（电力系统及其自动化专业论文）电力无线数据终端的研制.pdf

摘要 术文分析了无线移动数据通信的发展趋势和电力行业无线数据通信的需要，针对现有无 线数据终端的改进需求，设计了一种适合于电力行业使用的无线数据终端。该装置基本能提 供各种电力装置常用的数据接口，能完成各种针对电力应用的无线数据传输。该装置硬件设 计以f r e e s c a l e 的1 6 位f l a s h 型m c u 为中心，现场数据通信接口完备，包括r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 和一个抽换方式的扩展数据接口。为了提供方便灵活的配置功能，使用了主流 的u s b 通信接口作为本地配置接口。无线通信模块采用了w a v e c o m 公司的w i s m oq u i k c d m a 和w i s m oq u i kg s m g p r s 互换型平台，在同一个硬件平台上支持两种模块。该装 置的软件采用面向数据流的设计方法进行统一分析和设计，保证了软件结构的灵活性和合理性。 同时采用了实时操作系统( r t o s ) ，使得系统更为可靠和易于扩展。另外对设置通信参数的过 程提出了独特的参数数值与上位机设置内容直接映射的设置方式，参数设置过程与通信协议相互 独立，操作更为灵活。经过初步的测试使用，本装置硬件结构合理，软件配置灵活，基本能够满 足电力行业对无线数据通信的需求。 关键词：无线数据终端，电力通信，实时操作系统 a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dt h ea e - t u a l i t yo f w i r e l e s se o u l l n u n i c a t i o ni np o w e rs y s t e m b a s e do nt h ed e m a n do fp o w e ri n d u s t r y , af i l l lm u l t i i n t e r f a c ew i r e l e s sd a t au n i tj ss t u d i e dt h i si u s t r u m e n tc a l lb a s i c a l l ys u p p n l ta l l t h eu s l l a le o n l l n u n i e “i o ni n t e r f a c ei l lf i e l da p p a r a t u st h ew i r e l e s sc o n l l n u n i e a t i o no fp o w e r i n d u s t r ya p p l i c a t i o nm a nb ec a r r i e do u tv i at h ei n s t r u m e n t f u r t h e r m o r e ，t h e1 6 一b i ta d v a n c e d f l a s ht y p em c up r o d u c e db yf r e e s c a l eb r i n g sh i g hp e r t b r m a n c ef o rt h i si n s t r u m e n ta n dt h e c i r c u i t ss u r r o u n d e da r em u l t i f l m c t i o n a l ，i n c l u d i n gn u l l t i p i ec o m m m f i e a t i o ni n t e r f a e e sh l rt i e l d a p p a r a t u sc o n n e c t i n g ，ap o p u l a ru s bi n t e r f a c ef o rl o c a lc o n f i g u r a t i o n a n daw i s m om o d u l e p r o d u c e db yw a v e c o r nf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt h ew i s m ou m d u l ec o n t a i n st w ot y p e s ， g p r sa n dc d m a ，a n dt h e y & r ec o m p a t i b l ei nh a r d w a r ec o l m e e t i o u s ot h i s n s t r u n l e n tu s e o n l yo n eh a m w a r ep l a t f o r mt os u p p o r tb o t hg p r sa n dc d m am o d u l e s i ns y s t e ms o f t w a r ed e s i g n d a t a - f l o w - b a s e da n a l y z i n gm e t h o di su s e dt oc o n s t r u c taf l e x i b l ea n dr e a s o n a b l e s o f t w a r es t r u c t u r ear e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) i sa l s ou s e di no r d e rt o1 1 1 a k et h e s y s t e n tn l o r er e l i a b l ea n de a s yf o rf u n c t i o ne x t e n d i n g as p e c i a lm e t h o df o rc o l l l m u n i c a t i o u p a r a m e t e r su p d a t ei ss t u d i e d t h i sm e t h o du s e sd i r e c tm a p p i n gb e t w e e np a r a l n e t e r sa n dt h e u s e r - i n p u tc o n t e n t s i tm a k e st h ec o n f i g u r a t i o nm o r ef l e x i b l ei no p e r a t i o n t h ea p p l i c a t i o n i no u rp r a t i c ep r o v e si te f f i c i e n c yf o rw i r e l e s sc o u l l n u n i c a t i o ni np o w e ri n d u s t w k e y w o r d s ：w i r e l e e sd a t au n i t ，e l e c t r i cp o w e rc o m m u n i c a t i o n ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e l n 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得中国农业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。 研究生签名： 茗9 蚤粜 时问：。k 啼6 年乡月a 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 訇聪 i 时间：醴秭年月& 日 时阃。甏年 只f 2 一日 皇璧璧些查耋堡圭篓堡堡圣 篓三兰堑篁 第一章绪论 1 1问题的提出 l + 1 1 无线广域瓣发曩鹜景 目i j f ，我国的移动通信已经全丽进入25 g 。作为移动通信技术从第二代舟第兰代过渡， 出现了两种新的技术：g p r s 和c d m al x 。g p r s 全称叫“邋用无线分组业务”，是基于 g 嘲( g s m 列络) 姻无线分组交换技术，嗣前由中国移动大力攘广。c d m al x ，原意是指 c d m a 2 0 0 0 匏第一玲覆f 速率嘉予i s - 9 5 ，低予2 m b p s ) ，基于c 瓣( c d m a 瓣络) ，疆嚣出 中圈联通大力推广。 目前，中国移动g p r s 网络融覆盖全国所有省、直辖市、自治区，网络遍及2 4 0 多个城 市。中国联通c d m a 羽络也已经在全国范嗣内全部升级成c d m al x 网络。g p r s 最高理论 铸输逮度为1 7 1 ，2 k b p s ，鑫藏使耀g p r s 胃秘支簿4 0 k b p s 左舂鹃传输速率。嚣c d m al x 理 论传输速度町达3 0 0 k b p s ，目前c d m al x 平均商业速率达到8 0 1 0 0 k b p s ，因此也有人称之为 27 5 g 的技术。 1 1 。2 移动数据遴售豹疗韭应嗣及应用蓠暴 g p r s c d m a 移动数据通信羝统的行业应用正变得越来麓广泛，妊交遥管遴、环境保 护”i 、水文、气象。g p s 定位、物流管理、银行p o s 机联网”1 、城市供热、移j 窜9 通信基站监 控、电力网自动化蒜统等，都成为移动数据通信的成用场合。目前移动数据通信程电力行业的典 委! 疲建包旗：，j 、承壤煎控系统、嶷动抄表系统8 、瓣灯签控囊统”3 、嚣龟篮控系耱尊鞋逛力受萄蓝 灏4 控制系统”等等，而甚已经初觅成效。 对于电力行此，移动数据通储在配电网自动化系统中尤其具有应用前景。配电网络通信点 多，位置分散，粳虢面广。如果熏新铺设通信网络，成本匕凶然餍高不下。如果采用电力线载波 技术，秘绥护成本铰鑫，羹可煮赣蔗。在这静媾援f ，弱瑶已有豹光线公璃来建立鬻电薅戆遥馈 系统是一种不错的选择。 而且，第三代穆动通信正在被大家热切关注，3 g 的标准也穗热烈讨论中。有理由相信，3 g 即将到来。届时移动数据通信的速攀将有更大的提升，这对于包括电力行业在内的备种行业应用 褥会更秘有秘。 1 2电力无线数据终端开发与应用的现状 由于移动数据通信在各个行业的广泛应用，目前市场上出现了多种g p r s c d m al x 的无 线数撼婺壤。镄茹： ( 1 ) 成都中联视讯科技有限公司s g 2 0 2 0g p r s 数传终端 s g 2 0 2 0g p r s 数传终端基于g s m g p r s 网络，内置g p r s 模块，支持g p r sc l a s s 妻垦坚些奎兰竺圭兰篁趁圣 篓三耋篁篁 8 ，能支持语音、短信息、数据通信，嵌入t c p i p 协议栈，通过r s 2 3 2 接口，可直接与 r t u 、p l c 、工控机、p o s 等数据终端连接，实现透明传输。 ( 2 ) 深圳市华宏科技有限公司的h h l1 0 0c d m a h h l l 0 0c d m ad t u 支持8 0 0 1 9 0 0 m h z 双频，符合f c c s a r 和c d g1 2 & 3 标准， 数据终端永远在线或工作模式选择，带有实时时钟，支持r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口，通过 x m o d e m 协议进行软件升级。 ( 3 ) 北京时代动力数码科技有限公司的“掌中猫”w m 2 0 8 0 c w m 2 0 8 0 c 通过c d m a 无线移动网络进行的高速数据传输，理论最高速率可 达1 5 3 6 k ! p s ；通过r s 一2 3 2 接口与主设备连接，需要交流电供电；支持w i n - d o w s 9 8 m e 2 0 0 0 x p 操作系统；提供上网、e 。m a i l 和传真等功能。 ( 4 ) 利事达信息技术有限公司l t s 0 3 0g p r si p 数传王 l t 8 0 3 0 采用西门予工业级模块m c 3 5 i ，支持点对点、点对多点、中心对多点等数据传输， 内嵌了完整的t c p i p 协议栈，采用标准的r s 一2 3 2 接口，提供g s m 语音功能。 ( 5 ) 深圳市宏电技术开发有限公司的h 6 2 1 1g p r s 工业调制解调器”i h 6 2 1 1g p r s 工业调制解调器支持双频g s m g p r s ，符合e t s ig s mp h a s e2 + 标准， 提供实时时钟，支持a 5 l & a 5 5 ，支持语音通信与拨号控制，支持u s b 接口，支持 r s 一2 3 2 数据接口。 以上只是市场上的一部分产品，其中既有g p r s 产品也有c d m a1 x 产品。总的说来，市 场上的产品有以下特点： ( l 1 数据接口比较单一，最常见的是r s 。2 3 2 接口，也有提供r s 一4 8 5 、r s 一4 2 2 接口的，也有 个别产品同时提供以上三种接口，u s b 接口一般只用在p c 或笔记本的无线上网m o d e m 上。没有发现具有各种主流现场总线数据接口产品。 ( 2 ) 配置接口一般与数据接臼拭用，即绝大多数产品是通过r s 一2 3 2 接口进行配置的。也有配 备专用配置接口的产品，但需配专用配置电缆( 转换成r s 2 3 2 ) 。也有少数支持远程配置 的产品。 ( 3 1 多数产品配置软件功能简单，界面不是特别友好。例如某些产品通过超级终端配置，使用 不便。 f 4 1 在数据传输 ，大多数产品仅限于透明转发。 ( 5 1 低端产品一般不支持软件升级，但也有少数同时支持本地和远程升级的高端产品。 鉴于电力行业与其他行业的区别卜述产品并不能完全满足电力行业的需求，原因有以下几 个方而： 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 f 1 1 电力行业的装置通常都通过某种现场数据接口连接，除r 常见的r s 一2 3 2 以外，还有r s 一 4 8 5 、c a n 、l o n w o r k s 等。而现有的各种无线数据终端，除了有部分产品支持r s 一4 8 5 以外，其它大多数产品只支持r s 一2 3 2 接口。r s 一4 8 5 允许的结点数有限，只支持“一主多 从”模式，因此在电力系统中已经不是土流接口形式，而l o n w o r k s 和c a n 正在逐渐成 为主流。 f 2 1 电力行业的装置通常通过现场总线联网，在数据传输、转发上需要有与之对应的软件相配 合，并且不同的接口数据传输的方法是不一样的，因此该部分的软件应该可以定制。但日 前多数产品的数据传输处理功能仅限于一对一的透明转发，不能满足上述要求。也有个别 高端产品提供各种软件定制功能，但无法在现场总线 进行物理接口支持，且成本太高。 f 3 1 电力行业通常在监控中心都有自已专用的数据处理系统，所以移动数据传输系统只需提供 个简单、可靠的数据接口，把数据转发到专用系统即可。但很多高端产品在提供软件定 制的同时也提供了相当复杂的一个数据接口方式。例如，有些产品在数据终端内嵌。个网 页服务器( w e bs e r v e r ) ，在监控中心采用网页浏览器对数据进行采集和处理。这种产品 在拥有专用数据处理系统的电力应用中就不太适用。 由于电力行业的特殊性，目前还没有专门为电力行业应用而设计的无线数据终端，可见专门 研制开发种适合于电力行业的无线数据终端具有实际意义。 1 3 本课题的目的和任务 本课题的任务是借鉴国内外研制同类装置的经验，研制出一种专门针对电力行业应用的无线 数据终端，解决当前同类装置在电力行业应用中存在的问题，满足电力行业对移动数据通信的需 要。 一个完整的移动数据通信方案除了若干个收集现场数据的无线数据终端外，还包括一个在 p c 服务器上运行的数据服务中心，如图1 - 1 所示。由无线数据终端收集的数据，通过无线移动 数据通信公网和i n t e r n e t 传输到数据服务中心的服务器上，由该服务器对数据进行集中处理。 通常针对每个特定应用数据处理过程各有不同，无法用一个统的数据服务中心程序满足所有应 用的需求。本课题主要关注无线数据终端的研制，对于数据服务中心，只要求能提供最基本的测 试环境。 本课题研制的无线数据终端必须满足以下要求： f 1 1 硬件l 支持各种常用的现场总线接口。 ( 2 ) 软件提供现场定制和远程定制功能，通信参数和现场数据处理程序都是定制的内容。 f 3 1 提供简单可靠的数据接口，与数据服务中心进行连接。 ( 4 1 整个系统的功能以数据传输为核心，在满足数据传输要求下尽可能降低成本，不提供额外 的、对于整个系统用处不大的功能，如语音功能之类。 3 ! 垦查些查耋堡圭耋堡篁圣 堑三童篁篁 图1 - 1 无线数据传输系统构成 本数据终端的研制主要是针对已有同类装置不能完全满足电力行业需要的现状而提出的，同 时参考移动数据通信存各个行业尤其是电力行业的应用发展趋势，以使装置提供尽可能多的现场 数据接口和尽可能通用的软件结构，适应电力行业的需求。 1 4 本课题需要解决的问题和难点 针对以上无线数据终端的应用状况，本装置主要需要解决的问题和难点如下： ( 1 1 灵活通用的硬件结构。如前文所述，目前电力系统的装置主流的现场数据接口，已经由原 来的r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 等传统接口，转变为目前的c a n 、l o n w o r k s 等新的现场总线接 口。电力无线终端应该提供尽可能多的现场数据接口，并且可以灵活扩充新的接口。 ( 2 ) 易于更新的应用软件。电力行业的应用种类繁多，这就要求装置内的通信处理应用软件也 应该是灵活多变的。为了避免重复开发，应用软件应该建立在一个通用的架构1 - _ ，根据实 际应用的不同，可以通过软件升级提供相应的功能。 f 3 1 简单而实用的上位机配置程序。无线数据终端本质上是一个通信处理机，对应每种接口都 有不同的通信参数需要设置，并且数据接口可以扩展需要设置的参数也随之需要增加。 为了适应参数的变化，需要通过一种灵活的软件结构来实现。 4 中国农业大学硕士学位论文第二章系统硬件电路的设计与实现 第二章系统硬件电路的设计与实现 奉章将按照课题的要求，对系统硬件进行自顶向下的分析和设计，内容包括硬件总体设计、 各个单元电路的设计和具体硬件设计的实现。 2 1 硬件电路总体设计 电力无线数据终端本质上是一个通信处理机，所有的硬件设计以通信功能为中心。根据课题 的要求，本装置应该以灵话的方式提供电力装置常用的现场数据接口，并提供方便易用的配置接 口，以及提供用于无线数据通信的无线模块。因此，本装置的硬件设计以上述的通信接口为中 心，结合根据性能需求而具体选定的单片机，进行相关外围电路的设计。硬件总体框图如图2 - 1 所示。 图2 1 硬件总体结构框图 下面分别介绍系统各个具体功能和设计原理，再介绍其具体实现。 2 2 中央处理器单元 中央处理器是整个系统的核心，它控制着无线数据终端上所有通信接口模块的运行，并 且负责数据的采集与处理。为了尽量满足电力装置上各种常用现场数据接口的连接需要，如 r s 一2 3 2 、r s 。4 8 5 、和c a n 等，并简化硬件设计，选用提供较多通信接口的单片机作为中央 处理器。再结合程序存储、数据存储和运算能力的需求，无线数据终端采用f r e e s c a l e 公司的 h c l 2 系列单片机中的m c 6 8 h c l 2 d g l 2 8 a 作为中央处理器，其内部框图如图2 2 5 尘璧查兰查耋至圭兰堡篁圣 塑三塞重篁堡堡垒坠墼塞墼量塞翌 1 2 8 k b y t ef l a s he e p r o m 8 kb y t er a m 2 kb y t ee e p r o m 图2 - 2m c 6 8 h c l 2 d g 2 8 a 内部框罔 6 ! 里垒些奎兰堡兰堡篁圣 量三塞垂堑堡些皇矍墼堡兰皇塞堡 t i c l 2 系列单片机是h c l l 单片机的更新换代产品。t i c l 2c p u 与6 8 h c l lc p u 的指令 在源码级兼容。h c l 2 单片机与6 8 h c l l 相比，在总线速度上由2 3 m h z 提高到8 m h z 。增加 了一些新的指令，特别是用于模糊逻辑运算与模糊控制的指令。h c l 2 的基本寻址空间仍为6 4 k b ，但可以采用自动分页的方式扩展应用程序到2 5 6 k b 甚至更多。这样做的好处是指令代码 短，程序代码效率高。 具体到m c 6 8 h c l 2 d g l 2 8 a 这款单片机，它具有以下特点”： 1 6 位c p u 单片机内部c p u 为1 6 位的c p u l 2 ，该c p u 兼容m 6 8 h c l l 指令集，a l u 为2 0b i t ， 支持两级指令队列，还有加强的间接寻址功能。 存取器 内部拥有1 2 8 k 字节f l a s h ，2 k 字节e e p r o m ，8 k 字节r a m 。其中f l a s h 共分为 4 个3 2 k 的模块，每个模块有8 k 的b o o t 保护段。 2 个c a n 模块 与c a n 2 0a ，b 软件兼容，最高速率达到1 mb i t s ；每个c a n 有2 个接收缓冲区和3 个发送缓冲区；每个c a n 有发送、接收、出错和唤醒4 个独立的中断通道；具有自检和 低通滤波唤醒功能。 串行接口 拥有两个异步串行接口( s c i ) ，一个1 2 c 接口和一个同步串行接口( s p i ) 。 i 0 资源 1 1 2 脚的t q f p 封装，最多可以有6 9 个通用i o ，另外还有1 8 个单向输入引脚。 开发支持 支持单线背景调试模式( b d m ) ，支持高级语言。 从e 述描述可知，m c 6 8 h c l 2 d g l 2 8 a 是一款性能优异、通信接口和i o 资源丰富、存储 器容量适中的单片机，它的多种通信接口以及可以反复擦写和修改的f l a s h 程序存储器正是 无线数据终端所需要的，而2 k 字节的e e p r o m 刚好满足保存通信参数的需求。 2 3 电源 电源部分负责装置各个模块的电力供给。本装置使用了多个电压级别的器件，并且在现场数 据通信接口与单片机之间的电路连接需要有光电隔离环节，要求有相互隔离的电源，因此电源模 块设计有多路电源。本装置的电源模块输入的是8 5 v 、5 0 h z 交流电，输出包括一路36 v 和一 路5 v 的共地电源，还有一路经过完全电气隔离的5 v 电源。图2 3 是电源模块部分的电路原理 图。下面是电源模块的各个部分说明。 7 中国农、i k 大学硕士学位论文 第二章系统硬件电路的设计与实现 图2 - 3 电源模块原理图 231 整流电路 根据实际情况，在电力装置工作的场台，通常都可以取得2 2 0 v 的市电，因此本装置设计时 采用2 2 0 v 市电作为外部电源输入。经过小型变压器进行电压变换后，取得8 5 v 的交流电压， 再由单相桥式整流电路整流为1 0 v 左右的直流电压，并且做简单的电容滤波处理，降低直流电 压的纹波后作为各路电源的总输入。 2 32 线性稳压电路 该部分电路为数字电路提供5 v 的稳定直流电源。单片机系统对电源的要求比较严格，电源 设计不合理会导致很多问题，如系统易受干扰，系统可靠性整等，严重时将不能正常工作。稳压 电路分为线性稳压电路和开关稳压电路两种，虽然线性稳压电路存在工作效率低的缺点，但它在 性能上却有开关稳压电路不能比拟的优点，在纹波抑制比上的表现尤为出色。经过比较，系统最 终采用了三端稳压器件l m 7 8 0 5 ，采用线性稳压的方式，为系统数字电路供电。l m 7 8 0 5 的最大 电流达1 5 a ，可以满足系统对5 v 电源的需求。 2 3 3 d c d c 转换电路 为了提高系统的抗干扰能力，在现场数据接口与单片机之间设计了光电隔离环节。要使光电 隔离电路真正起到隔离的作用，在光电隔离电路的两侧应该采用隔离的电源进行供电，因此现 场数据接口电路不能采用上述的经过线性稳压得到5 v 电源，而是需要另外提供一路与之隔离 的电源。本装置使用市售的d c d c 转换模块提供现场数据接口电路需要的5 v 电源，型号是 5 s 5 1 0 0 ，输入电压5 v ，输出电压5 v ，最大输出电流1 0 0 m a 。 234 开关稳压电路 前文提到，稳压电路按工作原理分为线性稳压电路和开关稳压电路两种。线性稳压电路在某 些性能参数上优于开关稳压电路，但工作效率低，电路体积大，尤其在大功率输出时需要加装笨 重的散热片；开关稳压电路效率高，但开关过程容易产生电磁干扰。综上所述，开关稳压电路在 大功率应用时具有明显优势，但在电路设计时需要注意电磁干扰问题。 本装置使用的g p r s 模块对供电有特殊要求，在通信期间要求短时间内能提供很高的峰值 电流”“( 典型值可以达到1 7 a ) ，并且无线模块要求以36 v 供电，参照前文对稳压电路的分 r ! 里窒些奎兰堡三兰堡篁塞 篓三塞垂篁矍堡皇塑墼堡i ! 量塞塑 析，使用专门的开关稳压电路为其供电，具体电路以美国阚家半导体( n a t i o n a l ) 公司生产的 l m 2 5 7 6 开关降压集成电路为核心进行设计。 l m 2 5 7 6 系列是3 a 电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器( 5 2 k h z ) 和基准稳压器( 12 3 v ) ，并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件 只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路”“。本装置使用的具体型号是l m 2 5 7 6 一a d j ，可调 节型，通过外接分压电阻获得3 6 v 的电匪输出。图2 - 3 给出了l m 2 5 7 6 实际虚用电路原理图。 2 4 u s b 通信接口 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的中文名称是“通用串行总线”，是近年来应用在p c 领域 的新型接口技术，是些p c 大厂商，如m i c r o s o f t 、i n t e l 等为了解决日益增加的p c 外设与有 限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准，自1 9 9 5 年在c o m d e x 上亮相以 来至今已广泛地为各p c 厂家所支持。现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口，m i c r o s o f t 公 司的w i n d o w s 9 8 、n t 以及m a c o s 、l i n x 、f r e e b s d 等流行操作系统都增加了对u s b 的支 持。u s b 接口是目前p c 与外部设备进行连接时使用的展常用接口之一。 u s b 的主要优点”： 使用方便。连接外设不必再打开机箱，允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。 速度快。u s b 接口在高速模式下理论最高传输速率可达4 8 0m b s ，全速模式下最高传输 率可达1 2m b s ；低速模式最高速率为1 5m b s 。 连接灵活。一个u s b 口理论l 可以连接1 2 7 个u s b 设备。连接的方式也十分灵活，既可 以使用串行连接，也可以使用集线器h u b ，把多个设备连接在一起，再同p c 机的u s b 口相接。 可选的总线供电功能。u s b 接口通过总线提供了最大电流为5 0 0 m a 的电源。 正因为u s b 通信有以上优点，并且考虑它是曰前的主流接口形式，无线数据终端也采用 u s b 通信接口作为本地配置的接口。 本装置采用的u s b 接口j 占片是p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 。p d i u s b d l 2 是一个性能优 异的u s b 器什，通常用于基于微控制器的系统，与微控制器通过高速通用并行接1 ：3 进行通信， 也支持本地d m a 传输。该器件采用模块化的方法实现一个u s b 接1 3 ，允许在众多可用的单片 机中选择最合适的作为系统的微控制器，允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。 p d i u s b d l 2 的土要特性如下”“： 符台通用串行总线u s b11 版规范 集成了s i ef i f o 存储器收发器以及电压调整器 9 皇里童些奎兰堡圭耋堡篁圣塑三塞至篁堡竺皇塑墼堡兰皇童堡 可与任何外部微控制器实现高速并行接l i2 m 字节秒 集成3 2 0 字节多结构f i f o 存储器 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输 在批量模式和同步模式下均可实现1 m 字节秒的数据传输速率 可通过软件控制与u s b 的连接 采用g o o d l i n k 技术的连接指示器，在通讯时使l e d 闪烁 双电源操作，33 0 ，3 v 或扩展的5 v 电源，范围为36 55 v 以1 - _ 特点表明，采用p d i u s b d l 2 实现u s b 通信接口，具有应用灵活、设计简单的优点。 由于采用了并行接口，对系统微控制器的选择没有特别的限制。在具体设计时，本装置的单片机 通过i o1 2 1 模拟总线的方式与p d i u s b d l 2 相连，这种设计方案的优点是抗干扰能力强，且不 受总线时序的限制，缺点是要增加软件开销。图2 4 是单片机与p d i u s b d l 2 连接的原理图。 2 5 无线通信模块 2 5 1 模块的选择 无线通信模块是本装置最重要的通信模块，包括g p r s 和c d m a 两种。目前市场上的无 线通信模块鞍多，如g p r s 模块就有m o t o r o l a 公司的9 1 8 、韶o ，西门子公司的m c 3 5 i 和索爱 公司的g r 4 7 、g r 4 8 等。无线通信模块的选用主要从以f 几方面进行考虑： f 1 ) 性能。必须提供目前最高的数据通信速率。对于g p r s 模块应该支持g p r sc l a s s l o ，对 于c d m a 模块支持c d m a 2 0 0 0l x 数据通信。 ( 2 ) 接口。为尽量减小硬件的尺寸，在满足性能的前提下，接1 2 1 以简单者为优。 ( 3 ) 接口兼容性。目标是在一个硬件平台上同时支持两种无线模块，因此希望两种模块在接口 上可以互换，或者至少是尽量兼容。 ( 4 ) 价格。本系统以数据传输为核心功能，其它功能可以不作要求。因此希望是在满足数据传 输功能要求的前提下价格降到最低。 基于以上考虑，在对各个厂家的无线通信模块进行对比之后，本装置采用了w a v e c o m 公司的w i s m oq u i kc d m a 和w i s m oq u i kg s m g p r s 互换型平台，具体的的g p r s 和c d m a 模块型号分别是q 2 4 0 6 b 和q 2 3 5 8 c 。这两个模块在硬件接口上基本兼容，仅仅在 s i m 卡和u i m 卡的供电上略有差异。q 2 4 0 6 b 的s i m 卡可以直接由模块供电，但c d m a 模 块q 2 3 5 8 c 的u i m 卡接口必须外接3 v 稳压器供电。为了实现在同一硬件上支持g p r s 和 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章系统硬件电路的设计与实现 v s su 3 9ij d 7 8u d 6 7u d 5 6u d 4 4u d 3 3u d 2 2u d l 1u d o p 币1 6 1 w 矿r ，_ j f j i i 一 等 2 6d + 图2 4u s b 通信接口原理图 3 v 3 v s s 1 u c d m a 两种无线模块，本装置在硬件电路设汁时，无论是s i m 卡还是u i m 卡，都通过3 v 稳 压器供电。 下面给出两种无线模块的主要特点“0 。”】。 q 2 4 0 6 b 特点： 双频g p r s c s m 模块( e g s m 9 0 0 i8 0 0m h z 或e g s m 9 0 0 19 0 0m h z ) 内置t c p i p 西议栈 通过r s 一2 3 2 串口控制，所用a t 指令完全兼容标准a t 指令 串口通信波特率从3 0 0 到1 1 5 2 0 0b i t s s ，自动速率从2 4 0 0 到1 9 2 0 0b i t s s 其设计开发符合e t s ig s m p h a s e2 + 标准 带实时时钟( r t c ) 功能 1 1 幽印u 比州 谶瓣|i茹器需 一电鳖案一剿莲一臻一镬 即丑一即| | | l l 2 工王口王t懈 爵 室里查些奎耋堡圭耋堡丝兰 董三塞至堑堡丝皇塑墼墼垫皇耋塑 电压范丽：3 2 v 一4 2 v ，额定3 7 v 6 0 针板对板连接器 q 2 3 5 8 c 特点 单频8 0 0 m h z ，c d m a 2 0 0 0l x 模块 执行标准为f c c s a r 和c d g l ，2 & 3 波特率从3 0 0 到1 1 5 2 0 0b i t s s ，自动波特率从2 4 0 0 到1 9 2 0 0b i t s s 支持中英文短信 双音多频功能( d t m f ) a 5 1 & a 5 5 加密算法 s m s ：m t m o c b p d u 模式 电压范围：32 v 一42 v ，额定3 7 v 6 0 针板对板连接器 本装置并未用到语音功能，也没有使用液晶和键盘等人机接口，所咀无线模块与单片机的连 接主要集中在带流控的r s 一2 3 2 接口( t t l 电平) 1 - ，以及其它一些控制的引脚，如开机控制 等。因为w i s m o 模块没有自带s i m ( u i m ) 卡插座，所以还必须设计外部的手机卡插座。设 计的关键在于3 v 供电的无线通信模块与5 v 的单片机如何进行电平匹配的问题，下文将详细描 述带流控的r s 一2 3 2 接口的连接。除了r s 2 3 2 接口以外，由单片机无线模块的连接采用分压 电阻获得匹配的电平，具体的电路原理图见图2 - 5 。 2 5 2 接口电路设计 无线模块与单片机之间的接口主要是串口及其流控引脚的连接。无线模块使用36 v 的电源 供电，而单片机采用5 v 供电，因此在无线模块与单片机之间的接口需要有电平转换的环节。本 装置采用了电平转换芯片7 4 l c x 2 4 4 。图2 - 6 是无线模块与单片机通过7 4 l c x 2 4 4 进行连接的 原理图。 2 6 光电隔离环节 光电隔离电路位于单片机与现场数据接口之间，目的是使得数据终端和与之相连接的电力装 置在电气卜完全隔离。这依靠光耦合器实现。光耦合器( o p t i c a lc o u p l e r ，英文缩写为o c ) 亦称光电隔离器，简称光耦。光耦的输入和输出之间互相隔离，电信号传输具有单向性的特点， 因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元 1 2 ! 里坚些奎兰堡圭兰堡篁兰 墅三塞重篁堡些皇堕墼堡兰皇壅型 图2 - 5 无线模块原理图 图2 6 使用7 4 l c x 2 4 4 连接无线模块顾理图 件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以显著提高 信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以使计算机工作的可靠性 大为增强。 光耦的主要优点是：信号单向传输；输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入 端无影响；抗干扰能力强，工作稳定；无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦的技术参数主 要有发光二极管正向压降、正向电流b 、电流传输比c t r 、输入级与输出级之间的绝缘电 阻、集电极发射极反向击穿电压v 口r 1 g e o 、集电极一发射极饱和压降1 0 e ( 。1 。此外，在传输数 字信引对还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。为了保证在高通信速率下 光电隔离电路可以正常工作，必须慎重选择光耦器件，特别是要注意与传输时间相关的参数。本 装置选用的光耦型号是f a i r c h i l d 公司的6 n 1 3 6 ，其主要特点如f ”： 高速1 m b i t 8 经受绝缘测试电压一2 5 0 0 u s 1 3 尘里窒些奎兰堡圭兰堡篁塞 薹三翼垂堡堡丝皇塑堕堡堡皇窒堡 电流传输比( c t r ) 最大可达到5 0 电流传输比( c t r ) 保证温度0 7 0 。c 按照以上性能参数，6 n 1 3 6 可以满足本装置的数据传输要求。 2 7 现场数据接口 无线数据终端通过现场数据接口与电力装置相连接。为了尽量满足各种电力装置的通信接口 需求，本装置设计了多个现场数据接口，包括r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 和c a n 总线接口，并保留了 个可抽换外部扩展数据接口。 2 7 1 r s 一2 3 2 接口 r s 一2 3 2 接口是最常见的工业控制通信接口，被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距 离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于发送电平与接收电平的 差仅为2 v 至3 v 左右，所以其共模抑制能力差，再加e 双绞线上的分布电容，其传送距离最 大约为1 5 米，最高速率为2 0 k b s 。本装置采用了常用的m a x 2 3 2 作为r s 一2 3 2 接口芯片，单 5 v 供电，双收发器，可以满足一般的需求。另外由于m c 6 8 h c l 2 d g l 2 8 a 只有两个异步串行 接口，一个用于与无线模块的连接，另一个用于r s 一4 8 5 接口，因此缺少一个用于r s 2 3 2 的异 步串口。本装置使用接口转换芯片m a x 3 1 0 0 把单片机的s p i 接口转换为异步串行接口，用于 r s 一2 3 2 通信。 27 2r s 一4 8 5 接口 r s 4 8 5 也是常用的工业通信接口之一。与r s ，2 3 2 不同，数据信号采用差分传输方式， 也称作平衡传输。它使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义为b 。r s 一4 8 5 最火 传输距离约为1 0 0 0 米，最大传输速率为1 0 m b s 。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在 1 0 0 k b s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传 输。一般1 0 0 米长双绞线最大传输速率仅为1 m b s 。本装置采用m a x 4 8 5 作为r s 一4 8 5 的接口 芯片，单5 v 供电，最高传输速率2 5 m b s ，能够满足一般工业通信的需要。 273c a n 总线接口 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或 实时控制的串行通信网络。较之基于r s 一4 8 5 系统而言，基于c a n 总线的系统在以下方面具有 明显的优越性”7 ”1 ： ( 1 1c a n 控制器工作于多主方式，而不是r s 一4 8 5 的主从式结构ac a n 网络中的各节点都可 根据总线访问优先权( 取决于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发 送数据，且c a n 协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的 节点同时接收到相同的数据，这些特点使得c a n 总线构成的网络中，各节点之间的数据 1 4 尘垦窒些查兰至圭兰堡篁兰 篓三塞垂堡堡丝皇塑墼堡生皇查堡 通信具有良好的实时性，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而 利用r s 一4 8 5 只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的 实时性、可靠性较差。 ( 2 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能。这就保证某个节点出错时，总线 上其他节点的操作不受影响，不会出现在r s 一4 8 5 网络中，当系统有错误，多节点同时向 总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点，使得总线处于“死锁”状态的 现象。 ( 3 ) e a n 具有的完善的通信协议，可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来实现。因此与仅仅有 电气协议的r s 4 8 5 相比，大大降低系统开发难度，缩短了开发周期。另外，与其它现场 总线比较而言，c a n 总线具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点，是一种 己形成国际标准的现场总线。这些也是目前c a n 总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞 争力的重要原因。 c a n 总线在工业控制中的应用日渐广泛，为了适应各种场合的应用，本装置的硬件上出设 计了c a n 总线接口。m c 6 8 h c l 2 d g l 2 8 a 内部集成了c a n 控制器，只需添加一片c a n 总 线接口芯片即可实现c a n 接口。本装置采用的接1 3 芯片是p h i l i p s 公司的t j a l 0 5 0 ，该芯片具 有以f 特点”“： 完全符合i s o1 1 8 9 8 标准 高速率最高达1 m b i t s 不上电的节点不会对总线造成扰动 提供禁用发送器的静音模式 输入级和33 v 以及5 v 的器件兼容 采用t j a l 0 5 0 作为c a n 总线接口芯片完全能满足c a n 网络通信的需求。 274 外部扩展数据接口 目前在电力系统中使用的设备，除了