通過GPRS模塊實現(xiàn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

遠程監(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)場合，尤其是對于一些分散的、無人值守的現(xiàn)場，需要對數(shù)據(jù)進行定時采集從而進行監(jiān)控。但隨著儀器儀表的數(shù)字化和無線通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場設(shè)備的遠程監(jiān)控技術(shù)可方便實現(xiàn)遠程儀表的測量、執(zhí)行機構(gòu)的操作和狀態(tài)的監(jiān)測，非常有利遠程設(shè)備的數(shù)據(jù)抄表、數(shù)據(jù)管理和設(shè)備維護，很大程度上降低了用戶的維護成本，更加有利于生產(chǎn)商的售后服務(wù)質(zhì)量，因此遠程監(jiān)控終端裝置的研發(fā)具有實際意義。因此，提出了一種基于GPRS（General Packet Radio Service）的無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)。通用分組無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（GPRS）是以端對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

能夠滿足系統(tǒng)的基本需求，并充分考慮系統(tǒng)的擴展能力，遠程監(jiān)控終端自動完成儀表模擬信號、數(shù)字量、開關(guān)量和采集及故障狀態(tài)指示，定時采集現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)和各種狀態(tài)并保存記錄。終端設(shè)備與遠程服務(wù)器的通信可控，方式多樣，終端數(shù)據(jù)庫本地／遠程實時查詢，充分節(jié)約通信成本。

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體框圖

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)動隔離和限幅保護。取樣電路實現(xiàn)將傳感器的4～20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；電壓變換電路實現(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)動隔離實現(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A／D轉(zhuǎn)換通道。如圖2所示。

圖2 一種A/D轉(zhuǎn)換示意圖

1.2 開關(guān)量輸入電路

開關(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。

圖3 一路開關(guān)量輸入通道示意圖

1.3 開關(guān)量輸出電路

開關(guān)量輸出電路由輸出鎖存器、光耦和驅(qū)動器（開極電極輸出）組成，電路圖如圖4所示。

圖4 一路開關(guān)量輸出通道示意圖

1.4 終端小系統(tǒng)電路

終端小系統(tǒng)電路由復位電路、看門狗電路、振蕩電路和微控制器構(gòu)成。其中看門狗電路可防止系統(tǒng)運行時的程序死鎖，電源電壓下降時看門狗電路產(chǎn)生硬件復位信號使系統(tǒng)正常復位。微控制器可選用與51兼容的C8051F02x系列單片機，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系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(shù)字I／O引腳（C8051F020／2）或32個數(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和模擬多路開關(guān)；

（4）真正8位500 KSPS的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；

（5）兩個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)存儲器接口；

（9）硬件實現(xiàn)的SPI，SMBus／I2C和兩個UART串行接口；

（10）5個通用的16位定時器；

（11）具有5個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)器／定時器陣列；

（12）片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F020／1／2／3是真正能獨立工作的片上系統(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，并允許現(xiàn)場更新8051固件。

片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式（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器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。

每個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的輸入信號電壓。

1.5 外部存儲電路

外部存儲電路選用非易失性存儲器（掉電保存數(shù)據(jù)），主要是用于存儲終端參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)。存儲芯片可根據(jù)數(shù)據(jù)的容量和更新周期進行選型，在保存數(shù)據(jù)量小，更新頻率的應用中可選用E2PROM（理論擦除次數(shù)10 000次），而在大容量和更新頻率高的應用中選用FRAM（鐵電存儲器，理論擦除次數(shù)100億次）較合適。典型應用電路圖如圖5所示。

圖5 E2PROM存儲器與MCU的連接

1.6 終端日歷時鐘的設(shè)計方案

終端時鐘是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要部分，終端的諸多操作均以該時鐘為基準，包括狀態(tài)信息的記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢和遠程控制等，要求設(shè)計一個可靠且實用的時間基準。

本終端采用Xicor公司的X1226RTC芯片來設(shè)計終端日歷，X1226是一個帶有時鐘日歷兩路報警512×8位的E2PROM振蕩器補償和電池切換的實時時鐘，它以秒、分、時、日、星期、月和年為單位跟蹤時間，具有閏年校正和對2000年問題及小于31天的月自動調(diào)整的功能。在備用電池供電下，可保證主電源掉電后時鐘芯片的RTC仍可正常工作。它采用標準的I2C接口方式，非常方便與帶I2C接口MCU進行通信，其獨特的軟件校準功能不僅節(jié)省硬件成本，消除了硬件方式校準中因校準元器件老化因素帶來的時間誤差，極大程度上提高了RTC的準確性和可靠性。

X1226采用標準的I2C接口，C8051F02X也配置了標準的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。

圖6 X1226封閉圖與MCU的接口電路

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。

圖7 GRPS模塊的外圍接口電路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)由底層驅(qū)動以及應用軟件組成。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，遠程通信和系統(tǒng)管理等功能，能實現(xiàn)現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)的現(xiàn)場處理與遠程傳輸應用。另外，還可以利用GPRS通道實現(xiàn)系統(tǒng)應用系統(tǒng)的遠程更新等擴展功能。具體包括以下功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊（A／D）；開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)采集模塊；開關(guān)量輸出模塊；數(shù)據(jù)庫管理模塊（包括數(shù)據(jù)查詢和RTC管理）；通信模塊；系統(tǒng)升級模塊（擴展功能，需MCU的支持）。

3 結(jié)論

遠程監(jiān)控技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應用非常廣泛，本文對遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路組成做了詳細的介紹，提出了基于GPRS遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，在電力系統(tǒng)、石油勘測、水利、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域有著非常重要的作用，采用GPRS技術(shù)使得無線監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性有了很大的提高，進一步促進了工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和信息化。