（电力系统及其自动化专业论文）公用配电变压器gprs监测终端及监测系统研究.pdf

东南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a st h et e m f i n a lo f t h ep o w e rs y s t e mn e t w o r k ，t h ed i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e m f a c e sd i r e c t l yt ot h ec u s t o m e r s i th a s 、i d e l yd i s t r i b u t e dl i n e s 、l o wv o l t a g ea n d n u m e r o u se q u i p m e n t s w h i c hm a k e si tm u c hi m p o r t a n tf o rt h ei m p r o v e m e n to f t h ep o w e rq u a l i t ya n dt h ee n h a n c e m e n to ft h es u p p l yr e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h eg p r sn e t w o r ki si n t r o d u c e dt od a t ac o l l e c ts y s t e mo ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m an o v e ld i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rm o n i t o rb a s e do nt h eg p r sn e t w o r ki s d e v e l o p e d ，a n dt h es o f t w a r ef o rt h i sn e we q u i p m e n ti sa l s oc o m p i l e d n l eg p r sn e t w o r ki sd e v e l o p e df r o mt h eg s mn e t w o r k b a s e do nt h e p a c k e ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y n l eg p r sn e t w o r ki sa b l et op r o v i d e sal o to f p i v o t a ls e r v i c e ，s u c ha si n s t a n t a n e o u si n t e m e tc o n n e c t 、r e a lt i m et r a n s f e r 、b u l k t r a n s f e r , e t c a i io ft h e s ea b i l i t i e sm a k et h er e m o t er e a lt i m em o n i t o r i n go ft h e d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rp o s s i b l e i nt h i s p a d e r , d a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h ed i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r m o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h eg p r s g s mn e t w o r ki sr e a l i z e db yad a t at r a n s f e r u n i t ap i e c eo fp 口8 9 c 5l r ds c mi su s e da st h ep r o c e s s o ro f t h ed a t at r a n s f e r u n i t , a n dap i e c eo fm o t o r o l ag 2 0w i r e l e s sm o d e l w o r k sa st h ew i r e l e s st r a n s f e r u n i tt oa c h i e v ec o n n e c t i o nw i t ht h eg p r sn e t w o r k t h el i n k a g eu n i tb e t w e e nt h e p r o c e s s o ra n dt h ew i r e l e s sm o d e li sap i e c eo fp m a l l e l s e r i a lc o n v e r s i o nc h i p l6 c 5 5 0 t h ed e t a i lo ft h i sd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rm o n i t o ri sr e p r e s e n t e di n c h a p t e rt h r e e 耶1 ep l a t f o r ma n dt h em o n i t o r i n gs o f t w a r eo ft h ep o w d d i s t r i b u t i o n a u t o m a t i cs v s t e ma r e a l s oc o n s t r u c t e di nt h i sp a p e r n es o f t w a r ec o d ei s c o m p i l e db yv i s u a lc + 4 - a n dt h ed a t a b a s eb ys q ls e r v e r2 0 0 0 i nc h a p t e rf o u r , a l lo ft h ef u n c t i o n sa n df l o wp r o c e s sc h a r t sa r er e p r e s e n t e di nd e t a i l t h ee - r c h 8 na n a l y s i so f t h ed a t a b a s ei sa l s oi u u s t r a t e di nt h i sc h a p t e e a tt h ef i f 1 1p a r to f t h i sp a p t h ea n a l y s i so f t h em o n i t o r i n gs y s t e ma p p l i e d i ny a n c h e n gp o w e rs u p p l yc o m p a n yi sr e p r e s e n t e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h e g p r sn e t w o r kc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed a t at r a n s f e ro ft h ep o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h em o n i t o r i n gs y s t e mc o n s t r u c t e di nt h i sp a d e ri so f g o o dm a n e u v e r a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：p o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i cs y s t e m 、g p r s 、d a t at r a n s f e ru n i t 、 s o r w a r ed e s i g n ； v 东南大学工程硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得东南大学或其它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。 东南大学学位论文使用授权声明 强了| 3 。 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，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，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 l i i 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 配电自动化系统是集计算机系统、通讯系统、信息管理系统、控制系统于一体，对配电 网络实施监测、控制、管理的系统，它包括变电站综合自动化、配电自动化、用户自动化和 配电管理自动化。配电自动化是在配电设备和配电管理上的自动化，即在配电网上装配与其 相适应的传感器、开断设备及控制设备等，采取与其相配套的自动化管理手段，实现对配电 网故障区段的自动定位，迅速隔离，缩小停电范围。当故障发生后，现场测控装置将现场设 备的状态及故障信息送入控制中心，由控制中心进行故障定位，确定故障区段，自动或人工 发出有关操作命令，隔离故障区段，恢复对非故障区段的供电。配电自动化是电力系统现代 化的必然趋势，是城、农网改造工程的重要组成部分。实现配电自动化必然能进一步提高供 电可靠性和供电质量，从而为供电公司提高服务质量、提高企业的经济效益和管理水平起到 极大的推动作用。 近年来，随着城乡电网大规模建设与改造工程的实施，配电网的装备水平不断提高，但 要推广实现配电自动化，首先需要选择适应配网特点的通信技术。现有的通信技术，如有线 通信、无线扩频通信、载波通信等都或多或少地存在缺点。电力线载波通讯方式以电力线路 作为通道，过去较多地应用于高压输电网，但是，由于配电网结构复杂，干扰噪声显著，使 得信号衰减较大、传输距离近、通信的可靠性难以得到保证。光纤通信的优点是容量大、抗 电磁干扰能力强等，缺点是敷设光纤和购置光端机的一次投入和维护费用高，加之机械强度 低、质地脆的缺点使其在大量的户外配电设备上的应用受到限制，因此在配电系统中，光纤 一般只作为主干线路的通信方案，还需要有其他的通信方式作为补充；微波通信设备投资太 大，不适合用于配电网的多点通信；扩频通信具有抗干扰能力强、误码率低、发射功率小等 优点，适用于如变电所与调度中心等长距离通信，但用于城市配电网时，由于通信环境不理 想，效果不佳，而且绕射能力差，信号的接收会受到波传输的影响，效果不佳；普通电台无 线电通信的可靠性不高，而且超出一定的范围后，需建立中继站，所以在配电系统中也没有 大量普及。由于配电网所需监控的设备量大、面广，所要完成的功能太多，不可能采用单一 的通信方式来满足所有功能的要求，因此，多种通信方式在配电网中的混合使用就在所难免。 近年来，不少电力公司在积极尝试建立配网系统的远程数据采集系统，但都因以上的这些通 讯技术难以适应配网设备量大、分散、运行环境恶劣等特点而难以推广应用，最多也只能在 小范围内试用。因此，选择合适通信方式成了目前制约建设和推广配电自动化系统的瓶颈。 目前，电力系统基本上已经建成了以光纤作为传输介质的主干网，但是对配电网远程数 据采集系统目前还没有很好的解决方案。随着无线通信技术的不断提高，利用移动运营商提 供的无线网络实现配电网数据采集和监控s c a d a 将成为电力系统自动化的一个重要发展方 向。 1 2 g p r s 的特点 通用分组无线业务g p r s ( g e n e r a lp a c k e tl h d i os e r v i c e ) 是在现有的g 跚系统上发 展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。g p l l s 系统有许 多其他通信系统不具备的独特优势。 ( 1 ) 资源利用率高：g p r s 引入了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据期 间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。 而g s m 传输数据方式为电路交换模式，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占 有无线信道。g p i l s 用户的计费按通信的数据流量为计费标准。 ( 2 ) 传输速率高：g p r s 可提供高达1 1 5 k b i t s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b i t s ， 东南大学工程硕士学位论文 不包括f e c ) 。 ( 3 ) 接入时间短：分组交换接入时间缩短为少于l s ，能提供快速即时的连接，可大幅度 提高一些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率。 ( 4 ) 支持i p 协议和x 2 5 协议：g p r s 支持i n t e r n e t 上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议，而且由于g s m 网络覆盖面广，使得g p l l s 能提供i n t e r n e t 和其它分组网络的全球性无 线接入。 g p r s 网络支持t c p i p 协议，并覆盖面非常广，无论在费用，可靠性和可实施性等方面 都具有很大的优势。g p p , s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用 电路交换模式的网络资源；从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于 间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。所以，基于 g p r s 通讯的电力系统数据采集、传输、管理综合系统是一个非常有应用前景的实现方案。 1 3 本文的主要工作 本文设计完成了基于g p r s 通讯网络的数据传输单元，用于实现配变监测装置与配变运 行监测软件系统之间的数据传输，并利用v i s u a lc + + 编程语言和s o ls e r v e r 数据库实现了 配变运行监测系统程序，具体的内容和章节安排如下； 第一章绪论。简要介绍课题的背景和意义。 第二章论述了基于g p r s 的配变监测系统的整体设计方案和模块的结构组成。 第三章详细论述了基于g p r s 的配变监测系统中数传单元的软、硬件实现。 第四章介绍了基于g p r s 的配变监测软件的实现过程。 第五章对g p r s 的配变监测系统在盐城市的运行状况进行跟踪分析。 第六章对全文作了总结，并对未来需要进一步研究的工作作了展望。 2 东南大学工程硕士学位论文 第二章基于g p r s 的配变监测系统的整体设计方案 2 1 基于g p r $ 的配变监测系统的整体结构 基于g p r s 的配变监测系统的整体结构如图2 1 所示，监测终端的数据经g p r s 网络上传到 工作站的通讯服务器，通讯服务器完成协议转换和部分数据处理工作，然后通过以太网将数 据分别发往数据服务器或前置机。前置机完成数据的最终处理工作，并实现与用户的信息交 互w e b 服务器可以将系统生成的各种报表、曲线等，呈现在i n t e l m 上，方便查阅。监控分 析工作站对整个系统的运行状况进行实时监控。维护工程师通过系统维护工作站完成系统的 日常维护工作。另外，数据服务器还可通过以太网向s c a d a 系统和g i s 系统等高级管理程序提 供数据支持。 2 2 配变监测系统嘲络架构分析 g p l i s 配变监测系统的网络架构如下图2 2 所示，可分为五个部分，分别是监测终端设备、 g p r s 数据传输终端、g p r s g s m 通讯网络、跨络代理服务器、监控中心主站，其中g p r s 数据传 输终端是监测终端设备的一个组成部分，g p r s g s 嗵讯网络由通讯运营商提供。主站主要完 成人机交互工作；网络代理服务器主要负责网络数据链路建立和数据收发的透明中转；g p r s 数据传输终端完成信息的采集上传与接受下发；监测终端设备主要完成数字置与模拟量的采 集。 2 2 1 监潮终端 该监测系统采用的配电综合监测仪是根据电力需求侧管理技术要求和配变负荷监测相 关标准设计、制造的一种高科技产品。它采用高精度数字采样处理技术，集数据采集、显示、 存储、通讯等多功能于一体，并可通过后台软件将储存记录的数据以图表或报表的形式显示、 打印和分析。其科技领先，功能强大、可靠性高，可广泛应用于配电设备的监测。 2 2 2g p r s 数据传输终靖 g p r s 数据传输终端是监测终端的一个重要组成部分，也是本文论述的重点，它完成监 测中心主站与监测终端的通讯，功能与特点如下： 功能要求： 1 标准的a t 命令界面，方便程序设计； 2 t c p i pi n t e r n e t 内嵌的协议栈，轻松互联； 3 r s 2 3 2 接口方式，更加简便的通讯方式； 4 可通过串口升级程序。 3 东南大学工程硕士学位论文 m 2 i 基于g p r s 的配变监测系统整体结构图 网络代理服务器监测中心 图2 。2g p l c s 系统网络架构 性能要求t 1 使用低功耗高性能的c p u 做处理器，1 6 位内部数据总线，1 2 8 k b s r a m ，5 1 2 k b f l a s i i ， 可高速处理协议和大量数据； 2 支持全透明及帧格式数据传输； 3 支持t c p 、i p 、p p p 、i c m p 、u d p 、1 1 e l n e t 、t t p 协议栈； 4 一个符合i s 0 7 8 1 6 - - 3 1 c 卡标准的s i m 卡座，支持符合g s m i i i i 和g s w i i 1 0 ，规范 4 东南大学工程硕士学位论文 s i m 卡： 5 简化接口设计，使用通用的2 3 2 接口和简单的a t 命令交互界面； 6 设计方便的电源接口，既可使用外挂电源，又可从串口直接取电； 7 整机功耗小于3 w ： 8 完善g p r s 网络中所出现的假拨号、掉线自动重启、远程唤醒等功能； 9 支持远程控制及动态域名解析； l o 同时更具嵌入式系统要求，可提供内置式模块( 不带外壳，可通过插针与嵌入式直 接系统相连) 。 l l 、同时设置软硬件双重看门狗，在d t u 不能正常工作时，能够自动断电复位。 2 2 3 圈络代理服务器 本系统中网络代理服务器可采用a d s l 、l a n 等i n t e l n e t 公网连接，采用公网固定i p 或者公网动态i p + d n s 解析服务，出于安全性考虑，监测中心主站在局域网中，不直接连在 i n t e r n e t 网上，通过网络代理服务器来负责网络数据链路建立和数据收发的透明中转。 g p r s 数据传输终端上电后，它会根据预先设定在其内部的i p 地址或者是域名来主动访问网 络代理服务器，通过代理服务器和监测中心建立t c p i p 链路。监测中心主站本身维护接入 的每个终端的i p 地址和i d 号，当主站要向某个监测终端提出数据请求时，它会根据i p 地 址和i d 号来找到对应的终端，将命令下发到该终端，终端响应后通过g r p s 数据传输终端把 数据发到网络代理服务器端口，通过端口影射转发到监测中心主站，即完成了一个应答式的 通讯流程。以上方式是通过i n t e r n e t ( c 3 4 n e t ) 实现的，这样用户的实现成本比较低。如需 要高可靠性数据传输。中国移动为这种应用提供了直接接入g p r s 网络的方式。监测中心主 站通过专线方式直接接入g p r s 移动基站，并获得一个固定的i p 地址。监测点数据无需路由 到i n t e r n e t 网络，监测点d t u 也采用固定i p 地址的s i m 卡。采用这种方式组成点对多点网 络，具有实时性好、安全性高的特点，但接入费用相对较高。 2 z 4 篮舅中心主站设计 主站系统最里层为操作系统及系统软件。第二层为系统支持软件层。包括数据库系统、 电力系统模型、数据采集和传输。电力系统模型主要指电力系统设备对象化及网络拓扑；数 据库系统分为运行库、基础库、标准库和历史库四个部分；数据采集和传输就是将各种数据 从不同的终端根据各种通讯协议采集过来，但并不进行处理，再通过网络分发给需要这些数 据的系统。第三层为基础应用层，将采集过来的数据经过各种处理，通过g u i 界面显示给用 户。第四层为高级应用层，它所产生的数据主要是供电力公司生产经营管理使用。 2 3 小结 本章给出了基于g p r s 的配变监测系统整体结构方案，描述了配变检测系统中主要的数 据处理流程。并对配变监测系统中通讯网络架构进行分析，对网络架构中各部分的作用及主 要特点进行了详尽地说明。 5 东南大学工程硕士学位论文 第三章基于g p r s 配变监测系统数传单元的硬件实现 3 1 硬件总体设计方案 3 1 1 基于5 1 单y d t 的硬件方案确定 8 0 5 1 系列微处理器基于简化的嵌入式控制系统结构，被广泛应用与自动控制的各种系 统上。8 0 5 1 内核的基本结构如下： 1 ) 一个8 位算术逻辑单元。 2 ) 3 2 个i o 口( 4 组8 位端口) ，可单独寻址。 3 ) 两个1 6 位定时记数器。 4 ) 全双工串行通信。 5 ) 6 个中断源，两个中断优先级。 6 ) 1 2 8 字节内置r a m 。 7 )独立6 4 k 可寻址数据和代码区，可扩充。 基于一个8 0 5 1 内核，许多厂商生产8 0 5 1 系列的单片机，并加入了大量的性能的外部功 能，像，总线接口、模拟量到数字量的转化、看门狗、p 删输出等，基于一个内核的这些 功能使得8 0 5 1 系列单片机很适合作为开发者的一种基本的架构，它能够运行各种程序，而 且开发者只需要学习这一个平台。 鉴于8 0 5 1 单片机的上述特点，本文拟采用带5 4 kf l a s h 的8 0 5 1 单片机a t 8 9 c 5 i r d 作为 处理器。选择采用串口与配变监测终端相连，通过g p r sm o d e m 无线传输网络把终端采集到 的数据传到监测中心，由监测中心的软件系统程序对数据进行最终的存储和管理。 基于g p r s 的数传系统主要包括4 个部分：数据处理与计算系统，无线通信模块，输入 与输出模块，电源模块。体系结构如图3 i ，系统通过输入输出模块与配电监测终端建立的 串行通道读入数据，经数据处理与计算模块处理，然后通过无线通信模块将数据发往监测中 心。监测中心的命令以相反的路径发送至配电监测终端。 图3 i 基于5 1 c p u 的硬件模块结构图 6 东南大学工程硕士学位论文 3 。2 各功能模块的硬件实现 3 2 。1 数据处理与计算系统 整个系统的数据传输功能由作为处理器的a t 8 9 c 5 1 r d 芯片，结合并口串口转换模块 1 6 c 5 5 0 来实现。 a t 8 9 c 5 1 是一款高端的8 0 c 5 1 内核单片机，含有6 4 kf l a s h 存储区，可以用并行或者串 行方式通过s p i 或者软件对其进行编程。编程电压由内部v c c 引脚产生。艄b 9 c 5 1 r d 包含了 a t m e l s o c 5 2 的所有特性，例如2 5 6 b 的内部r a m ；9 个中断源，4 级中断；3 个记时器。a t 8 9 c 5 1 r d 提供了2 0 4 8 b 的e e r o m ，用来存储非易失性的数据。另外，a t 8 9 c 5 1 r d 拥有一个可编程的计 数器，1 7 9 2 b 的x r a m ，硬件看门狗电路，s p i 接口，和一种系统速度改良机制x 2 模式。 a t 8 9 c 5 1 r d 的完全静态设计可以将系统电能消耗降低，且不丢失数据。a t 8 0 c 5 1 r d 的内部结 构如图3 2 所示。 n t 柏“嘣o f p o d 越日旧电轴x 鲥l o f 附1 3 图3 2a t 8 9 c 5 1 r d 内部结构框图 ( _ 一) 数据处理与计算单元电路结构； 数据处理与计算单元电路结构原理图如图3 3 所示；图中a t 8 9 c 5 1 r d 是主控c p u ，其数 据总线与并n - m 口转换芯片1 6 c 5 5 0 的总线相连，完成并行数据到串行数据的转换，从而与 g 2 0 模块连接，实现无线通信数据接口。 7 东南大学工程硕士学位论文 图3 3 数据处理与计算单元接线原理图 8 东南大学工程硕士学位论文 ( 二) 系统外部时钟 在数据采集控制系统中，特别是长时间无人值守的系统中，经常需要记录某些具有特殊 意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特殊意义的数据，对数据采集系统的性能分析 及正常运行具有重要的意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间 记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间：著采用单片机计时，一方面需要采 用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，要耗费单片机的c p u 时间，可 能对系统响应的快速性造成影响，因此本系统选择采用d s l 3 0 2 外部时钟。 1 ) d s l 3 0 2 的基本性能如下： 实时始终可以记录时、分、秒、月、星期。每月天数的补偿被设定到2 1 0 0 年。 3 1 x 8 r a m 的数据缓存器。 串行的i o 口作为数据的输入输出端口。 2 o v 到5 5 v 的全电压操作。 工作在2 v 的时候，工作电流不到3 0 0 h a 。 单字节读写传输时钟数据，或在b u r s tm o d e 方式时进行多字节数据传输。 2 ) d s l 3 0 2 的接线图： ( 三) 看门狗电路 图3 4d s l 3 0 2 接线图 9 东南大学工程硕士学位论文 图3 5 看门狗电路 看门狗电路结构如图3 5 所示；其中： 躲# ： 手动复位端，当置低的时候产生一个复位脉冲。 仰0 # ： 看门狗输出端，当看门狗计数器超时1 6 秒，w d 0 # 将被置低。另外，当v c c 低于复位门槛值4 5 v ，w d o # 也将被置低。 r e s e t ：外部复位信号。 w d i ： 看门狗输入，w d i 控制看门狗内部计数器，1 6 秒没有输入信号，- d 0 i 将被 置低。 v c c ： + 5 v 电源输入。 本设计把豫# 与w d o # 相连接，当外部没有对i m p s l 3 l 时钟定时输入喂狗信号时，i m p 8 1 3 l 将复位，当外部电源低于系统电压门槛值时，i m p s l 3 l 也将复位。v c c 接电源系统提供的+ 5 v 电压。g n d 接地。r e s e t 接a t 8 9 c 5 1 r d 的r s t 接口，由系统软件控制看门狗的复位功能。w d i 与a t 8 9 c 5 1 r d 的p 2 3 端口相连，作为喂狗信号的输入端口，由系统软件定时提供喂狗信号。 p f i 是电压失败监控输入，当输入电压不足l i2 5 v 时，p f o g 将输出低电平，此引脚不使用， 可以接地。 ( 四) 串并口转换电路 本设计要为a t 8 9 c 5 1 r d 扩展一个串口以便与g p r sm o i ) i 湖相连接。使用串并口转换芯片 1 6 c 5 5 0 。 1 )1 6 c 5 5 0 模块的功能为： 完成数据的串并行转化。 生成r s 2 3 2 格式的串行数据桢，发送时自动添加起始停止位，接收时自动删除起 始停止位。 对数据进行可靠性检验，发送时按照要求自动生成奇偶校验位，接收时，检查奇偶 校验位，以确定是否发生传送错误。 实现串行接口与d c e 之间的联络控制，能提供r s - _ 2 3 2 标准规定的控制信号线，以 与m o d e m 进行联络与控制。 2 ) 电路结构： 串并r l 转换电路结构如图3 6 所示。 l o 东南大学工程硕士学位论文 图3 61 6 ( 5 5 0 设计原理图 主控c p u 对1 6 ( 5 5 0 进行控制，通过读写1 6 ( 5 5 0 芯片的通信线路控制寄存器和分频系数 寄存器的参数，从而设置1 6 c 5 5 0 芯片的数据通信格式与通信速率，实现按照规定的要求与 g 2 0 模块进行数据通信。 a ) 通信线路控制寄存器l c r ( l i n ec o n t r o lr e g i s t e r ) ： 通信线路控制寄存器用于指定异步通信数据格式，其格式如图3 7 所示 图3 7 通信线路控制寄存器l c r 结构 b ) 分频系数寄存器： 分频系数寄存器用于调整串行数据传输速度。1 6 ( 5 5 0 的基准时钟频率通常为 1 8 4 3 2 m h z ，通常r c k l 与b o u d o u t # 连接，以实现收发速率相同。分频系数的计算公式是： 系数= 1 8 4 3 2 0 0 ( 1 6 波特率) 如2 无线通信模块 ( 1 ) 6 2 0 模块 6 2 0 是美国m o t o r o l a 公司的一款内嵌僻i p 协议栈的无线m o d e l ，通信速率最快可以达 到i 1 5 2 k b s ，支持大部分的a t 指令，同时提供了一些专有的、支持g p 船服务的a t 指令，使用 非常方便。因此。本文选择g 2 0 芯片作为无线通信模块的主芯片。 l d o t o r o l ag 2 0 的内部结构如图2 1 0 所示，除了发送单元、接受单元、主处理器、及存 储芯片外，还内置有4 个通讯接口：r s 2 3 2 ，u s b ，s i m 卡接口和s p i 接口，同时包含独立的 电压检测管理单元，工作电压输入范围为3 0 4 2 v ，当外部电压低于2 8 5 v 或高与4 2 5 v 时，g 2 0 将断开连接，停止工作。 l l 东南大学工程硕士学位论文 图3 8g 2 0 内部结构图 ( 2 ) g 2 0 模块接线图： g 2 0 模块的外部接线原理如图3 9 所示。 图3 9 g 2 0 模块接线图 g 2 0 模块的工作电压3 6 v 通过引脚5 8 由外接电源系统提供。g 2 0 模块通过r s 2 3 2 串口与串口并口转换器件1 6 c 5 5 0 实现与单片机的数据交换，数据传输的波特率可以通过a t 指令进行设置。 a t 8 9 c 5 1 r d 对g 2 0 模块的控制通过s p i 总线来实现，如上图中引脚6 2 7 0 。s p i ( s e r i a l 东南大学工程硕士学位论文 p e r i p h e r a i n t e r f a c e ) 是m o t o r o l a 公司推出的一种同步串行外设接口，允许姗与各个 厂家生产的标准外围设备直接接口，以串行方式交换信息。s p i 使用4 条线：串行时钟s c k ， 主机输入从机输出数据线m i s o ( 简称s o ) ，主机输出从机输入数据线m o s i ( 简称s i ) 和 低电平有效的从机选择线c s # 。 a t 8 9 c 5 1 r d 作为主器件，在启动一次传送时便产生8 个时钟传送给接口芯片，作为同步 时钟，控制数据的输入与输出。数据的传送格式是高位( m s b ) 在前，低位( l s b ) 在后，如 图3 1 0 所示，数据线上输出数据的变化以及输入数据时的采样都取决与s c k 。s p i 有比较高 的传送速度，最高可达到1 0 5 m b s 。 d i d 0 图3 1 0s p i 数据传送格式 ( 3 ) 、g 2 0 的工作流程 g 2 0 的内部集成了t c p t p 协议栈处理，提供t c p 和u d p 两种通讯方式。因此，单片机软件 中有关联网方式以及网络通讯等许多步骤得到了极大的简化。g 2 0 不仅可以拨号连接到c m n e t 公网，也可以连接到v p n 虚拟网，此时，它提供了更为安全可靠的数据传送方式；x 寸g 2 0 的控 制是通过a t 指令完成的( 相关拨号指令及应答如表3 1 所示) 。因此，在单片机控制的通讯 系统中，6 2 0 的编程和控制都很方便。g 2 0 的初始化和收发数据流程如图3 1 l 和3 1 2 ； 表3 1g p r s 的p p p 连接流程( a t 指令) 表 序号a t 命令g 2 0 响应注释 1a t0 k a t 命令通信正常 a t l 7+ t 1 7 产品信息 a t + c g m lg 2 0o e mm o d u l e 供应商 t + c g m i ”m o t o r o l a ” 2a t + c p i n ?+ 十c p i n ：r e a d ys i m 卡工作正常 3 a t + m i p c a l l = 1 卜嘲i p c a l l ：i p 1 是开始连接 4 a t + m i p o p e n = 3 ，1 2 2 2 - - + m i p o p e n ：3 ，1假设1 0 9 6 6 1 5 4 是远 程设备的i p 地址， 1 0 9 6 6 1 5 4 ，1 2 3 4 ，1 2 2 2 是g 2 0 的端口号， l 1 2 3 4 是远端设备的端口 号， 1 是u d p ( t c p 建立连接) 5a t + m i p s e t s 一3 ，1 0+ o k 设置s o c k e t 3 的缓存的 大小是l o b y t e s 6 a t + i p s e n d = 3 ，”1 2 3 - 4 * + i p s e n d ：3 ，6s o c k e t 3 的缓存剩余空 4 ” 接收数据格式为：铀i p r c v ：2 ，间是6 b y t e s ，2 是 0 ，1 2 3 4s o c k e t i d 7 a t + m i p p u s ；h = 3十m i p p u s h ：3o k将s o c k e t 3 缓存中的所 东南大学工程硕士学位论文 f 有数据压入协议栈发送 i8 a t + m i p c l o s e = 3o k关闭打开的s o c k e t 3 i 9 a t + m i p c a l l = o+ o k断开连接 图3 1 1g 2 0 初始化流程图 数据写入端口缓冲 t ( 发送数据 ) 图3 1 2 数据发送流程 东南大学工程硕士学位论文 3 2 0 输入与输出模块 系统设计有两个串行输入输出接口r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 。其中，r s 2 3 2 作为系统调试接口。与 数据采集模块的通信采用r s 4 8 5 通信线路，在此线路上传输的数据采用国家颁布的多功能 电能表通信规约d l t 6 4 5 规约。 ( 1 ) r s 2 3 2 、r s 4 8 5 接口特性分析 r s 一2 3 2 - c 接口( 又称e i ar s 一2 3 2 - 0 是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e i a ) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同 制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备( d t e ) 和数据通讯设备( d c e ) 之 间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个2 5 个脚的d b 2 5 连接器，对连 接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。接口的信号内容实际 上r s 一2 3 2 - - c 的2 5 条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3 - 9 条引线。接口的物理结构r s 一2 3 2 c 接口连接器一般使用型号为d b - 2 5 的2 5 芯插头座，通常 插头在d c e 端，插座在d t e 端一些设备与p c 机连接的r s - 2 3 2 - c 接口，因为不使用对方的传 送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用d b 一9 的9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 r s 2 3 2 有以下4 点不足： 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与t t l 电平不兼容故需使用 电平转换电路方能与t t l 电路连接。 传输速率较低，在异步传输时，波特率为2 0 i ( b d s 。 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产 生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 传输距离有限，最大传输距离标准值为5 0 英尺，实际上也只有5 0 米左右。 针对r s 一2 3 2 一c 的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，r s - 4 8 5 就是其中之一， 它具有以下特点：r s 一4 8 5 的逻辑“1 ”以两线间的电压差为+ ( 2 - - - - 6 ) v 表示：逻辑“0 ”以 两线间的电压差为一( 2 6 ) v 表示。接口信号电平比l i s 一2 3 2 - c 低，不易损坏接口电路的芯 片，且该电平与t t l 电平兼容，可方便与t t l 电路连接。r s - 4 8 5 的数据最高传输速率为 1 m b p s 。 ( 2 ) 输入与输出模块接线原理图 由于本g p r s 无线通信模块与数据采集终端的距离要在5 0 米以上，所以使用r s 4 8 6 通信 线路，芯片使用i , x i m 公司的l m l x 2 , 0 2 和m a x l 4 8 7 芯片，芯片接线见图3 1 3 东南大学工程硕士学位论文 图3 1 3输入输出系统原理图 ( 3 ) 通信规约简介 p , $ 4 8 5 通信线路上传输的数据采用中华人民共和国电力行业标准的多功能电能表通信 规约进行通信。该标准是为了统一和规范多功能电能表的费率装置与数据终端设备进行数 据交换时的物理连接和协议。本协议为主一从结构的半双工通信方式。监控终端为主站，数 据采集装置为从站。每个数据采集装置都有各自的地址编码。通信连路的建立与解除均由主 站发出的信息帧来控制。每个帧由起始符，从站地址符，控制码，数据长度，数据域，校验 位和结束符组成。每一部分由若干字节组成。 8 ) 通信规约帧字节格式： 规约帧字节格式如图2 1 4 所示； 图3 1 4 规约帧字节格式 每字节含8 位二进制码，传输时加上一个起始位( 0 ) ，一个校验位和一个停止位( 1 ) ， 共1 1 位。传输序列如上图。 b ) 帧格式： 说明代码 l 帧起始符6 8 h i 地址域 a o a i 1 6 东南大学工程硕士学位论文 a 2 a 3 a 4 a 5 帧起始符 6 跚 控制码 c 数据长度 l 数据域d a r a 校验码c s 结束符 1 6 h 帧是传送信息的基本单元，帧格式请见袁3 2 帧起始符6 8 h ：标识一帧信息的开始，其值为6 8 h = o i i o l 0 0 0 b 。 地址域a o a 5 ：地址域由6 个字节构成，每字节2 位b c 喟。地址长度可达1 2 位十进制数， 可以为表号，资产号，用户号，设各号等。具体由用户决定。当使用的地址长度不足6 字节 时，用十六进制a a i i 补足6 字节。低地址位在先，高地址位在后 c ) 控剖码格式 控制码格式如下图3 1 5 所示： 图3 1 5 控制码格式 其中各数据位的含义为： d t = o ：由主站发出的命令桢d 7 = 1 ：又从站发出的应答桢 d 6 = 0 ：从站正确应答d 6 = i ：从站对异常信息的应答 d 5 = o ：无后续数据桢d 5 = 1 ：有后续数据桢 d ) 校验码c s 从桢起始符开始到校验码之前的所有各字节的模2 5 6 的和，即各字节二进制算数和， 不计超过2 5 6 的溢出值。 e ) 传输次序 所有数据项均先传送低位字节，后传送高位字节。 f ) 传输速率 传输速率有多种初始速率1 2 0 0b p s 标准速率3 0 06 0 01 2 0 02 4 0 04 8 0 09 6 0 0 本系 统采用的传输速率为：9 6 0 0 b p s 。 典型帧格式： 在前面中介绍了帧格式，其中的数据域是帧格式中最为重要的一个部分。由于进行各种 数据参数的获取与传输，因此为区分不同的参数在数据域中定义了不同的标志位。本协议采 用四级树状结构的标识方法来表示这些数据。用2 个字节的4 个字段分别标识数据的类型和属 性，这2 个字节为d i ，和d i o ，4 个字段分别为d i 。md i 。，d i 。，d i 。其结构如下： 表3 3 标识字节1 的结构 东南大学工程硕士学位论文 d i 。 d i 。d i a l d 7d 6 d 5 d 4 d 3d 2d 1d o 用这两个字段标识数据的不同属性时，由于所要传输的数据包括电压，电流，有功和无 功等。它们的标识见表3 5 。 例如： 一tt 厂 表3 5 电能量数据标识编码表： 控制码数据长度数据项标志 标志编码数据功能 序号数据格式单位数据项名称 d i ld i o 长度读写 1 9 o1 00 0 0 0 0 0 0 04k w h当前正相有功总电能 29o2o0 0 0 0 0 0 0 04k w h当前反相有功总电能 3911o0 0 0 0 0 0 0 04l m当前正相无功总电能 4 9 12o0 0 0 0 0 0 0 04 k w h当前反相无功总电能 b6110 0 0 2v当前a 相电压值 520 0 0 2 v当前b 相电压值 30 0 0 2v 当前c 相电压值 b621 0 0 0 2 a当前a 相电流值 620 0 0 2a当前b 相电流值 30 0 0 2a 当前c 相电流值 b6310 0 0 0 0 03k wa 相有功