗口等部分组成 2 0 】，其开发环境界面如图2 2 。 图2 2k e i l - t v i s i o n 3 开发环境界面 在开发环境中，k e i ll t v i s i o n 3 的菜单栏选项和工具栏选项提供了编辑操作、 编译调试、项目操作和帮助这些各种常用操作的选项。其中，项目管理选项是 用来对整个c 5 1 工程项目进行管理的，其中包括有头文件和源文件等等2 1 】【2 2 1 。 1 0 第2 章数据的通信协议的制定及相关编译软件 k e i lp v i s i o n 3 中c 5 1 开发步骤： 当硬件电路和软件开发环境都准备好了以后，便可以再k e i lt t v i s i o n 3 集成 开发环境中编写c 5 1 程序，并下载到硬件电路中执行。具体步骤是第一步先启 动k e i t v i s i o n 3 集成开发环境，在编译器中创建新的项目，在项目中添加所有的 源文件，然后就可以在其中编译项目的代码程序了【2 3 1 ，最后可以通过b u i d 选项 对项目进行编译。 2 2 3 接收后台设计软件v c + + 6 0 v i s u a lc + + 6 0 是微软公司推出的目前使用极为广泛的基于w i n d o w s 平台的可 视化集成开发环境，它和v i s u a lb a s i c 、v i s u a lf o x p r o 、v i s u a lj + + 等其它软件构成 了v i s u a ls t u d i o ( 又名d e v e l o p e rs t u d i o ) 程序设计软件包。d e v e l o p e rs t u d i o 是一 个通用的应用程序集成开发环境，包含了一个文本编辑器、资源编辑器、工程编 译工具、一个增量连接器、源代码浏览器、集成调试工具，以及一套联机文档【2 4 】【2 5 1 。 使用v i s u a ls t u d i o ，可以完成创建、调试、修改应用程序等的各种操作。 v c + + 6 0 提供面向对象技术的支持，它能够帮助使用m f c 库的用户自动生 成一个具有图形界面的应用程序框架。用户只需在该框架的适当部分添加、扩 充代码就可以得到一个满意的应用程序瞄】。 对于比较简单的程序，可以直接选择该项命令，编译、连接和运行一次完 成，一个打开工程的界面如图2 3 。 i 稀蓄蠢蘩鬈i 爱磊鬻蓄翥i 黼“戮。1 “鋈鋈饔蠢藕黼麓； | | | _ 鍪警誊囊蒺鬻蠹冀鬻蠹藿i 蠹鞭鳓溯骥璧爨璧矍| | 蛰i 蛰譬g 棼舟瞧i 蹦= 墨妻皤秘鬻i d 帅 皇 黼l 麟瓣灞孥褥套蟊罐誊i 嘴驯骚蒙i 暖麓黪垂g 雏瓣麓。”糖黜o8 8 。；。j 。薹黧 藿k - - 霉篁璧筻d 岫童i 攀酱豁i 臻湖。锄- 。姐_ - ”。幽l i 懒由q奠葛婿孽簪? j ；。鬻 扩雾器怒，一 ，“t “t “m l - - ：m rf i n ， i ：翟鏊蕊鲞鬣 n f i n _ i i f x 。_ e t t _ h th ”c l 斗 t - l c 蝇1 5 c 苷抖h 。l 黼哺n i ；麓飘 目* 盘c 肺l 一。s l a i p e r t h 。 i _ 9 4 c n 一 - m w f ，cv 1 ) 1 l “i l 1 1 1 i l l l l l l t l l l l l l i u | i i h | | “f l l l l l l l l l i i i i i l l | i i i ，n 口a t _ l l “j ， m i l - l t * - h t e t * t - l _ s - t l a s s n 蚺l ，：- l i c 口l n 1 i ，：t r k t i 舶 p u b l l ： 1 1 9 0 lt t a r t _ i u n g ( $ m tt l m l a t 廿# 竹t - i l n tl - n ，； 啪t l - n 哪l l c c m 一r t - 黻l ，；1 1 ，t “咖嘲t r 嚏t 妒 i m l i h n n r i n m ； i l ns t s r - s tc - 一嵋峭”_ s ti ni n 觚伸q l s tc 矿n l 竹洲tl n n i t r l i ； s t a t i c 啪i m nr e q t t ( l h l l l1 ，h r j - t 打 ； ，h l q m ； l ，“l 舴：- i 州鼬t “t - n 曲坤l 嘲mf d i ”1 0 k 眭i 帕1 蛐j l 虬阽 ： * 岫伸埘 气t 0 - b 0 x ； x n p n t - 鲈； “f ” ”二、 、蠢 蠢囊 ：j l i 纛囊搿。舞瓢，灞黼。械辩撕。鬟燃漱。泓一黝翻。 j ：。 煮 图2 3v i s u a lc + + 6 0 开发环境界面 1 1 第2 章数据的通信协议的制定及相关编译软件 2 3 本章小结 本章重点在于整个系统通信协议的制定，按照一般的通信数据包格式对协 议进行编制，同时结合本系统设计的需求对协议进行调整，最终完成了数据传 输协议的制定，以满足能耗数采集数据采集传输的需要，最后对服务器后台软 件编译器v c + + 6 0 以及单片机程序编译器k e i ll x v i s i o n 3 进行了简要的介绍。 1 2 第3 章硬件芯片选型及模块外围电路设计 第3 章硬件芯片选型及模块外围电路设计 根据电能数据传输系统的需求分析，硬件系统应该分为电能能耗数据采集 模块、无线模块、中继模块三个部分，在整个系统的构造过程中必须了解各种 外围电路的设计( 其中包括单片机的选型、p c b 制板) ，同时还要对模块接口进 行正确的布线，在了解各类接口技术和系统的功用的情况下对无线模块进行合 理的配置，为传输系统硬件部分提供了全面的设计依据。 3 1 电能能耗数据采集模块 电能能耗数据采集模块处于网络系统的最前端，论文的测试系统只对电表 读数进行了采集，其中包括两种方式：1 脉冲式，2 4 8 5 直读式。该采集模块 通常都是安装在测试现场，有相应的保护措施，防止裸露在配电间形成短路而 造成危险。由于方式一的脉冲式采集模块采集数据时是将脉冲数据累加而得到 数据，所以不能允许数据丢失。但是断电现象又是一种必然，这里本论文采用 每次从e 2 p r o m 中将采集数据读出，然后进行数据累加等处理，再将数据存入 相应的e 2 p r o m 地址当中去。以确保数据的安全性，不会丢失。而方式二直读 4 8 5 无需保存数据，当需要当前电表读数时，只要发查询指令就能得到当前的电 表读数。两模块的实现框图如图3 1 和3 2 所示。 图3 1 脉冲式采集模块实现框图 1 3 第3 章硬件芯片选型及模块外围电路设计 图3 24 8 5 式采集模块实现框图 3 1 1 微处理器选型 单片微型计算机简称单片机，是在高度发展的超大规模集成电路技术背景 下孕育而生的，由于它拥有体积小、性价比高、功能强等诸多优点，人们在日 常生活的各个领域对其进行了广泛的使用【2 7 1 ，比如在计算机网络的通信和数据 传输方面，导弹飞机等的导航装置方面，在工业自动化技术里面的数据处理和 实时控制方面，目前生活当中常用的各类智能i c 卡方面，民用汽车、电动车安 全保障系统方面，摄像机、录像机、洗衣机等的全自动控制方面，以及电子宠 物、程控玩具方面等等【嬲，这些设备的设计都和单片机的加入密不可分，那么 在医疗器械、自动控制领域的机器人、智能仪表领域的使用就更不用说了。所 以在单片机的开发与应用、学习过程中会招就大量的计算机应用与智能化控制 的工程师、科学家，那么，一块的单片机适合的、合理的选择显得非常的重要【2 引。 由于单片机的选型是如此重要的一个环节，那么如果对单片机型号进行了 合适的选择，单片机为核心的整个应用系统会在经济上节约成本，并且系统稳 定；但是如果选择得不合适，不仅仅会会造成经济上的大量浪费，并且会大大 的影响单片机应用系统的正常稳定运行工作，甚至会导致实际效果根本无法达 到大家所原本预设计的功能。 当然，在对于本身已经设计好的单片微型计算机应用系统来说，它在技术 要求方面和功能部分方面的要求都应当已经是很明确了。这时，如果选择了功 能过于少或者性能不够好的单片机，那么，由这个单片机构建的单片机应用一 同将无法本文所预设的功能以及控制的任务。相反，如果选择的单片机功能过 1 4 第3 章硬件芯片选型及模块外围电路设计 于功能强大、性能优越，这样是根本是没有必要的，不仅会造成资源的大量浪 费，而且会使得整个产品的性价比大大降低。 那么，只要能够很好的掌握单片机选型的正确原则和合理的运用单片机， 我们就可以在庞大的单片机市场中选择出最能适用于我们所设计的单片机应用 系统的单片机，不仅保证了单片机要应用系统所需的最高的可靠性，同时保证 了功能的全面性，并且使得性能价格比能够达到最优化，使得使用寿命最长和 升级换代最容易成为可能。 在单片机芯片的选型时，遵循的总原则如下： 芯片含有( 功能或数量) 略大于设计需求，设计需求尽可能用芯片完成，而少 用外围器件，选大( 大厂家) 不选小( 小厂家) ，选多( 供应量多) 不选少( 供应量少) ， 选名( 名牌) 不选渺不知详情的厂子，选廉( 廉价) 但要好( 质量保证) 即性能价格比 高的【3 0 】。 同时，对于单片机选型，可以主要从整个单片机应用系统的实用性、可开 发性、技术性三方面来考虑。 实用性：这个方面要从单片机的信誉程度、供货渠道、相关产品质量等等 角度来对单片机的生产厂家进行选择，以此来保证所选的单片机能够在所设计 的单片机应用系统中可靠的、长期的正常稳定运行： 可开发性：这个方面主要需要对所选单片机进行外围辅助工具的考查，选 用的单片机应该要有可靠的可开发方式，比如其具有仿真调试、程序开发调试、 下载器、通信连接线等等： 技术性：这个方面首先必须了解所设计的单片机应用系统的技术要求，在 这个技术要求的基础上来考虑单片机的技术指标，对单片机芯片进行合理的选 择，以此保证单片机应用系统在所选单片机的支持下能够可靠正常的运行【3 u ； 由于本文所设计的4 8 5 式三相电表能耗数据采集模块要求连接在4 8 5 总线 上对电表数据进行采集，同时又要通过使用t t l 电平的无线模块来将采集到的 数据发送到中继模块部分，这就要求单片机拥有两个通信端口，这里应该选择 拥有双串口的单片机，所以论文中选择了深圳宏晶有限公司的s t c l 2 c 5 a 6 0 s 2 ， 它速度快，是普通8 0 5 1 快八到十二倍，同时最主要的是它拥有两个串口，除了 普通的8 0 5 1 的p 3 0 ，p 3 1 串口通信端口外，它的另一个串口在p 1 2 ，p 1 3 上。 而脉冲式的采集模块则由于需要比较大的e 2 p r o m 空间，论文中选择了同 一个生产商深圳宏晶有限公司的s t c 9 0 c 5 8 a d 芯片，它的5 8 个e 2 p r o m 扇区， 1 5 第3 章硬件芯片选型及模块外围电路设计 每个扇区拥有5 1 2 个字节，空间足够大，适合对数据进行保存，其片内结构图 如图3 3 所利3 2 1 。 图3 3s t c 9 0 c 5 8 a d 芯片片内结构图 针对论文应用的实际要求，适当合理的安排各个引脚的分配，引脚的匹配 关系到整个板子的布局，对硬件设计起到了指导性的作用，好的引脚分配非常 有益于硬件的开发。 3 1 2 跟踪式稳压电源供电电路设计 对于一套完整的电路板的设计，首先需要的模块就是对整个系统提供稳定 电压、电流的供电模块，稳定正确的电源模块是系统平稳工作的重要条件和基 础。 一个完整的电子设计，其首要问题就是解决为整个系统提供电源的供电模 块，稳定可靠的电源模块是系统平稳运行的前提和基础。电源是整个控制系统 最重要的能源供应部分，电源的好坏直接影响整个系统能否正常稳定运行。为 了保证传感器的测量准确性，必须保证供电电源恒定3 3 1 。 1 6 第3 章硬件芯片选型及模块外围电路设计 本系统的电源供电电路的设计，采用的是高精度跟踪式稳压电源设计电路。 这种电源的设计不仅提高了抗干扰能力，而且提高了电源的可靠性，从而使得 能耗数据采集模块能够正常的工作，保证采集数据的正确性，电源供电电路稳 压原理图如图3 4 所示。 图3 4 电源供电电路原理图 首先利用变压器将2 2 0 v 交流电进行变压，然后通过桥式电路对输入电压 整流，再利用负反馈跟踪自适应调压电路对电路进行稳压，最终输出稳定的 v c c + 以及v c c 正负电源，其中在正负电源之间加入了反馈跟踪电路，电压 基准选用高精度电源模块l m 3 3 6 ，由于l m 3 3 6 内部采用了先进的激光校验技 术，具有温度内外补偿功能，从而避开了普通稳压后在击穿时带来的噪声，使 得噪声系数