（检测技术与自动化装置专业论文）燃气流量参数的采集与远程传输系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目前在工业生产中，大多采用有线或人工的方式进行流量计数据的采集与传输，虽 然简单实用，却耗费了大量人力、物力资源，且很大程度上限制了应用场所的拓展。随 着通信技术的发展，无线通信技术在工业领域的应用日益增多，因此，选取一种更加经 济、稳定而又高效的无线传输方式成为当今的研究热点。随着g p r s 网络技术的逐渐成 熟，g p r s 无线网络的无线传输以灵活方便的特点逐渐显露出其在远距离通信应用中的 优势。于此同时，嵌入式软硬件技术的飞速发展也使得嵌入式产品的应用成为大势所趋。 因此，采用基于嵌入式系统和g p r s 网络进行无线通信技术受到普遍关注。 本文结合企业的实际工程项目，应用z w o r l d 公司出品的r a b b i t 2 0 0 0 微处理器， 借助g s m 网络的宏电h 7 7 1 0 g p r s 模块，构成的嵌入式双路数据采集和传输系统，从 而对燃气流量计进行数据采集和传输。 本文在综合分析远程数据通信的现状及发展前景的基础上，对g p r s 技术和嵌入式 系统进行了详尽的分析和研究，给出了基于g p r s 的嵌入式数据采集和传输系统的实现 方案。针对不同的流量计，分析各个模块功能原理并实现了硬件平台的设计和搭建。在 软件平台的设计方面，本系统的有线数据传输依托于国际通用的m o d b u s 传输协议， 无线数据传输依托于宏电t d p 传输协议，从而完成双路传输的软件平台搭建。 经过硬件软件以及整体系统的测试表明，本系统达到了设计要求并可稳定可靠地运 行，现已成功应用在燃气流量计数据采集和传输领域，使信息和数据传输更为高效和稳 定，并节省了人力物力资源，提高了经济效益。本文系统有良好的扩展性和发展前景， 如果将软件进行改动和调整，还可以应用在水情远程监测和信用卡确认等领域。 关键词：嵌入式系统；r a b b i t 2 0 0 0 ；g p r s ；数据传输；m o d b u s 燃气流量参数的采集和远程传输系统 d a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s f e rs y s t e mo fg a sf l o wp a r a m e t e r s a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ew a yo fw i r e dc o m m u n i c a t i o nt ot r a n s m i td a t ah a sb e e nm o s t l yu s e di nt h e f i e l do fi n d u s t r y , t h o u g hv e r ye c o n o m i c a la n dp r a c t i c a l ，w i r e dd a t at r a n s m i s s i o nh a sl i m i t e di t s a p p l i c a t i o np r o s p e c t st oal a r g ee x t e n t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi ni n d u s t r yf i e l di n c r e a s e s s o ，i ti su r g e n ta n dn e c e s s a r yt os e l e c tar e l a t i v ee c o n o m i c ，s t a b l ea n de f f i c i e n tw i r e l e s st r a n s f e r m e t h o d w i t ht h em a t u r a t i o no fg p r sn e t w o r kt e c h n o l o g y ，g p r sw i r e l e s sn e t w o r ks h o w si t s f l e x i b l ei nt e l e c o m m u n i c a t i o n a n dt h ef a s td e v e l o p m e n to fe m b e d d e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t e c h n o l o g ya l s oh e l p si n t r o d u c ee m b e d d e dp r o d u c t i o nb e c o m ef a s h i o n s o ，t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e ma n dg p r sn e t w o r kb e c o m e so n eo ft h eh o t t o p i c s i na p p l i c a t i o nt o d a y t h i st w o w a yd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do ng p r si su s e dt oc o l l e c ta n dt r a n s m i t d a t af r o mg a sf l o w m e t e r s i tu s e sr a b b i t 2 0 0 0m i c r o p r o c e s s o rp r o d u c e db yz w o r j da n d g p r sw i r e l e s sm o d u l eh 7 710p r o d u c e db yh o n g d i a nt oa c h i e v et h ep u r p o s e f i r s tp r e s e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e s u m m a r i z e dt h i sp a p e r t h e ng p r st e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h e p r o j e c tt h a te m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sb a s e do ng p r si sg i v e n b yd e t a i l e d l y a n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a lr e a l i z a t i o nt h e o r yo fe v e r ym o d u l e ，t h ep a p e rp r e s e n t st h eh a r d w a r e c i r c u i t sd e s i g nb yd i f f e r e n tg a sf l o w m e t e r s t h e ns o f t w a r ep l a t f o r md e s i g ni sc o m p l e t e d c a b l ed a t at r a n s m i s s i o nr e l i e so nt h et r a n s f e rp r o t o c o lo fm o d b u s ，a n dw i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nr e l i e so nt h et r a n s f e rp r o t o c o lo ft d p t h eh o s tc o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mi s i n t r o d u c e da tl a s t b ys y s t e mt e s t i n g ，t h i ss y s t e mc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dc a l lb eas t a b l ea n d r e l i a b l eo p e r a t i o ns y s t e m t h es y s t e mh a v ea l r e a d yu s e di nt h ef i e l do fd a t aa c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o nf r o mg a sf l o w m e t e r s ，i tc a nm a k ed a t at r a n s m i s s i o nm o r ee f f i c i e n ta n ds t a b l e a n ds a v em a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s i m p r o v ee c o n o m i ce f f i c i e n c y t h i ss y s t e mh a s g o o de x p a n s i b i l i t ya n dp r o s p e c t s i tc a n b ea p p l i e di no t h e ra r e a si ft h es o f t w a r ec a nb e c h a n g e da n da d j u s t e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；r a b b i t 2 0 0 0 ；g p r s ；d a t at r a n s f e r ；m o d b u s i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：邀盏邋釜丝圣鱼塞篓墨逗趟逾叁斑 作者签名：毽蔓主基 日期：銎翌旦年j 三月臣日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部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和汇编本学位论文。 学位论文题目：憋鱼遴憋逖适逢焦遍玺纽 作者签名：垫丝主叁日期：丝刍年- 上三月j 【日 导师签名：日期：型旦午卫月竖 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题背景 当今世界，计算机技术与通信技术的迅猛发展，各种信息通讯设备和技术正在以不 同形式改变着人们的日常生活，同时也极大地促进了国民经济和日常生活各个领域的自 动化和信息化发展。在这其中，移动通讯和i n t e r n e t 当仁不让的成为两大支柱产业。最 新的信息、通信、电子、计算机方面一切新技术，无不为这两大支柱产业所吸收和采纳。 远程数据传输技术的出现，是计算机网络技术的必然产物。早期远程数据传输技术 是非实时非在线传输方式，而现代远程传输技术是实时在线传输方式。借助于计算机、 互联网和通信技术，操作者可以依靠安装在现场的各种设备，得到现场的实时数据，从 而远隔千里便可随时了解现场生产与设备情况，对生产现场进行监控、诊断与控制。远 程数据传输技术的模式是与通信技术的发展密不可分的，伴随着通信技术的发展，出现 了三种远程传输模式【1 捌。 ( 1 ) 人工远程传输 这种方式是通过人工对现场参数及现场运行情况进行记录，然后带回总控室有工程 师进行分析推理，这就包含了太多的人为因素，而且无法实现实时在线传输，存在很多 弊端，这是比较原始的方式。 ( 2 ) 有线网络远程传输 有线网络传输方式是现代远程传输模式，他将现场各个采样点通过通信线连成网。 根据通信方式的不同，可以有以太网、光纤网等等，这种方式也是现在广为使用的方式， 如现场总线。其最显著特点是现场的采样设备将各种传感器获取的设备状态信息转变为 数字信号后，通过网络传送给远程系统。但是这种方式在网络铺设上投资巨大，而且受 距离限制，各数据点之间的距离越远铺网的投资就要上升，主要是由于需要增设路由器。 ( 3 ) 无线网络远程传输 无线网络远程传输又分为两种：一种是单独构建无线网，另一种是利用公网g s m 。 第一种方式由于要自己进行网络构建包括传输设备，中继站，传输协议制定，工作量比 较大。第二种用g s m 网络实现，这类通信方式是依托遍布全球的g s m 网，它的最大 特点是打破了距离的限制，从而可以实现全国乃至全球漫游。这类监控主要是利用g p r s 数据业务通过i n t e r n e t 进行通信。g p r s 技术传输速度快，永远在线，用g p r s 技术实 现的数据传输系统，实时性强，安全可靠，按流量计费，比短消息更经济、合理。利用 g p r s 进行远程数据传输，既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域【3 】。 燃气流量参数的采集和远程传输系统 该系统具有网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点， 并且完全利用g p r s 移动通信网络，建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术的不断发 展，构筑在g p r s 网上的远程无线传输系统必然能与移动通信技术的发展同步，因而 具有广阔的前景。 现阶段，在工业领域中建立通信的方式一般分有线和无线两种。有线通信通常采用 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 和有线m o d e m 与嵌入处理器连接的方式。这种方式虽然经济实用， 但是对场所和距离有较大的限制，不利于企业的发展。随着企业生产规模不断扩大，不 同的生产部门可能在地域上分布极广、相距遥远，可达几十、几百甚至上千公罩，如电 力、铁路、采矿和石油等，这些部门要对相距遥远的生产过程进行数据传输，如果还是 沿用有线的传输方式，则在技术上和经济上都是不足取的，所以单一的有线传输方案必 须得到改进。为了适应企业不断壮大的生产规模和不断拓展的业务范围，采用无线方式 进行通信已经成为现代通讯技术的发展趋势【4 5 】。 综合以上几点考虑，在现代工业中，数据传输采用基于g s m 网络的g p r s 无线传 输技术将是一个很好的数据传输解决方案。根据具体要求，建立有线和无线双路数据传 输的系统将在更大程度上满足客户的需求。 1 2国内外流量计无线远程数据采集和传输系统发展现状 流量计远程无线数据采集和传输系统是不需要人员到达现场，使用计算机技术、通 信技术、网络技术和微电子技术相结合，通过一定的网络设备建立通信联系，具有高度 集成性，集软件、硬件为一体，对各种范围内用户实时用量信息以及各种故障信息数据 自动j 下确采集、传输、统计及综合分析的系统。该系统具有抄收速度快、计算精度高、 采集传输同时性好、可以降低现场人员的劳动强度、降低人为因素造成的数据误差、可 直接与营业计算机联网等突出的优点【6 j 。 目前远程无线数据采集传输系统在燃气流量参数采集和远程传输领域应用广泛。根 据燃气流量计的发展趋势，实现参数采集和远程传输主要有两种方式：一是通过燃气表 本身来解决，即是采用i c 卡或气卡式等形式的燃气流量计；另一种就是利用流量计参 数采集和远程传输系统来解决。目前，世界上大多数国家都以后者的发展为主。最早的 流量计参数无线传输应用在电能表的自动采集和远程传输方面。据美国电世界19 9 4 年1 0 月号摘要：在1 9 9 4 年初，北美地区安装了3 1 4 0 6 3 块具有自动采集和远程传输功 能的电能表，其中g e o r 百a 电力公司在1 9 9 3 年内已经装设了5 0 0 0 0 个车载无线电采集和 大连理工大学硕士学位论文 远程传输单元；b o s t o ne d i s o n 公司己经装设了1 7 0 0 0 个固定式和车载无线采集和远程传 输单元；加拿大的q u e b e c 水电局也已经安装了6 4 0 0 0 个采集和远程传输单元【_ 7 1 。 我国流量计远程无线传输系统的起步比国外晚。2 0 世纪8 0 年代初才开始研究流量 计远程无线传输系统。但是近年来，国内流量计远程无线传输技术发展迅速，并形成了 多种采集和远程方式方式并存的格局。主站系统结构已从单机、双机系统发展到网络式 的主站系统结构，操作系统也已从d o s 发展到w i n d o w s 9 5 9 8 n t ，系统功能上也从单 纯的抄表功能发展到具有实时线损统计、用气考核、远程控制、计费及银行联网等功能， 有的系统还具有可以通过实时用气统计监测用户偷气行为的功能。在通信方式上也从单 一的电话拨号方式发展到多种通信方式( 电话、无线电、专线等) 混和应用的局面。 1 3 课题来源及意义 本课题来源于大连开发区燃气公司的燃气流量计远程无线数据采集与传输项目，课 题的目的是实现燃气流量计参数的的采集，有线传输，无线传输，远程监测，报警等功 能，以提高系统数据的实时性和准确性，代替人工定时巡查的方式。 本文系统在技术应用方面主要应用了以下几种技术： ( 1 ) 嵌入式技术 本文系统多数安装在工业现场，应该尽量的小巧便捷，同时必须满足设计灵活和操 作简单，具有功能强、实时性强、结构紧凑、可靠性高和面向对象等共同特点。而嵌入 式系统是能直接与现实环境接口或交互的信息处理系统，所以本文系统采用嵌入式技术 进行系统设计。 ( 2 ) g p r s 技术 要实现无线远程数据传输，必须要采用一种无线传输技术。因为燃气流量计参数的 流量不大，采用一定的间隔时间进行数据发送，所以需要找到一种通讯费用低、永远在 线、按流量收费的传输技术。g s m 网络是时下流行的通讯网络，可以在其基础上实现 无线通讯。而g p r s 技术是在现有g s m 网络上开通的一种新型的数据传输技术，可以 良好的满足上述要求。g p r s 采用分组交换方式，仅在实际传送和接收数据时才占用无 线资源，与此同时g p r s 技术的传输速度也可以满足系统要求。如果采用包月模式，将 进一步降低传输成本，所以本文系统采用g p r s 技术进行远程无线数据传输。 ( 3 ) r s 4 8 5 有线传输技术 某些用户要求在燃气公司监测流量的同时，用户自己也要对流量计参数进行监测。 针对以上要求，系统需开发现场有线数据传输功能。在此方面，应该满足速度快、实时 性强的特点。同时，因为在工业现场存在各种不同程度的信号干扰，所以抗干扰能力也 燃气流量参数的采集和远程传输系统 是需要考虑的因素。综合以上三点，本文系统采用r s 4 8 5 有线传输技术进行现场的有线 数据传输。 因此基于g p r s 网络的嵌入式系统既利用嵌入式系统结构紧凑、功能强和实时性强 等特点，又可以利用g p r s 网络进行数据传输，扩展了嵌入式系统的应用范围，并加以 有线数据传输的支持使得该嵌入式系统可以广泛而灵活的应用于远程数据传输、水情远 程监控、信用卡确认( p o s ) 等场合。 1 4 本文研究的内容及重点 课题内容主要分为硬件和软件两大部分。在硬件上主要是基于r a b b i t 平台的嵌入 式数据采集模块的硬件实现，在这一部分涉及到嵌入式数据采集模块硬件功能设计、 g p r s 模块和微处理器的选型、电路板设计以及调试等。在软件上主要是依托国际通用 的m o d b u s 通讯协议和宏电t d p 协议来进行有线传输和无线传输两方面的编程。采用 v b 和组态王对上位机进行监测系统设计。 全文结构如下： 第l 章：简要的介绍了一下建立远程数据传输系统的必要性及现状，针对目前人工 远程传输系统和单一有线网络远程传输系统的缺点提出建立基于g p r s 的嵌入式双路数 据采集传输系统的意义。 第2 章：概述系统的整体功能并简要介绍设计中所用到的技术知识。 第3 章：论述了r a b b i t 2 0 0 0 处理器的主要结构和特点，利用r a b b i t 2 0 0 0 微处 理器和宏电h 7 7 1 0 g p r s 无线模块完成嵌入式多功能系统硬件平台的设计。 第4 章：以各功能模块的功能具体实现详细阐述了无线数据采集系统的系统平台建 立的软件设计方法。 第5 章：介绍上位机监测系统的设计方法，并研究监测网络的扩展前景。 第6 章：对整个系统进行整合测试并介绍设计及调试心得。 最后，对整个工作进行了总结，并提出对未来的工作展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统概述及相关知识 2 1 系统概述 燃气公司目前对用户用气量的掌握主要是通过人工定时巡查的方式，随着用户的不 断扩大，这种方式暴露出耗费人力物力、信息不及时、容易带来人为误差、不适于信息 化管理等一系列问题，而且由人工抄表所带来的漏抄、误抄、估抄，甚至抄表人员同用 气户合伙作弊，都会给供气企业带来不可估量的损失。供气企业急需一种投资较少、安 装及维护方便、通信可靠、计量准确的远程自动监测解决方案。因而，采用计算机与通 信技术，实现用户信息的远程采集与传输，建立完善的管理信息系统，进而推动企业信 息化建设，是燃气公司企业管理信息化、现代化所必须完成的一项基础性工作。 本系统以z w o r l d 公司出品的r a b b i t 2 0 0 0 微处理器为核心，通过串口采集现场仪 表数据( 因具体仪表型号不同，采集的串口类型不同) ，有线部分通过串口经r s 4 8 5 将数据有线发送到现场上位机监测系统，无线部分通过串口连接宏电h 7 7 1 0 无线模块接 入g p r s 网络，实现数据远程传输。系统的整体结构框架如图2 1 所示。 图2 1 整体结构框图 f i g 2 1d i a g r a mo fw h o l es t r u c t u r e 主控芯片通过串口从采集对象中读取数据( 包括温度、压力、流量、流速等) ，具 体对象为c o r u s 流量计和天信f c m l 流量补偿计，在核心处理器对数据进行解析、校 验、重新打包等一系列工作后，经由串口有线传输到现场p c 的监测系统中。有线数据 发送成功后此组采集到的数据再经由串口传输到g p r s 模块中，再由g p r s 模块经由 g s m 无线网络传送到远端的远程p c 中的监测系统。以上步骤完成以后，每经由1 5 分 钟再重复采集、发送步骤，从而达到对被采集对象的监测。 燃气流量参数的采集和远程传输系统 2 2g p r s 技术 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 通用分组无线业务) 作为第二代移动通信( g s m ) 向第三代移动通信( 3 g ) 的过渡技术，由英国b tc e l l n e t 公司在1 9 9 3 年提出，是g s m p h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一。它是一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向 用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接f s 】。 2 2 1g p r s 的体系结构 g p r s 是利用“包交换”( p a c k e t s w i t c h e d ) 概念所发展出的一套无线数据传输方式。 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及t d m a 帧结构，能在兼容g s m 网络的同时更加有效的传输高速数据和信令。 g p r s 是在现有g s m 网络中增加g p r s 网关支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t n o d e ) 和g p r s 服务支持节点s g s n ( s e r v i n g g p r ss u p p o r tn o d e ) 来实现的，使得用户能 够在端到端分组方式下发送和接收数据【9 】o 其原理【l o 】如图2 2 所示。 s g s n 的功能：功能类同于g s m 系统的m s c n l r ( 移动交换中心，m o b i l e sw i t c h c e n t e r 拜访位置寄存器，v i s i t e dl o c a t i o nr e g i s t e r ) 功能，s g s n 不仅处理分组交换中的信 令传输，同时也进行数据包的处理和传送。对移动终端进行鉴权和移动性管理，建立移 动终端至t j g g s n 的传输通道，接收从b s s ( b a s es t a t i o ns y s t e m ) 传送的移动终端分组数据， 通过g p r s 骨干网传给g g s n 或者将分组发送到同一服务区内的移动终端。s g s n 还可以 集成计费网关、边缘网关( 负责实现g p r s 网络之i 日j 的互连) 和防火墙的功能。 图2 2g p r s 系统原理图 f i g 2 2p r i n c i p l ed i a g r a mo fg p r ss y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 g g s n 的功能：在g p r s 数据网中的地位很类同于传统g s m 网中的g m s c ( 网关移 动交换中心) 的地位；负责产生数据业务的原始计费数据。g g s n 是连接g p r s 网络与 外部数据网络的节点。接收传输终端的数据及路由并传送到i n t e r n e t ，或者将数据通过 选择g p r s 网内的传输通道，传给相应的服务支持节点( s g s n ) ，再由s g s n 将数据通过 基站系统传给传输终端。从而完成终端与中心的通信。另外g g s n 还可具有地址分配、 计费、防火墙功能。 2 2 2g p r s 的传输过程 g p r s 网络是在现有g s m 网络中增 j i g g s n 和s g s n 来实现的，使得用户能够在端到 端分组方式下发送和接收数据，不需要使用电路交换模式下的任何网络资源，从而可以 自主运营。 用户设备通过串行或无线方式连接至0 g p r s 终端上，g p r s 终端与g s m 基站通信，但 与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站发j 静i j g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，而 不是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上，s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通信，g g s n 对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，女 i i n t e m e t 或x 2 5 网 络。其具体的数据传输流程为i l l 】： ( 1 ) g p r s 终端通过串行接口从用户设备中读出用户数据； ( 2 ) 处理后以g p r s 分组数据的形式发送到g s m 基站； ( 3 ) 分组数据经s g s n 封装后，发送至t j g p r s 骨干网。 若分组数据是发送到另一g p r s 终端，则先发送到目的s g s n ，再经b s s 发送到另 一g p r s 终端。若分组数据是发送到外部网络( 如i n t e m e t ) ，则将分组数据包经g g s n 进行协议转换后，发送到外部网络。 2 2 3g p r s 的特点以及应用 ( 1 ) g p r s 的特点 g p r s 是g s m p h a s e 2 + 7 i 入的非常重要的内容之，与g s m 电路交换相比较，g p r s 非常重要的优点久是引入了分组交换能力。利用g p r s 进行数据传输具有以下特点【1 2 , 1 3 ： 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网上进行升级，以便于充分利用全国范围的电信网络，可 以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 高速传输 传输速率高，数据传输速度可达到5 7 6 k b i t s ，最高可达到l1 5 k b i t s 。1 7 1 2 k b i t s ， 完全可以满足用户应用需求。 燃气流量参数的采集和远程传输系统 快捷登陆 接入时间短，g p r s 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为两秒。 永远在线 提供实时在线功能，即用户随时与网络保持联系，即使没有数据传送，终端还一直 与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速。 按流量计费 用户只有在发送或接收数据期间爿占用无线资源，用户可以一直在线，计费方式是 按照用户接受和发送数据包的数量进行计费。 切换自如 用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收。 ( 2 ) g p r s 的应用 以g p r s 为基础的无线数据系统得到很广泛的应用，g p r s 网主要为用户提供突发性 的数据业务，是目前解决移动通信信息服务的一种较为完善、己从应用实验到正式推广 的业务。由于g p r s 技术具有以上的优势，主要的应用领域有： 实现移动上网 无线接入 g p r s 电子支付 基于w a p 的应用 以g p r s 承载业务为基础的网络应用 车辆调度和工业遥信、遥测、遥控。 随着g p r s 网络的逐渐完整和应用技术的不断成熟，g p r s 技术正在被应用到更广泛 的领域。 2 3 嵌入式系统 2 3 1 嵌入式系统及特点 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是指使用嵌入式微处理器构成的独立系统，有自己的 操作系统，有特定功能，用于特定场合，并且对可靠性、成本、体积和功耗有严格要求。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，其中嵌入式微控制器的品种和数量 最多，并且己经在家庭和工业的各个领域得到了应用【1 4 1 。嵌入式系统的架构如图2 3 所 示。 嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有如下主要特点【i5 】： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 面向特定的应用对象，嵌入式系统的软硬件需针对特殊硬件平台进行专门设计。 ( 2 ) 软硬件设计高效，量体裁衣去除冗余，在对处理器的选择面前更具有竞争力。 ( 3 ) 与具体应用有机结合，操作系统和具体产品的升级换代同步进行。嵌入式系统 产品一旦进入市场通常具有较长的生命周期。 h ) 执行速度快、系统可靠性高。嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或 单片机本身。 ( 5 ) 本身不具备自主开发能力。嵌入式系统设计完成后，用户通常不能对其中的程 序功能进行修改。 图2 3 嵌入式系统一般架构 f i g 2 3 a r c h i t e c t u r eo f t h ee m b e d d e ds y s t e m 2 3 2 嵌入式系统的应用及前景 嵌入式系统无所不在，它几乎包括了我们周围的所有电器设备：掌上p d a 、移动计 算机设备、上网手机、多媒体、蜂窝式电话等等。 在工业生产中己经有大量的8 ，1 6 ，3 2 位嵌入式微控制器在应用中，成为提高生产 效率和产品质量、减少人力资源的主要途径，如制药工业过程控制、电力系统、电网安 全、电网设备监测、石油化工系统等。随着计算机技术的不断发展，嵌入式c p u 以及 与之配套的操作系统性能的不断提升，其应用领域也不断扩大，许多新型应用的不断涌 现，汽车、电视、电话及游戏机的芯片都需要操作系统和应用程序，这为嵌入式系统提 供了更广阔的发展舞台。 伴随着以计算机技术、通信技术为主的信息技术的快速发展和互联网的广泛应 用，3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e r ) 合一的趋势已初露端倪，3 c 合一的必然 产物就是信息电器【1 6 1 。在信息电器领域内，嵌入式软件必然成为重要成员，嵌入式系统 燃气流量参数的采集和远程传输系统 也将成为行业的宠儿。同时，计算机己显示出微型化和专业化的趋势，这将是嵌入式系 统的另一应用领域。 在嵌入式系统开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键。通常，对嵌入式软 件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可裁剪性和可移植性。随着嵌入式系 统的发展和应用的多样性，对嵌入式软件的要求也发生了相应的变化，主要有以下几点： ( 1 ) 操作系统的支持 嵌入式系统覆盖面很广，主要由具体应用决定的，简单的嵌入式系统没有操作系统， 而只是一个控制循环。但是，当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来 支持，否则，应用软件就会变得过于复杂，使丌发难度过大，安全性和可靠性都难于保 证。 ( 2 ) 多任务且具有实时性 在多任务嵌入式系统中，合理的任务调度必不可少，单纯通过提高处理器速度无法 达到目的，这样就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能力【l 7 1 。 ( 3 ) 强大的联网功能 在网络同益重要的今天，越来越多的嵌入式系统有了联网要求。嵌入式系统与各种 网络相连，尤其是与i n t e r n e t 相连，给系统提出了很多要求，系统需要支持t c p i p 协议 和相关实用程序，并且需要处理安全认证和访问控制问题。 ( 4 ) 窗口交互功能 当前，很多应用领域都要求嵌入式系统能够提供类似于xw i n d o w 或者m i c r o s o f t w i n d o w s 的窗口交互系统。 由于嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化，要达到上述“三化 要求， 整个系统必须是丌放的、提供标准的a p i ，并能方便的与众多第三方的软硬件沟通。 大连理工大学硕士学位论文 3 系统硬件平台设计 3 1r a b bit 2 0 0 0 处理器 r a b b i t 半导体器件是z - w o r l d 公司专门为应用于中小型控制器而设计研发的一 种高性能器件。r a b b i t 使用简便，其硬件及软件界面都最大程度的实现了方便和简洁， 运算速度在8 位总线微处理器中处于领先地位。处理器为1 0 0 引脚p q f p 封装，工作电 压范围2 7v 一5v ，时钟速度可达3 0 m h z 。它提供了4 0 条并行i o 口线( 与串口共用) ， 4 个串行口，6 个定时计数器，2 个时钟振荡器主时钟振荡器( 典型晶振频率i 8 2 9 5 m h z ) 和时间日期时钟振荡器( 3 2 7 6 8 k h z ) ，1 个从属口( 可使r a b b i t 2 0 0 0 作为智能型外设， 从属于任何其他的主处理器) ，具有1 m b 空间( 可存储多于5 0 0 0 0 行代码) 的无胶粘 逻辑连接存储器扩展能力，4 级中断优先级，1 0 0 引脚p q f p 封装。r a b b i t 工用级适用 的电压波动为1 0 ，温度范围为一4 0 蛰j + 8 5 。商用级适用的电压波动为5 ，温度范 围为o 到7 0 ，并可经由串行口或并行口的访问实现冷启动。有一个内置的看门狗定 时器，拥有标准的十针编程端口，因而避免了使用c p u 仿真器的必要。利用d y n a m i cc 和p c 的简单连接，可以使用一个非常简单的l o 脚连接器来下载和调试软件。而由于占 用编程1 2 1 所增加的成本极小 1 8 j 9 。r a b b i t 硬件原理图如图3 1 所示。 r a b b i t 是一种改进z s 0 和z 1 8 0 c p u 设计的c p u ，指令集和寄存器与z 8 0 和z 1 8 0 相同。指令集增添了许多新的指令。r a b b i t 弃用了z 1 8 0 中一些过时或多余的指令，将 一些单字节操作码分配给了重要的新指令，使指令系统效率提高。这一改进的优点在于 熟悉z 8 0 或z 1 8 0 的用户能够立即对r a b b i t 有所了解。已有的源代码通过少量修改，进 行重新汇编或编译就可为r a b b i t 所用。 许多8 位处理器面i 临的一个问题是执行速度慢并缺少数值整合( n u m b e r - c r u n c h i n g ) 能力。在较小的系统中，良好的浮点运算能力是一项重要的特性。有了良好的浮点运算 能力，就能更简便的解决编程问题。改进的r a b b i t 指令集合提供了快捷的浮点数及整数 的运算能力。 r a b b i t 支持四个级别的中断优先级。这是r a b b i t 的一个重要特性，这样在处理实时 任务时就能有效的使用高速中断程序。 8 位处理器r a b b i t 有8 位外部数据总线和8 位内部数据总线。由于r a b b i t 构造了其 大部分外部8 位总线并且具有简洁的指令集合，因而其性能与许多1 6 位处理器样棒。 所以r a b b i t 可执行许多1 6 位操作。 燃气流量参数的采集和远程传输系统 幽31r a b b i t 结杜j 框图 f i g31 a r c h i t e c t u r e d i a g r a mo f r a b b i t r a b b i t 共有4 路串行接r aa 、b 、c 和d 。这4 个串行接口都可在异步模式下工作， 波特率可达系统时钟的1 3 2 。异步端口能处理7 位或8 位数据，并且支持有一个标志位 来标志地址帧和数据帧的9 位通讯模式。用软件可判断出输出移位寄存器完成传送消息 最后一个字节的时间，这弥补了z l8 0 的一个明显缺点。这一改进对r s 一4 8 5 通讯非常 重要，因为在最后一位字节发送完毕之前，线路驱动器不能转换传输方向。在许多 u a r 吖通用异步收发器) ，包括在z 1 8 0 上的，都根难在最后一位字节发送完毕之后产生 中断。r a b b i t 不直接支持奇偶校验位及多个停止位，但可通过适当的驱动软件来完成。 大连理工大学硕士学位论文 在时钟同步串行模式下，可选择使用串行口a 和b 。这时，由一个时钟信号同步传 送输入或输出的数据。同步通讯两端的通讯器件中的任何一个都可用来提供时钟。当由 r a b b i t 提供时钟时，波特率可达系统时钟频率的1 4 ，或在2 9 5 m h z 时钟速度下超过 7 , 3 7 5 ，0 0 0 b p s 。串行口a 具有特殊的性能，它可用于在复位后冷启动系统。串行口a 也 是d y n a m i cc 软件开发的标准端口。 r a b b i t 半导体公司公布了一项标准可编程端口规范，并提供了一种转换电缆，该电 缆可用于连接p c 串口与标准可编程接口。用一个在2 m m 中心有两排引脚的连接器实现 这个接口。该端口可连接到r a b b i t 串行端口a 上，r a b b i t 启动模式引脚上，r a b b i t 复位 引脚上，或产生要求p c 注意的信号的可编程引脚上。这么配置端口之后，p c 可以与目 标系统通信，将它复位和重启。p c 串行接口上的d t r 线用来驱动目标系统的复位线， 它必须可由外部c m o s 驱动器驱动。s t a t u s 引脚被基于r a b b i t 的目标系统用来在正 测试的此系统中遇到断点时请求注意。s m o d e 引脚由来自接口的+ 5 v + 3 v 电平上拉。 当接口没有用大约5 k q 电阻接地时，在主板上这些引脚的电平必须下拉。处于测试的目 标系统为接口电缆提供+ 5 v 或+ 3 v 电压，此电缆用来为r 江2 3 2 驱动器和接收器提供电 源，如图3 2 所示。通过在设计及软件上使用适当的防范措施，串行端口a 即可被用作 编程端口，又可作为用户自定义的串行端口，然而在大多数情况下并不需要这种功能。 r a b b i t 半导体支持标准编程端口和标准编程电缆，用作诊断故障的诊断和配置或现场的 安装系统( 2 0 】。 图3 2r a b b i t 编程端口 f i g 3 2p r o g r a m m i n gp o r tp i na s s i g n m e n t s 燃气流量参数的采集和远程传输系统 在软件的编程方面，提供一种特有的编程环境d y n a m i cc 来对r a b b i t 进行支持。 d y n a m i c c 是卜w o 订d 公司的交互式c 语言开发系统，可在安装有w i n d o w s 9 5 9 8 或 w i n d o w s n t 的p c 机上运行。它提供了集成开发环境，集编译器，编辑器和调试器于 一体。调试基于r a b b i t 的目标系统的一般方法是用标准转换电缆连接p c 机串行口到目 标的1 0 脚编程接口。d y n a m i c c 的程序库包含有高度完善的软件为r a b b i t 提供应用支 持其中包括驱动程序，应用程序，数学运算程序及动态c 调试b i o s 的程序。另外， 国际知名的实时操作系统u c o s i i 也将移植到r a b b i t 系统并带有动态c 的某些版本。 3 2g p r s 无线模块 3 21 宏电h 7 7 1 0 无线模块 与大众数掘业务不同，行业应用有很强的专业性和特殊性，不同的行业用户要求提 供不同的定制终端，这就须结合行业特点进行硬件、软件丌发和系统集成。为此，宏电 公司在总结近几年来的行业应用不同特点的基础上，结合网络运营商的网络特点和具体 实际情况，推出了公用基础平台、个性化应用设计的h