电气设备远距离无线监测及集中式检测预警系统的设计与实现_毕业论文(编辑修改稿)

电气设备远距离无线监测及集中式检测预警系统的设计与实现_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

由于低压电网的工频 (50Hz)和本系统扩频信号的信号频率 (120KHz)相差将近 2500倍，所以电容 C1和 耦合线圈原边电感对这两种频率信号的阻抗各不相同。 对于工频信号，电容 C1的阻抗远大于线圈原边电感的阻抗，所以电容 C1承担了电力线上的交流电压；对于 120KHz的系统信号，线圈原边电感的阻抗远大于电容 C1的阻抗，所以系统扩频信号几乎都加在了耦合线圈上。 这个电路能把工频与扩频信号叠加和分离开来。 设计框图 如图 22所示 ： 信息科学与技术学院毕业论文 第二章 功能概述和方案论证 6 图 22 设计框图 方案二： 本系统采集模块采用 Vango V9401 芯片， V9401芯片是一款低能高性能的单项计量 SoC芯片，集成模拟前端、电能计量模块、增强型 8052 MUC、 RTC、 Flash和 LCD驱动等功能模块。 计量电路特点： 1）支持 对电压信号 U、电流信号 I 以及用于测量温度 / 电池电压的 M 通道信号采样 ； 2） 支持正反向有功 / 无功能量计量 ； 3） 支持同一路电流进行有功与无功能量计量 ； 4） 支持电流有效值电能计量模式 ； 计量电路与原理如 图 23所示 ： 图 23计量电路与原理图 模拟信号输出方式： V9401支持 2 种电流信号输入。 其中，电流传感器（ CT， Current Transformer）输入电流采用双端完全差动输入方式，共需要占用 2个端口 ；本系统采用另一种方式 ：锰铜电阻分流网络输入电流，采用 AGND 接地。 接线方式如图 24所示 ： 信息科学与技术学院毕业论文 第二章 功能概述和方案论证 7 图 24接线方式图 电压输入方式 V9401支持 1 路电压信号输入。 电压采用伪差分输入方式，因为 UN端在芯片内部接地，所以仅需要 1 个端口， 所以本系统采用 电阻分压方式。 如图 25所示： 图 25 电压采集原理图 GPRS 传输模块的选择和论证 方案一：利用传统无线局域网，该方法无法满足远距离的需求，且无线信号频率受国家有关部门的限制。 该方案不采用。 方案二： GPRS传输方案； GPRS(General Packet Radio Service, 通用分组无线业务 ), 是在 GSM 系统的基础上建立的移动网络系统。 他使用分组交换技术 , 能兼容 GSM, 并在网络上传输高速数据。 GPRS在传统的 GSM网络中引入了 3个新的组件 :PCU(Packet Control Unit, 分组控制单元 )、 SGSN(Serving GPRS Support Node, GPRS 服务支持节点 ) 和 GGSN(Gateway GPRS Support Node, GPRS网关支持节点 )。 GPRS通信具有以下特点 : 资源利用率高 GPRS引入了分组 交换的传输模式 ,用户只有在发送或接收数据期间才占用资源 , 这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道 , 从而提高了资源的利用率。 而 GSM传输信息科学与技术学院毕业论文 第二章 功能概述和方案论证 8 数据方式为电路交换模式 , 在整个连接期内 , 用户无论是否传送数据都将独自占用无线信道。 GPRS用户的计费按通信的数据流量为计费标准。 传输速度高 GPRS数据传输速度可达 5716kb/ s, 最高可达到 11511712kb/ s, 完全可以满足用户应用的需求。 接入时间短 GPRS接入等待时间短 , 可快速建立连接 , 平均为 2s。 提供实时在线功能 用户将始终处于 连线和在线状态 , 这将使访问服务变得非常简单、快速。 支持 IP 协议和 X. 25协议 GPRS支持 Inter 上应用最广泛的 IP 协议和 X. 25协议 , 而且由于 GSM网络覆盖面广 , 使得 GPRS能提供 Inter 和其他分组网络的全球性无线接入。 从上述的 GPRS 特点可以看出 , GPRS 网络特别适合于频发小数据量的实时传输。 本系统的远程数据采集系统就是一个比较典型的频发小数据量的实时传输系统。 本系统选用 SIM300， SIM300是一款三频段 GSM/GPRS模块，可在全球范围内的 EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、 PCS 1900MHz三种频率下工作，能够提供 GPRS多信道类型多达 10个，并且支持CS CS CS3和 CS4四种 GPRS编码方案。 SIM300内部集成了 TCP/IP协议栈，并且扩展了 TCP/IP AT指令，使用户利用该模块开发数据传输设备变得非常简单方便 [5]。 如图 26 所示， 数据采集 设备通过串 行接口 RS232 连接到 GPRSDTU上，然后将数据打成IP/TCP包，再通过 GPRS网络接入到 INTERNET，最终通过各种网关和路由到达系统数据中心。 图 26 接口连接图 网络协商之后即可进行数据传送， GPRS网络支持 TCP/IP协议，所以通过收发 IP数据包来传送数据，此时， 控制器 向 GPRS发送的所有包含 IP报文的都会被传送给 Inter网中相应的 IP地址，从而完成终端系统向远程监控中心通过互联网传输数据的过程 [6]。 信息科学与技术学院毕业论文 第二章 功能概述和方案论证 9 小 结 经过以上论证，我们设计的设备无线监测系统主要实现数据采集和传输功能。 控制模块我们使用的是一块简单的单片机学习板，单片机分析后通过 GPRS传输数据来实现要求的功能。 在理论上可以实现的。 信息科学与技术学院毕业论文 第三章 硬件设计 10 第三章 硬件设计 本章介绍 了无线设备监测系统的硬件设计，其中主要包括有：电气设备数据采集模块、 GPRS传输模块、数据控制模块的设计。 目的是实现数据的采集、数据的传送等功能。 V9401芯片硬件结构 V9401是一款低功耗高性能的单相计量 SoC 芯片，集成模拟前端、电能计量模块、增强型 8052 MCU、 RTC、 Flash 和 LCD 驱动等功能模块，为单相多功能表提供单芯片方案 [8]。 系统结构图 如 图 31所示 ： 图 31 V9401系统结构图 该芯片采用 8052MCU结构， V9401芯片内部存储器包括三个模块： 32kB Flash 存储器 、256B 的 IRAM 、 1024B的 XRAM IRAM 和 SFR 映射到同一地址空间。 XRAM 以及外设寄存器地址映射到数据存储器空间。 FLASH映射到 程序存储空间。 1024 字节的 XRAM 以及外设寄存器地址都映射到数据存储器空间， XRAM 的地址范围为 信息科学与技术学院毕业论文 第三章 硬件设计 11 0000h 03FFh。 其中， 0000h 037Fh 可以被自由访问； 0380h03FFh 的 写操作受写保护寄存器控制，在对 0380 h~ 03FFh 区域进行写操作之前，必须先访问 “XRAM 写入保护寄存 器（ 0x28A0 ） ” ，取消写入保护。 写保护取消后，只要没有恢复写保护，都可以对这个区域进行写入操作。 XRAM 中保存的数据在 LDO25 输出电压大于 ，也不受复位的影响。 数据存储空间分如 图 32所示 ： 图 32数据存储空间分布图 32KB 的 FLASH 以及 FLASH 控制寄存器和程序加密字节都映射到程序存储空间。 FLASH 控制寄存器（ 0x8001 和 0x8002 ）控制着 FLASH的编程模式和功耗模式 等。 向 FLASH控制寄 存器 0x8002 写入 0x86， FLASH的功耗会降低，但不会降低性能。 中断控制电路的寄存器在上电复位、 RSTn、 IO/RTC 休眠唤醒复位、 WDT溢出复位或调试复信息科学与技术学院毕业论文 第三章 硬件设计 12 位发生后被复位为默认值。 进入 Sleep 或者 Deep Sleep 模式后，中断控制电路寄存器停止工作，进入低功耗状态。 系统提供 2 个外部端口中断输入。 使用外部端口中断的时候，需要同时设置 GPIO 寄存器确定 IO 引脚用于外部中断功能。 IE SFR（中断允许寄存器）、 IP SFR（中断优先级寄存 器）、 EXIF SFR（扩展中断触发方式选择寄存器）、 EICON SFR（扩展特殊寄存器）、EIE SFR （扩展中断允许寄存器）以及 EIP SFR （扩展中断优先级寄存器） 为中断单元提供了中断使能、优先级控制和标志位等 [9]。 时钟电路 根据芯片的各个功能单元所使用的时钟类型，时钟控制电路的输出可以分为以下几个时钟。 时钟 1：供 CPU、 RAM、 FLASH、扩展中断、扩展定时器 /UART和 IO 使用； 时钟 2：供计量电路使用； 时钟 3：供 LCD使用； 时钟 4：供 WDT使用； 时钟 5： 供 RTC使用。 时钟控制电路控制着各个时钟的频率，以及这些时钟的开启和关闭，如图 51 所示。 时钟 1 和时钟 2 可以 选择 OSC时钟或 PLL 时钟 时钟作为时钟源。 时钟 时钟 时钟 3 以及时钟 4 都可以被关闭，时钟关闭后，使用这些时钟的相应电路单元停止工作 [10]。 如 时钟控制电路框图33所示 ： 图 33时钟控制电路框图 信息科学与技术学院毕业论文 第三章 硬件设计 13 复位电路 芯片的复位电路可以分为三个复位等级，不同的复位等级有着不同的复位范围。 系统状态寄存器中所有的复位标志位互斥 [11]。 如 电路 图 34所示 ： 图 34复位电路图 电源系统 如图 35所示 V9401电源供电系统有以下特点： 1. 采用外电源 ； 2. 芯片内部模拟电路和 IO 等由 供电； 3. 芯片内部数字电路和 PLL 等由 供电； 4. 支持低电压监测，实时监测电池电压。 信息科学与技术学院毕业论文 第三章 硬件设计 14 图 35电源系统 图 GPRS 传输模块的设计 GPRS（通用分组无线业务） ， 作为 当前的 GSM 网络向第三代移动通信 技术转换 的过渡技术（ ）具有接入 快 速、 时刻 在线、按流量计费等 优 点，在远程突发性数据 及 时传输中有 不可比拟 的优势。 GPRS（ General Packet Radio Service）通用分组无线业务，是在 GSM系统的基础上建立的移动网络系统，他使用分组交换技术，能兼容 GSM，并 且能 在网络上传输高速数据， GPRS在传统的 GSM网络中引入了 3个新的 器件 ： PCU（ Packet Control Unit，分组控制单元）、 SGSN（ Serving GPRS Support Node， GPRS服务支持节点）和 GGSN（ Gateway GPRS Support Node， GPRS网关支持节点） ， GPRS通信具有以下特点 [12]： 资源利用率高 GPRS 引。