采用STM32單片機和EM310模塊的無線終端設(shè)計及在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

在監(jiān)測監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）系統(tǒng)中，采集數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性對系統(tǒng)有很大的影響，合適的通信網(wǎng)絡(luò)可以有效提高SCADA系統(tǒng)的效益，本文設(shè)計的GPRS無線終端在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用解決了上述問題，除滿足數(shù)據(jù)實時性和準(zhǔn)確性外，還具有建設(shè)成本低.結(jié)構(gòu)簡單.傳輸容量大.可遠程控制等優(yōu)勢.

1 、終端簡介

1.1、終端結(jié)構(gòu)

無線終端由EM310GSM模塊和STM32F103單片機構(gòu)成，以STM32F103單片機為核心，STM32F103單片機有豐富的通信接口，用于連接EM310和現(xiàn)場儀表；還有豐富的I/O資源，可以擴展較大容量的RAM,一方面存儲指令集，用于解讀指令并作出相應(yīng)的動作；另一方面用于暫時存儲監(jiān)測點采集到的數(shù)據(jù).終端利用GPRS技術(shù)與控制中心進行通信，GPRS的通訊網(wǎng)絡(luò)具有建設(shè)成本低.聯(lián)網(wǎng)快速.傳輸容量大.傳輸高速等優(yōu)點.如圖1為該無線終端和監(jiān)測點儀表的結(jié)構(gòu)圖.

1.2、終端在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在SCADA系統(tǒng)中無線終端的主要任務(wù)是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)

和Intemet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)測點與控制中心之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

1.2、硬件設(shè)計

終端主要實現(xiàn)的功能有：數(shù)據(jù)收發(fā).指令解讀和控制監(jiān)測點儀表.滿足以上功能，電路主要分成幾個部分：EM310模塊電路.外擴RAM電路.儀表串口電路.

（1）EM310 模塊在SCADA系統(tǒng)對無線模塊傳輸數(shù)據(jù)的速度和容量有一定 的要求，另外，在某些系統(tǒng)對終端的工作溫度要求較高.EM310 與西門子MC55相比具有髙低溫范圍大，可以應(yīng)用到一些溫度 要求比較高的場合；與GTM900B相比，體積較小，功能較強， EM310內(nèi)置協(xié)議找，一次可以發(fā)2K字節(jié)，能夠滿足大多SCA- DA系統(tǒng)的要求；有MUX功能，能實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的傳輸.

EM310模塊的作角是從STM32單片機的串口上接收數(shù)據(jù) 并發(fā)送和接收無線數(shù)據(jù)通過串口傳輸給STM32單片機，在連接 GPRS網(wǎng)絡(luò)時需要SIM卡的驗證，同時通過LPG引腳顯示當(dāng)前 的狀態(tài).因此，EM310模塊電路主要包括串口部分.SIM卡連接 部分和LPG指示燈連接部分，另外還有啟動和復(fù)位部分.

如圖 3 所示 SIM_CLK.SIM_VCC.SIMJO.SIM_RST 分別 為SIM卡的時鐘.電源.數(shù)據(jù)以及復(fù)位線；LPG用于連接網(wǎng)絡(luò)狀 態(tài)指示燈；RST為復(fù)位管腳，低電平有效，此管腳在靠近50PINB2B連接器處并聯(lián)100nF的電容到GND,用于靜電釋放防護； TERM-ON為開關(guān)機管腳，將TERM-ON管腳拉低50ms,即可 開機，再將TERMJ3N管腳拉低50ms,即可關(guān)機.VDD-IO為 I/O 口電源管腳，VDD-IO人電壓U與/DTR./RTS./TXD外加 串聯(lián)電阻R的關(guān)系計算公式：R=3.5 * U-11.3K.

（2）外擴RAM

外擴RAM用于存儲指令集和暫時存儲儀表檢測數(shù)據(jù).當(dāng)終端收到數(shù)據(jù)包時，單片機會根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包，在RAM中找到與該數(shù)據(jù)包相應(yīng)程序段，并運行該程序段，即做出控制中心要求的動作，如讀取儀表的參數(shù).設(shè)置儀表參數(shù).讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)等.

RAM的讀寫速度很大程度上決定了終端收到數(shù)據(jù)包后的響應(yīng)速度，因此終端選用高速靜態(tài)RAM IS61LV25616,采用ISSI的高性能CMOS技術(shù)，利用高度可靠的工藝和創(chuàng)新的電路設(shè)計技術(shù)，具有高性能和低功耗的特點.

IS61LV25616有待機模式，該模式在CMOS輸入電平下的功率耗散減少，在終端沒有收到指令也無需發(fā)送數(shù)據(jù)時RAM可以處于待機模式；該芯片還可以通過使能接口的連接很好地實現(xiàn)內(nèi)存的擴展；數(shù)據(jù)訪問包括高字節(jié)訪問和低字節(jié)訪問兩種.

（3）儀表串口

儀表串口用于監(jiān)測點儀表與單片機之間的連接，儀表串口電路選擇RS232轉(zhuǎn)TTL電平的形式，如圖4,DB9的1.4.6短接，RS232電平通過收發(fā)器SP3223EA進行數(shù)據(jù)的收發(fā).在SP3223EA中C1+和C1一之間接極性電容作為電壓倍增器的泵電容，C2+和C2一之間接極性電容作為反向電荷泵電容，TXfN為TTL/CMOS驅(qū)動器輸入，TxOUT為RS一232驅(qū)動器輸出，RxlN為RS一232接收器輸入，RxOUT為TTL/CMOS接收器輸出.

SP3223EA通過倍增和反向?qū)崿F(xiàn)TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換.

2、軟件設(shè)計與調(diào)試

軟件設(shè)計需要通過串口通信實現(xiàn)EM310的初始化.參數(shù)的設(shè)置.數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收.

2.1、程序流程圖

單片機與EM310連接的串口是串口1,與儀表串口是串口2,在主程序中首先定義一些全局變量，然后進行初始化，包括系統(tǒng)及外設(shè)時鐘的初始化.外設(shè)及通用lP端口的初始化.串口初始化.定時器初始化，最后進入循環(huán)一直檢測是否有收到數(shù)據(jù)或者儀表串口是否需要發(fā)送數(shù)據(jù).若收到數(shù)據(jù)則進入接收數(shù)據(jù)的子程序，若需要發(fā)送數(shù)據(jù)則進入發(fā)送數(shù)據(jù)的子程序.程序流程圖如圖5所示.

2.2、調(diào)試過程與結(jié)果

這里采用了串口調(diào)試工具模擬監(jiān)測點儀表，可以給GPRS無線數(shù)據(jù)終端傳數(shù)據(jù)，再由EM310發(fā)送到控制中心，也可以從EM310讀取其收到的數(shù)據(jù)；用TestGPRS軟件模擬控制中心軟件.可以顯示從串口調(diào)試工具發(fā)送來的數(shù)據(jù)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)向串口調(diào)試工具發(fā)送數(shù)據(jù).

（1）EM310初始化

EM310的初始化包括信號檢測.SIM卡檢測.模式選擇.注冊網(wǎng)關(guān).用戶名和密碼.在信號強度足夠.SlM卡正確連接的情況下就可以進行注冊了，首先進行模式選擇，確定是否讓模塊對輸入輸出數(shù)據(jù)進行壓縮轉(zhuǎn)換；然后注冊網(wǎng)關(guān).用戶名和密碼；最后等待分配lP.初始化順序為：①檢測信號強度；②檢測SIM卡是否正確連接；③選擇模式；④注冊網(wǎng)關(guān)；⑤注冊用戶名和密碼.

（2）設(shè)置命令及收發(fā)測試

設(shè)置命令主要是協(xié)議類型.IP和端口號的設(shè)置，IP和端口號必須與數(shù)據(jù)中心的lP.端口號一致，之后才能通過AT命令進行數(shù)據(jù)的收發(fā).設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)的方法如下：

發(fā)送：AT%IPOPEN=“TCP”“210.32.34.65″，8001

返回：CONNECT

發(fā)送：AT%IPSEND=”31323334354142″發(fā)送數(shù)據(jù) 12345AB

返回：%IPSEND:1,15

OK

利用TestGPRS軟件向8001端口發(fā)送AB1234,然后在串 口測試工具里會顯示：%IPDATA:1,1,6

發(fā)送：AT%IPDR

返回：%IPDR: 1,1,6, “414231323334″

OK

3、結(jié)束語

本方案可以應(yīng)用于一般的SCADA系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，擴展性強.建設(shè)成本低.傳輸速度快.連接快速的特點，能夠有效解決偏僻監(jiān)測點通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本高.難度大的問題，調(diào)試結(jié)果證明方案的可行性.STM32單片機豐富的I/O資源和通信接口資源等，可以滿足各種SCADA系統(tǒng)終端的需求，便于用戶二次開發(fā).