（检测技术与自动化装置专业论文）基于单片机的网络电表数据集中器的软件开发.pdf

北方工业大学学位论文 基于单片机的网络电表数据集中器的软件开发 摘要 本论文旨在开发一种基于单片机的新型智能网络电表数据集中器的软件系统，实现 h f c 智能网络电表系统项目的技术要求。即电力公司能通过电网监控计算机一数据集中 器一电表系统采集城市工业或居民用户的实时用电状态与用电量，进而实现不同时段内 用电量的分时计费等要求，并为电网运行过程中的实时数据监控与维护提供参考依据。 ， 电表数据集中器处于电网监控系统的信息通路的中间位置，其主要功能为接收主站 监控系统下发的指令，同下一级的数据采集器( 网络电表) 进行实时通讯，下发主站指令 并获取各下级数据采集器上传的数据结果，然后将数据结果打包成特定的电表网络数据 帧，回传到主站监控系统并主动上传可能存在的电网或电表异常信息。电表数据集中器 的硬件系统是通过单片机来控制以太网卡，进行传输数据，加载t c p i p 协议连接到电 、 网监控网络的。 一 ， 电表数据集中器的软件系统开发作为本课题的重点，采用k e i lc 5 1 的集成开发工 具，运用单片机c 5 1 语言进行程序开发，设计开发了数据集中器软件。该软件主要由三 大功能模块构成，分别为数据集中器模块，串行数据通讯模块，网络通讯模块。其中数 据集中器模块包含了指令数据帧分析子功能模块、协议转换子功能模块、电表数据组合 上传帧子功能模块；串行数据通讯模块包含了串口初始化子模块、数据发送子模块、数 据接收子模块；网络通讯模块包含了网卡初始化子模块、数据发送子模块和数据接收子 模块。文中给出了各模块涉及到的主要功能函数代码编写流程图，并给出了指令数据帧 分析模块函数等的详细源代码。 厂 此外，本文还对电表数据集中器的系统调试过程及调试结果给予了简要介绍，并对 系统的进一步改进提出了自己的设想。jq 一 关键词 数据集中黟智能网络电影h f c 网络歹自动抄表； 北方工业大学学位论文 s o f t w a r e d e v e l o p m e n t o fn e te l e c t r i ce n e r g ym e t e r d a t ac o l l e c t o rb a s e do n m i c r o p r o c e s s o r a b s t r a c t n e w m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dd a t ac o l l e c t o rs o f t w a r eo fi n t e l l i g e n tn e t w o r ke l e c t r i cm e t e r s w a sd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt om e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fh y b r i df i b e rc o a x ( h f c ) i n t e l l i g e n tn e t w o r ke l e c t r i ce n e r g ym e t e rs y s t e mp r o j e c t t h ee l e c t r i cp o w e rc o m p a n y c a l l e a s i l yg a t h e rt h er e a l t i m ee l e c t r i ce n e r g ym e t e rs t a t u sa n dc o n s u m ea m o u n to fc e r t a i n c i t yi n d u s t r i a lo rc i t i z e nu s e r st h r o u g ht h ec o m p u t e rn e t w o r ks y s t e mc o m p o s e do fe l e c t r i c n e t w o r km o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gc o m p u t e r e l e c t r i ce n e r g yd a t ac o l l e c t o r e l e c t r i ce n e r g y m e t e r , c a r r yo u tt h es p e c i f i cc h a r g i n gp l a n ss u c ha sv a r i o u se l e c t r i cp r i c e si nd i f f e r e n tt i m e p e r i o d s ，a n do b t a i nb e t t e rr e f e r e n c ei n f o r m a t i o nf o rr e a l t i m ed a t am o n i t o r i n ga n dm a i n t a i n i n g o f e l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o n s i n c et h ee l e c t r i ce n e r g ym e t e rd a t ac o l l e c t o r sa r ei nt h em i d d l el a y e ro fh f cn e t w o r k s t r u c t u r eo fe l e c t r i ce n e r g yt r a n s p o r t a t i o nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m ，i t s s o f t w a r es h o u l dr e a l i z et h e f o l l o w i n g f u n c t i o n sa t l e a s t ：r e c e i v i n g ，a n a l y z i n g a n d d e c o m p o s i n gt h e i n s t r u c t i o n ss e n tb ym a s t e rm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gc o m p u t e r , r e a l c o n v e y i n g t h ei n s t r u c t i o n so f m a s t e r c o m p u t e r t ot h ee l e c t r i ce n e r g ym e t e r sb ym e a n s o f p o i n t t o p o i n t ，c a p t u r i n gt h e s t a t u sd a t ao fe l e c t r i ce n e r g ym e t e r s ，c o m p o s i n gs p e c i f i c m e s s a g e f r a m e sa n du p l o a d i n gt h e mt ot h em a s t e rc o m p u t e rv i ai n t e m e t i nt h eh a r d w a r es y s t e mo f e l e c t r i ce n e r g ym e t e rd a t ac o l l e c t o r , g e n e r a lm i c r o p r o c e s s o re x c h a n g e sd a t ao ri n s t r u c t i o n s w i t he l e c t r i ce n e r g y t r a n s p o r t a t i o nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mb ym e a n so f t h ei n t e m e t c a r da n dt c p i p p r o t o c 0 1 a st h em o s t i m p o r t a n tp a r to f t h i sp a p e r , t h es o f t w a r es y s t e mo f e l e c t r i ce n e r g ym e t e rd a t a c o l l e c t o rw a sr e a l i z e db yi n t e g r a t e d d e v e l o p i n gt o o l s o fk e i lc 5 1 m i c r o p r o c e s s o rc 5 1 l a n g u a g ew a su s e di nw r i t i n gp r o g r a m t h i ss o f t w a r ei sc o m p o s e do ft h ef o l l o w i n gt h r e e f u n c t i o n a lm o d u l e s ：d a t ac o l l e c t o rm o d u l e ，s e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i n gm o d u l ea n dn e t w o r k 北方工业大学学位论文 c o m m u n i c a t i n g m o d u l er e s p e c t i v e l y t h ed a t ac o l l e c t o rm o d u l ei n c l u d e sa n a l y s i ss u b m o d u l e o fc o m m a n dd a t af r a m e ，p r o t o c o le x c h a n g es u b m o d u l ea n d e l e c t r i ce n e r g yd a t as y n t h e s i z i n g s u b m o d u l eo f u p - s e n d i n gf r a m e t h es e r i a ld a t a - c o m m u n i c a t i n g m o d u l ei n c l u d e ss e r i a lp o r t i n i t i a l i z a t i o ns u b m o d u l e ，d a t as e n d i n gs u b - m o d u l ea n dd a t ar e c e i v i n gs u b m o d u l e n e t w o r k c o m m u n i c a t i n g m o d u l ei n c l u d e sn e t w o r kc a r di n i t i a l i z a t i o ns u b m o d u l e ，d a t as e n d i n g s u b - m o d u l ea n dd a t ar e c e i v i n gs u b m o d u l e t h ef l o wc h a r t so fm a i nf u n c t i o np r o g r a m m i n g i n v o l v e db yv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e sw e r el i s t e do u t ，a n dt h ed e t a i lc o d e so fs o m es p e c i f i c m o d u l ef u n c t i o ns u c ha sc o m m a n dd a t af r a m ea n a l y s i st m n e t i o nw e r ea l s ol i s t e do u t i na d d i t i o n ，s y s t e md e b u g g i n gp r o c e s sa n dr e s u l to fe l e c t r i cm e t e rd a t ac o l l e c t o rs o f t w a r e w e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n ds o m es u g g e s t i o n so nf u l l h e r i m p r o v e m e n to nt h i ss y s t e m s o f t w a r ew e r e p r o p o s e d k e y w o r d s ： c o l l e c t o r , i n t e l l i g e n tn e t w o r k e l e c t r i cm e t e r , h f cn e t w o r k ，a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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，也不包含为获得北方工业大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做出的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：灾朱德 签字日期：z ，一；年月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 北方工业大学可以将学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：织；t - - 巷 签字日期：御 年5 月 日 学位论文作者毕业后去向： 电话：6 8 8 3 9 0 2 0 导师签名： 锄“ 签字日期： 。年6 月r 日 北方工业大学学位论文 1 1 电裹数据囊中嚣筒介 第1 章绪论 为加强我国的用电管理，提高供电效益，使其适应市场经济发展的需要，供电部 门实现用电管理的自动化和网络化已成为一种迫切需要。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，电能表的智能化，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限m r s ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g s y s t e m ) 应运而生。 电能表自动抄表系统是用来实现对民用或工业用电度表所计电度量的自动记载， 它不用抄表人员走家串户抄写每块电能表记载的数据，而是利用计算机技术和通讯技术 来实现对每块电能表记载数据的准确传递、记录和整理。具体地说，是把安装在各用户 处的电能表的电量传输至供电部门中的计算机，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，代替人工抄表及一连串后续工作。 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，它还将电能表传来的数据集中储存并以某种方式向 上一级服务器发送的功能。 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。因此，对于自动抄表系统的重要设备数据集中器的开发就显得很重要。 1 2 国内外开发圈络接口设鲁采用的两种方案 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入以太网，实 北方工业大学学位论文 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 2 1 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。目前已有很多公司，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 d 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 m 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i ；3 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。利用p s 2 0 0 0 芯片开发设备时 可以采用的方案，如图1 1 是p s 2 0 0 0 芯片的结构原理图： 图1 1p s 2 0 0 0 芯片原理图 图1 26 8 k 系列芯片原理图 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、 北方工业大学学位论文 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 2 3 2 ，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，也不需要更改原来已成熟的 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 m 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f 4 “i 。 2 6 8 k 系列芯片 如图1 2 为6 8 k 系列芯片的结构原理图： 它的主要组成单元为： ( 1 ) v 2 c o l d f i r e 处理器 ( 2 ) ln b y t e 指令高速缓冲存储器 ( 3 ) 4 k b y t es r a m ( 4 ) 乘法及累计单元，太网媒体存取控锖0 ( m a c ) ( 5 ) 硬件整数除法单元 ( 6 ) 业界先进的除错模块，提供背景和实时性能 ( 7 ) 集成处理器 1 ) 合乎i e e e8 0 2 31 0 1 0 0 快速以太网控制器( f e c ) ，有专用d m a 2 ) u s b l 1 设备控制器和收发器 3 ) 4 个2 b + d 时分多工( t d m ) 控制器端1 = 北方工业大学学位论文 4 ) 多信道h d l c 软件模块 5 ) q s p i 模块，提供带有序列传输性能的串行外围接口 6 )3 个用于控制应用的脉冲宽度调制( p w m ) 单元输出 7 ) 2 个u a r t 8 ) 1 信道d m a 9 ) 8 芯片选择 l o ) 1 6 位通用i o 1 1 ) 4 个1 6 位计时器 1 2 ) s w 监视器计时器 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口，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i n t e m e t 设备、l a n 电话、低端路由器、i 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，如：s o h o h o m e 小型路 由器，家庭网关等。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，它的原型参考了m c f 5 2 7 2 c 3 开发平台，操作系统采用u c l i n u x 。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i 碉a d s l 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。 6 8 k 系列芯片的特点： 6 8 k 系列微处理器具有精彩的新型外围设备。 快速以太网媒体存取控制( m a c ) ，支持1 0 0 m b p sm i i ，1 0 m b p sm i i 和1 0 m b p s7 线实际接口 合乎u s b 1 1 标准，可操作内或外收发器的设备控制器( d e v i c ec o n t r o l l e r l 时分多工( t d m ) 控制器，可使产品以物理级水平与外部编码、i s d n 收发器以 4 北方工业大学学位论文 及其它使用g c i ( g e n e r a lc i r c u i ti n t e r f a c e ) 或i d l i ( i n t e r c h i pd i g i t a ll i n k ) 串行 接口协议的外围设备连接 多信道h d l c 软件模块 q s p i 模块，提供带有序列传输性能的串行外围接口 6 8 k 系列设备同时还提供许多嵌入式应用产品所共有的外围产品，如s d r a m 控制 器、d m a 、计时器、u a r t 、芯片选择、通用i o 、片上存储以及世界级的c o l d f i r e 除 错模块，所有这些都采取高效节省的方式，从而减少系统成本，加速系统设计。 如图1 3 为采用6 8 k 系列芯片开发的硬件参考平台：系统包括微处理器、调试接口、 u s b 驱动、e t h e m e t 驱动接口、外接h u b 子板、串行口、并行口、l c d 液晶显示、键 盘接口、调试与测试接口及外围扩展接口等。在这个硬件平台里集中了多种网络应用模 块，设计者可以根据实际情况选择需要的模块，完成自己的产品设计。 图1 36 8 k 系列芯片的硬件参考平台 北方工业大学学位论文 图1 4 所示为基于6 8 k 系列芯片的软件开发平台：u c l i n u x 软件开发包的基本结构 及关系，在u c l i n u x 软件包里包含了内核源代码和大量的用户应用程序源代码，对于用 户开发新的软件可提供有力的帮助。图1 5 显示了软件开发的流程“3 。 下面是一个基于6 8 k 系列芯片开发的低成本家庭网关方案，具体方案是为： ( 1 ) 硬件配置 处理器：m o t o r o l a6 8 k 系列芯片；f l a s h 存储器：2 m b ：s d r a m ：4 m b ；r s 2 3 2 串口 两个，可接5 6 k m o d e m 及i s d n t a ；并口：2 5 针，可接打印机；u s bs l a v e 接口一个 w a n r j 4 5 口：1 0 1 0 0 自适应端口，可接a d s l ；4 端口1 0 0 m h u b 接e l 。 图1 46 8 k 系列芯片的软件开发平台图1 5 软件流程图 ( 2 ) 软件系统 操作系统：采用u c li n u x ( v e r2 0 3 8 ) ：网络协议：n a p ，p p p ，p a p ，s e r v e r e li e n t ， c h a p ，m s c h a p ，w e bs e r v e r 管理方式，p p o e 。这种设计方案体现了网络接口设备的低成本， 高效性。它的低成本体现在：采用的软件系统l i n u x 完全是免费的，采用的微处理器6 8 k 系列芯片集成了i o i o o m 快速以太网以及u s b 接口，大大降低了周边配套器件的数量， 从而降低了成本。它的高效性体现在：提供防火墙功能，可通过w e b 进行远程上网等1 。 6 北方工业大学学位论文 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 m e 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，而嵌入式系统中初部分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 m e t 的嵌入式系统而设计的。它很好地解决了存储空间、运行速度、 网络通信及程序开发的问题。 r a b b i t 2 0 0 0 的结构原理如1 6 图所示。r a b b i t 2 0 0 0 芯片为1 0 0 针p q f p 封装。提供 了4 0 条并行i o 口线，4 个串口，6 个定时记数器，2 个时钟震荡器，具有1 m 空间的 无胶粘逻辑连接存储器扩展能力，4 级中断优先级。 图1 6r a b b i t 2 0 0 0 芯片的结构原理图 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 语言进行软件开发，无需仿真器和编 程器，大大降低了开发成本 8 1 0 1 。 当然，可用于开发电表数据集中器的专用芯片很多，作者在本论文中就只讨论上述 的几种芯片。 北方工业大学学位论文 1 2 2 基于瞢通芯片开发 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。目前国内外已利用单片机开发出了很多产品。如用 单片机开发出了q m 1 智能弱磁测量仪器，智能多路温度检测系统，单片机低频信号发 生器等。 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。 单片机是2 0 世纪8 0 年代初引入我国的，经过2 0 多年的发展，单片机品种不断增 多，功能不断增强，应用范围不断扩大，相应的开发技术也有了很大发展。在嵌入式系 统中，单片机是最重要也是应用最多的智能核心器件。在软件开发上，由汇编语言编程、 c 语言编程，转向在实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，简称r t o s ) 之上编 程。在硬件设计上，由分立元件和微机接口芯片转向更加集成化的设计模式弋p u + p l d + a d d a 。c p u 即m c u 或m p u ，p l d 即可编程逻辑器件。p l d 芯片可以在系统 编程i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) ，硬件已经软化，随时可以进行修改。 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 r n e t 相连，已有多家公司在进行这方面的 较多研究。这方面较为典型的有e m w a r e 公司和t a s k i n g 公司。 e m w a r e 公司提出嵌入式系统入网的方案e m i t 技术。这个技术包括三个主要 部分：即e m m i c r o ，e m o 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1 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 i 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，贝l j 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 的直接接入。否则，将要求e m g a t e w a y 和网络浏览器相互配合。 北方工业大学学位论文 e m w a r e 的e m i t 软件技术使用标准的i n t e m 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，单片机应用中提出了一个新的问题：这就是如何使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的问题1 2 9 1 。这是当前嵌入式系统的 一个热点问题。 1 2 3 两种开发方案的优缺点 一、采用专用芯片 1 具有的优点有： ( 1 ) 功能强大。如：摩托罗拉的6 8 k 系列芯片，是摩托罗拉迄今为止推出的最高集 成的c o l d f i r e 微处理器。该芯片可用于设计互联网设备、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。我国合肥的华恒公司开发推出了华恒c o l d f i r e 家庭网关，他们的处理器采用的就是摩托罗拉6 8 k 系列芯片。p s 2 0 0 0 是武汉力源电子 股份有限公司研制并具有自主产权的w e b 接口芯片w e b c h i p ，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。如：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 需要更改原来已成熟的设计，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。 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：购买专用芯片，仿真器，开发板等开发装置都需要很多资 9 北方工业大学学位论文 金。 二、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 i p 协议和相 关的接口，因此软件设计复杂，工作量大。 1 3 课曩的研究背量、意义和研究内容 1 3 1 课曩的背景和t 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 t 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，连入i n t e r a c 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，以实现其主要功能 之一上网通讯功能。 数据集中器的应用背景是我校同石景山供电局等单位合作开发的h f c 网络电表集 抄系统中的数据集中器。在该项目中，已经完成了基于i n t e r a c t 的上位机信息管理部分， 文献【6 8 】中给出了信息管理系统的详细实现过程，文献 6 7 】讨论了电网系统的各种集抄 管理方案的特点，其中较详细介绍了有线电视网构成的电表集抄系统的设计方案。接下 来要做的是该项目底层的数据集中器的开发，我们采用了单片机为设计硬件，目的是对 l o 北方工业大学学位论文 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。之所以采 用普通单片机来实现上网，是因为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 m 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。我们做这样的尝试，是为了适应新的形势的发展，同时，这 样做也具有很重要的实用性。 数据集中器运用在h 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。因此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 3 2 课一的研究内容 本文所做的工作是在对比国内外开发数据集中器方案的前提下，给出了开发数据集 中器的软件设计和实现方案。 本文主要讨论了开发数据集中器的硬件和软件设计。深入讨论了串行通讯编程技 术，单片机控制以太网卡上网技术等。根据数据集中器与上位机主服务器和与下位机( 网 络电表) 的通讯协议，采用k e i lc 5 1 的集成开发工具，运用单片机c 5 1 语言进行程序 开发，设计开发了数据集中器软件。文中给出了软件设计流程和部分程序代码。 在论文的最后给出了程序调试的结果和说明。 小结： 绪论部分主要介绍了基于专用芯片和普通芯片开发电表数据集中器的设计方案，以 及课题的研究背景和研究内容。在此基础上，对本文所要做的工作作了说明。 北方工业大学学位论文 第2 章网络电表集抄系统 2 1 网络电裹集抄系统概述 h f c 网络技术是采用混合光纤，同轴电缆( h y b r i d f i b e r c o a x ，缩写为h f c ) 入户的 一种技术体制。它以光缆作为传输介质，同轴电缆为接入介质，从传输介质的角度来看， h f c 指光纤同轴电缆混合结构。 网络电表集抄系统是基于h f c 网络，在智能电表中加装网络接口，智能电表采集 表内的转盘计数脉冲，进行计算与储存，并将得到的用电数据，经过f s k 调制成某个 频段的上传信号，经过电表的网络接口，传入同轴电缆。 为集抄电表的电量信息，一定数量的电表配一台数据集中器，对同轴电缆通道中上 传频段的信号进行解调，接收各采集器数据信息，数据集中器下发命令经f s k 调制另 外一个频段的下行信号，通过同轴电缆传递给各采集器，采集器将下行频段的信号解调， 接收数据集中器的命令进行相应的处理。数据集中器、同轴电缆和智能电表构成了网络 电表集抄系统的底层网络。 数据集中器同h f c 网络中的光节点并接，进入i n t e m e t 光纤网，每一个数据集中 器在i n t e m e t 网上均有独立的i p 地址，同供电局的主站服务器进行网络通讯，完成供电 局下发的控制命令及各数据集中器信息的回传整个过程。主站服务器收到结果后，供电部 门可以对数据进行相应的处理、维护和管理【1 2 - - ”】。 2 2 系统构成 整个系统由主站系统、数据集中器、智能电表等部分构成。如图2 1 所示。 2 2 1 主站系统 主站由双机热备件的两台网关数据库、两台主服务器( 运行控制和本地数据库) 、 一台主操作电脑( 带超大屏幕显示并加贴g i s ) 、两台辅助显示器、一台授权设置用电脑、 一台数据查询和打印电脑加两台打印机联网组成。 2 北方工业大学学位论文 主站监控系统接收信息管理系统的命令，与集中器通过i n t e m e t 网络进行网络通信， 向集中器下发实时数据采集和参数设置的命令，将集中器上报的数据进行初步处理并上 传给数据库处理程序，并对集中器、用户电表的运行状态进行远程监控。 图2 1 系统模块结构简图 2 2 2 数舞囊中 数据集中器在整个系统中，处于信息传输通路的中间位置。依照主站和集中器之间、 集中器和智能电表之间的两套通讯协议的要求，在主站和智能电表之间传送数据。集中 器将下层智能电表传上来的数据帧进行打包，上传给上层通信软件，并将上层控制指令 帧分别下发给相应电表，同时对所属电表进行有效的监督控制，可以主动上传异常信息 数据帧，提示用户进行相应的处理。 另外，根据需求，集中器要进行月数据抄收、日数据抄收、实时数据抄收、参数设 置( 包括远程控制) 及主动上传异常信息的处理。同时，要求集中器记录相关月报数据、 日报数据及设定参数，并定时监视电表状态。 集中器的软件的实质技术问题就是编制协议转换函数，实现类似网桥的功能，将主 控计算机和集中器之间的通讯数据包转化成为集中器和电表之间的数据包，根据需求， 完成各种数据的抄收、参数设置( 包括远程控制) 。 数据集中器是本文所要讨论的重点和主要对象。 北方工业大学学位论文 2 2 3 网络智能电裹 网络智能电表由基表( 全电子或机电式电表) 、电压传感器( 三相为三通道) 、电流 传感器( 三相为三通道) 、f s k 调制解调器、控制与l c d 显示模块、回控中间继电器、加 密s a m 模块( 仅三相采集器) 组成。 在整个系统的结构模型中，该部分处于信息通路的最底层，也是最基本的功能单 元。功能为接收集中器的指令，完成对电量、电压、电流及台区码等参数的检测、采集 并返回集中器，将数据结果在电表的液晶显示板上显示输出，并依照指令完成对用户电 表的诸如通电、断电等操作。 该部分采用s t 单片机作为这个电路的控制核心，包含电度测量模块、电压测量模 块、电流测量模块、液晶显示模块，通讯模块等以实现上述功能。 2 3 。网络电囊系统的工作原理 主控计算机通过i n t e m e t 向数据集中器发出读电度表或设置电度表参数的命令，由 集中器将主控计算机下发的数据帧拆开，分解为面向下位机( 即电表) 的指令。并根据 上位机数据帧的要求对电表进行数据采集或参数设置。集中器收到下位机的响应数据帧 后，生成对主控计算机的应答帧或主动的上传数据帧上报给主控计算机。管理部门可以 实时准确地获取电表的有关信息，并进行相应的处理，保障整个电网的正常工作。 h f c 网络的频谱分配根据国家的有关规定，上行( 从网络电表到数据集中器) 和下行 ( 从数据集中器到网络电表) 带宽应限制在一定范围内，在上行和下行频带间留一保护带 可防止干扰。将上行和下行频带选择在h f c 网络频谱的空白频段，这样无论是在网络 电表还是在数据集中器中，收发数据均不会互相干扰。在本系统中，智能电表内部装有 采集器模块，利用光电耦合发出的电能表转盘计数脉冲，同时监测转盘转动方向，进行 脉冲的取样、数据的计算与储存，并将积累的耗电数与其它数据一起传入集抄器，经过 f s k 调制成5 4 9 m + i f ( 么f 为允许频率误差) 的电视信号传入同轴电缆。为集抄这些 电能表的电量信息，一定数量的电表配一台集中器，该专用集中器对同轴电缆通道中 5 4 9 m i f 信号进行解调，接收各采集器的数据信息。集中器下发命令经f s k 调制成 1 1 0 9 m 么f 的电视信号，通过同轴电缆传递给各采集器，采集器将1 1 0 9 m + z a f 的信 1 4 北方工业大学学位论文 号解调，接收集中器的命令进行相应的处理。 2 4 系统的主要功能 1 实时读系统中任一电表或任一群电表下述各种电参数： 2 有功正转总电量表示数、有功尖时电量表示数、有功峰时电量表示数、有功谷时电 量表示数