摘要：為了提高現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性，為了更加地促進(jìn)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和信息化，采用了一種基于GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，通用分組無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(GPRS)是以端對(duì)端的分組傳輸與交換方式達(dá)到為用戶提供發(fā)送和接收高速數(shù)據(jù)、低速數(shù)據(jù)以及信令的多種業(yè)務(wù)集合。在電力系統(tǒng)、石油勘測(cè)、水利、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著非常重要的作用。
遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中有著十分重要的意義。在許多工業(yè)場(chǎng)合，尤其是對(duì)于一些分散的、無(wú)人值守的現(xiàn)場(chǎng)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)采集從而進(jìn)行監(jiān)控。但隨著儀器儀表的數(shù)字化和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)可方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程儀表的測(cè)量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作和狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，非常有利遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)抄表、數(shù)據(jù)管理和設(shè)備維護(hù)，很大程度上降低了用戶的維護(hù)成本，更加有利于生產(chǎn)商的售后服務(wù)質(zhì)量，因此遠(yuǎn)程監(jiān)控終端裝置的研發(fā)具有實(shí)際意義。因此，提出了一種基于GPRS(General Packet Radio Service)的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通用分組無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(GPRS)是以端對(duì)端的分組傳輸與交換方式為用戶提供的發(fā)送和接收高速數(shù)據(jù)、低速數(shù)據(jù)以及信令的多種業(yè)務(wù)集合。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
能夠滿足系統(tǒng)的基本需求，并充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展能力，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端自動(dòng)完成儀表模擬信號(hào)、數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量和采集及故障狀態(tài)指示，定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)和各種狀態(tài)并保存記錄。終端設(shè)備與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信可控，方式多樣，終端數(shù)據(jù)庫(kù)本地／遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢，充分節(jié)約通信成本。
系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。
1．1 模擬量輸入電路
模擬量輸入電路包括取樣電路、低通濾波、電壓變換、驅(qū)動(dòng)隔離和限幅保護(hù)。取樣電路實(shí)現(xiàn)將傳感器的4～20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；電壓變換電路實(shí)現(xiàn)取樣電壓的調(diào)整滿足微處理器A／D通道輸入電壓的要求；低通濾波則消除模擬通道上的工頻干擾和高頻干擾等；驅(qū)動(dòng)隔離實(shí)現(xiàn)輸入通道的阻抗匹配；限幅電路使A／D通道輸入電壓在規(guī)定電壓范圍，保護(hù)A／D轉(zhuǎn)換通道。如圖2所示。
1．2 開(kāi)關(guān)量輸入電路
開(kāi)關(guān)量輸入電路由限流電阻、濾波電容、穩(wěn)壓管、光耦和輸入緩沖器組成，電路圖如圖3所示。
1．3 開(kāi)關(guān)量輸出電路
開(kāi)關(guān)量輸出電路由輸出鎖存器、光耦和驅(qū)動(dòng)器(開(kāi)極電極輸出)組成，電路圖如圖4所示。
1．4 終端小系統(tǒng)電路
終端小系統(tǒng)電路由復(fù)位電路、看門(mén)狗電路、振蕩電路和微控制器構(gòu)成。其中看門(mén)狗電路可防止系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序死鎖，電源電壓下降時(shí)看門(mén)狗電路產(chǎn)生硬件復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)正常復(fù)位。微控制器可選用與51兼容的C8051F02x系列單片機(jī)，內(nèi)部資源豐富，具體特性如下：C8051F0 20／1／2／3器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I／O引腳(C8051F020／2)或32個(gè)數(shù)字I／O引腳(C8051F021／3)。下面列出了一些主要特性：
(1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)；
(2)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))；
(3)真正12位(C8051F020／1)或10位(C8051F022／3)、100 KSPS的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開(kāi)關(guān)；
(4)真正8位500 KSPS的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開(kāi)關(guān)；
(5)兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；
(6)64 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；
(7)4352(4 096+256)B的片內(nèi)RAM；
(8)可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；
(9)硬件實(shí)現(xiàn)的SPI，SMBus／I2C和兩個(gè)UART串行接口；
(10)5個(gè)通用的16位定時(shí)器；
(11)具有5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列；
(12)片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。
具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F020／1／2／3是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能／禁止和配置。FLASH存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。
片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。
每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍(-45～+85℃)內(nèi)用2．7～3．6 V的電壓工作。端口I／O，和JTAG引腳都容許5 V的輸入信號(hào)電壓。
1．5 外部存儲(chǔ)電路
外部存儲(chǔ)電路選用非易失性存儲(chǔ)器(掉電保存數(shù)據(jù))，主要是用于存儲(chǔ)終端參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)芯片可根據(jù)數(shù)據(jù)的容量和更新周期進(jìn)行選型，在保存數(shù)據(jù)量小，更新頻率的應(yīng)用中可選用E2PROM(理論擦除次數(shù)10 000次)，而在大容量和更新頻率高的應(yīng)用中選用FRAM(鐵電存儲(chǔ)器，理論擦除次數(shù)100億次)較合適。典型應(yīng)用電路圖如圖5所示。
1．6 終端日歷時(shí)鐘的設(shè)計(jì)方案
終端時(shí)鐘是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，終端的諸多操作均以該時(shí)鐘為基準(zhǔn)，包括狀態(tài)信息的記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢和遠(yuǎn)程控制等，要求設(shè)計(jì)一個(gè)可靠且實(shí)用的時(shí)間基準(zhǔn)。
本終端采用Xicor公司的X1226RTC芯片來(lái)設(shè)計(jì)終端日歷，X1226是一個(gè)帶有時(shí)鐘日歷兩路報(bào)警512×8位的E2PROM振蕩器補(bǔ)償和電池切換的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，它以秒、分、時(shí)、日、星期、月和年為單位跟蹤時(shí)間，具有閏年校正和對(duì)2000年問(wèn)題及小于31天的月自動(dòng)調(diào)整的功能。在備用電池供電下，可保證主電源掉電后時(shí)鐘芯片的RTC仍可正常工作。它采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口方式，非常方便與帶I2C接口MCU進(jìn)行通信，其獨(dú)特的軟件校準(zhǔn)功能不僅節(jié)省硬件成本，消除了硬件方式校準(zhǔn)中因校準(zhǔn)元器件老化因素帶來(lái)的時(shí)間誤差，極大程度上提高了RTC的準(zhǔn)確性和可靠性。
X1226采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，C8051F02X也配置了標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，因此X1226可以直接與C8051F02X連接。X1226與MCU的連接如圖6所示。
1．7 GPRS通信電路
GRPS通信電路主要由電源電路、GPRS模塊、SIM接口電路和串行接口電路部分構(gòu)成。其核心部分是GPRS模塊，比較成熟的有Wavecom的Q24系列與SIMCOM的SIM300系列模塊，它們均支持GSM和GPRS兩種模式。模塊的主要電路如圖7所示。
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)由底層驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用軟件組成。監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量采集、處理和存儲(chǔ)，遠(yuǎn)程通信和系統(tǒng)管理等功能，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)處理與遠(yuǎn)程傳輸應(yīng)用。另外，還可以利用GPRS通道實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的遠(yuǎn)程更新等擴(kuò)展功能。具體包括以下功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊(A／D)；開(kāi)關(guān)量輸入數(shù)據(jù)采集模塊；開(kāi)關(guān)量輸出模塊；數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊(包括數(shù)據(jù)查詢和RTC管理)；通信模塊；系統(tǒng)升級(jí)模塊(擴(kuò)展功能，需MCU的支持)。
3 結(jié)論
遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，本文對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路組成做了詳細(xì)的介紹，提出了基于GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，在電力系統(tǒng)、石油勘測(cè)、水利、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著非常重要的作用，采用GPRS技術(shù)使得無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性有了很大的提高，進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和信息化。