基于GPRS的遠(yuǎn)程電壓監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與研究

江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王曉蓮 葉章秦

電網(wǎng)電壓安全穩(wěn)定是用電設(shè)備可靠運行的最基本的條件，關(guān)系著我國整體經(jīng)濟的發(fā)展。為保證電力設(shè)備能安全可靠、有效、穩(wěn)定運作，勢必要對電網(wǎng)電壓各項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。本文設(shè)計了一款以ATmega128單片機為核心的電壓監(jiān)測系統(tǒng)，采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)測儀表與遠(yuǎn)程上位機之間的通信，以短信問答的形式或者自動上報的形式將電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)以及故障信息發(fā)送到上位機，隨時能反映電壓運行情況，確保電網(wǎng)電壓可以安全的運作著。監(jiān)測設(shè)備系統(tǒng)可以實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓狀態(tài)，運行可靠、具有低功耗、低成本等優(yōu)點。

圖1 電壓監(jiān)測裝置硬件設(shè)計圖

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，對資源的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)利用和控制調(diào)度顯得非常重要，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)籌分配、集中調(diào)度和實時采集管理成為重要的技術(shù)工作。GPRS網(wǎng)絡(luò)引入了分組交換和分組傳輸?shù)母拍?，使得原有GSM網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持從網(wǎng)絡(luò)體系上得到了加強。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

該硬件電路以美國ATMEL公司的Atmega128單片機為核心，外圍電路的設(shè)計包括：RX-8025時鐘電路模塊、AT45DB161外部存儲器模塊、人機交互模塊（鍵盤和數(shù)碼管顯示）、電壓檢測模塊和GPRS通信模塊等電路的設(shè)計。如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

它是RICS結(jié)構(gòu)，指示條數(shù)有133條指示-絕大多數(shù)可以在一個周期內(nèi)完成，存儲器32x8位通用寄存器+外設(shè)控制寄存器，工作效率工作于16MHz時它的性能可以高達(dá)到16MIPS，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器，內(nèi)部SRAM 4K可選外部存儲器64K。

外設(shè)特性定時器/計數(shù)器(2個8位)；擴展定時器/計數(shù)器（2個16位）；實時時鐘計數(shù)器（1個）；PWM通道2個8位，6個（分辨率）可編程2～16位；輸出比較調(diào)制器8通道10位ADC:差分通道7個、單端通道8個、可調(diào)增益的差分通道2個面向字節(jié)的雙線接口、可編程的連續(xù)串口UART2個、主/從SPI串口、可編程看門狗、片內(nèi)模擬比較器。

選用的Atmega128，提供了一個真正的由MCU本身自動下載和更新（采用讀/寫同時進(jìn)行"Read-While-Write"的方式）程序代碼的系統(tǒng)程序自編程更新的機制。利用AVR的這個功能，電壓檢測系統(tǒng)實現(xiàn)在應(yīng)用編程（IAP）以及實現(xiàn)系統(tǒng)程序的遠(yuǎn)程自動更新的應(yīng)用，無需到現(xiàn)場更新程序。

2.1 數(shù)據(jù)采集電路

電路采用CS5460A芯片，通過SPI接口與單片機之間發(fā)送數(shù)據(jù)。對寄存器進(jìn)行讀寫操作時，都需要單片機通過SPI總線向芯片寫入一個8位的命令字，再通過SPI寫入或讀出3個字節(jié)的數(shù)據(jù)。CS5460A規(guī)定VREFIN和VA-之間所用基準(zhǔn)電壓為+2.5V。此電路中將VREFIN與VREFOUT兩管腳連接起來，就可以使用芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓2.5V。如圖2所示。

圖2 CS5460A電壓轉(zhuǎn)換電路圖

圖3 AT45DB161接線圖

圖4 RX-8025時鐘芯片接線電路

圖5 FLY280模塊主要電路接線

2.2 外部數(shù)據(jù)存儲電路

本設(shè)計選擇串行接口的Flash芯片AT45DB161，AT45DB161D是串行接口的閃存芯片，可在2.5V～2.7V電壓下工作，普遍應(yīng)用于圖像、數(shù)據(jù)語音、代碼數(shù)據(jù)存儲中。AT45DB161D支持Rapid S串行接口，適用于高速場合。Rapid S串行接口是與SPI相兼容的，速度可達(dá)到66MHz。除了主存儲器，AT45DB161D包含兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)SRAM，每緩沖區(qū)里有512字節(jié)或528字節(jié)。在主存儲器正在編程時，緩沖區(qū)是容許接收數(shù)據(jù)的并支持寫入數(shù)據(jù)。與FLASH儲存器不相同的是，它采取串行接口Rapid S，這樣可以一定程度上提升了系統(tǒng)的可靠性和減少了可用引腳數(shù)量，開關(guān)噪音也有一定程度的降低，封口體積也有一定的縮小。可以應(yīng)來商貿(mào)、工業(yè)等所需求的高密度、低引腳數(shù)、低電壓與低功耗的應(yīng)用場合。

AT45DB161D可簡單的在系統(tǒng)里從新進(jìn)行編程，不需要輸入高編程電壓。芯片可以采取2.5V～3.6V也可以采取2.7V～3.6V單電源進(jìn)行供電，從而進(jìn)行編程與讀取操作。它可以利用# CS來進(jìn)行使能，并通過三個接口進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的通訊。如圖3所示。

2.3 時鐘電路

本課題采取的RX-8025芯片是一款實時計時器，設(shè)計采用可充電電池為RX-8025時鐘芯片供電，保證了了系統(tǒng)在停電后能精確地記載有錯誤故障發(fā)生的時間，擔(dān)保了時鐘芯片在斷電后依然能持續(xù)的正常作業(yè)。

RX-8025內(nèi)置高精度頻率的32 768kHz水晶振子，32 768kHz時鐘輸出，有相對應(yīng)的高速模式PC-BUS，時計的計數(shù)功能可選擇12/24是時間置與自動判斷閏年，內(nèi)置高精度時計精度調(diào)整電路，有2個系統(tǒng)的鬧鐘功能(Alarm_W:星期、時、分、Alarm D:時、分）等功能。

RX-8025時鐘芯片與單片機是使用SCL和SDA兩個管腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳導(dǎo)的SCL與SDA兩個引腳需要外接上拉電阻才能連接電源，上拉電阻起到了保護(hù)時鐘芯片的作用，單片機通過I2C總線接口方式對時鐘芯片進(jìn)行讀寫操作FOE為32.768kHz時鐘輸出引腳FOUT控制引腳，為減小時鐘芯片在掉電后的功耗，選擇將FOE引腳接地，F(xiàn)OUT不輸出信號，關(guān)閉32.768kHz的時鐘信號輸出。TEST為測試引腳，該引腳與VDD引腳相連，保證了芯片正常工作。如圖4所示。

2.4 GPRS模塊電路設(shè)計

通過FLY280模塊連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，落實終端設(shè)備與上位機服務(wù)器遠(yuǎn)距離通信功能。FLY280是一款GPRS+GPS四頻模塊，它可以自動搜索兩個頻段，分別是支持指令A(yù)T和內(nèi)嵌協(xié)議TCP/IP，提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口。單片機可以使用串口FLY28通信模塊來發(fā)送指令和數(shù)據(jù)。模塊采用3.4～4.4V的單電源供電，內(nèi)嵌一個50通道ublox6010 GPS接收機，支持用于PPP接的PAP協(xié)議，從而為客戶提供GPS數(shù)據(jù)、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無線接口。

可以使用發(fā)送手機短信設(shè)置的相對格式的參數(shù)從而不需要要到現(xiàn)場使用鍵盤來對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置參數(shù)。通過定時查詢關(guān)鍵字的方式來確認(rèn)是否有短信以及短信是否有效，設(shè)置完參數(shù)后，發(fā)送OK信息通知用戶設(shè)置成功。如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

主程序流程：

單片機上電后，單片機自身與外層芯片對各硬件和配置進(jìn)行初始化調(diào)試參數(shù)，然后在主函數(shù)循環(huán)體中，依據(jù)不同設(shè)置的定時時間來運作到相對應(yīng)的模塊子程序作業(yè)。軟件設(shè)計中采取時間調(diào)度器，利用單片機的定時功能設(shè)置定時時間為1ms為基于GPRS的遠(yuǎn)程電壓監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與研究36位，對各模塊的時間間隔設(shè)定不同的計數(shù)值，以落實對各模塊的單次或周期性的調(diào)用。模塊化的設(shè)計不僅簡化多個任務(wù)的調(diào)度，結(jié)構(gòu)層次也清晰了不少、畫面簡單直觀，而且提升了程序運轉(zhuǎn)效率。如圖6所示。

4 結(jié)論

（1）電壓監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計思緒是可行的。無論軟件設(shè)計還是硬件設(shè)計，都確定了具體的目標(biāo)。在整個開發(fā)過程里得到了驗證。設(shè)計方案的明確性，加快了開發(fā)進(jìn)度，更加指明了系統(tǒng)的研究方向。

（2）完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。本系統(tǒng)以ATmega128單片機為核心，以高集成電路芯片CS5460A采集與測量電網(wǎng)電壓的有效值，AT45DB161作為外部存儲器存儲數(shù)據(jù)。通過SPI接口與CS5460A、AT45DB161相連完成電壓數(shù)據(jù)的讀取、保留等操作。RX8025時鐘芯片采用I2C總線與單片機相連，外接專門的可充電電池為其供電，保證在系統(tǒng)斷電后，RX8025時鐘芯片也能正常工作。采用的通信方式主要有：RS232異步串行通訊以及GPRS無線通信。采用FLY280作為GPRS無線通信，利用FLY280模塊對GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，落實終端設(shè)備與上位機服務(wù)器遠(yuǎn)距離通訊功能。

圖6 主程序流程圖

（3）完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計。電壓檢測系統(tǒng)部分軟件運用的都是模塊化的設(shè)計方法，利用時間標(biāo)志位來判斷對應(yīng)的操作是否執(zhí)行了。MCU無需等待，提高了單片機工作效率，程序的可讀性、可移植性也有了明顯的增強以及查找錯誤的方便性。

（4）對設(shè)計的電壓監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了軟件和硬件的調(diào)試。試驗成果標(biāo)志系統(tǒng)運行可靠，效果杰出，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求，對電網(wǎng)電壓的監(jiān)測與管理起到了積極的作用。