（电气工程专业论文）远程自动抄表系统中集中器的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：自动抄表是指采用计算机技术和通信技术自动读取和处理计量表数据 的一种手段，是提高能耗管理部门自动化水平的需要，也是计算机技术和通信技 术迅速发展的必然。它不仅可以缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的 抄表差错，而且具有抄收速度快，实时性好等优点。本文分析目了前国内外的自 动抄表方案，并联系我国的实际情况，选用复合式自动抄表解决方案，对自动抄 表系统中的集中器进行了开发设计。 在论文组织上，本文首先研究了自动采集系统的基本构成，对其组成部分做 了简要介绍，分析了集中器硬件构成并介绍了相关硬件知识，设计开发了相应的 硬件原理图和p c b 电路板。其次，本文通过对i t c o s i i 操作系统的实现代码及a r m 处理器相关知识的研究，实现了在k e i l 编译环境下l a c o s i i 操作系统的移植，并 开发设计了相应的硬件驱动和通信规约的a p i 函数，从而建立了集中器的软件运 行平台；在上述软件平台下，编写了集中器的应用软件，对g p r s 、电话通信方案 以及自动采集信息和自动搜索中继等程序设计做了详细的介绍。最后，本文对集 中器的功能进行了测试，通过具体数据分析了集中器各项功能的完成情况。 集中器的设计涉及了嵌入式系统的软硬件设计，在设计过程中，本文尽可能 地使设计模块化，从而使集中器便于调试和维护。在本文中，集中器集成了电话、 g p r s 、r s 4 8 5 等多种远程通信方式，增加了其通信的灵活性，使其能够更大程度 的满足实际需要。本文从电源及载波通信链路、主控电路和通信模块三个方面开 发设计了集中器的硬件平台；通过p c o s i i 软件系统平台的设计，使集中器能够 实时地进行多任务处理，大幅度提高了系统的管理能力；通过集中器应用软件设 计，实现了各种模式的通信。在g p r s 通信模式中，本文通过结合利用g s m 短信 息通信，解决了m 地址动态分配下的连接地址定位问题，从而使连接的灵活性得 到了很大的提高，在这种模式下控制中心不必保持永远在线就可以实现对集中器 的管理，从而提高控制中心的管理效率。 关键词：集中器；g p r s ；通信规约；g c o s i i ；a r m 分类号：t m 9 3 3 4 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gi sam e t h o do fr e a d i n ga n dp r o c e s s i n gd a t a a u t o m a t i c a l l yw i t hc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n i ti st h er e q u i r e m e n to fi m p r o v i n gt h e a u t o m a t i cl e v e lo fe n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n dt h en e c e s s i t yo fr a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i tm a yn o to n l yr e l i e v et h el a b o r si n t e n s i t y , r e d u c em a n - m a d em i s t a k e ，b u ta l s o g r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dr e a l t i m e p e r f o r m a n c eo fr e a d i n gm e t e rd a t a b ya n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f a u t om e t e r r e a d i n gs y s t e ma tb o t hh o m ea n da b r o a da n da s s o c i a t i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o ni no u r c o u n t r y ，t h i sp a p e rd e s i g n sac o n c e n t r a t o rw h i c hw a s p a r to f t h ea m r s t h es t r u c t u r eo fa m r sa n dt h ef u n c t i o no fi t sc o n s t i t u t i o nw e r eb o t hp r e s e n t e di nt h i s p a p e r b ya n a l y z i n gt h ec o n s t i t u t i o no fc o n c e n t r a t o r sh a r d w a r ea n ds t u d y i n gt h e r e l a t i v ek n o w l e d g e ，t h i sp a p e rd e s i g n sb o t ht h eh a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a ma n dp r i n t e d c i r c u i tb o a r d t h ea u t h o rs t u d i e st h ec o d eo fi t c o s i io p e r a t i n gs y s t e ma n dt h e k n o w l e d g eo fa r mp r o c e s s o r , a n dt h e nt r a n s p l a n t st h el a c o s i io p e r a t i n gs y s t e mu n d e r k e i lf o ra r m c o m p i l ee n v i r o n m e n t b o t ht h er e l a t i v eh a r d w a r ed r i v e ra n dt h ea p io f c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sw e r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r , a n db yt h a tt h es o f t w a r er u n p l a t f o r mw a se s t a b l i s h e d w i t ht h i sp l a t f o r m ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ea p p l i c a t i o np r o g r a m o fc o n c e n t r a t o r t h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o nw i t hg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 锄d p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r kw e r eb o t hp r e s e n t e di nt h ep a r to fd e s i g no f a p p l i c a t i o np r o g r a m ，a n dt h ep r o g r a mo fa u t o m a t i c a l l ys e a r c hr e l a ya n da u t o m a t i c r e a d i n gm e t e rd a t aw e r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a r t t h i sp a p e r a d o p t sm o d u l a rd e s i g nb o t hi nt h ep r o c e s so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i tm a k e st h ec o n c e n t r a t o rm u c he a s i e rt ob em a i n t a i n e da n dd e b u g g e d c o m m n i c a t i o n w i t hp s t n ，g p r sa n dr s 4 8 5w e r ea l li n t e g r a t e di nt h ed e s i g no fc o n c e n t r a t o ri n t h i s p a p e r t h a tg r e a t l yi m p r o v e st h ef l e x i b i l i t yo fc o m m n i c a t i o n , a n dm a k e sc o n c e n t r a t o r m o r ea d a p t a b l et op r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，h a r d w a r ep l a t f o r mo fc o n c e n t r t o r w a sd e s i g n e dw i t ht h r e ep a r t s ：p o w e rs u p p l ya n dc o m m u n i c a t i o nw i t hp o w e r l i n e ，m a i n c o n t r o lp a n e la n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e w i t ht h es o f t w a r e p l a t f 0 1 t no fi t c o s i i o p e r a t i n gs y s t e m ，c o n c e n t r a t o rc a nh a n d l em u l i t yt a s k ，a n dt h i sg r e a t e l yi m p r o v e st h e m a n a g e m e n tc a p a c i t y t h ed y n a m i ci pa d d r e s sa s s i g n m e n tm a k e sc o n c e n t r a t o ru n a b l e t ol o c a t em ei p i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m t h i sp a p e ru s e sg s m t os e n ds m sw h i c h c o n t a i n st h ei pa d d r e s sa n do t h e rc o m m u n i c a t i o np a r a m e t e r st o c o n c e n t r a t o r ；t h i s v n 北京交通人学硕士学位论文 g r e a t l yi m p r o v e st h ef l e x i b i l i t yo fg p r sc o n n e c t i o n ，a n di nt h i sc o m m u n i c a t i o nm o d e ， s e r v e ri nm a n a g e m e n tc e n t e rd on o th a v et ok e e po nl i n ea l ld a yl o n g ，s oe f f i c i e n c yo f m a n a g e m e n tc e n t e rw a si m p r o v e d k e y w o r d s ：c o n c e n t r a t o r ；g p r s ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；i t c o s i i ；a r m c l a s s n 0 ：t m 9 3 3 4 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通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的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：昌岛啷签字日期：卅年石月叶日 8 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 昌翰呻b 导师签名： 薹扔 签字日期： _ 年占月冲日签字日期：2 口口7 年月2 牛日 致谢 本文是在导师黄梅研究员和郑三立副教授的指导下完成的，感谢两位导师对 我在学业上的悉心指导和生活上的关怀，本文所取得的每一点成绩和进步都凝聚 了两位导师对我的教诲和心血。导师们严谨求实的治学态度、脚踏实地的工作作 风、敏锐的思想给我留下了深刻的印象，成为我一生中一笔非常宝贵的财富，使 我终身受益。 在完成课题的过程中，我得到了很多工程师的帮助，特别是北京殷图数码科 技有限公司工程师张锦孚、耿树松以及北京电联宇电力技术有限公司工程师杨中 和，他们给我提出了一些宝贵的建议和意见，在此对他们表示最诚挚的谢意，感 谢所有关心过和支持过我的人们! 最后，我要感谢我的家人和身边的同学、朋友，他们一直给我精神上的鼓励、 学习上的帮助和督促，他们的关怀和鼓励，是我f j 进的动力。 绪论 1 1课题的研究背景 1绪论 电力作为国家的支柱产业，一直持续稳定地发展着。随着国民经济的不断提 高，国内电力事业有了i j 所未有的发展，电力资源的需求也迅速增长。在电力工 业飞速发展的同时，各个部门对信息技术的需求也在日益增多，高科技信息技术 的注入为电力事业的发展提供了强有力的基础和保障，它渗入到电力系统的各个 部门、各个环节，包括生产部门、管理部门、规划部门等，为电力企业的j 下常运 行提供高效管理服务。电力系统使用的电力设施在管理上具有一个明显的特点， 就是分散地分布在一个特定的地理范围内( 如一个城市或一个地区) ，这给电力系 统的设备管理带来了很多困难。电力部门面临着如何准确及时结算购售电量、系 统网损等工作，为了能够更好地为经营决策提供有力的数据依据，采用计算机技 术来实现电力部门数据的信息化和自动化势在必行。与此同时在水力、煤气、暖 气等企业抄表出现同样的问题。 现行抄表收费管理模式：人工抄表收费方式、i c 卡收费方式、自动抄表收费 方式。但由于我国国情，高成本的i c 卡收费方式和自动抄表收费方式难以在落后 地区实施应用，国内很多地区用户电表数据抄收工作还完全是人工上门抄表完成。 人工操作虽然容易实现和管理，但是不可避免地也会遇到很多问题，如效率低下， 工作人员数量需求大，工作量多，完成的任务却有限；错误率高，人工操作往往 存在很多漏洞，使用户或电力公司遭受巨大的损失；难以监控，对偷电漏电现象， 很难采取有效的方法进行监控、取证；显然，上述弊端使得人工抄表管理模式不 能适应电力体制的改革，也直接阻碍了诸如分时电价运营、预支电费等先进管理 模式的推行。特别是在我国信息化技术的普及之后，人工抄表的方式显得r 益落 伍。同时，对于电力企业部门，也希望新技术的发展能够解决他们实际工作当中 遇到的抄表难、收费难、准确性和及时性得不到可靠的保障的问题，实现电力企 业的减员增效，降低用电成本，缓解抄表人员的劳动强度，降低人为因素造成的 抄表误差，从而实现既方便用户，又提高公用事业部门的工作效率、管理水平， 对于加强用电管理，防止国家电力资源的流失等现象都具有积极的意义。自动抄 表技术就是在技术与管理两方面亟待进步、改革的迫切下需求应运而生的，伴随 信息化技术的发展而发展，日益受到关注。 北京交通大学硕十学位论文 1 2自动抄表系统的现状 自动抄表，简称a m r ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) ，是利用电子技术、传感器技 术、自动控制技术、计算机及通讯等技术，通过专用设备对表计进行读取及数据 处理的过程。自动抄表系统( a m r s ) 是不需要人员到现场，就能完成抄读用户电能 数据并分析、统计的智能化管理系统。 电子式电能表的发展起始于2 0 世纪7 0 - - 8 0 年代，当时日本己经研制出一些电 子式电能表，但是由于组装电子式电能表的元件质量问题，使电子式电能表在现 场使用环境下，其可靠性、抗干扰性方面表现出很多的弊病，这些弊病大大影响 了电子式电能表的大规模推广和应用的进程。2 0 世纪8 0 年代中后期，随着大规模 集成电路的出现与制造新技术的发展，电子式电能表在各种现场环境下的工作可 靠性问题得到解决，相继出现了一批工作可靠性高、使用寿命长、适合现场使用 条件的电子式电能表。电子式电能表的发展，有力地推动了远程抄表技术的发展。 1 9 8 8 年，美国弗吉尼亚电力公司为电能表抄表员装备了手持式微机。用户消耗的 电能数据被一次性经键盘存入微机，在其中完成统计与处理等，与人工抄表相比， 出错率大为降低。经过后来的改进，这种微机化电能数据抄表系统同趋完善，逐 渐成为当今许多国家用电管理部门抄收电能表数据的主要手段。1 9 9 2 年，埃及开 罗配电公司开发出双模式住宅电能监视抄表系统，它是一个用于自动记录、获取 和处理电能消耗数据的完整系统，从而使抄表工作进入到自动化时代。 目前，国内外自动抄表系统主要有以下几种方式： ( 1 ) 有线方式，布置某种专用网络完成抄表工作，此技术比较成熟，操作简单， 因其前期布线量大，投入的人力资源多，后期维护工作量较大，故只能应 用在已经布网的区域或布网方便的场合中。 ( 2 ) 公用电话网方式，此系统技术也比较成熟，维护工作量也较少，但系统运 行有固定费用，且不能覆盖所有用电场所，不利于长期发展规划。 ( 3 ) 电台传送方式，此技术以前在水表的数据收集中应用较多，且系统后期的 应用成本较低。但是，在前期投入巨大，需建立多个电台进行数据传输， 且在地域较远、较宽的农村、山区地区不利于实现。 ( 4 ) 电力载波方式，由于低压配电网具有覆盖面广，作为通讯网络，电网无需 附加投入等优点，此种方式是应用较多的一种方式。 ( 5 ) g p r s 网络传输方式，具有实时性强、可进行远程控制、覆盖范围广、建 设成本低等特点，是目前最适合推广和应用的一种方式。 1 3抄表系统的基本架构 2 本文所述自动抄表系统采用集总式的通信方式，主要由电表、集中器、通信 网络和抄表系统管理中心等四大部分组成，其基本架构如图1 1 所示： 经。 通信网络 管理中心 ： 1 i 二m + *- m + * 出e 三l 主 攀篙：r 荤兰主事。 目目宦睡隍巨 f 嚆i 癌i 赡 晟巨 酗1 l 自动抄表系统基本架构 f i g lls t l l l c t u l g o f a m r s 在图11 所示的架构中，集中器具有汇总和路由两个功能，当中心站要实现对 底层电表的实时操作时，集中器转发中心站命令起路由作用，此时对于控制中心 来说，集中器是透明的，其所有的操作命令将直接下达至采集电表并直接获取 结果；另外，集中器通过中心站设定的参数将电表相应的数据自动采集汇总，当 控制中心读取月冻结、日冻结等数据时，集中器则将其所汇总的相应数据上报中 心站，此时并不涉及对电表的直接操作。 本文的通信网络，一般采用公用电话网或者g p r s 网络。当然可以直接采用 r s 4 8 5 、以太同等，但是这可能要求配备额外通信介质，如铺设4 8 5 通信网络。为 解决拨号上网动态i p 地址通信定位问题，在本文中结合了g s m 短信通信方式发 起g p r s 通信连接，使通信连接更加灵活。 1 4本文的主要工作 本文通过分析目前国内外的自动抄表方案并联系我国的实际情况，应用复合 北京交通人学硕士学位论文 式自动抄表解决方案，即底层数据采集采用载波方式或者r s 4 8 5 总线型结构而上 层数据传输采用公用电话网或者g p r s 无线传输并接入i n t e r n e t 的方式实现与数据 中心的连接，为集中器的设计提供了一套完整的解决方案。具体工作如下： ( 1 ) 研究自动采集系统的基本构成，分析各部分的基本功能以及现有采集方式 的基本特点。 ( 2 ) 分析集中器的硬件的基本构成以及相关硬件知识，进行器件选型，设计集 中器的原理图并开发相应的p c b 电路板。 ( 3 ) 研究g c o s i i 操作系统的实现代码，在k e i l 编译环境下实现g c o s i i 操作 系统的移植，开发相应的硬件驱动以及协议接口函数以创建集中器运行的 软件平台。 ( 4 ) 设计集中器的应用软件，实现基本的数据采集以及通信等功能，设计自动 搜索中继流程，实现数据可靠接收。 ( 5 ) 对集中器进行总体调试，通过测试软件以及相应数据分析验证集中器功能 实现情况。 4 通信原理与通信协议 2 通信原理与通信协议 2 1g p r s 工作原理 g p r s 的英文全称是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( 通用分组无线服务) ， 它是利用“包交换 ( p a c k e t - - s w i t c h e d ) 的概念发展起来的一套无线传输方式。 所谓“包交换”就是将数据封装成许多独立的封包，再将这些数据封包一一传 送出去，形式上有点类似邮局中的寄包裹。其作用在于只有当有数据资料需要 传送时才会占用频宽，而且可以以传输的数据流量计价，这对广大用户来说是 较合理的计费方式，因为在应用像i n t e m e t 这类的数据传输时，大多数的时间 频宽是闲置的。 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的。在现有的g s m 网络中需增 加一些节点，如g g s n ( g a t e w a y g p r ss u p p o r t i n gn o d e ，g p r s 网关支持节点) 和s g s n ( s e r v i n gg s n ，g p r s 服务支持节点) ，g s n 是g p r s 网络中最重要的 网络节点。g s n 具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并 可以连到g p r s 寄存器。g s n 可以完成移动终端和各种数据网络之间的数据传 送和格式转换。g s n 可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与g s m 中 的m s c 集成在一起。g s n 有两种类型：一种为s g s n ( s e r v i n gg s n ，服务g s n ) ， 另一种为g g s n ( g a t e w a yg s n ，网关g s n ) ，s g s n 的主要作用是记录移动终 端的当前位置信息，并且在移动终端和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和 接收。g g s n 主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 、 p s p d n 和l a n 等。国外有些资料甚至将g g s n 称为g p r s 路由器。g g s n 可 以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据 包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。 g p r s 工作时，通过路由管理来进行寻址和建立数据连接，而g p r s 的路 由管理表现在以下三方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据 的路由建立；以及移动终端处于漫游时数据路由的建立。对于第一种情况，当 移动终端产生了一个p d u 分组数据单元，这个p d u 经过s n d c 层处理，称为 s n d c 数据单元。然后经过l l c 层处理为l l c 帧通过空中接口送到g s m 网 络中移动终端所处的s g s n 。s g s n 把数据送到g g s n 。g g s n 把收到的消息 进行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式( 如p s p d n 的p d u ) ，最 终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传输的安全，可以 对空中接口上的数据做压缩和加密处理。在第二种情况中，一个公用数据网用 b 京交通 学硕十学位论文 户传送数据到移动终端时，首先通过数据网的标准协议建立数据网和g g s n 之 问的路由。数据网用户发出的数据单元( 如p s p d n 中的p d u ) ，通过建立好 的路由把数据单元p d u 送给g g s n 。而g g s n 再把p d u 送给移动终端所在的 s g s n 上，g s n 把p d u 封装成s n d c 数据单元，再经过l l c 层处理为l l c 帧 单元，最终通过空中接口送给移动终端。第三种情况是一个数据网用户传送数 榭给一个正在漫游的移动用户。这种情况下的数据传送必须要经过归属地的 g g s n ，然后送到用户a 端。 相对原来g s m 的电路交换数据传送方式，g p r s 采用分组交换技术。由 于使用“分组”技术，用户上嘲可以免受掉线的麻烦。此外，使j jg p r s 上网 的方法与w a p 不同，用w a p 上i 旬9 就如在家中上网，先“拨号连接”，而上网 后便不能同时使用该电话线，但g p r s 则较优越，f 载资料和通话可以同时进 行。 从技术上来说，卢音的传送( 即通话) 继续使用g s m ，而数据的传送则 使用g p r s ，就把移动电话的应用提升到一个更高层次，而且不需重新组网， 十分经济。g p r s 的用选f 分广泛，包括通过手机发送及接收电子邮件、在 i n t e m e t 上浏览等。使用g p r s ，数据可实现分组发送和接受，这意味着用户总 是在线且按流量计费，降低了服务成本。图21 是g p r s 的应用模型： * 4 配电中o ， 厂柱f 一 1 题：j i 重苎一_ w i _ b 嘲2 1g p r s 席川模型 f i g21 t h ea p p f i c a f i o n m o d e l o f g p r s g p r s 的最大优势在于数据传输速度不是w a p 所能比拟的。目前的g s m 移动通信网的传输速度为每秒96 k 字节，g p r s 手机在推出时已达到5 6 k b p s 的传输速度，到现在更是达到了1 1 5 k b p s ( 此速度是常用5 6 k m o d e m 理想速率 的两倍) 。除了速度上的优势，g p r s 还有“永远在线”的特点，即用户随时与 网络保持联系。举个例子，用户访问i n t e r n e t 时，点击个超级链接，手机就 在无线信道上发送和接受数据，主页下载到本地后，没有数据传送手机就进 入一种“准休眠”状态，手机释放所用的无线频道给其它用户使用，这时网络 笋，l 铲学 通信原理与通信协议 与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次点击，手机立即向网络请求 无线频道用来传送数据，而不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上 网。在有g p r s 承载业务支持的标准化网络协议的基础上，g p r s 可以提供系 列交互式业务服务： ( 1 ) 点对点面向连接的数据业务。为两个用户或多个用户间发送多分组的业 务。该业务要求有建立连接、数据传送以及连接释放等工作程序。 ( 2 ) 单点对多点业务。根据某个业务请求者的要求，把单一信息传送给多个 用户。该业务又可以分为点对多点多信道广播业务、点对多点群呼业务 和i p 多点传播业务。 ( 3 ) 点对点无连接型网络业务。各个数据分组彼此互相独立，用户之间的信 息传输不需要端到端的呼叫建立程序，分组的传送没有逻辑连接，分组 的交付没有确认保护，是由i p 协议支持的业务。 g p r s 除了提供点对点、点对多点的数据业务外，还能支持用户终端业务、 补充业务、g s m 短消息业务和各种g p r s 电信业务。 2 2载波通信原理 电力线载波p o w e rl i n ec a r r i e r p l c 通信是利用高压电力线( 在电力载波 领域通常指3 5 k v 及以上电压等级) 、中压电力线( 指1 0 k v 电压等级) 或低压 配电线( 3 8 0 2 2 0 v 用户线) 作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特 殊通信方式。作为居民电力抄表系统，主要是利用低压电力线作为通讯媒介。 通俗地说，就是系统同时从低压电力线上获得电源和数据信息，并通过g p r s ( 通用分组无线业务) 以及m o d e m ( 调制解调器) 等通信设备建立远程通信 信道，实现远程快速自动抄表，大大节省了人力资源。 由于低压配电网具有覆盖面广，作为通讯网络，电网无需附加投入( 即不 必为数据通信额外架设通信网络，例如采用4 8 5 通信时，必须单独构建4 8 5 的 通信网络，成本较高) 等优点，使低压载波技术得到了重视和发展。近年来， 电子工业与通信技术的发展为低压载波通信技术提供了成熟的条件，人们通过 综合利用多载波调制、分组传送以及中继等技术解决低压载波通信面临的信道 衰减和电网污染问题，使低压电力载波取得了迅猛的发展。 载波通信采用直接序列扩频的b p s k ( b i p o l a rp h a s es h i f tk e y i n g ) 调制 解调方式：将要发送的信息用伪随机码序列扩展到较宽的频带上，在接收端用 同样的伪随机码序列来进行同步接收，恢复信息。接收的过程包括载波信号的 捕获和同步。 7 北京交通大学硕士学位论文 捕获是接收模块在扩频序列精确同步前，搜索接收信号，使接收信号的扩 频序列与本地扩频序列在相位上进入可同步保持的范围之内，即二者的相位在 一个扩频序列码元之内。采用每次滑动步长为半个比特的串行积分搜索方式， 理论上最大捕获时间需要2 9 个数据比特( 1 5 位p n 码时) 。捕获完成后进入跟 踪阶段，动态地调整本地伪码产生器的时钟速率，使本地伪码能够自动地和接 收到信号的伪码保持精确同步。扩频序列的跟踪电路采用全数字基带延迟锁定 环( d e l a yl o c k e dl o o p ) 电路。解扩过程为保证捕获和同步均能完成，发送模 块在每次传送有效数据前至少发送4 0 个比特全“1 用作捕获和同步训练( 1 5 位p n 码) 。 由于所选用的扩频伪码具有很强的自相关性，所以通过比较本地伪码和接 收序列之问的相关性与设定阈值的高低，来判定是否停止伪码的滑动、完成捕 获；5 0 0 b p s 时默认的捕获门限值为3 0 h 。载波通信的扩频、解扩工作可以完 全由s o c 内部的硬件电路实现，而解扩阈值可以用软件调节。 2 3通信协议 2 3 1电力载波居民集抄系统集中器上行通信规约1 7 】 2 3 1 1 规约层次描述( 图) 基于g b t 1 8 6 5 7 3 2 0 0 2 规定的三层参考模型“增强性能体系结构，包 括应用层、链路层和物理层。 l 应用层r m a l l i 数据链路层d l l i 二画习 曰囝圈 图2 2g b t 1 8 6 5 7 3 2 0 0 2 规定的三层参考模型 f i g 2 1t h et h r e e - l a y e rr e f e r e n c em o d e lp r o v i d e db yg b t 18 6 5 7 3 - 2 0 0 2 通信原理与通信协议 物理层可采用多种通信方式，包括g p r s ，c d m a ，p s t n ，以太网，本地 r s 2 3 2 和本地红外线。链路层位于三层参考模型的中间层。它将物理层提供 的可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路，并对应用层的原始数 据进行数据封装。链路层提供无差错的数据单元传输。应用层利用数据链路层 的信息传递功能，在主站和集中器之间发送、接收各种数据信息。 2 3 1 2 帧结构 ( 1 ) 字符格式 帧的基本单元为8 位字节。传输时加上一个起始位( 0 ) 、一个偶校验位 和一个停止位，共1 1 位。其传输序列如表2 1 所示。d o 是字节的最低有效位， d 7 是字节的最高有效位。链路层传输顺序为低位在前，高位在后；低字节在 前，高字节在后。 表2 1 链路层数据传输顺序 t a b l e2 1l i n kl a y e rd a t at r a n s m i s s i o ns e q u e n c e i 传送方向l 起始位i 8 位数据 i 偶校验位i 停止位i ( 2 ) 规约采用异步式传输可变帧长帧格式如表2 2 所示 表2 2 规约基本帧格式 t a b l e2 2b a s i cf r a m ef o m a to ft h ep r o t o c a l i 启动字符l 长度ik 度i 启动字符i 控制域i 地址域l 链路川户数据i 和校验i 结束字符f l 6 8 hl i l l 6 8 hlb y t e4b y t e s ( l 一6 ) b y t e s l 1b y t e i 1 6 h i ( 3 ) 传输规则 预路空闲状态为二进制1 ； 帧的字符之间无线路空闲间隔；两帧之间的线路空闲间隔最少需3 3 位。 如按( e ) 检出了差错，两帧之间的线路空闲间隔最少需3 3 位。 帧校验和( c s ) 是用户数据区的八位位组的算术和，不考虑进位位。 接收方校验可分为字符校验和帧校验。对于每个字符，校验起动位、停 止位、偶校验位。对于每帧，检验帧的固定报文头中的开头和结束所规 定的字符；识别2 个长度l ( 第二字节重复第一字节) ；每帧接收的字 符数为用户数据长度l + 6 ；帧校验和；结束字符。校验出一个差错时， 校验按( c ) 的线路空闲间隔；若其中一个校验失败，舍弃此帧；若无差错， 则此帧数据有效。 通信都是由主站向集中器发出请求命令，集中器根据要求作出响应。 主站下发的任何命令，集中器必须做出相应的回答( 除非内部数据校验 错误，如果主站三次下发命令均得不到应答将做出超时处理。 如果主站请求的项目不存在或者集中器不支持，集中器返回否认帧。 9 北京交通大学硕七学位论文 收到否认帧的一方终止此次通信，不再重发上次报文。 帧总长度不超过2 5 5 b y t e 。 ( 4 ) 链路层定义 长度l 由1 字节组成，用户数据长度l 采用b i n( 二进制) 编码， 是控制域、地址域、链路用户数据( 应用层) 的字节总数。 控制域表示报文传输方向和所提供的传输服务类型的信息，占用1 个 字节，定义如表2 3 所示。 表2 3 控制域格式 1 a b l e2 3f o r m a to fc o n t r o lf i e l d d 7 d 6 d 5 d o i 传输方向位d i r启动标志位p r m功能码 传输方向位d i r ：d i r = 0 ，表示此帧报文是由主站发出的下行报文。d i r = i ， 表示此帧报文是由集中器发出的上行报文。启动标志位p r m ：p r m = l ，表示 此帧报文来自启动站。p r m = 0 ，表示此帧报文来自从动站。控制域定义如表 2 4 所示。 表2 4 控制域功能定义 t a b l e2 4f u n c t i o nd e f i n i t i o no fc o n t r o lf i e l d d i rp r m功能码 帧类型服务功能说明 0l 0 0 1 0 0 0响应帧带数据读数据包括历史数据和实时数据 集中器抄表日、- t 作时段、时钟、 0l0 0 1 0 1 0响应帧带参数读参数 电表参数、总表采集周期等 响应帧带确认信集中器动 集中器抄表日、t 作时段、电表参 0l0 0 1 0 1 l 息作，写参数数、总表采集周期等 响应帧带校时后集中器校返同校时后的时钟 0 l0 0 1 1 0 0 的时钟时 用于读取数据或参数时多帧的情 o 10 0 0 0 0 l确认回答成功 况，对集中器上发报文的确认 用_ 丁- 读取数据或参数时多帧的情 0l 0 0 0 1 0 1 否认回答 失败 况，对集中器上发报文的否认。 1l0 0 l l l l 不需要响应帧 心跳 对主站下发的设置参数、集中器动 l00 0 0 0 0 1 确认回答成功作的确认，也用于设置电表参数多 帧情况，对主站下发报文的确认 主站下发设置参数的内容非法、密 码错误等，也用丁设置电表参数多 lo0 0 0 1 0 1 否认回答失败 帧时对主站下发报文的否认，集中 器动作、实时抄表的否认。 lo0 0 1 0 0 0带数据的响应帧 返同数据 l o 通信原理与通信协议 l0 0 0 1 0 1 0带参数的响麻帧 返同参数 带参数数据的响返回集中 参数数据即时钟 l0 0 0 1 1 0 0 应帧器时钟 地址域即集中器逻辑地址，其格式如表2 5 所示： 表2 5 集中器的地址格式 t l b l e2 5a d d r e s sf i e l df o r m a to fc o n c e n t r a t o r a 1a 2a 3a 4 地市码 区县码及厂商代码集中器地址低字节集中器地址高字节 a 2 的高4 位代表区县码，用于区分地市及地市以下的区县公司，0 代 表地市公司，低4 位代表厂商代码，从1 - f 开始编号。地址域编码为b i n 编 码( 即二进制编码) 集中器逻辑地址传输时按照a 1a 2b 1b 2 次序传输。 帧校验和是控制域、地址域、链路用户数据( 应用层) 的字节的八位位 组算术和，不考虑溢出位。 ( 5 ) 链路用户数据域定义( 应用层定义) 如表2 6 所示： 表2 6 链路j j 户数据格式 t a b l e2 6f o r m a to fl i n ku s e rd a t a 说明字节长度 应用层功能码( 类型标识a p p t p y e )2 b y t e 帧序列域 2 b y t e 操作对象类型 l b y t e 操作对象地址 2 b y t e 信息体长度 l b y t e 信息体个数 l b y t e 信息体时标( 时钟类) ( 注1 ) 6 b y t e 信息体1信息体长度 信息体域 信息体n信息体长度 集中器密码( 仅设置参数、集中器动作) 6 b y t e 功能码以及帧序列域等各项内容的详细设置可参照规约。 2 3 2多功能电表通信规约d l t6 4 5 1 8 】 该规约所规定的字节传输次序与上一节规约基本相同，下面仅对该规约的链 路层帧格式进行简要介绍。 表2 7 多功能电表通信规约组帧格式 t a b l e2 7f l a m ef o r m a to fm u l t i f u n c t i o nm e t e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c a l i 代码 6 8 h a o a la 2a 3a 4a 56 8 h cd 户汀ac s1 6 h l 说明帧起始符地址域帧起始符控制码数据域校验码结束符 北京交通人学硕+ 学位论文 表2 7 规定了多功能电表通信规约的帧格式，以下对其各部分进行简要说明。 ( 1 ) 帧起始符6 8 h ：标识一帧信息的开始，其值为6 8 h = 0 1 1 0 1 0 0 0 b 。 ( 2 ) 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。地址长 度可达1 2 位十进制数，可以为表号、资产号、用户号、设备号等。具体 使用可由用户自行决定。当使用的地址码长度不足6 字节时，用十六进制 a a h 补足6 字节。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。 ( 3 ) 控制码c 各个位的取值及其说明如表2 8 所示。 表2 8 多功能电表通信规约控制域定义 t a b l e2 8c o n t r o lf i e l dd e f i n i t i o no fm u l t i f u n c t i o nm e t e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c a l 序号 d 7d 6 d 5 d 4 d 0 从站异常后续帧标 说明传送方向请求及应答功能码 标志志 0 由主站发0 从站正确0 无后续0 0 0 0 0 保留：0 0 0 0 1 读数据 出的命令应答；1 从数据帧；1 0 0 0 1 0 读后续数据；0 0 0 1 1 取值帧；1 由从站对异常有后续数重读数据；0 0 1 0 0 写数据 说明站发出的信息的应 据帧0 1 0 0 0 广播校时；0 1 0 1 0 应答帧 旌 写设备地址；0 11 0 0 更改通口 信速率；0 1 1 1 1 修改密码 ( 4 ) 数据长度l ：l 为数据域的字节数。读数据时l 2 0 0 ，写数据时l 、 5 0 ， l = 0 表示无数据域。 ( 5 ) 数据域d a t a ：数据域包括数据标识和数据、密码等，其结构随