（农业电气化与自动化专业论文）基于无线通讯的城市污水泵站故障遥测系统应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着互联网技术和信息通信技术的发展，远程遥测技术已成为工 农业生产的重要辅助设施，应用十分广泛。在城市污水泵站故障遥测系 统中，可以实时了解泵站系统故障状况，在泵站系统出现故障时，为 决策者提供相关故障信息、故障发展趋势从而进行分析、合理安排系 统运行和维护，在缩短泵站维修周期，减少维修成本方面具有非常重 要的现实意义和良好的经济效益。 论文根据城市污水泵站的工艺流程，确定了泵站故障信号类型和 故障检测位置( 信号) 的选取，在分析了几种重要故障信号采集原理 及其采集器件选型之后。文章着重阐述了z i g b e e 和g p r s 通信协议， 重点研究了i e e e 8 0 2 15 4 物理层( p h y ) 和媒体接入控制层( m a c ) 结构 模型、数据帧结构以及数据传送方式。然后介绍了z i g b e e 协议标准和 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准的关系，分别就z i g b e e 协议栈架构、网络的建 立等作了进一步研究。 论文研究了城市污水泵站故障原理及信号采集方法和数据无线传 输原理，确定了遥测系统的设计方案。以g p r s 、z i g b e e 精简版协议 栈和c c 2 4 3 0 片上系统为软硬件平台，进行了遥测系统设计，完成了基 于精简版协议栈的c c 2 4 3 0 故障信号采集与无线传输的软硬件设计，实 现了z i g b e e 无线传感器网络和g p r s 网络的自组网和信号的无线传 输。具体为z i g b e e 星型拓扑网络的建立、节点的加入和节点的脱离、 江苏大学硕士学位论文 故障信号的分布式采集与数据发送和接受、l c d 显示、s p i 、u a r t 通 信、g p r s 和z i g b e e 网络数据双向传输等功能。研究了系统的初始化、 协议栈相关函数设置、函数调用和下载。 最后，文章给出了设计一个城市污水泵站故障遥测系统的故障遥测 终端和传感器终端节点应用程序。它们包括：无线数据的接收、发送 程序，串口初始化程序，键盘驱动程序，故障信息采集与处理程序、 l c d 显示程序，g p r s 通信程序和应用主程序等，并对系统进行调试 并给出实验验证。通过实验验证，系统功能达到了设计预期，能够满 足城市污水泵站故障信息远程采集的要求，同时针对系统存在的不足 和系统未来发展趋势提出了进一步深入研究方向。 关键字：污水泵站，z i g b e e ，协议栈，g p r s ，遥测 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e ta n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，r e m o t et e l e m e t r y t e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ta u x i l i a r ye q u i p m e n ti ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n ，a n di t sa p p l i c a t i o ni sv e r yb r o a d i nt h et e l e m e t r ys y s t e mo fu r b a ns e w a g e p u m p i n gs t a t i o nf a i l u r e ，y o uc a ni m m e d i a t e l yu n d e r s t a n dt h ep u m p i n gs y s t e mf a u l t c o n d i t i o n s i tp r o v i d e sr e l e v a n ti n f o r m a t i o na n df a i l u r et r e n d sf o rt h ed e c i s i o n m a k e r st o a n a l y z er e a s o ni no r d e rt oa r r a n g et h es y s t e mo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e i nt h es h o r t e r m a i n t e n a n c ec y c l ea n dl o w e rm a i n t e n a n c ec o s t s ，i th a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dg o o de c o n o m i cb e n e f i t s t h es u b j e c th a sd e v e l o p e dak i n do ft e l e m e t r ys y s t e mi nu r b a ns e w a g ep u m p i n g s t m i o nf a i l u r eb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb yu s i n gc c 2 4 3 0s o ca n ds t r e a m l i n e d v e r s i o no ft h ep r o t o c o ls t a c k ( s u b s e t ) o fz i g b e e i ti su s e dm a i n l yf o ru r b a ns e w a g e p u m p i n gs t a t i o ni nt h er e m o t ef a u l td e t e c t i o n t h r o u g ht h ee f f e c t i v ee x p a n s i o no f s y s t e mf u n c t i o n s ，i ta l s oc a n b ea d d e dt h er e m o t ec o n t r o lf u n c t i o n s i td e t e r m i n e st h es i g n a lt y p eo fp u m pf a i l u r e ，a n ds e l e c t sd e t e c t i o np o s i t i o no ff a u l t s i g n a la c c o r d i n gt o t h ep r o c e s so fs e w a g ep u m p i n gs t a t i o n i ta l s oa n a l y s i s e st h e p r i n c i p l eo fs i g n a la c q u i s i t i o na n d s e l e c t sm o d e lo fc o l l e c t i o nd e v i c e a tt h es a m et i m e ， t h ea r t i c l ef o c u s e so nt h ez i g b e ea n dg p r sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，e s p e c i a l l yf o c u s e s o nt h ep h y s i c a ll a y e r ( p h y ) a n dm e d i aa c c e s sc o n t r o ll a y e r ( m a c ) m o d e ls t r u c t u r e s ， d a t af r a m es t r u c t u r e sa n dd a t at r a n s m i s s i o no nt h ei e e e 8 0 2 15 4 t h e nt h ep a p e r i n t r o d u c e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni e e e 8 0 2 15 4 p r o t o c o l s t a n d a r da n dz i g b e e p r o t o c o ls t a n d a r d ，a n df u r t h e rr e s e a r c h e s t h ef r a m e w o r ka n dn e t w o r ko fz i g b e e p r o t o c o ls t a c k t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e q u i r e m e n t s ，a n dd e t e r m i n e st h ed e s i g np r o g r a mo f t e l e m e t r ys y s t e mi nu r b a ns e w a g ep u m p i n gs t a t i o nf a i l u r e v i e wo f t h ec c 2 4 3 0s o cf o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k su n i q u ea d v a n t a g e s ，t h ep a p e rh a sd e s i g n e dak i n do ft e l e m e t r y s y s t e mw i t ht h es t r e a m l i n e dv e r s i o no ft h ep r o t o c o ls t a c kt oz i g b e e ( s u b s e t ) a n dt h e 1 1 i 江苏大学硕士学位论文 c c 2 4 3 0c h i ps y s t e ma ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r mu n d e rt h ei a r e w 8 0 51f o rt h e d e v e l o p m e n tt o o l s ，w h i c ha c h i e v e st h ez i g b e es t a rn e t w o r kt o p o l o g y , n o d ea d d i n g ， n o d el e a v e i n ga n do t h e rf u n c t i o n s a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e m si n i t i a l i z a t i o n s ，s t a c k c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ss e t s ，c a l l sa n dd o w n l o a d sh a v eb e e na l s oc o n s i d e r e d f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e ss o m ea p p l i c a t i o np r o g r a m so ft h er e m o t et e r m i n a ln o d ea n d t h es e n s o rf a u l tt e r m i n a ln o d e t h e yi n c l u d ew i r e l e s sd a t ac o l l e c t i o na n ds e n d i n g p r o g r a m s ，s e r i a lp o r t i n i t i a l i z a t i o n p r o c e s sa n dk e y b o a r d d r i v e rp r o g r a m s ，e t c e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h es y s t e mf u n c t i o nt ot h ed e s i g ne x p e c t e dt om e e tl o n g - r a n g eu r b a n s e w a g ep u m p i n gs t a t i o nf a u l ti n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nr e q u i r e m e n t s i nt h ee n d ，t h ea r t i c l eg i v e s e x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o na n dp r o p o s e sf u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o na c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n s u f f i c i e n ta n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d so ft h es y s t e m k e y w o r d s ：s e w a g ep u m p i n gs t a t i o n ，z i g b e e ，p r o t o c o ls t a c k ，g p r s ，t e l e m e t r ys y s t e m i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者虢枥千 2 0 1 0 年6 月i j 日 艚狮躲瘟劣受 2 0 1 0 年舌月哆日 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：老吁 日期：2 0 1 0 年6 月 江苏大学硕士学位论文 1 1 遥测系统的概念 第一章绪论 遥测系统【l 】是本地计算机通过无线网络系统如g p r s c d m a 来访问远端的相 关设备，通过对远方的遥测终端访问来进行监视，完成对远端传感器终端设备的 状态监视和数据采集等功能。我们通常把能够实现远程遥测、监控的通讯媒体、 ， 软件、硬件系统称为远程遥测系统。远程遥测系统能够及时地监视设备的运行状 态并进行有效管理，这就是远程遥测技术在生产生活中迅速发展的原因。 随着无线通信技术和其它信息网络的日益普及，信息共享程度的不断提高， 给数据远程采集和监控带来了极大的方便，再加上高性能m c u 处理器的迅猛发 展，以片上系统( s o c ) 为核心的应用系统将搭上无线网络的快车逐步取代传统的以 p c 为中心的应用f 2 】【3 】，成为未来远程遥测发展中的主力军。 2 课题背景与研究目的 本课题为国家水体污染控制与治理科技重大专项高截污率城市雨污水管网 建设、改造和运行调控关键技术研究与工程示范课题( 课题编号： 2 0 0 8 z x 0 7 31 7 0 0 1 ) 的子课题。 污水泵站故障遥测技术是城市污水信息化的重要内容，它是传感器技术与数 据采集、存储、传输和处理技术的集成【3 j 。城市生活污水、工业废水和雨水通过市 政收集管网经过相关启闭机制流入各个污水泵站进水闸门井，污水泵站经简单处 理，通过格栅等过滤掉颗粒大的悬浮物；进水闸门井污水水位达到一定液位时， 通过污水泵输送到下一级泵站或就近的污水厂。污水泵站故障遥测系统主要完成 对污水泵站系统故障和相关参数的监测，其监测内容包括：进出污水阀门井电动 阀门的开、关的状态故障；进水格栅前后液位超高、超低状态报警；出水格栅前 后液位超高、超低状态报警；格栅故障状态；格栅前后的液位差过高报警；皮带 运输机故障状态；泵电机电流报警；泵电机热过载故障报警；泵轴承温度超温报 警；置换污水泵站空气的风机故障报警以及污水流量、污水泵出水口压力、泵的 转速、泵体振动、泵主轴摆度、泵站环境噪音等参数的检测。内容如下图1 1 所示： 江苏大学硕士学位论文 一。t 一誓j 蓼雾罗歹譬誊蚤 一：二二二二 | 、 l 。 i 帅 雩豁慧吗f 感器霄点吣h l 4 1 污水泵站故障遥测系统框图 f i g 4 1t h ef r a m e w o r ko ft e l e m e t r ys y s t e m 系统构成如下： l 、z i g b e e 无线传感器网络。主要由故障遥测终端和z i g b e e 传感器终端节点 构成。故障遥测终端实现网络协调功能，它是该网络的遥测中心，负责网络的维 护和数据的处理等任务，该节点包含有z i g b e e 射频收发和g p r s d t u 模块。传感 器终端节点由分布在污水泵站系统内的各种故障、状态检测点传感器和z i g b e e 无 线模块组成。它们根据检测点的要求，以星型结构构成z i g b e e 无线遥测网络。该 网络主要负责泵站系统故障、状态等数据的采集，并将数据通过z i g b e e 网络上传 到故障遥测终端，再由故障遥测终端通过g p r s d t u 模块将数据发送到监控中心。 2 、g p r s 传输网络。z i g b e e 网络采集到的故障、状态等数据上传到故障遥测 终端后，通过g p r s d t u 终端与g p r s 网络建立无线连接，并最终通过与i n t e m e t 的连接，实现数据的远距离传输。 3 、污水泵站故障监测中心。由计算机和数据库等组成，通过计算机网络技术、 数据库技术和软件平台实现远程监控功能。在系统运行的过程中，监控中心可以 对遥测系统的运行参数进行设定，并可以对采集到的数据进行存储、分析和汇总， 便于工作人员对污水泵站运行情况进行观察和分析( 由于时间的关系本课题没有 设计监控中心，待以后作进一步深入研究) 。 嚣蓉 江苏大学硕士学位论文 4 2 2 传感器终端节点结构 传感器终端节点结构通过内部集成8 0 5 1 核和r f 射频芯片的c c 2 4 3 0 控制器 和传感器对泵站故障、状态等数据进行实时采集、存储和传输控制后，通过z i g b e e 无线网络将实时数据发送到遥测终端站，完成数据采集和传输。 图4 2 传感器终端节点结构图 f i 9 4 2t h ef r a m e w o r ko fs e n s o rt e r m i n a ln o d e 4 2 3 系统工作原理 数据采集系统按数据传输的方式可分为三种运行机制：即自报式、应答式和 混合式【3 3 】。 1 、自报式 自报式的数据传输方式受被检测量的变化控制，即当被检测信号、参数有变 化时，系统便会产生代表该参数值的数据传输，接收中一1 1 , 站随时处于接收状态， 在收到数据时进行存储或转发到上级监控中心，完成一次数据采集传送或存贮处 理过程；而当被测参数无变化时，系统处于守候状态。另外有一种定时自报式， 它的数据采集和传输是受各中心站预先设定的时间控制的，每隔一个设定时间间 隔，都会启动一次采集和传输。 自报式的优点是，数据采集终端简单，终端可设计为掉电守候状态，功耗很 小，而且中心站收到的数据具有较好的连续性，便于了解信号、参数的变化过程。 2 、应答式 应答式传输系统由中一t l , 站根据定时自动发出查询指令或由人工随时根据需要 3 2 江苏大学硕士学位论文 发出查询指令，向系统中各数据采集终端呼叫，它们收到中心站的指令后立即采 集信号、数据并发送至中心站。应答式传输系统的数据传输般须加差错控制以 保证传输的可靠性，因此系统的传输效率较低。 3 、混合式 混合式是自报式和应答式两种方式的混合，兼顾两者优点。根据设计要求， 本系统采用混合式的数据传输方式。系统工作时，故障遥测终端一直处于运行状 态，它监听和处理z i g b e e 网络和g p r s 网络双向的数据。一方面，传感器终端节 点以定时自报和外部中断触发的方式，进行故障信号、数据的采集和传输；另一 方面，当监控中心发送采集数据的命令时，系统工作在应答模式下，传感器终端 节点根据命令的要求上传采集的信号和数据。传感器终端节点的处理器没有任务 的时候处于睡h 民状态，只有在接受到采集命令、定时到达时或外部中断触发时， 才“唤醒工作”。这样可以节省传感器终端节点工作时的能耗。 4 3 故障信号采集 要实现污水泵站故障参数遥测第一步就是实现泵站系统故障数据采集，该部 分是与现场联系最紧密的部分。数据采集的过程是采用各种类传感器将温度、压 力、振动、噪声等信号转换成m c u 能识别数据后，通过无线通讯方式发送到计算 机监控中心，再由计算机进行存储、处理、显示和打印的过程。具体采集过程如 4 3 图所示： 故障遥 测终端 监控传感器终 故障遥测g p r s - 待测八传感卜信号j 信号入 端节点信 中心 号无线发 入终端信号八d t u 模八 信号 器 _ 1 调理_ 1 采集无线接收叫块信号叫 送( 数据 ( z i g b e e ) ( z i g b e e )无线发 库) 射 ( g p r s ) 图4 3 数据采集过程 f i g 4 3t h ep r o c e s so fd a t ac o l l e c t i o n 1 、传感器：各种待转换的物理量，如温度、震动等都是非电量。首先需要将 非电量转化成电信号，然后才能进行进一步处理。把各种物理量转换成电信号的 器件称为传感器。传感器的类型很多，如测量主轴摆度电涡流式传感器，测量水 泵机座振动的高频振动传感器，测量轴承温度的传感器有热电偶、热敏电阻等； 江苏大学硕士学位论文 测量格栅水位的有液位开关等。 2 、信号调理：简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设 备能够识别的标准信号。若信号很小，则要经过放大将信号调理到传感器终端节 点信号接口能够识别的范围，若信号干扰较大，就要考虑采集之前作滤波处理。 3 、信号采集：信号采集的关键问题是设置采样率和分辨率。采样率过低的结 果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠，输入信 号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值称混频偏差。一般信号中包含许 多不同频率的成分，为了避免这种情况的发生，一般情况是在信号被采集( a d ) 之 前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。 4 故障报警点的确定 污水泵站系统的故障参数有两种类型：模拟量和丌关量。因为丌关量直接输 出设备或系统报警监控点的状态，不需要本系统再次判断，仅根据丌关量的状态 及等级执行打包传递流程；而对模拟量的监控有两种方式：其一为参数越限报警， 其二是参数异变报鳌。 任一模拟参数都有其正常的工作数值范围，称为参数的蠲值。嗣值的范围是 根据设备或系统的设计工作参数及实际工作情况而定。一般在设备调试完毕并投 入使用后不再做大的修改，仅在设备或系统本身的功能发生大的变化或工作环境 改变后可进行小范围的调整，以适应设备或系统的应用需要。 传感器终端节点根据设定的周期对每一个待检测参数进行循环检测，分析处 理其检测的数据，并将超越其设定的蠲值范围的参数先保存并形成报警列表，然 后系统再对报警列表进行分析，根据参数的报警等级高低，按照报警级别高低顺 序依次发出信号。其工作流程如下： 江苏大学硕士学位论文 4 5 小结 开始新的检测周期 读取检测值 记录到报警 参数数表 r 一 i 提取 选择级别高 的报警参数 _ r 一 激活l 报警l 陌醪 图4 4 参数报警循环检测流程图 f i g 4 4t h ec h a r to fp a r a m e t e r sa l a r m 本章首先从功能和性能两方面对系统进行了需求分析，然后在此基础上，提 出了系统的设计方案，分析了系统的组成、工作原理和系统的特点。通过分析表 明，将g p r s 和z i g b e e 技术用于无线污水泵站遥测系统是一种非常合适的选择。 本章的内容是对系统的整体把握，对后续章节的设计起着指导的作用。 江苏大学硕士学位论文 第五章污水泵站故障遥测终端硬件设计 5 1 故障遥测终端硬件设计说明 本章主要介绍故障遥测终端( 具有z i g b e e 网络协调器功能) 硬件设计，应用 软件设计部分将在下一章中进行介绍。故障遥测终端硬件结构框图如图5 1 所示， 为了实现网络中的硬件平台，将硬件设计分为z i g b e e 无线收发模块及g p r s 数据 传输模块两大部分。z i g b e e 无线收发模块作为各传感器终端节点间的数据接口， 起到协调器功能，g p r s 数据传输模块功能是和监控中，1 5 、, 数据通讯。 测试模块z i g b e e 无线收发模块 供电电路 接口电路无线电路 g p r s 允线 1卜、 r s 2 3 2 串口电路 i 卜、 厂 、r 一 电源滤 网络指 传输波电路 c c 2 4 3 0 示电路 模块 l c d 显示电路 测试电路 品振电路 复位电路 图5 1 故障遥测终端硬件结构框图 f i g 5 1t h eb l o c kd i a g r a mo fh a r d w a r e 5 2c c 2 4 3 0 无线单片机简介 5 2 1c c 2 4 3 0 芯片的主要特点 目前市场上符合z i g b e e 标准的芯片有多种多样。z i g b e e 联盟的各大芯片生产 商有c h i p c o n ( 后被t i 公司收购) ，f r e e s c a l e ，e m b e r ，j e n n i e ，r a d i o p u l s e ，o k i ， h e l i c o m 等公司纷纷推出各自的z i g b e e 无线解决方案。表5 1 选取了比较有代表性 的几个芯片做比较【3 4 】。 表5 i z i g b e e 芯片比较 t a b 5 1t h ec o m p a r eo fd i f f e r e n tz i g b e ec i p 芯片内存休眠收发 m c u 外围接口 型号容量电流电流 3 2 位9 6 kr a m a d c ，d a c ，u a r t , s p i ，1 2 c 州5 1 2 l5 u a5 0 4 0 m a r 1 s c ，1 6 m h z 6 4 kr o m ，t i m e ，c o m p a r a t o r 3 6 江苏大学硕士学位论文 4 k r a m ，a d c ，d a c ，u a r t , s p i ，1 2 c m c l 3 2 x x 8 位4 0 m h z 4 0 u a5 7 3 0 m a 6 0 kf l a s h ，t i m e ，c o m p a r a t o r 5 kr a m ， e m 2 5 0 1 6 位x a p 1 5 u a2 9 3 3 m a a d c ，u a r t , s p i ，1 2 c ，t i m e 1 2 8 kf l a s h 8 0 5 1 内核 8 kr a m ， c c 2 4 3 0l u a2 7 2 5 m a a d c ，u a r t , s p i ，t i m e $ 3 2 m h z1 2 8 kf l a s h 为了既能完成设计要求又能简化设计为原则，通过比较发现，只有c 2 4 3 0 采 用标准的8 0 5 1 处理器，其他三个芯片都是采用自己的微处理器，在这里我们选用 c h i p c o n 公司的c c 2 4 3 0 作为传感器终端节点和故障遥测终端的主芯片。 c h i p c o n 公司生产的无线片上系统( s o c ) c c 2 4 3 0 芯片，可以满足以z i g b e e 为 基础的2 4 g h zi s m 波段应用对低成本、低功耗的要求。它结合一个高性能2 4 g h z d s s s ( 直接序列扩频) 射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8 0 5 l 控制器。考虑 到协议栈、网络和应用软件的执行对m c u 处理能力的要求，c c 2 4 3 0 包含一个增 强型工业标准的8 位8 0 5 1 微控制器内核，运行时钟3 2 m h z 。由于更快的执行时间 和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8 0 5 1 指令集的c c 2 4 3 0 增 强型8 0 5 1 内核，具有8 倍的标准8 0 5 1 内核的性能。c c 2 4 3 0 以强大的集成开发环 境( i a r e w 8 0 5 1 ) 作为支持，内部线路的交互式调试以遵从i d e 的i a r 工业标准 为支持，同时其结合了c h i p c o n 公司全球先进的z i g b e e 协议栈、工具包和参考设 计，展示了领先的z i g b e e 解决方案1 35 。c c 2 4 3 0 的内部框图如图5 2 所示。 图5 2c c 2 4 3 0 f 1 2 8 的内部框图 f i g 5 2t h ei n t e r n a lf r a m e w o r ko fc c 2 4 3 0 f 12 8 c c 2 4 3 0 芯片的主要特点如下【3 6 1 ： 高性能和低功耗的8 0 51 微控制器核。 集成符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准的2 4 g h z 的r f 无线电收发机。 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 a d c g p i o 江苏太学硕士学位论文 o e 休眠模式时仅0 9m a 的电流消耗，外部的中断或r t c 能唤醒系统：在待机模 式时少于06 u a 的电流消耗，外部的中断能唤醒系统。 硬件支持c s m a c a 功能。 较宽的电压范围( 20 36 v ) 。 数字化的r s s i l q l 支持和强大的d m a 功能。 具有电池监测和温度感测功能。 集成了1 4 位模数转换的a d c 。 集成a e s 安全协处理器。 带有2 个强大的支持几组协议的u s a r t ，以及1 个符合i e e e8 0 21 5 a 规范的 m a c 计时器，1 个常规的1 6 位计时器和2 个8 位计时器。 5 2 2c c 2 4 3 0 外围参考电路7 1 困5 3 c c 2 4 3 0 参考外围电路图 f i g53 t h ee x t e m a lc i r c u i t o f c c 2 4 3 0 5 3z i g b e e 无线传输模块设计 z i g b e e 无线传输模块电路包括c c 2 4 3 0 芯片及其外围电路，由于c c 2 4 3 0 将 江苏大学硕士学位论文 8 0 5 1 内核与无线收发模块集成到一个芯片当中，因而简化了电路的设计过程，省 去了对单片机与无线收发芯片之间接口电路的设计，缩短了研发周期。该电路设 计原理图如图5 4 所示【3 7 1 。外围电路主要由接口电路、3 3 v 和1 8 v 电源滤波电路、 芯片晶振电路、天线电路、网络指示电路、复位电路、g p r s 接口电路7 等个部分 组成。其余电路均参照c c 2 4 3 0 的参考设计来完成。 二 f 图5 4c c 2 4 3 0 无线传输模块原理图 f i g 5 4c c 2 4 3 0w i t l e s sm o d u l es c h e m a t i e 接口电路：采用一个1 6 脚排针和一个1 0 脚的排针，1 0 脚排针引出的引脚主 要用于程序的烧写，1 6 脚排针引出的引脚主要是方便无线模块扩展，这两个排针 将c c 2 4 3 0 所有的2 1 个f o 功能定义，增加无线模块的通用性。 电源滤波电路：为得到更好的电源性能，选择了合适的去祸电容( 如c 1 l ，c 1 0 1 ， c 3 7 1 等) 对电源进行滤波，该部分电路参考c h i p c o n 公司滤波电容组设计。 芯片晶振电路设计：c c 2 4 3 0 工作需要两个时钟晶振，第一个为3 2 m h z ，为无 线收发时钟；第二个为3 2 0 6 8 k h z ，为休眠模式提供时钟。c 1 9 1 和c 2 1 1 为3 2 m h z 晶振的负载点电容，电容值取决于负载电容的大小。c 1 9 1 和c 2 11 的典型值为2 7 p f 。 天线电路：电路中采用非平衡天线加上一个非平衡变压器构成一个天线电路。 3 9 江苏大学硕士学位论文 电路中的非平衡变压器是由l 1 ，l 2 ，l 3 和c 2 组成，其中，l 2 和l 3 与r f 输入 输出阻抗匹配。c 2 为5 6 p f ，l 1 为2 2 n i l ，l 2 为5 6 n i l ，l 3 为1 8 n i l 3 羽。 网络指示电路：采用l e d 直连i o 口p 1 0 、p 1 1 和p 1 2 口，用于指示网络所处 的状态。 复位电路：由限流电阻r 4 0 6 、滤波电容c 6 7 8 和按键组成，实现低电平复位。 g p r s 接口电路：c c 2 4 3 0 提供2 个独立的异步串行通讯接口u s a r t 0 和 u s a r t l ，每个串口既可以工作于u a r t ( 异步通讯) 模式，也可以工作于s p i ( 同 步通讯) 方式，模式的选择由串口控n 状态寄存器的u x c s r m o d e 决定。u a r t 模式可以选择两条连线( r x d 和t x d ) 。u a r t 模式具有独立收发中断和独立收 发d m a 触发，同时具有奇偶校验功能。g p r s 接口电路通过m a x 2 3 2 转换电路同 c c 2 3 0 串行接口u s a r t o 相连。 4 具体功能模块设计 5 4 1 测试电路设计 测试电路包含三个l e d 指示灯及一组按键。l e d 指示灯分别直接连i o 口 p 1 0 ，p 1 1 和p 1 2 口，主要完成包括网络形成、网络加入和退出在内的在线调试。 按键s l ，s 2 ，s 3 和s 4 连接c c 2 4 3 0 的p 0 61 2 1 ，即通过a d c 转换通道相区分，按 键s 5 和s 6 分别直接连接c c 2 4 3 0 的p 0 5 和p 0 4 口，主要完成程序的控制以及在 线调试。 d 3 v d d 图5 5l e d 指示灯电路 f i g 5 5l e di n d i c a t i o nc i r c u i ts c h e m a t i c 江苏大学硕士学位论文 s 5 一 r l l 5 4 2 供电电路设计 图5 6 测试按键电路 f i g 5 6k e y b o a r dc i r c u i ts c h e m a t i c 如图5 7 所示，供电电路采用的是低功耗电源芯片l p 2 9 8 5 ，该芯片通常用于 电池供电的场合，能够确保1 5 0 m a 的输出电流，极低的漏电电压，输出电压精度 为0 0 1 v ，且具有过温度过电流保护。在设计中采用2 节a a 电池供电。开关s 1 用于控制电路是否供电。电路提供了电池供电或外接3 3 v 直流电源两种供电方式， 其中二极管d 1 ，d 2 防止电源极性接反，l p 2 9 8 5 输出端并联电容是为了防止c c 2 4 3 0 从休眠状态转换到工作状态时，输出端电压降低。 1 1立 1 0 8 图5 7 供电电路原理图 f i g 5 7p o w e rs u p p l yc i r c u i ts c h e m a t i c 4 l 江苏大学硕士学位论文 5 4 3r s 2 3 2 串口转换电路 c c 2 4 3 0 引脚的输出电平为t t l 电平，而g p r s 通信模块的串口支持标准的 r s 2 3 2 电平，所以系统中用r s 2 3 2 驱动芯片m a x 2 3 2 进行电平转换，实现串口通 信。r 1o u t 引脚接c 2 4 3 0 的p 0 2 引脚，t 1i n 引脚接c c 2 4 3 0 的p 0 3 引脚。电 路采用标准的m a x 2 3 2 转换电路。 5 4 4l c d 显示电路设计 l c d 显示电路采用n o k i a 3 3 1 0l c d 显示屏，点阵为8 4 x 4 8 像素，主要应用于 手机、工业领域、仪器仪表等。v e t 工作电压为3 3 v 。参考电路如图5 8 所示。 j 6 n a j a j jl o 图5 8l c d 显示电路原理图 f i g 5 8l c dd i s p l a yc i r c u i ts c h e m a t i c i 迮s e t 引脚接c c 2 4 3 0 的p 1 3 引脚，低电平时复位l c d 芯片。c s n 引脚接 p 1 4 ，低电位时表示此l c d 芯片被片选上。d c 引脚接c c 2 4 3 0p 1 7 引脚，用于 确定传输的是数据还是命令，当为低电平时传输的是l c d 芯片的控制命令，当为 高电平时传输的是数据。s d i n 接c c 2 4 3 0 的p 1 6 口，s c k 接c c 2 4 3 0 的p 1 5 口， 当l c d 芯片工作在串行方式下，s d i n 为串行数据输入，s c k 为串行时钟输入。 此电路主要用于信息的显示和在线调试。 5 4 5g p r s 接口电路设计 故障遥测终端采用c p r sm o d e m 模块与监控中心进行通信，模块符合无线 d t u g p r s 工业应用标准。 g p r sd t u 只要通过r s 2 3 2 电平转换芯片就可以和c c 2 4 3 0 进行连接，实现 4 2 江苏大学硕士学位论文 数据通信功能。其t x d 端口经电平转换后与m c u 的r x d 端口相连，r x d 端口 经电平转换后与m c u 的t x d 端口相连。如图5 9 所示。 图5 9 g p r s 与r s 2 3 2 串口接口框架图 f i g 5 9t h ef r a m e w o r ko fg p r sa n dr s 2 3 2s e r i a li n t e r f a c e 5 4 6g p r s 无线数据传输模块选型 m c 3 5 i 是德国西门子公司生产的第一款g p r s 手机模块。m c 3 5 i 是专门g p r s 传输的芯片，也是唯一的一款工业应用芯片，被广泛应用于移动处理、手持终端、 p o s 终端、安全系统、远程监控、远程仪表数据读取等领域，特别适用于数据的 监测和传输。它的接收速率可以达到8 6 2 0 k b p s ，发送速率可以达到2 1 5 k b p s 。当 然最大得数据吞吐量来依赖于g p r s 网络的支持。m c 3 5 i 也支持g s m 9 0 0 和 g s m l 8 0 0 双频网络。它为远程监控和测量提供了一个理想的解决方案，所以本系 统选择了此模块【3 9 】。 m c 3 5 i 主要由射频天线、内部f l a s h ，s r a m ，g s m 基带处理器、匹配电源和 一个r s 2 3 2 串1 4 0 1 。m c 3 5 i 内部结构图如图5 1 0 所示，带有m c 3 5 i 模块的厦门 蓝斯通讯公司d t u ( g p r s ) 模块如图5 1 1 所示。 图5 1 0m c 3 5 i 结构框图 f i g 5 10t h ef r a m e w o r ko fm c i 4 3 江苏太学硕士学位论文 图5l i 带有r s 2 3 2 串口接口d t u ( g p r s ) 囤 f i g5 1 ig p r s d t u m a p 要使用m c 3 5 i 模块进行移动通信就必须使用s i m ( s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d e l 客 户识别模块) 卡，s i m 卡也称为智能卡、用户身份识别卡。m c 3 5 i 模块和s 1 m 卡通 过s i m 卡插槽连接。 m c 3 5 i 模块主要技术特点如下： 频段为双频g s m 9 0 0 m h z 和g s m l 8 0 0 m h z ( g s mp h a s e 2 2 + ) ； t g p p , s 下行数据传输速率最高达到8 56 k b p s 上行数据传输速率塌高达到 2 1 s k b p s ，支持c s 1 ，c s 2 ，c s - 3 c s 4 四种编码方式； 支持文本和p d u 模式的短消息； 支持语音和传真； 具备多速率的r s 2 3 2 接口。 5 4 7 s i m 卡电路设计 g p r s 模块支持外部s i m 片，可直接与30 v s i m 片或18 v s i m 片连接，g p r s 内t r 5 0 芯片与s i m 片连接接r n 参考电路如图5 1 2 所示 4 0 1 。s l i dr s t 用于g p r s 模块控制s i m 片复位，s i mc l k 提供s i m 片时钟。 图5