（电力系统及其自动化专业论文）用电现场服务系统及其远程升级方案的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 s g s n s m s s m s c t c p t d m a s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 业务支持节点 s h o r tm e s s a g es e r v ic e ，短消息服务 s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t r e ，短消息服务中心 t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，时分多址 t d s c d m at i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a ，时分一同步码分多址 t l c u d p u h f v p n w a p w c d m a t r a n s m i s s i o nl i n ec a r r i e r ，输电线载波 u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议 u lt r ah ig hf r e q u e n c y ，特高频 v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ，虚拟专用网 w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ，无线应用协议 w i d e b a n dc d m a ，宽带c d m a 6 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：遄日期：三竺薹；幺坚 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷 件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 一：一聊虢沁一 山东大学硕士学位论文 摘要 用电现场服务系统的目的是应用现代计算机技术和数字无线移动通讯技 术对用电需求侧实现远程实时监控，并对综合性实时信息进行采集、分析和 处理，以提高电网运行的经济性、安全性、投资效益以及电网管理的自动化 水平。用电管理是电力生产供销的最后环节，也是电力工业生产和经营成果 的最终体现，其工作质量直接关系到电力企业的自身形象，自身经济效益和 社会效益。虽然目前终端技术发展迅速，技术也日趋成熟，但是随着对需求 侧管理要求的不断提升，旧型的管理装置已经不能满足要求，新型的管理装 置更加“人性化，更多的从用户需求来考虑，不论外观、内部硬件、软件 等方面都有了新的改进，模块化的设计方法使得不同用户可以根据自己的需 要选择要安装的功能模块，大大提高了经济效益；同时新型的用电现场服务 装置的通信方式也从早期的g s m 通信方式，向2 3 0 m 无线电专网、g p r s 公网、 c d m a 公网乃至3 g 专网的方向发展，大大提高了通讯的效率，节约通讯成本。 本用电现场服务终端的设计是针对目前山东用电状况而进行的，符合山 东电力集团公司用电现场服务与管理系统通讯规约。本文对用电现场服务系 统的终端、通信方式、远程升级方法等做了深入的分析和研究。从实用化的 角度对用电现场服务终端模块化硬件、软件设计、程序存储、通讯方式、远 程升级方法等进行一些改进设想。终端采用双c p u 配置，两个c p u 均采用3 2 位a r m 芯片，它功能强大，应用集成度高，电磁兼容性强，工业级应用。c p u l 和c p u 2 通过串口连接，形成完整的终端系统。 通过对比几种现有可行的通信方式，最终提出以g p r s 技术组网方案为最 优的用电管理系统通信改进方案。终端与主站通过g p r s 进行通讯，这就使得 强大的实时在线的数据传输成为可能，而且信息管理中心的服务器只需要是 普通的接入因特网的主机，大大节省了服务器端的开销。通讯模块优先采用 s i e m e n s 公司的m c 5 5 模块，内嵌t c p i p 协议，a t 命令接口，开发应用简单， 不仅瞬间上网、时时在线、速度快，而且按流量收费。 本文通过分析终端软件模块化设计的特点，提出了一种针对模块化终端 山东大学硕士学位论文 的新的程序存储方法和对应的远程升级方案，详细介绍了该方案的设计与实 现方法。 实践证明，基于a r m 的用电现场服务终端运行稳定可靠，达到了预期的 效果和设计要求，有利于配电网络运行的安全性和经济性管理，同时对加强 用电管理和提高电网供电质量起到了积极的作用，同时大大节约了电力能源， 有效地缓解了用电压力。 关键词用电现场服务终端：模块化设计；g p r s ；远程升级； 2 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h es e r v i c es y s t e mo fu s i n ge l e c t r i c i t yw h i c ha p p l ym o d e r n c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dd i g i t a lw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，i t sp u r p o s ei st oa c h i e v er e m o t er e a l t i m em o n i t o r i n g ， g a t h e ra n da n a l y z et h ea l l a r o u n dr e a lt i m ei n f o r m a t i o no ft h ed e m a n d s i d e ， i no r d e rt oe c o n o m y ， s e c u r i t y ， i n v e s t m e n tb e n e f i t a n d a u t o m a t i cc o m p e t e n c eo ft h ea d m i n i s t r a t i o no fp o w e rn e t w o r k st o i m p r o v eo p e r a t i o n o fp o w e rn e t w o r k s t h em a n a g e m e n to fu s i n g e l e c t r i c i t yi st h ef i n a ll i n ko fe l e c t r i c i t yp r o d u c t i o n ，a n dt h e f i n a lr e s u l t so fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yp r o d u c t i o na n do p e r a t i o n s t h eq u a l i t yo fi t sw o r kd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es e l f i m a g eo f e l e c t r i cp o w e re n t e r p r i s e s ，t h e i ro w ne c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s a l t h o u g ht h et e r m i n a lt e c h n o l o g yd e v e l o p sg r e a t l ya n dm o r ea n dm o r e m a t u r e d ，w i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h ed e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，t h e o l dm a n a g e m e n td e v i c e sc a nn ol o n g e rm e e tt h er e q u i r e m e n t s t h e d e s i g no fn e wd e v i c ei sm o r ea n dm o r eh u m a n i s t i c ，a n di th a si m p r o v e d n e e d sf r o mr e s p e c t ss u c ha sa p p e a r a n c e ，h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，e t c ， c o m p l yw i t he a r l yg s mc o m m u n i c a t i o nw a yb yn e wc o m m u n i c a t i o nw a ya t t h es a m et i m e ，d e v e l o pt o2 3 0 mr a d i os p e c i a ln e t w o r k ，g p r sc o m m o n n e t w o r k ，c d m ac o m m o nn e t w o r ka n de v e n3 gs p e c i a ln e t w o r k ，w h i c h g r e a t l y e n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fc o m m u n i c a t i o n s ，a n dc o s t c o m m u n i c a t i o n ss a v i n g s t h ed e s i g no ft h i st e r m i n a la i m st ot h es t a t u so fu s i n ge l e c t r i c i t y o fs h a n d o n gp r o v i n c e ， m a t c h i n g c o m m u n i c a t i o nr u l e so fu s i n g e l e c t r i c i t ys e r v i c es y s t e mo fs h a n d o n ge l e c t r i cp o w e rc o m p a n y t h i s t e x th a v em a d ed e e pa n a l y s i sa n ds t u d i e do ft h es e r v i c ea n dm a n a g e 山东大学硕士学位论文 e t c i ti m a g i n es o m ei m p r o v e m e n t so ft h et e r m i n a l ，c o m m u n i c a t i o nw a y ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，e t c f r o mt h ep r a c t i c a l t h et e r m i n a l a d o p t sd o u b l ec p uc o n f i g u r ew h i c ha d o p t3 2 b i t sc h i pl p c 2 2 9 4 c p u i c o n n e c t st oc p u 2 w i t hu a r t ，f o r m i n gi n t e g r a t et e r m i n a ls y s t e m t h r o u g hc o m p a r i n gw i t hs e v e r a lk i n d so fe x i s t i n ga n df e a s i b l e c o m m u n i c a t i o nw a y s ， f i n a ll yp u tf o r w a r dg p r st e c h n 0 1 0 9 i c a lg r o u p 7 s n e t w o r ks c h e m ea so p ti m u m l o a da d m i n i s t r a t i v es y s t e mc o m m u n i c a t i o nt o i m p r o v et h es c h e m e t e r m i n a lc o m m u n i c a t e sw i t hh o m es i t et h r o u g hg p r s ， w h i c hm a k e sr e a l t i m eo n l i n ed a t at r a n s m i s s i o np o s s i b l ea n d t h es e r v e r o fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tc e n t e ro n l yd e m a n d sah o s tc o m p u t e rt h a t c o n n e c t st oi n t e r n e t ，t h e s es a v et h es p e n d i n go fs e r v es i d e c o m m u n i c a t i o nm o d u l em c 5 5m a d eb ys i e m e n s t c p i pp r o t o c o le m b e d d e d i nt h em o d u l e ，a tc o m m a n di n t e r f a c e ，e x p l o d ea p p l i c a t i o ni se a s y ，i t n o to n l yc o n n e c t si n s t a n t a n e o u s l yt oi n t e r n e t ， i se v e ra n da g a i n o n l i n e ，s p e e dr a p i d ，b u ta l s oc h a r g e sb a s e du p o nf l u x b ya n a l y z i n go ft h em o d u l a rd e s i g nf e a t u r e s o ft h et e r m i n a l s o f t w a r es y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e sad e s i g ni d e ao fp r o g r a ms t o r a g e a n dn e wr e m o t e u p d a t e ，a n dd e t a i l s o ft h ep r o g r a md e s i g na n d i m p le m e n t a t io n i np r a c ti c e ，t h ep o w e re n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do ng p r s n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nr u n sr e l i a b l ya n dm e e t st h ed e m a n d so fu s e r s i t i so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v i n gt h es a f e t ya n de c o n o m i c a l o p e r a t i n gl e v e lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n de n h a n c i n gt h ee n e r g y m a n a g e m e n ta n dp o w e rs u p p l yq u a lit y k e yw o r d s - u s i n ge l e c t r i c i t ys e r v i c et e r m i n a l ：r e m o t eu p d a t e ；g p r s 4 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 用电现场服务系统研究的背景和意义 电力部门建设“用电现场服务终端系统 旨在提高对用电需求侧的管理 水平，使有限的电力资源更好地为工业生产、百姓生活服务。8 0 年代末至9 0 年代初，我国出现相当长时间的电力处于供不应求的紧张状态，严重制约了 国民经济的发展。随着无线电力负荷控制技术的出现，做到了限电“拉户不 拉路 ，保证了供用电的平衡。进入9 0 年代，需求侧管理被引入中国以来， 用电管理作为需求侧管理的一个重要组成部分也得到了大力发展，从单纯的 遥控功能发展到集遥控、遥信、遥测等多项功能于一体的用户侧管理装置。 随着对需求侧管理要求的不断提升，旧型的用电现场管理装置已经不能满足 要求，新型的装置集远方自动抄表、负荷预测、反窃电、谐波监测、预售电 等功能为一身，同时新型的管理装置的通信方式应从早期的g s m 通信方式， 向2 3 0 m 无线电专网、g p r s 公网、c d m a 公网乃至3 g 专网方向发展，这 些都是值得我们去研究的1 。 在现代通信、数字信号处理、计算机和微电子等各种高新技术的迅猛发 展下，电力部门对于“用电现场服务终端系统”的要求也越来越高，越来越 复杂。采用模块化的设计方法，可以最大限度地继承与利用已有的硬件和软 件研究成果，提高程序的可复用性和可移植性，从而降低研制风险，避免同 一水平上的重复研制，缩短研制周期，节省研制费用。 并且新终端的设计很难做到尽善尽美，尤其是软件部分，由于其灵活性 较大，往往是最容易出错的地方。因此一种新产品推上市场的过程中，往往 发现系统中存在某种可以修复的“b u g ，即仅通过软件的修改就可以达到 目的。还有一种情况，虽然产品的软、硬件都没有问题，但用户提出了更高 的需求的改变，这都要求对终端系统程序进行升级1 。如果对几百个终端进 行现场升级，不但浪费大量的人力、财力，更重要的是浪费了宝贵的时间。 在国家电网公司生产运营部出台的电力负荷管理系统数据传输规约 7 山东大学硕士学位论文 2 0 0 4 ( 试行) 中，对电力负荷管理终端就提出了新的要求，其中一项重要的 指标就是终端必须可通过程序下载实现终端程序的远程更新。因此找出一种 远程升级方法，提高系统升级的效率和可靠性，对于终端系统能够更好的发 挥作用有着至关重要的意义。 1 2 用电现场服务系统概述 用电管理是电力企业管理工作的重要内容，主要承担电能销售和社会应 用管理工作，是电力生产供销的最后环节，也是电力工业生产和经营成果最 终得到体现转变为对电力工业财政回收的基础工作。 对于电力企业来说，通过用电现场服务终端系统不仅可以有效地提高用电 需求侧的管理水平，为电网提供有效的监控和管理，科学地对电力资源进行调 配，而且还能提高能源利用率，改善目前电力供应的紧张状况。此外，通过该 系统，可以大大增强电力部门对电网故障的监控能力，实现对大、中工业用户 及配变计量监测点的情况进行检测和远程抄表，以防止窃电情况的发生，提高 用电结算的效率h ，。 另一方面，客户利用用电管理与服务系统中与用电客户共享的相关用电数 据资源，可以更合理安排生产用电计划提供科学的决策依据，做好计划、节约 用电和安全用电，从而引导客户参与电力市场，让用电客户在实际运用中获益。 1 3 用电现场服务终端发展现状及存在的问题 1 3 1 用电现场服务终端的发展现状 用电现场服务系统是电力企业引入计算机管理中最早，也是最活跃的领 域之一。从8 0 年代初至今己涌现出了为数众多的系统，不同的系统具有不同 的特色，自8 0 年代后期开始，人们不满足于单纯的电费管理，开始以电费为 中心向用电管理的其它业务拓展，逐步形成了以电费为中心，包括电能计量， 用电监察，三电管理及综合统计等功能的综合管理系统，并且随着计算机技 术的进一步发展，系统的设计越来越往智能化和人性化，辅以g i s 的全图视 化配电管理的应用，整个系统是一个基于c l i e n t s e r v e r 结构的较为独立的、 8 山东大学硕士学位论文 封闭的系统。 随着i n t e r n e t i n t r a n e t 技术的迅速发展，供电企业已逐步建立了企业 内部网i n t r a n e t ，基于b s 模式( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 用电管理系统也崭露 头角。近年来无线通信业务的迅速发展尤其随着g p r s c d m a 业务的成熟，为 用电管理系统的数据传输方式提供了一种新的选择。它以无可比拟的优势受 到厂家、商家的青睐，也成为了用电管理系统的必然选择。 1 3 2 用电现场服务终端目前存在的问题 1 3 2 1 终端硬件设计方面 目前，由于政策性、地方性等因素的影响，用电现场服务系统一直缺乏 规范、系统平台、前端和后端开发工具以及软件实现的功能参差不齐，不利 于信息共享和统一管理。不同的厂家设计的终端存在很多差异，可以说有一 个厂家就有一种模式嘲。 1 ) 外观差异。显示屏的大小不通，这就造成了单屏显示的信息内容数量 不同。另外终端面板上的按钮功能和各种指示灯位置的差异，不同厂家设计 的终端操作方法不能通用，这也给终端的调试安装、维护带来了极大的不便， 增加了出错概率和培训的难度。 2 ) 各厂家的终端采用不同的外形尺寸和安装孔位，给设备安装、更换， 带来了不便。内部结构的不同设计也使得各厂家、各类别的硬件模块不便于 实现互换，不便于设备维护和升级。 3 ) 各厂家的终端由于对规约的理解不同，造成了主台对每种终端都必须 设置相对应的一套规约，使得系统庞大、效率低，出错率高。 1 3 2 2 系统组网方式方面 a ) 通讯方式 目前，用电现场服务终端系统一般是以无线电为通信媒介进行数据传输 的。无线电技术的关键在于通信质量，而通信质量又受到地理、环境、气候 以及其它外部因素的影响，特别是在丘陵、山区等地形较为复杂的地区，大 面积发展无线电负荷管理系统非常困难。通常我们采用增加中继站的办法来 9 山东大学硕士学位论文 实现大面积的数据传输，但是在增加中继站的同时必将加大系统相应的投资， 且维护量也必然加大。另外增加中继站后系统存在大面积瘫痪的隐患，当中 继站出现故障后，必将导致该中继站下面的全部终端无法与中心站进行通信， 致使大量客户的原始数据丢失。随着无线通讯技术的发展，我们可以将无线 与有线以及移动通信技术有机结合起来，取长补短，相互配合，解决无线电 无法覆盖某些地区的问题。 b ) 组网方式 各地区供电企业用电管理系统一般只是局限在本公司内部局域联网，使 用该数据的人群和部门极为有限，大量的用户一手数据得不到充分利用。为 了使该系统为更多的人所利用，根据实际情况可以利用多种通信方式在特大 型企业用户端装设远程工作站，无偿或有偿地将我们的历年、现在和将来的 分析数据提供给企业，企业据此可以调整自己的生产，这样不仅有利于企业 提高效率而且有利于电网平稳运行。 目前用电现场服务系统只在地区级电力企业运行，而作为省一级电力公 司只能依靠各地区每月上报的各类数据了解用户，无法实现全过程的实时监 控管理。而微波、光纤等通信方式的不断完善以及i n t e r n e t 的日益普及，完 全可以逐步实现电力负荷管理系统的全省联网。联网后的系统可以实现对所 属各地区局的负荷管理系统数据进行统计、分析，及时准确地掌握全省各地 不同用户的负荷运行状况和各地区公司电量销售情况，为全省电力营销提供 准确可靠的技术支持嘲。 1 4 本文所做的工作 a ) 对目前用电服务系统的现状和存在的问题进行了分析和研究。 b ) 详细介绍了新型模块化用电服务终端的硬、软件设计及其优越性。 c ) 深入分析了终端的各种通讯方式，并详细阐述了g p s r 通讯方式的实现。 d ) 分析了终端的各种升级方法，提出了一种基于模块化终端的新的远程升 级方案，并详细介绍了它的设计与实现方法 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章新型模块化用电现场服务终端设计 新型模块化用电现场服务终端设计的主要目标有：用户用电数据的采集， 包括电流、电压、频率、负荷、电量等，采集的信号有电流、电压、脉冲信 号等；与用户的多功能电表进行通信获得电表的数据，实现远程抄表；用户 用电数据的统计分析、历史数据的存储和上传功能；用户开关位置信号的采 集；根据各种控制策略或主站下达的指令对用户开关进行直接控制或闭环控 制等；对用户计量装置进行监控，实现防窃电功能；当地显示、打印功能； 当地语音和声光告警功能等。 用电现场终端的服务特性主要体现为以下任务：对脉冲、开关信号进行 采样。抄表，并对所采集到的数据进行计算分析，得出各种用电数据；保存 历史用电数据和终端控制、状态数据：处理液晶显示和键盘扫描，响应按键 命令；进行数据通信处理：根据预设的参数进行闭环控制或根据下达的指令 驱动控制输出等。在对脉冲、开关信号的采样和抄表过程中，为保证严格的 等时间间隔，将这部分事件处理放到定时器中断中进行。数字信号分析处理 作为一个程序模块，完成数据的分析运算。 新型模块化用电现场服务终端不仅能够可靠地实现上述各种功能，其模 块化的设计方法极大的提高了系统的可扩展性和可移植性，使系统在软硬件 资源上的重构成为可能。 用电现场服务终端的模块化设计可以分成硬件和软件两个部分。硬件部分 的模块化是使终端某些功能模块能够保持设计上的相对对立性，即实现可拆 卸。利用该项技术和设计思想，就可以采用“积木化的组织方式来适应各种 用户的不同需求和运行情况，缩短产品的开发周期。软件部分的模块化设计， 基本思想是将系统设计成相对独立、单一功能的模块组成结构。这样可以最大 限度地继承与利用已有的硬件和软件研究成果，提高程序的可复用性、可移植 性和扩展性。此外，模块的相对独立性还能有效地防止错误在模块之间扩散蔓 延。 山东大学硕士学位论文 2 1 终端模块化硬件设计 平台的设计采用模块化设计的思想，分为系统主板和扩展板两大部分。 如下图2 1 所示。 2 1 1 主板硬件设计 内部扩展总线 图2 1 终端硬件系统框图 本终端主板采用双a r m 内核配置，c p u 选用p h i l i p s 公司生产的基于支 持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s 微控制器的s o c ( 片上系统) 主 c p ul p c 2 2 9 4 和从c p ul p c 2 1 3 8 。主c p u 和从c p u 是两个相对独立的部分， 各自承担一部分功能，它们之间通过串口相连。与主站以及多功能电表的交 互由主c p u 来承担，从c p u 以及交流采样和遥信、遥控等作为终端的内表， 包装在终端内部，主c p u 通过串口提取从c p u 中储存的数据。主c p u 采用功 能强大的l p c 2 2 9 4 ，而从c p u 采用l p c 2 1 3 8 ，这是从成本以及以后功能扩展方 面考虑来进行选择的，l p c 2 2 9 4 引脚和c a n 的路数等都要多于l p c 2 1 3 8 ，便于 以后的功能扩展。采用双c p u 的其中一个优点就是在设计和调试的过程中可 以把主c p u 和从c p u 单独连接到p c 机进行调试，而不是像以前那样只能连接 1 2 山东大学硕士学位论文 到一台p c 机所有功能一起进行调试。 根据c p u 现有资源，经设计，系统主板还包括以下几个模块：电源、启复 位电路、系统时钟电路、通道控制模块和从c p u 控制的交流采集模块、遥控 遥信、防窃电模块以及各种可扩展接口，并预留与其他模块之间的通信通道 ( 通信方式可采用数据地址总线、s p i 串行总线和2 3 2 串行总线方式) ，为将 来设备升级预留了接口，有效降低了设备未来的升级改造成本。该平台采用 模块化设计在功能、电路、结构上实现了可裁剪、可扩展，能满足大多数嵌 入式系统的需求。主板硬件结构如图2 2 所示。 图2 2 主板硬件结构图 由于l p c 2 2 9 4 内置f l a s h 容量仅为2 5 6 k b ，存储容量小，所以外扩一片 或几片f l a s h 片子增加存储空间，本处采用a t 4 5 d b 3 2 1 ，3 2 m 容量，通过s p i 口与l p c 2 2 9 4 相连，用于存放历史数据；交流采样芯片也是通过s p i 口与c p u 相连；时钟芯片r t c 8 0 2 5 与g p r s 分别通过i 口和u a r t 口与l p c 2 2 9 4 相连； 电表通过c a n 口与c p u 进行数据和报文的交互。 本硬件开发平台采用模块化的设计思想，各个模块各自独立、自成体系。 模块化设计，不仅增强了各个部分的可重用性，而且给后期的调试工作带来 了很多方便。下面分别介绍一下各模块的工作原理和应用方法。 2 1 i 1 系统电源电路模块 用电服务终端的工作环境比较苛刻，且系统较为庞大复杂，因此对电源 部分提出了较高的要求。为保证有关电磁兼容指标，系统电源需要相互隔离 山东大学硕士学位论文 的三组电源。其中2 4 v 供驱动遥控遥信电路，使用电流大于0 i a ；c v c c 电源 为5 v 驱动r s 4 8 5 电路，电流大于0 i h ；v c c 为5 v 主系统电源，电流大于1 a 。 此三组电源互相隔离，隔离电压大于2 5 0 0 v 。根据终端技术规范要求：三相 电源输入在缺两相时仍能工作。考虑到电源的复杂性因此选用了朝阳 4 n i c a c d c 电源模块，此种电源模块在业界有着良好的口碑。这种电源三相 a c 2 2 0 v 输入+ 5 v 1 5 0 m a ，+ 5 v i a ，+ 2 4 v l o o m a 互相隔离输出。 l p c 2 1 3 8 微控制器的内核和i o 实用同一电源电压，只需单电源3 3 v 供 电。电源电路如图4 - 1 所示，由a c d c 输入5 v 直流电源，电感l 3 用于限制 瞬态电流，经过c 1 6 、c 2 0 滤波，然后通过s p x l l l 7 m - 3 3 将电源稳压至3 3 v 。 当正确连接电源后，p o w e r 灯点亮。l p c 2 1 3 8 具有独立的模拟电源引脚 ( 6 3 ) v d d a 、( 5 9 ) v s s a ，为了降低噪声和出错几率，模拟电源与数字电源应该 隔离。如图2 3 中的l 1 和l 2 就是用于电源隔离的器件( 将数字电源的高频 噪声隔离) 。 图2 3 系统电源电路 s p x l l l 7 肛3 3 是s i p e x 公司生产的l d o 芯片，其特点为输出电流大，输 出电压精度高，稳定性强。s p x il1 7 系列l d o 芯片输出电流可达8 0 0 m a ，输出 电压的精度在1 以内，还具有电流限制和热保护功能，可广泛应用在手持 式仪表、数字家电和工业控制等领域。使用时，其输出端通常需要一个至少 l o f 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。但实际上，用一个更小的电容即 1 4 山东大学硕士学位论文 可。实际电路用了一个c 2 0 = 4 7 | lf 的钽电容。 2 1 1 2 系统复位电路模块 由于l p c 2 2 9 4 或l p c 2 1 3 8 芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声 容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性 等诸多方面也提出了更高的要求。我们设计的电路复位电路使用了i m p 8 0 9 t ， 提高了系统的可靠性。 i m p 8 0 9 t 是用于低功耗微处理器p 、微控制器c 及数字系统的3 0 v 、 3 3 v 及5 0 v 电源监控电路，i m p 8 0 9 t 是美国m a x i m 公司的m a x 8 0 9 t 的改进型 替代产品，其功耗比之低6 0 。其电路原理如图2 4 所示。 一 一= ：= _ 图2 4 系统复位电路 只有电源电压降至预置的复位门限以下时，该电路就发出一个复位信号， 并在电源已经升高到此复位门限后至少保持这个信号1 4 0 m s 。i m p 8 0 9 t 具有低 电平有效的r e s e t 输出，当k 降至1 1 v 时，它能保证处于正确的状态。 i m p 8 0 9 t 则具有高电平有效的r e s e t 输出。复位比较器已设计成可以忽略v 电压的快速瞬变。i m p 8 0 9 t 的低电源电流使之成为便携式及电池供电设备的 理想选择，i m p 8 0 9 t 具有紧凑的3 引脚s o t 2 3 封装。该器件t 尾标表示电压 门限为3 v 。 2 1 1 3 系统时钟电路模块 l p c 2 1 0 0 系列a r m 7 微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部p l l 电 路可调整系统时钟，使系统运行速度更快( c p u 最大操作时钟为6 0 m h z ) 。若 1 5 山东大学硕士学位论文 不使用片内p l l 功能及i s p 下载功能，则外部晶振频率为i 3 0 m h z ，外部时 钟频率为1 5 0 瑚z ；若使用片内p l l 功能或i s p 下载功能，则外部晶振为1 0 2 5 m h z ，外部时钟频率为i o 2 5 m h z 。 目标板采用的是外部1 1 0 5 9 2 m h z 晶振，电路如图2 5 所示。用 1 1 0 5 9 2 m h z 晶振的原因是使串口波特率更精确，同时能支持l p c 2 1 3 8 微控制 器芯片内部p l l 及i s p 功能。 此外r t x c i 、r t x c 2 接3 2 7 6 8 h z 晶振产生r t c 实时时钟所需的振荡频率， 同时l p c 2 1 3 8 的4 9 脚v b a t 备用电池输入脚接3 v 的锂电池作为时钟后备电源。 系生壳l 时钟l1 0 5 9 2 * 4 图2 5 系统时钟电路 2 1 1 4j t a g 接口电路模块 j t a g 是联合测试行动组( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 的英文缩写，一般 用j t a g 指由其制定的边界扫描测试( b o u n d a r ys c a nt e s t i n g ，简称b s t ) 规 范，在1 9 9 0 年这一规范被批准成为i e e e 的标准i e e e i1 4 9 1 ，简称j t a g 标准。 边界扫描测试有两大作用：一个是方便芯片的故障定位，迅速准确地测试 芯片引脚的连接是否可靠，提高测试检验效率；另一个是，具有j t a g 接口的 芯片，内置一些预先定义好的功能模式，通过边界扫描通道来使芯片处于某 个特定的功能模式，以提高系统控制的灵活性，给系统的设计开发提供途径。 j t a g 控制逻辑简单方便，易于实现，几乎所有复杂的i c 芯片都具有j t a g 控 1 6 山东大学硕士学位论文 制接口。j t a g 的功能如下： 仿真测试功能 利用j t a g 的外测试功能，可以在指定i o 口模拟数字信号，测试板级系 统的数字逻辑及逻辑验证。 在线测试功能 利用j t a g 的抽样和预加载功能，可以在不影响系统工作的情况下，观察 系统各部分工作的情况 在线编程功能 如系统中有e e p r o m 器件，可以利用j t a g 的外测试功能，将需装载的数 据通过i o 加载到系统中e e p r o m 器件的引脚上，在无须任何附加电路情况下 完成在线编程功能。 冗余测试功能 在本身具有测试功能的系统中，可以通过j t a g 的测试完成冗余测试，加 强测试的可靠性。 远程测试诊断 利用j t a g 测试信号技术和i n t e r n e t 技术结合，就可扩展j t a g 的测试手 段和能力。 目前，j t a g 技术已经广泛应用于大规模集成电路测试中，包括各种c p u ， d s p 以及复杂的p l d 芯片，可以利用j t a g 进行在线编程，软硬件开发调试等 高端和复杂的工作。本电路采用a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真调试接 口，j t a g 信号的定义及l p c 2 1 3 8 的连接如图2 6 所示。 1 7 山东大学硕士学位论文 i r 磷口 p 1 3 12 01 l ，d d 3 3 0 n t 船t1l 2 p 1 2 85 0 t d i 3 嘎 p 1 3 05 2t h s 二 56 p 1 2 05 5 t c e ， 7 8 p 1 2 了6 4b ：r c x 台 1 0 髓s e t5 7it d o ： 1 l 1 2 p 1 2 62 4l 。1 3 1 4- ， r 1 1 e 2 4 ： 1 5 1 60 i j 2 l 口下拉电阻 ： 1 7 1 8 3 。 1 9 2 0) 图2 6j a t g 接口电路 根据l p c 2 1 3 8 的应用手册说明，在r t c k 引脚接一个4 7 kq 的下拉电阻， 使系统复位后l p c 2 1 3 8 内部j t a g 接口使能，这样就可以直接进行j t a g 仿真 调试。如果用户需要使用p 1 2 6 一- - p 1 3 1 作i o 口，不进行j t a g 仿真调试， 则可以在用户程序中通过设置p i n s e l 2 寄存器来使l p c 2 1 3 8 内部j t a g 接口禁 止。 2 1 1 5 蜂鸣器控制电路模块 蜂呜器使用p n p 三级管t 4 进行驱动控制。当p 0 1 0 控制电平输出o 时， t 4 导通，蜂鸣器蜂鸣；当p o 1 0 控制电平输出l 时，t 4 截止，蜂鸣器停止蜂 鸣。电路图如图2 7 所示。 图2 7 蜂鸣器控制电路 t 4 采用开关三级管9 0 1 2 ，其主要特点是放大倍数高( hf e = 3 0 0 ) ，最大集 1 8 山东大学硕士学位论文 电极电流ic m = 1 5 0 0 m a ，特征频率f t = 1 0 0 m l z 。r 1 9 用于限制t 4 的基极电流， 当p 0 1 0 输出0 时，流过r 1 9 的电流可通过( 4 - 1 ) 计算得出，即 i ，：3 3 _ - - v c b ：_ 3 3 一- 0 7 ：0 0 0 2 6 ( a ) ：2 6 m a ( 4 1 ) 。 r1 0 0 0 假设t 4 工作在放大区，则ic = ib = 4 0 0 x 2 6 = 1 0 4 0 m a 。而直流蜂鸣器 一般在3 3 v 电压下的工作电流为2 8 m a , 反过来说，只要ic = 2 8 m a ，蜂鸣器 上的电压即可达到3 3 v 。此时，u 0 v ，即ue b u ，q 1 为深度饱和导通， 可为蜂鸣器提供足够的电流。 由于p 0 1 0 口与s p i 部件的s s e l o 复用，所以此引脚上接一上拉电阻r 2 8 ， 防止在使用硬件s p i 总线时由于s s e l o 引脚悬空而导致s p i 操作出错。 2 1 2 扩展板设计 硬件平台的另一部分为系统扩展板( 可选用模块) ，体现“即插即用”的 思想，包括l c d 显示模块、g p r s 通讯模块、z i g b e e 无线控制模块、各种接 口模块和外部存储器模块，提供了用于完成各个不同工程任务的功能模块。 其中，除了z i g b e e 无线控制模块通过r s 2 3 2 与系统主板进行通信外，其余 可选模块都是通过数据地址总线方式与主板来通信。这样，整个硬件平台既 是一个完整的核心控制系统，又能控制“可选用模块 ，根据用户需求实现资 源自定义分配。 2 1 2 1 遥控输出与遥信输入电路模块 用电现场服务终端通过监控中心反应的各类预告信号都必须具备遥信功 能口1 ，同时继电器发生动作后，必须能够在监控中心遥控复归嘲，以实现对 远方开关控制和开关状态监视。图2 8 是一路遥信输入电路示意图。 1 9 山东大学硕士学位论文 2 1 2 2l c d 显示电路 l c d 显示器 v s s v d d v d d z 豇7 w e d b 0 d b l d b 2 d b 4 d b s d ：b 6 d b t c s l c s 2 丽 v o v t l e d a t 2 8 1 6 4 点阵 【c 班姗p r 1 8 1 = 4 了k l 3 4 5 6 图2 8 遥信脉冲输入电路 比d d i l c d l 跚 l c d e 8 d b i 9b t = 2 l id b 4 1 2d b 5 1 3d b 6 l c d c s 2 1 8 扣3 ，3 r l t 5 l t 3 8 0 5 0 仿真端口总线y k o c ，- 、 y k c s - ：= ：c 1 i d u i ? 匡控输出 s n 7 4 h c 5 7 4 撩f 一。 d b 02 d b l3 b 35 d b 57 d b 68 d b 01 8 i d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8 d 百 d i b a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 1 9 1 8y k 4 1 7 y k 3 1 6y k 2 1 4 1 3 e 1 y k 5 5 1 9y x c