基于GPRS的远程数据传输系统的设计.doc

基于GPRS的远程数据传输系统的设计摘 要远程数据传输系统由数据中心和位于现场的仪表数据采集点组成，其中现场仪表数据采集点由51系列单片机作为控制器实时采集所需要的数据值，并对采集到的数据进一步的运算和处理，统计后，保存到EEPROM中，系统使用者可在工作现场通过人工操作查看所需要的数据值。同时，现场仪表数据采集点还可通过中国移动现有的GPRS网络进行数据传输，现场仪表通过RS232口与GPRS透昮数据传输终端连接现场仪表经过协议封装后定时发送到中国移动的GPRS数据网络，通过GPRS数据网络将数据传送到数据管理中心(PC)，实现现场仪表数据和数据中心系统的实时在线连接，从而实现实时数据监控，随时可以了解到各个现场的工作状况。本论文分析了远程数据传输系统这一课题的设计意义以及其发展趋势，讲述了该系统的硬件设计和软件设计过程，各个模块在该系统中所起的作用。关键字: 数据采集；51系列单片机； GPRS；硬件设计；软件设计21Long Distance Data Transmission System Based on GPRSAbstractThe GPRS scene measuring appliance long-distance transmission system is composed of the data center and the instrumented data gathering spot. Instrumented data gathering spot is controlled by MCS-51 single chip microcomputer, which gets the real-time data. After dealing with those data, the single chip microcomputer saves it in the EEPROM. The user could look for any data from the EEPROM through the correct operation following the men-to-machine operation interface. The transmission of scene instrumented data is carried through China mobile GPRS network. The scene measuring appliance is connected to the scene instrumented data through the RS232 interface with the GPRS transparent data transmission terminal to transmit the GPRS data to network after the protocol packing which moves to the data center(PC) through the GPRS data network every some time, realizes the instrumented data and the data center system real-time on-line connection, thus realize monitoring. The user could get the information of work state of every work station.This dissertation analyzes the design sense and the develop trend of the Long Distance Data Transmission System, also, shows the hardware and software design, and the contribution of every module to the system.Key words: Data Gathering; MCS-51 single chip microcomputer; GPRS; Hardware design; software design目 录摘 要IAbstractII1.1 概述21.2 设计意义21.3 目前现状与发展趋势2第二章 硬件电路设计32.1 硬件结构整体框图32.2 A/D转换电路部分32.3 实时时钟和数据存储模块42.4 显示译码电路和按键控制电路42.5 RS-232通信电路(GPRS通信模块接口)42.6 电源供电电路42.7 核心控制部分42.8无线通信模块(SIM300CZ)42.9 系统总体原理图与PCB图5第三章 I2C总线的应用83.1 概述及基本概念83.2 总线数据传送速率和数据的有效性(Data Validity)83.3 使用I/O口模拟I2C总线8第四章 软件设计及程序流程图94.1 数据采集和处理94.1.1 数据采集94.1.2 数据处理104.2 人机界面的程序设计134.2.3 按键加密144.2.3 显示部分144.3 Rom数据154.4 GPRS通信17第五章 设计总结与心得185.1 设计总结185.2 设计心得18参考文献（References）19第一章 前 言1.1 概述在工业生产中，能源，物资的计量设备分布在现场的各个区域，给设备的监控和数据的统计带来诸多不便，随着智能仪表技术的不断发展，同时通讯技术也在不断加强。当今的测量仪表大多带有无线通信模块，通过通信模块与远端的服务器(PC)进行数据传输，实现了多台测量仪表的集中监控与数据采集，实现了仪表直接接入PC机(服务器端)。另外在现场，安装实时显示部分，使现场的工作人员可以及时得到当前的数据，根据具体情况做出相关的处理。1.2 设计意义远程数据采集和监控系统是集数据采集处理，远程监控于一体的自动化管理系统，可以对工作现场的相关数据(如电压)实行自动现场监测，实现现场对象的科学化管理，减轻工人的劳动强度和避免人为因素造成的数据不准确性。中国移动的GPRS系统可以提供广域的无线IP连接，在移动通信公司的GPRS业务平上构建现场仪表远程监控系统。1.3 目前现状与发展趋势本论文所讲述的只是对电压数据值的监控，同理之下，也可以设计类似的系统应用于对其他数据量例如气温、气压、空气质量等数据量的采集和监控，特别是一些不宜人类直接进入的环境中的数据采集。同时，随着微控制器成本的不断下降， 以及单次处理的位数的增多， 甚至还可以加载实时操作系统，实现多任务实时操作。而且，引入操作系统之后，在人机界面上可以设计得更加方便简捷，实现真正智能化的监测和控制。第二章 硬件电路设计2.1 硬件结构整体框图在硬件电路方面，主要包括了8个部分：A/D转换电路、RS-232通信电路、显示译码电路、实时时钟电路、EEPROM数据保存电路、电源供电电路和GPRS通信模块以及核心控制电路。其结构框图如下所示：图2 -1 系统结构框图2.2 A/D转换电路部分要采集的数据是模拟的电压值，必须将其转换成数字信号。A/D转换芯片机采用V/F芯片将模拟的电压值转换成对应的频率脉冲供处理器接受与识别。本电路中的V/F芯片采用是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片LM331。LM331内部由输入比较器、定时比较器、R-S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。其简单外围电路如图2-2示：图2-2 LM331常用的外围电路其输入电压和输出频率的关系为： 式 2-12.3 实时时钟和数据存储模块实时时钟部分是以PCF8583实时时钟芯片为系统来提供标准时间和日期。PCF8583是PHILIP公司推出的一款内含I2C总线接口功能的多功能日历时钟芯片，采用该芯片占用单片机的I/O口少(只占有两个I/O)。EEPROM数据存储部分电路采用8KB串行接口的24LC64芯片。24LC64和PCF8583一样，都是I2C总线型接口。2.4 显示译码电路和按键控制电路 显示部分采用了6个共阴数码管和24个二极管。6个数码管和24个二极管都采用动态扫描方式显示对应的数据。其中数据输出选用8位移位寄存器74SN164芯片。译码选通输出采用4-10译码器74SN145芯片。按键控制电路部分总共设置了4个按键，分别接在单片机的4个普通I/O口上，根据其被按下时产生的低电平来决定CPU是否响应该按键。2.5 RS-232通信电路(GPRS通信模块接口)RS-232接口又称之为RS-232口、串口、异步口或一个COM(通信)口。严格地讲RS-232接口是DTE(数据终端设备)和DCE(数据通信设备)之间的一个接口，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。本系统中，RS-232主要是负责与GPRS模块之间进行通信的连接线。2.6 电源供电电路系统供电部分和普通单片机系统的电源是一样的，交流电来源于所监测的电压，经变压器后再经桥式电路和稳压块得到比较稳定的直流电，用作整个系统的供电系统。同时，供电部分在正常工作下，还可以对PCF8583的所用的电池进行充电。2.7 核心控制部分控制部分以51系列的单片机为控制核心，除了一些必要的外围电路之外，另外加了一个看门狗芯片X5045，用以程序将死循环和跑飞等意外重新复位，增强了系统的抗干扰能力。2.8 无线通信模块(SIM300CZ)IM300CZ是西门子公司推出的一款内嵌TCP/IP协议的GPRS模块。 广泛应用于车载应用、远程抄表、安全监控、遥控遥测等M2M(机器对机器)应用以及其他移动数据通信系统。该模块采用工业标准界面，使得具备GSM/GPRS 900/1800/1900MHz或850/900/1800/1900MHz功能，数据速率在CSD状态下最大可达9.6Kbps，hscsd状态下最大可达19.2Kbps。内嵌强大的TCP/IP协议栈，可实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输，和控制器之间通过AT命令控制。2.9 系统总体原理图与PCB图（一）原理图总共分成六个小框图：RS-232接口电路和按键引脚、处理器电路、V/F转换电路、显示译码电路、PCF8583和24LC64、电源供电电路.具体框图结构如下.RS-232同GPRS之间的接口电路和按键接口电路，具体电路如下：图2-3 通信接口电路和按键接口电路核心处理器电路，为防止程序溢出，在复位端口处添加了一个看门狗芯片X5045其电路图如下：图2-4 处理器核心电路我们是通过采集瞬时电压经过V/F转换电路后的频率来探测模拟电压，下图是具体的电路图： 图2-5 V/F转换电路数字显示和状态指示译码电路，包括LED 和数码管，其具体的电路图如下：图2-6 显示译码电路实时时钟PCF8583和数据存储ROM24LC64接口电路图：图2-7 显示译码电路系统电源供电电路，其具体的电路图如下：图2-8 电源供电电路（二）为了适应不同用户的需求(PDA和IC卡与无线通信相结合的方式)，PCB图在基本原理图的基础之上预留了一个通信口扩展芯片CD4052，如果不用可将对应引脚短接。最终的布局布线如图2-9所示：图2-9 系统总体PCB图（按键部分除外） 第三章 I2C总线的应用由于本系统中有两个主芯片与单片机之间都是I2C总线型的接口，必须了解该总线的工作原理，才能通过软件的形式来模拟总线工作。3.1 概述及基本概念I2C总线只需要由两根信号线组成，SDA和SCL，时钟线和数据线都是双向传输线。发送器(Transmitter)：发送数据到总线的器件；接收器(Receiver)：从总线接收数据的器件；主机(Master)：初始化发送，产生时钟信号和终止发送的器件；从机(Slave)：被主机寻址的器件。3.2 总线数据传送速率和数据的有效性(Data Validity)I2C总线的通信速率受主机控制，能快能慢。但是最高速率是有限制的，I2C总上数据的传输速率在标准模式(Standard-Mode)最快可达100Kb/s。数据线SDA的电平状态必须在时钟SCL处于高电平期间保持稳定不变。SDA的电平状态只有在SCL处于低电平期间才允许改变(总线的起始和结束例外)。3.3 使用I/O口模拟I2C总线所有I2C总线型的芯片在总线上都有唯一的一个地址，该地址由芯片生产商和用户来决定，在C语言中可用宏来定义器件的地址以及器件内部寄存器的子地址。另外，SDA和SCL对应单片机的I/O口必须有明确的定义。总线正确的工作过程是：总线初始化，使总线处于空闲状态；产生总线的起始状态；向总线写一个字节或从机读一个字节的数据；从机应答或非应答；主机产生应答位或非应答位；总线产生停止状态，结束工作。第四章 软件设计及程序流程图4.1 数据采集和处理采集的数据是瞬间电压值，由于本程序主要应用于监测系统中，所以要处理的数据除了瞬间电压值之外，还有年月日、时分秒、额定值、上下限、统计值、最高、最低、均压、停电(包括次数和时间)。ROM中保存的有本日、本月、上日、上月的数据，这些数据的读取可接合按键操作来查询。系统除了一个工作状态之外，还有一个置数状态，在该状态下可对一些数据进行修改和重置。4.1.1 数据采集对于数据采集部分，采用的是V/F转换器，通过V/F芯片把模拟的电压值转换成某一特定频率值，处理器通过接收到频率值计算得到对应的模拟电压值。处理器在此过程的主要任务就是得到输入信号的频率，即单位时间内的脉冲个数，其程序流程图如下：初始化定时器1和计数器0,开中断 输入模拟电压值 进入V/F转换芯片,输出一个对应频率的脉冲信号到单片机的计数器输入端读取计数器内的计数值得到单位时间内的脉冲个数即频率值根据计算公式计算得到一次V/F采样的电压值对已经得到的电压数据进行处理图4-1 瞬间电压值采集过程以上所有过程都是在中断程序中完成的。V/F转换器得到的电压值精度虽然比不上高位的A/D转换芯片，但是我们可以通过程序设置一个校正系数dif,这样得到电压值的精度值甚至要比A/D芯片高。4.1.2 数据处理采集到了所需要的瞬压值，接下来要做的事情就是对得到的数据进行处理。由于要处理的内容比较多，包括最高、最低电压值、平均电压值、统计电压值、停电。(一) 本日最高最低电压值：其具体实现流程如图4-2：正常瞬压监测工作状态(每隔1s可得到一个V)将得到的新的瞬压V与前面得到的最高HVolt,和最低电压LVolt比较小于LVolt,则将LVolt的值用V替换,并将LVolt和它出现的时间写到Rom中保存起来处于中间的数据不作该步处理,继续监测大于HVolt,则将HVolt的值用V替换,并将HVolt和它出现的时间写到相应Rom中本日已过,将本日的LVolt移动到上日的Rom,并与本月的LVolt作比较,若小于则将其替换,并保存到Rom中去本日已过,将本日的HVolt移动到上日的Rom,并与本月的HVolt作比较,若大于则将其替换,并保存到Rom中去图4-2 最高或最低电压值的产生过程以上流程图具体描述了本日和本月最高最低电压值产生的程序流程，这是一个不断比较替换的过程，并且在日期发生变化时，对其进行及时的更新。通过按键不仅可以查看到当日的最高最低电压值和它出现的时间，还可以查看到本月、上日、上月最高最低电压出现的时间日期。(二) 平均电压值：瞬间电压值是连续变化的，为了得到其平均电压值，采用定时采样的方法得到定点的电压值，求其平均电压值，具体的实现过程如下流程图所示：图4-3 平均电压值的产生过程均压的计算是从5分钟一次的电压采样值一层一层累加起来的，即往上得到每小时的均压值，再往上丠层得到每天的均压值，依此类推得到每月的平均电压值。(三) 统计值：自动循环显示本日(本月、上日、上月)的电压合格时间，超高时间，超低时间和相应的百分率，以及仪表的总运行时间。实现流程如图4-4所示：正常监测工作状态电压值大于上限值,记下此时的Sec值处于上下限值之间电压值属于合格电压值小于下限值,记下此时的Sec值电压值大于上限值一直保持到下一个Sec超高时间加1,并把时间加到相应Rom中 电压值属于合格电压电压值小于下限值一直保持到下一个Sec超低间加1,并把时间加到相应Rom中 合格时间加1,并把时间加到相应Rom中运行时间=超高时间+合格时间+超低时间超高百分率=超高时间运行时间超低百分率=超低时间运行时间合格百分率=合格时间运行时间图4-4 电压统计值的产生过程在处理超高或超低时间里，时间最小单位是分钟，如果超高或超低的时间不足1分钟，作合格时间处理。统计值也涉及到数据更新，如本日过了，则应将本日的数据转到上日，并累加到本月的统计值当中，并在相应的Rom中保存。(四) 停电: 停电是一个随机事件，对该事件的处理主要在开机时进行。停电处理两方面的数据:停电次数和停电时间。其实现流程如图4-5所示：开机运行读出当前系统的时间,日期,月份将其与Rom中保存的时间,日期,月份比较后,分三种情况进行处理日期,月份没变,本日停电次数加1,停电时间用当前系统时间减去记录的最后一次系统时间,并保存.日期变了,月份没变.调用数据更新函数,把停电时间和停电次数累加到本月和上日停电中.本日停电次数加1,停电时间即为本日已过的系统时间,并保存月份发生了变化,调用数据更新函数,把停电时间和停电次数累加到上月停电中,本日的停电时间即为本日已过的系统时间,停电次数加1,并保存图4-5 停电时间和次数的计算过程4.2 人机界面的程序设计人机界面主要有两个内容：一个是人工按键操作，另一个数据显示。在本系统中，总共设置了4个按键，6个数码管以及24个发光二极管(LED)。按键部分用来供用户对数据的提取和查询以及对某些数据的修改操作，显示部分6个数码管用以显示所需要的数据，而24个LED除了显示当前的工作状态之外，也是程序跳转的依据。4.2.1 按键基本功能4个按键分别为 key1、key2、key3和key4， 其中key1的基本功能是控制置数，l加密和工作三个状态之间的切换；key2基本功能有两个：工作状态态下，工作指示灯的左移；置数状态下对应数码管位的数值作减1运算；key3和key2作用刚好相反；key4在工作状态下用于本日、本月、上日、上月四个状态灯之间的切换。置数状态和加密状态下用于对数码管进行位移操作。4.2.2 置数操作置数主要是对一些数据进行修改或重置操作，有年月日、时分秒、额定值、上下限等。由于这些都是一些比较重要的数据，为了防止一些不必要的损失，从工作状态转入置数状态中间增加了一个加密状态，要求输入正确的密码之后才能顺利进入置数状态。置数操作包括四个选项:年月日、时分秒、额定值、上下限。4.2.3 按键加密在工作状态和置数状态之间有一个加密状态是为了保护一些重要的参数和一些已设置好的数据不被无关的人随意修改造成不必要的损失。在按下key1键要求进入修改参数和置数状态时，必须输入正确的密码之后才能进入到修改数据的状态。在此系统中，设置了两个密码，一个为普通實码；另外一个是系统密码，权限在普通密码之上。各自的操作流程如下：正常工作状态下,通过key2 或 key3移动到停电显示状态下.按key1,进入加密状态输入正确的系统密码后,显示已丢失的普通密码在此时可以通重新设置一个新普通密码按下key1,回复到正常工作状态,如已改过密码,新密码生效Key1被按下.响应进入加密状态,数码管显示全零且某一位数码管闪烁,要求输入密码按key2和key3可对正在闪烁的数码管数值进行减1和加2操作,按下key4可循环移动到下一位数码管并让其闪烁,同样可利用key2和key3对该位进行操作.密码输入完毕,按key1确认输入,跳出置数,进入工作状态.再次按下key1,再次进入置数状态.若密码正确,则可以看到对应的参数或是所要修改的数据,并且对应位的数码管闪烁,等待修改.修改和输密码操作一样恢复正常工作状态图4-7 进入加密状态 图4-8 系统密码操作流程4.2.3 显示部分 显示部分由8位移位寄存器74164和4-10译码器74145。在程序中开辟一个长为10的数组s145用作显示缓冲区，程序设计时只需往缓冲区赋值。其中数组的前6个单元存放数码管要显示的数据，剩下4个单元负责24个二极管的显示。24个二极管的译码方式相对要复杂一些，结合145和164的译码和数据输出方式，得出具体的译码方法如表4-1：表4-1二极管译码表：赋值数据1286432168421164管脚76543210s1456最低均压统计值最高瞬压停电s1457Kv上下限m额定值%时分秒年月日s1458高报低报超高合格工作置数s1459本日超低上月上日本月4.3 Rom数据（1）地址分配 Rom芯片中存放了大量的统计数据和一些人为设定的数据，大体上分成四个地址段：本月、上日、上月、本日。每个地址段占用20个字节，各地址段的起始地址:本月:0*20；上日:1*20；上月:2*20；本日:3*20。这20个字节地址具体分配如下表4-2所示：表4-2 公共地址段字节分配表最高2字节0x0000 0x0001超高时间2字节0x000a 0x000b最高时间2字节0x0002 0x0003超低时间2字节0x000c 0x000d最低2字节0x0004 0x0005合格时间2字节0x000e 0x000f最低时间2字节0x0006 0x0007停电时间2字节0x0010 0x0011均压2字节0x0008 0x0009停电次数2字节0x0012 0x0013剩下的地址分配都是以 3*20 为起始地址:最后时间:2 字节 ， 0x0014 0x0015；额定值:2字节， 0x0016 0x0017；上限值:1字节， 0x0018；下限值:1字节s ， 0x0019；年份:1字节， 0x001a；本月已过天数:1字节， 0x001b；本日5分钟均压值:2字节， 0x001c 0x001d；5分钟个数:1字节， 0x001e；小时个数:1字节， 0x001f；电压值校正系数：2字节， 0x0020 0x0021；密码(6位密码值每两位占用一个字节）：3字节， 0x0022 0x0023 0x0024；注:若该系统是第一次投入运行，必须先将存放在Rom中的数据清空，具体的操作方法如下:在进入置数状态时，同时按下key3 和key4，持续大概几秒钟后，回复到瞬压工作状态下，表示清除成功，可以开始新的工作了。（2）电压校正系数由于V/F芯片在精度上不如高位A/D芯片，增加一个参数dif。最终的电压值=V/F芯片测得的值dif，dif是一个精确到小数点后四位的参数，将误差控制在0.5%以下，提高了该系统的精确度。读取dif和修改dif的方法如下流程图：正常瞬压工作状态按下置数键key1,提示输入密码输入密码回复到瞬压压状态后,再次按下key1键后显示dif的数值,并且某一位正在闪烁,可对其进行修改修改完毕,按key1保存后,回复到正常瞬压工作状态图4-9 系数dif的查询与修改由于所监测的电压值的额定值可能不一样，即电压的量程不相同，如220V，35Kv，为了适应不同的量程，设置了不同的dif，在修改额定值的同时，系统自动调用相应的dif。在投入使用之前，最好用标准电压源对dif的值进行标准校正。4.4 GPRS通信将现场数据发送到远端PC的过程是处理器与SIM300CZ之间相互完成的。每到整点时刻，单片机将此时的瞬压值发送一次，并且在每天和月底数据更新前把整天的数据或是整月的数据全部发送给服务器端。其实现流程如下：正常工作状态判断系统时间是否到了整点时刻与模块之间通过AT命令通信后，发送此时瞬压值在更新之前把整天的数据或整月的数据发送到服务器端是否到了数据更新时刻图4-10 通信实现流程第五章 设计总结与心得5.1 设计总结 这是一个数据终端的设计过程，以51系列单片机为控制核心部分，采集的数据对象是瞬间电压值。为了让用户直接获取更多的信息，增加了实时时钟，存储Rom。人机操作界面简单方便，