（通信与信息系统专业论文）线路供电水情遥测终端的设计.pdf

摘要 水情遥测系统是应用遥测、通信、计算机技术，进行江河流域降雨量、水位 等数据的实时采集、报送和处理的信息系统。遥测终端( r t u ) 主要完成对水情 数据的自动采集、存储，将数据传送给中心站的系统主机，主机接收各遥测站数 据并进行分析后作出正确决策，从而为水利部门提供及时准确的水情信息，提高 水利部门管理水平。 本课题设计了一种基于线路供电的水情遥测终端，利用电话线直接供电调制 解调器，并且通过供电接口将节余的电能供给下位机，实时采集雨量、水位等水 文数据，并对采集到的数据进行固态存储和传送，实现雨水情数据的全年自动化 记录。 文中首先分析了水情遥测系统国内外的研究现状，简要介绍了其组网方式、 工作体制、主要功能及技术指标，然后提出了线路供电的水情遥测终端的设计思 想。设计主要分为两部分展开，硬件设计部分，主要包括了微处理器a t m e g a l 6 9 和调制解调器c m x 8 6 8 的选取、数据存储器的扩展、人机接口、数据通信模块、 电源供电和数据采集等硬件模块的设计，软件设计部分就硬件的各主要功能模块 设计了相应的工作流程和程序，最后就功耗、存储特性和可靠性对整个遥测系统 进行了相关的性能分析，并进行了工作总结和展望。 关键词：遥测终端线路供电固态存储a t m e g a l 6 9 c m x 8 6 8 a b s t r a c t t h eh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e mi sa i li n f o r m a t i o ns y s t e mw h i c hi su s e dt oc o l l e c t ， t r a n s m i ta n dp r o c e s st h er e a l t i m ed a t as u c ha sr a i n f a l l ，w a t e rl e v e la n ds oo n ，b y a p p l y i n gt e l e m e t r y , c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h er t ui sm a i n l y d e s i g n e dt oc o l l e c t ，s t o r ea n dt r a n s m i tt h ew a t e ri n f o r m a t i o nt ot h eh o s tc o m p u t e ro f t h e c e n t e rs t a t i o n t h eh o s tc o m p u t e rr e c e i v e st h ed a t af r o mt h er t ua n dm a k e sc o r r e c t d e c i s i o na f t e ra n a l y z i n g w h i c hp r o v i d e st h ew a t e rc o n s e r v a n c yw i t l li m m e d i a t ea n d e x a c tw a t e ri n f o r m a t i o n ，a n di m p r o v e st h em a n a g e m e n tl e v e la sw e l l t h ep a p e rd e s i g n sak i n do fl i n e p o w e r e dh y d r o l o g yt e l e m e t r i ct e m f i n a lw h i c h d i r e c t l yp o w e r st h em o d e mw i t ht h ep h o n el i n e ，a n dp r o v i d e st h es u b o r d i n a t e c o m p u t e rt h es u r p l u se l e c t r i c i t yb yp o w e ri n t c r f c r e n c c t h et e r m i n a lc o l l e c t st h ed a t a l i k er e a l t i m er a i n f a l la n dw a t e rl e v e l ，s t o r e si ns o l i d - - s t a t ea n dt r a n s m i tt h e mt ot h e h o s tc o m p u t e r , w h i c hr e a l i z e st h er e c o r do f h y d r o l o g yd a t at h ew h o l ey e a r t h ep a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no nh y d r o l o g yt e l e m e t r i c s y s t e mb o t ha th o m ea n da b r o a d ，a n di n t r o d u c e si t sc o n n e c t i n gt y p e ，w o r ks y s t e m ，m a i n f u n c t i o na n dt e c h n i q u ei n d e xs i m p l y t h e nad e s i g no fl i n e - p o w e r e ds y s t e mi sb r o u g h t f o r w a r d i ti sd e s c r i b e di nt w os e p a r a t ep a r t s f o rt h eh a r d w a r e ，i tm a i n l yi n c l u d e st h e s e l e c t i o no fm c u a t m e g a l 6 9a n dm o d e mc m x 8 6 8 ，t h ee x p a n s i o no f d a t as t o r a g e ， t h em a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o n ，t h ep o w e rs u p p l ya n dt h ed a t a c o l l e c t i o n ；f o rt h es o f t w a r e ，t h ew o r kf l o wa n dp r o g r a m m e r sa r es c h e m e do u ta c c o r d i n g t ot h eh a r d w a r e a tl a s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ec o n s u m p t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t o r a g ea n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，s u m m a r i z e sa n dp r o v i d e ss e v e r a lp e r s p e c t i v e s a s w e l l k e y w o r d s ：t e l e m e t r i ct e r m i n a l ，l i n e - p o w e r e d ，s t o r ei ns o l i d s t a t e ，a t m e g a l6 9 c m ) ( 8 6 8 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ! 蛰重型 2 0 0 6 年月p 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图 书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位 论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内 的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布 ( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 逐3 堡蔓 2 0 0 6 年6 月e t 硕士论文：线路供电水情遥测终端的设计 第一章绪论 水利是一个信息密集型行业。水利信息包括水雨情信息、汛旱灾情信息、水 量水质信息、水环境信息、水工程信息等。古今中外均十分重视水信息的收集、 整理和应用。公元前2 2 0 0 年，李冰在岷江修都江堰工程并设立石人水尺，是我国 水位观测之始。国民经济的现代化建设离不开水利现代化的保障，而水利信息化 是水利现代化的基本标志和重要内容。水利信息化是国家信息化建设的重要组成 部分，也是水利事业自身发展的迫切需要1 ”。 水情自动测报是采用现代科技对水文信息进行实时遥测、传送和处理的专门 技术，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的先进 手段。它综合了水文、电子、电信、传感器和计算机等多学科的有关最新成果， 用于水文测量和计算，提高了水情测报速度和洪水预报精度，改变了以往仅靠人 工测量水情数据的落后状况，扩大了水情测报范围，对江河流域及水库安全度汛 和电厂经济运行以及水资源合理利用等方面都能发挥重大作用1 2 j 。 1 1 课题的背景及意义 水文自动测报系统的建设经历了二十多年的发展过程。系统通信方式由最初 的超短波发展到今天的利用短波、超短波、微波、卫星、有线公网等方式的通信 网络，以支持更加复杂的组网模式和自报应答或兼容的工作方式：系统的稳定性 和可靠性有了很大提高，随着元器件质量的提高和计算机技术的发展，其关键设 备遥测终端的质量也大幅度提高，平均无故障工作时间( m t b f ) 已从原来的3 0 0 0 小时上升到8 0 0 0 小时，有的设备已突破3 0 0 0 0 小时，其它设备的质量也得到不同 程度的提高i 系统的功能也由最初的降水量、水位信息，发展到今天的可满足传 输降水量、水位、流速、流量、蒸发量、水质、闸门开启度、风速、风向、温度、 湿度、气压等多种参数的丰富的传感器接口d i 。 本课题为“线路供电水情遥测终端的设计”，是主管部门( 韶委级) 项目，旨在 研究开发一种基于线路供电的水情遥测终端，利用电话线直接供电调制解调器， 并且通过供电接口将节余的电能供给下位机，实时采集雨量、水位等水文数据， 并对采集到的数据进行固态存储，同时通过有线通信方式传送，实现雨水情数据 的全年自动化记录，为水利部门提供及时准确的水情信息，提高水利部门管理水 平。 1 2 国内外研究现状 在世界上，美国和日本是最早重视水情自动测报系统的国家。在1 9 7 6 年时美 国s m 公司与美国天然气局合作研n t 一套水情自动测报设备。8 0 年代以来，由 第一章绪论 于遥控设备、数据传输调度自动化技术在全世界得到广泛的应用。9 0 年代以后， 国际上多家公司推出了功能强、应用范围广的产品，在水利、水电、气象以及各 类要求遥测水文、气象参数的专业领域都适时地得以应用。 在我国，水情自动测报系统的研究始于2 0 世纪7 0 年代中期，形成初期产品 在国内一些水库实际应用，但是由于设备落后，资金紧缺，系统的误差较大，不 能应用。在8 0 年代中期，我国已较快的速度改进了自己的技术基础，建成了一些 自己的水情自动测报系统。1 9 8 3 年正式开始，1 9 8 6 年投入运行，由我国研制的黄 龙滩水情遥测和洪水预报、防洪调度自动化系统作为国产化正规产品的起点。9 0 年代是我国这一专业技术发展最快的时期，一些较大的系统都相继建成。特别是 近几年，我国的水情自动测报系统有了更加完善的发展。近年来计算机网络、通 信技术、微电子技术、自动化技术、遥感技术、传感器技术以及大规模集成电路 的飞速发展使得水情测报系统向更高的水平迈进。目前，世界上有很多国家都取 得了较好的成绩，特别是美国、澳大利亚等国1 4 j 。 1 3 课题研究主要内容 1 3 1 前期工作一一遥测终端的嵌入式实现方案 本系统的水情遥测终端就是采用嵌入式设备实现的。嵌入式设备由于其高可 靠性、低功耗、体积小等独特的优点得以广泛的应用。嵌入式系统定义为：以应 用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，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口j 。 针对遥测终端的嵌入式系统，硬件的核心采用a t m e l 公司出a t m e g a l 6 9 嵌 入式微处理器( m p u ) 。a t m e g a l 6 9 是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位 c m o s 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，它的数据 吞吐率高达1 m i p s m h z ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。同时 本芯片是以a t m e l 高密度非易失性存储器技术生产的。片内i s pf l a s h 允许程序存 储器通过i s p 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于a v r 内核 之中的引导程序进行编程。通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的f l a s h 集成在 一个芯片内，a t m e g a l 6 9 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提 供了灵活而低成本的解决方案1 6 1 。 软件编制方面，考虑到系统设计进程、软件的可维护性和软件功能实现的灵 活性，系统软件所采用的编程语言为c 语言和汇编语言相结合。其中c 语言为主 要实现语言，用于编制主控循环、中断例程、控制例程等。而对于硬件驱动程序 的编制采用了汇编语言，它占用存储空间小，运行速度快，可直接访问硬件部分。 采用嵌入式设备实现的水情遥测终端就是集数据实时采集、实时处理、长期自记、 硕士论文：线路供电水情遥测终端的设计 固态存储和高效传输于一身的设备。它具有体积小，高集成度，高可靠性，高性 价比，低功耗，专用，可扩展性，可裁剪性，多接口，良好的人机界面等优点。 1 3 2 课题的主要研究工作 在系统分析整个系统之后，漫计把重点放在嵌入式水情遥测终端的硬件实现 上，其次在水情遥测终端硬件设计基础上研究如何设计和编程实现通过电话线和 调制解调器进行数据通信。 本课题主要内容有以下几个方面： a ) 低功耗。要达到低功耗的要求，一是对元器件进行严格筛选，电路全部采用 低功耗器件。二是单片机采用省电的工作方式，休眠模式可以使应用程序关闭 m c u 中没有使用的模块，从而降低功耗。a v r 具有不同的休眠模式，允许用户 根据自己的应用要求实施剪裁。三是设计先进的电源供电控制技术，系统使用直 流3 3 v 作为系统的工作电压，既减少系统功耗，又有利于电池供电。 b ) 多参数数据采集。根据遥测站采集传感器的信号输出特征，分别配置雨量、 水位等水文数据相应信号的输入接口，方匣卖现多参数的采集。 c ) 数据的大容量固态存储。a t m e la t 4 5 d b l 6 l 的2 m bf l a s h 存储器拥有大容 量的非易失存储单元。水文数据采集后首先写入固态存储器，实现报汛数据与整 编数据的一致性。 d ) 采集获得的数据通过公用电话网传输通道进行远传。 e ) 状态检测电路。遥测站建成后将实行有人看管、无人值守的管理模式，因 此必须要求遥测终端( r t u ) 能将本站设备的工作状态( 包括电池电压及设备状态 等) 报告给系统管理人员，实现远程诊断、维护。 f ) 看门狗电路( w a t c h d o g ) 。当由于某种不确定因素使系统不能返回正常状态 时，经一定时延后，看门狗电路自动产生硬复位信号使系统重返正常状态。 g ) 防雷、防干扰电路。r t u 工作在野外环境，暴雨时也是雷暴多发时，对于 外部环境的干扰及雷电对r t u 设备的破坏均必须有完善的保护措施，隔离电路的 使用很好的达到了效果。 h ) 来电显示。实现c a l l e ri d ( 主叫识别) 的基本方法是发端交换机将主叫号 码、呼叫日期、时间等信息通过信令系统传送给终端交换机，终端交换机将主叫 识别信息以双音多频( d t m f ) 或频移键控( f s k ) 的方式传送给终端用户终端设 备。 第二章水情遥测终端简介 第二章水情遥测终端简介 2 1 水情遥测系统 水情自动测报系统是一种采集某一流域或区域内雨量、水位等水文气象信息 的实时系统。它能将某一流域或区域内的水文气象参数在短时间内传递至决策机 构，以便进行洪水预报和优化调度，减少水害损失，提高水资源的利用率。水情 自动测报系统一般由中心站、中继站( 根据通信件设置) 和遥测站组成。 水情自动测报系统的遥测站主要完成对水文气象参数传感器数据的采集、存 储并通过超短波电台、卫星发射平台、有线或无线电话等通信设备向中一t l , 站( 或中 继站) 传送数据。它一般由遥测终端机( r t u ) 、天线、馈线、避雷器、无线电发射 机( 电台或卫星终端) 、太阳能电源板、蓄电池、流量传感器、水位传感器、外筒 等组成。遥测站可选装人工置数仪和长期固态存储器。遥测站采用定时和增量自 报方式向中心发送数据。 水情自动测报系统的中继站是系统采用无线通信方式下遥测站与中心站通信 条件不好时用来中继无线信号的，一般安装在野外和高山上，接收从遥测站发送 来的无线信号并进行解调，还原成基带信号后，再调制成射频信号向中心发送。 中继站一般由中继机、接收天线、发射天线、馈线、避雷器、无线收发信机( 电 台) 、太阳能电源板、蓄电池、充电保护器、外筒等组成，实时接收来自遥测站 的信号，采用数字再生方式向中心站转发数据。 水情自动测报系统的中心站用来接收遥测站( 或经中继站转发) 传送来的数 据，并可对数据进行存储、处理、显示和分析，一般设在防汛调度中心，用来接 收各遥测站( 中继站) 发送来的数据并进行解调、存储和处理，通过数据库和应 用软件实现防汛调度需求。中心站由接收天线、馈线、避雷器、无线接收机( 电 台) 、解码器、工业控制计算机( 或p c ) 组成。 水情遥测系统中，水情数据的采集、存储、传输是水情遥测系统中最重要的 环节。本论文主要研究水情信息的数据采集、存储技术以及数据通信。r t u 设备 主要完成对水情数据信息的自动实时采集和存储，并通过各种通信方式向中心站 传送，接收遥控指令并发送数据，具有现场实时显示、存储数据、参数设置、电 源管理等功纰【”。 2 2 通信组网方式 用于水文自动测报系统的通信方式有有线方式和短波、超短波、卫星及已有 应用的g s m 、g p r s 短信等无线方式。 硕士论文：线路供电水情遥测终端的设计 2 2 1 有线组网方式 国外发达国家使用有线组网方式的时间较长。我国由于通信条件的限制，发 展较迟较慢。近几年，有线组网方式随着我国通信事业的迅猛发展也已经开始使 用，它有以下一些特点： 1 建设投资省、周期短。由于有线组网方式一般是采用公用电话网，不需要 为建设通讯线路花费太多，无需土建，成本低、见效快。 2 有线组网的通信设备也较超短波、短波、卫星等通讯方式便宜。 但有线组网方式也有如下不足： 1 通过有线电话网传输数据，线路租用费用较超短波、短波高。 2 数据收集周期长。有线组网方式一般采用应答式体制，由于每一个站的应 答查询均必须通过拨号、接通、传输、挂机等阶段，时间较长。因此，有线组网 一般用于系统规模较小的场合。 3 有线组网的最致命弱点是防雷击能力差。由于水文自动测报系统的站点大 多地处偏僻的山区，有线电话网一般采用架空走线，遭受雷击的概率大。 4 有线组网容易遭受风暴、洪水和人为破坏【8 】。 常见的有线组网方式1 9 1 有： 1 电话公网( p s t n ) 语音通道方式 电话语音通道方式是借助调制解调器在电话网中用语音频带传输数据。这种 方法在中国目前被广泛用在i n t e m e t 网的个人上网中，并且在许多监测网络中也 被用来进行数据通信。在遥测系统子站和中心站通过一对m o d e m 与电话公网连 接。一般需要子站具有自存储能力，以便集中传送数据。优点是可靠性较高、可以 传送大量数据、建设费用较低、不需考虑通信网络的维护( 由电信部门负责) 。缺 点是使用费与电话线占用时间相关、实时性受到一定的限制( 一般需中心站主叫， 子站数据才上传) 、通信质量和速率都不高。 2 电话公网i s d n 方式 i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k 综合业务数字网) 是一个全数字化 的通信网络，是在电话综合数字网的基础上发展起来的。在这个网络中，一切信 号都以数字形式传输和交换。i s d n 以标准接口将各种类型的终端设备接入到i s d n 网络中，不同的终端产品只要有相同的、标准的i s d n 接口就可以连入i s d n 网络。 用户使用一对用户线，一个i s d n 号码，一台有i s d n 标准接口的终端就可以获得语 音、数据、传真、可视图文、电子信箱、可视电话、会议电视、语音信箱等多种 通信的综合服务。i s d n 适合大数据量快速传送的场合。缺点是需租用i s d n 专线， 运行费用高。一般适用于遥测系统的多级中心站之问的通信。 3 电话公网a d s l 方式 第二章水情遥测终端简介 a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 技术即非对称数字用户环路技 术。它最初主要是针对视频点播业务开发的，随着技术的发展，逐步成为了一种较 方便的宽带接入技术。a d s l 方式采用虚拟i p 地址或真i p 地址的方式进行网络 连接，数据接入速度高，下行8 m b i t s 上行1mb i t s 。a d s l 数据信号和电话音 频信号以频分复用原理调制与各自频段互不干扰，上网的同时可以使用电话。由 于是独享带宽，信息传递快速、可靠、安全。a d s l 属于专线方式( 一直在线) ， 不需要拨号上网，因此上网时不必另付电话费用。安装快捷方便，在现有电话线上 安装a d s l ，只需在用户侧安装一台a d s lm o d e m 和一只电话分离器，用户线路 不用改动。缺点是软件支持对于由单片机组成的遥测终端机而言比较困难。a d s l 适合遥测系统中，各级中心站之间组成局域网或与系统外互联网的通信。 2 2 2 无线组网方式 常见的无线组网的方式有： 1 短波，超短波，卫星组网方式 在无线组网方式中，其中，短波通信传输距离远，不需建中继站，但由于电 离层高度昼夜、阴晴天变化较大，固定频点通信质量差，需经常调换收发频率才 能达到满意效果，且设备功耗较大，因此，短波通信一般适宜于中心站和遥测站 均有人值守的系统，国内研制的短波自报式系统中只有碧口等少数系统运行较好， 若采用进口自适应选频电台，则造价过于昂贵，所以目前国内很少采用。超短波 通信具有信号稳定，实时性好，运行费用低，设备较简单，技术较成熟的特点， 在国内广泛采用，但由于超短波通信传输距离较短，绕射能力差，受地形影响大， 且中继不宜超过3 级。卫星通信有定点卫星( 气象卫星、通信卫星、海事卫星) 、 极轨卫星，卫星通信可解决地形对通信信道的影响，且系统容量、传输距离基本 不受限制，可靠程度高，但最主要的问题是系统运行费用较高，近几年国际海事 卫星组织开通了低速数传的c 站通信业务，采用按字节收费，大大降低了卫星通 信费用，国内投入运行的长江三峡、监利、武汉关长委、满拉冰湖动态监测及 小浪底、尼尔基等几十个系统采用了海事卫星通信组网效果较好。 2 g s m 、g p r s 、c d m a 方式 g s m 移动通信( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 全球移动通信系统 是国家投资建设的公众网络，是目前国内覆盖范围最广、系统可靠性最高、话音清 晰度最高的移动蜂窝通讯系统。与常规v h f u h f 无线通讯网比较，它不但通讯 范围大、系统运行可靠，而且经济实用、各地监控中心易于联网，可减少各专用通 讯网基站的重复投资建设。当前中国电信g s m 网是国内第一大移动通信网。依 托数字移动蜂窝通讯技术的g s m 网作为通讯监控系统的无线传输网络将确保传 输通道的可靠性。g s m 以统一的格式向各地用户提供具有所有电信业务的国内和 硕士论文：线路供电水情遥测终端的设计 国际漫游。g s m 系统除提供话音业务外，还提供数据业务、短消息业务等多项功 能。利用g s m 网传输数据中常用的2 种方式：g s m 短信息( s m s ) 方式和g s m 数据通信方式。前者的优点是可以直接利用峰窝移动通信系统，省却了通信系统 的建设和维护费用，覆盖范围广、传输速度快、价格便宜等，缺点是一条短信息传 送数据量小( 1 4 0 字节) 。后者覆盖范围较广，使用方便，建设成本低，缺点是传输 速率较低。 g p r s 是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。与 原有的g s m 比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势。它能 更有效地利用无线网络信息资源，所以特别适合突发性、频繁的小流量数据传输。 支持的数据传输的速率更高，理论峰值达1 1 5 k b i t s ；计费方式更加灵活，按数据 流量来进行计费；g p r s 还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等。g p r s 缺点是其网络覆盖范围目前还较小、信号弱、易造成断线，尚未在遥测系统中广 泛应用。但g p r s 方式具有良好的前景，是以后的手机无线数据传输的发展方向。 c d m a 是基于码分的蜂窝数字移动通信系统，它分类为基于c d m ao n e ( i s 一9 5 ) 标准的第二代c d m a 技术和基于c d m a2 0 0 0 ( i s 一2 0 0 0 ) 的第三代c d m a 技术。目前己开发出并付于商用的c d m a2 0 0 0 族有c d m a 2 0 0 0 一i x ( 简称c d m a 一1 x ) 、c d m a2 0 0 0 3 x ( 简称c d m a 一3 x ) 和c d m a2 0 0 0 1 x e v ( 简称c d m a 1 x e v ) 。与g s m 不同，由g s m 演进的g p r s 为2 5 g 产品，c d m a 中没有2 5 g 产品。c d m ao n e ( i s 一9 5 ) 为2 g ，c d m a 一1 x 、c d m a 3 x 、c d m a 一1 x e v 等均 属过渡到3 g 的产品。 c d m a 1 x 原意是指的第一阶段( 速率高于i s 9 5 ，f k 好2 m b p s ) ，可支持 3 0 8 k b p s 的数据传输、网络部份引入分组交换，可支持移动p 业务； c d m a 一3 x 是从c d m a 1 x 派生出来的。它与c d m a 一1 x 的主要区别是前向 c d m a 信道采用3 载波方式，而c d m a 1 x 用单载波方式。因此它的优势 在于能提供更高的速率数据，但占用频谱资源也较宽； c d m a 1 x e v 是在c d m a 1 x 基础上进一步提高速率的增强体制，采用高 速率数据( h d r ) 技术，能在1 2 5 m h z ( 同c d m a 一1 x 带宽) 内提供2 m b p s 以 上的数据业务，是c d m a 1 x 的边缘技术。 由此可见，第三代移动通信系统主要目标是更高的比特率和更好的频谱效率。 本文根据实际情况出发，根据特定应用场合下的需求，采用的是在p s t n 方 式下的数据传输业务。在有线电话普及的今天，通过p s t n 报汛和远传数据的技 术已经相当成熟，是当今低成本的数据传输运行方式之一。 2 3 工作体制 目前，国际、国内的水情自动测报系统遥测站通常采用自报式、应答式，自 报应答兼容式三种工作体制。 第二章水情遥测终端简介 1 自报式 这类遥测站在雨量水位等参数发生一个计量单位变化时，能实时把被测值采 集、发送出去，其遥测终端结构相对简单，值守功耗极低，对遥测站附属设施如 供电和发射设备要求较低，适合采用太阳能浮充蓄电池的供电方式。一方面，这 种方式较采用交流供电等方式降低了从电源线引入的雷电等干扰的可能性，从而 提高了遥测站设备运行的可靠性；另一方面，由于设备配置简单，提高了系统的 可维护性，降低了系统造价。 2 应答式 这类遥测站在雨量、水位等参数发生变化时( 有的应答式遥测站自身能对雨 量、水位等参数发生的变化自动采集和存储) ，不主动将被测值传送给中心站，只 有当中心站发出查询命令时，才将当时的参数值采集、发送出去。这种工作方式 具有可控性，但接收机长期处于守候状态，因此值守功耗很大，对供电设施的要 求提高，增加了设备配置的复杂性，可靠性相对较低。 3 自报应答兼容式 自报应答兼容式遥测站综合自报和应答两种方式的特点，既能实时自报，又 具有受控功能，功能相对较强，其主要缺点是值守功耗很大，可靠性相对较低。 2 4 水情遥测终端的主要功能和技术指标 根据水情测报子系统的设计要求，水情遥测终端应具有如下功能： ( 1 ) 降雨每发生l m m ( 或0 5 m m ，与选用的雨量传感器分辨力有关) 的增量， 遥测终端即自动采集( 计数) 并将雨量累计值存储，并且有合理雨强判断功能。 ( 2 ) 当水位发生l e m 以上的变量，遥测终端即自动采集并将实时水位值存储。 ( 3 ) 为防止水位波动太大造成遥测终端发射过于频繁，遥测水位具有限时发送 功能，即：在一次水位发送之后的一定时间间隔之内，即使水位变幅超过l e m 也 不发送，只有超过一定时间间隔以后的水位变化，遥测终端才采集、发送。 ( 4 ) 水尺、水位计、终端、中心站的水位读数完全一致，传统的终端不具备这 一功能。 ( 5 ) 遥测终端具有定时自报功能，当长时间( 时间间隔可设置) 没有参数变化 时，遥测站将自动启动报数一次( 参数可设置) 。 ( 6 ) 完善的w a t c h d o g 功能。 ( 7 ) 站址设定功能。 ( 8 ) 根据设计要求，可以扩展输入接1 ：3 。采用定时采集、发送的方式，监测电 池电压、风速风向、大气压等气象参数。 2 5 本章小结 本章介绍了水情遥测系统的基本概念，并就它的各个组成部分进行了具体介 硕士论文：线路供电水情遥测终端的设计 绍，然后详细列举了水情遥测系统的各类组网方式和工作体制，最后说明了水情 遥测系统的主要功能和技术指标。 第三章遥测终端的总体设计 第三章遥测终端的总体设计 论文研究的主要目的就是要设计一个遥测终端装置，用于实现数据的采集和 数据存储以及数据通信。论文从硬件和软件两个方面来进行整个终端的结构设计 工作。 3 1 系统硬件构成 硬件是整个装置进行工作的物质基础，硬件器件的选型、硬件平台的构建以 及电路板的制作都将是影响最终装置工作性能是否优良的重要因素。 从硬件的组成来看，硬件的设计可以分为以下几个部分：单片机、电源、数 据采集回路、控制输出、存储接口、数据通信接口，以及电路板的整体设计。 虽然国外的遥测终端性能较好，但价格昂贵，特别是售后服务上，国内的产 品具有明显的优势。有些国外的遥测终端功耗太大，不适合用在所要设计的系统 中。另外，虽然总线方式的遥测终端扩展性、通用性好，但是结构相对复杂，也 必然对可靠性有所影响，对实现所要求的功能而言，单板式遥测终端结构简单、 成本低、使用方便，目前国内先进的遥测终端均采用单板结构。本论文设计的遥 钡4 终端硬件结构如图3 1 和3 2 所示： 图3 1 遥测终端硬件结构 硕士论文：线路供电水情遥测终端的设计 图3 2 遥测终端硬件供电部分 如图3 1 所示，系统的硬件核心采用嵌入式微处理器a t m e g a l 6 9 ，其左方是实 时时钟和看门狗控制模块，时钟用来产生时钟信号，看门狗用于监控c p u 运行状 态，在故障时启动复位；其上边的是人机接口模块，它包括一个7 个键的操作键盘， 和用于显示实时水位、雨量数据以及时问等丰富信息的l c d 显示器，实时时钟和 l c d 都是通过1 2 c 总线方式连接；右边是系统外接的f l a s h 存储芯片a t 4 5 d b l 6 1 ， 它是2 m 字节，最低工作电压可达2 7 v 的串行数据闪速存储器，用来作为片外存 储器保存历史水情信息，还有网络传输模块，包含用调制解调器c m x 8 6 8 的硬件 配置，它年n f l a s h 存储芯片都是以s p i 总线与c p u 连接相连；位于底部的是水位、 雨量、温度等数据的采集模块一一也是水情遥测终端的数据来源。除此之外，整 个系统的电源部分，由电源控制电路实现。 3 2 嵌入式硬件平台 3 2 1 嵌入式微处理器- - a t m e g a l 6 9 单片机是整个装置的核心部件，在一定程度上直接决定着整个终端装置的整 体性能。现在单片机种类繁多，性能和价格的差异也非常大。我们研究开发的是 一种适合室外长期工作的或者能适应电源条件比较恶劣的环境，因此最后成型的 终端装置必须要具备低功耗特性，能在一定的很有限的能源条件下长时间的工作。 所以作为装置的工作核心部件单片机本身应该具备良好的低功耗性能。本论文设 计选用的单片机是a t m e l 公司生产的a t m e g a l 6 9 。 a t m e l 公司是世界上著名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数 字模拟i c 芯片的半导体制造公司。在单片机微控制器方面，a t m e l 公司有a t 8 9 、 a t 9 0 和a r m 三个系列单片机的产品。由于在其单片机产品中融入了先进的 e 2 p r o m 电可擦除和f l a s hr o m 闪速存储器技术，使得该公司的单片机在结构、 第三章遥测终端的总体设计 性能和功能等方面都有明显的优势【1 0 】。 a t m e g a l 6 9 是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由 于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，a t m e g a l 6 9 的数据吞吐率高达 1m i p s m h z ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 a v r 内核具有丰富的指令集和多个通用工作寄存器，其中指令条数达到1 3 0 条，通用工作寄存器达到3 2 个之多，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种 结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的c i s c 微控制器最高至l o 倍的数据 吞吐率。 a t m e g a l 6 9 有如下特点： 它具有丰富的存储器空间，其中包括1 6 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有同时 读写的能力，b p r w w ) ，5 1 2 字节e e p r o m ，1 k 字节s r a m ；与i e e e1 1 4 9 1 标准 兼容j t a g 接口，它具有标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试功能，并实现 对f l a s h 、e e p r o m 、熔丝位和锁定位的编程；在外设上，内含升压电路的l c d 控 制器，三个有比较模式灵活的定时器计数器( t c ) ，片内# f 中断，可编程串行 u s a r t ，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路1 0 位a d c ，具有片内振荡器的 可编程看门狗定时器，一个s p i 串行端口，以及五个可以通过软件进行选择的省电 模式；5 3 个可编程的i o 口，6 4 引脚t q f p 封装与6 4 引脚m l f 封装；工作电压为2 7 5 5 v ，工作速度在0 8m h z 之问。 a t m e g a l 6 9 有五个可以通过软件进行选择的省电模式：空闲模式、a d c 噪声 抑制模式、省电模式、掉电模式和s t a n d b y 模式。 通过8 位r i s cc p u 与系统内可编程f l a s h 集成在一个芯片内，a t m e g a l 6 9 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决 方案。同时a t m e g a l 6 9 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：c 语言编译器、 宏汇编、程序调试器软件仿真器、仿真器及评估板。 因此，基于a t m e g a l 6 9 的这些优越特性和设计的实际需求，论文中选择了 a t m e l 公司的a t m e g a l 6 9 作为系统的中央处理部件。 3 2 2 调制解调器c m x 8 6 8 由于本论文使用的是电话公网( p s t n ) 的有线组网方式，所以为了实现数据的 远传和通信功能我们采用了一种新型的调制解调器c m x 8 6 8 。电话公网的组网方 式除了被广泛用在i n t e r n e t 网的个人上网中，还在许多监测网络中也被用来进行数 据通信。它的优点是可靠性较高、可以传送大量数据、建设费用较低、不需考虑 通信网络的维护( 由电信部门负责) 。除此之外，考虑到整个遥测终端的供电问题， 结合c m x 8 6 8 调制解调器的特殊性能，利用电话线直流馈电给调制解调器供电的 硕士论文：线路供电水情遥测终端的设计 可行性，通过精心选择低功耗器件，设计并实现了电话线供电的调制解调器。 它的基本原理可简述如下：电话局交换机通过提供直流馈电的方式向用户供 电，一般直拨电话的空载电压为4 8 v ，分机为2 4 v 。要使电话线可靠连接，即可以 可靠地通话或者通信，就必须使摘机电流超过2 0 毫安，因为只有当电话线回路的 电流超过一定值，才能启动电话局相应的入网继电器。对于这2 0 毫安，一般的电 话机或者调制解调器都是直接由恒流源回流掉而不加以利用。而在电话线直接供 电的调制解调器中，将充分利用这部分电能，给整个调制解调器供电，并且通过 供电接口将节余的电能供给下位机。当然，这里的2 0 毫安，是指在连接状态下， 而在非连接状态下，电话线回路的电流则不能超过一定值，否则对方在与本调制 解调器建立连接时会检测到忙音，从而无法建立连接。一般这个值应至少小于 1 0 m a 。所以，可以利用的电能是比较有限的，选择低功耗的元器件成为实现目标 的关键。 美国c m l ( c o n s u m e rm i c r o c i r c u i tl i m i t e d ) 公司开发的新产品c m x 8 6 8 是一种 新型的多模式m o d e m 芯片。可应用于低电压的v 2 2 b i s 调制解调器的设计。 c m x 8 6 8 芯片的功能在中国由于很少有相关介绍而未获得充分开发，本文用单片 机和该m o d e m 芯片及其相关的硬件来开发一套通信遥测终端设备。 c m x 8 6 8 是c m l 公司研制的支持v 2 2 b i s 、v ，2 2 、v 2 3 、v 2 1 、b e l l2 1 2 a 、b e l l 2 0 2 、b e l l l 0 3 等多种标准的新型m o d e m 芯片，可在公共交换网( p s t n ) 实现 2 4 0 0 b p s 、1 2 0 0 b p s 、6 0 0 b p s 茅t 1 3 0 0 b p s 等速率的全双工数据通信。它采用低电压、低 功耗工艺，工作电压可低至2 7 v ，工作时的典型电流为7 m a ，节电模式下的典型电 流为l 肛a ，可以广泛应用于直接有电话网供电的通信装置，如：家庭银行电话、i c 卡电话和报警装置等。另外，它还具有收发电平软件可调，低功耗( 2 7 v ) 操作， 集成c b u s 串行接口，应答、原始音频检测器、产生器，呼叫进程音检测，集成 d t m f 编码器和解码器，集成电话线反向检测器和振铃检测器，集成线路混合驱 动电路等特性【l ”。与它相关的硬件电路设计将在后文详细介绍。 3 2 3 人机接口模块 为了便于值班员操作和查看实时或历史水位雨量数据，输入控制参数，体现 系统界面的友好性，系统采用了7 个按键的简单键盘便于进行系统时间调整、选择 菜单命令和输入控制参数等操作，l c d 显示器来显示水位、雨量等水情数据，以 及时间信息、站号和通讯状态等信息。 1 、键盘 为了降低成本而减少按键的数量，本终端设定按键采用七键键盘，分别为 e s c 、u p 、d o w n 、l e f t 、r j g h t 、f u n c t i o n 和o k 键。它们是通过一个八 位优先编码器( 按键7 个加一个未使用位) 产生三位输出码与a t m e g a l 6 9 的通用 第三章遥测终端的总体设计 i o 连接，如果有键按下则启动系统硬中断。由于a v r 微处理器的功能很强，因 此采用在系统任务中设定键盘扫描任务让c p u 按有规律的时间间隔查看键盘，软 件扫描方法实现。 2 、l c d 显示 由于数据通信中，为了方便设定水位、雨量各类参数值，同时为了察看当前 时间等信息、提示键盘操作信息，我们专门定做l c d 显示器，同时使用低复用率 l c d 驱动器p c f 8 5 7 6 d ，可直接驱动任何静态或多路复用l c d 显示，含有4 路背 电极输出和4 0 路段输出，通过“二线”结构的1 2 c 总线与微控制器通信。 3