基于嵌入式linux电表采集终端抄表模块设计与实现论文

基于嵌入式linux电表采集终端抄表模块设计与实现论文内容摘要：

上位机对下位机上传的仪表数据进行处理、输出、存储，对报警信 号的处理和对应控制策略的执行。 下位机接收上位机传来的控制命令，根据通讯协议中命令内容如仪表参数的设置，控制信号的解释和实施以及对仪表异常情况的现场处理，并通过自身所带接口实现简单操作。 根据实际情况，用户可以安装 LCD，并从下位机的 LCD得到有关消息。 下面就本系统所采用的 ARM芯片 (S3C2410)，对抄表控制器的硬件设计分别进行介绍。 嵌入式系统中，为了满足日益复杂的应用和对大量存储空间的要求， 一般都需 毕业设计（论文） 第 6 页 要扩展程序存储空间 (ROM)和数据存储空间 (RAM)。 这里 称外部扩展了 ROM和 RAM存储器的 MPU部分 为最小核心模块。 本文介绍的抄表系统的核心模块部分 CPU为 AMD公司的AM29LV800芯片和 Samsung的 K9Fl208UOM,AM29LV800的读写兼容 SST的一些芯片 . K9F1208UOM具有 64MB的存储量。 但有些控制总线不同，如 SST39VF160没有写保护。 AM29LV800具有 1M*8bit的存储量。 RAM扩展采用 SDRAM芯片 HY57V561620，具有32MB存储量。 本系统采用两片同样的 RAM芯片，总存储量为 64MB[14]. ARM 体系结 构与 S3C2410 处理器介绍 ARM ( Advanced RISC Machines),既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 ARM公司是专门从事基于 RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，木身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从 ARM公司购买其设计的 ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的 ARM微处理器芯片进入市场。 目前，全世界有几十家大的半导体公司都 使用 ARM公司的授权，因此既使得 ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力 [12]。 、低功耗、低成本、高性能。 Thumb( 16位 )和 ARM( 32位 )双指令集，能很好的兼容 8位 /16位器件。 ，指令执行速度更快。 ，执行效率高。 ARM微处理器除了具有 RISC体系结构的典型特征，还具有以下特点 : 数据处理指令都控制算术逻辑单元 (ALU)和移位器，以使 ALU和移位器获得最大的利用率。 ，以优化程序中的循环。 Load和 Store多条指令，以增加数据吞吐量。 毕业设计（论文） 第 7 页 ，以增大执行吞吐量。 三星的 S3C2410是采用 16/32bitR ISC微处理器。 S3C2410使用 ARM920T内核，主频高达 203Bz, CMOS技术，包括 16KB指令缓存和 16KB数据缓存， MMu提供虚拟内存的支持。 S3C2410提供了一整套系统的外设，可以最小化系统的成木并减少配置所需要的组件。 其功能包括以下内容 : ， ， 1/0,微处理器和 16KB ICache /16KB DCache/MMU。 (SDRAM控制和芯片选择逻辑 )。 (最多 4K种颜色的 STN和 256K种颜色 TFT)，有一个专用的 DMA通道。 4通道 DMA。 UART (, 16Byte Tx FIFO ,and 16 Byte Rx FIFO) /2通道同步串口 SPI。 TIC总线 /1通道 ITS总线控制器 :。 USB主机 /1端口 USB设备 ()。 PWM定时器和 1通道内部定时器。 RISC架构的 ARM微处理器一般具有如下特点 :。 /24通道外部中断。 :正常，慢速，休闲和节能模式。 10位 ADC和触目屏接口。 片上时钟发生器。 S3C2410 的功能框图如图 22 所示 : 毕业设计（论文） 第 8 页 图 S3C2410功能框图 根据 ARM公司的分类， ARM处理器的内核包括两类，一类是嵌入式内核，另一类是应用内核。 前者是没有 Mmu的内核，如 :ARM7TDMI, ARM946EJ，后者为具有mm u的内核，如 :ARM720, ARM920。 只有具有 MMu的 ARM处理器才能支持 Linux和WINCE等操作系统。 S3C 24 10 采用 ARM920的核心，属于 ARMv4体系，可以支持 Linux和 WINCE等操作系统。 S3C2410采用 ARM920的核心，属于 ARMv4体系，可以支持 Linux和 WINCE等操作系统。 同类的 ARM处理器一般都是基于 ARM720内核的，如 :EP7312。 与之相比，S3C2410的优势在于拥有较高的主频 (高达 ZO3MHz)，而 A朋 7内核的一般不超过 毕业设计（论文） 第 9 页 10MHz。 ARM72O的内核采用冯诺依曼结构，而 A阴 920的内核采用哈佛结构，可以拥有更快的内存访问速度。 此外， ARM7采用三级流水线，而 ARMg采取 5级流水线。 5级流水线具体如下 : :从存储器中取出指令，并将其放入指令流水线。 :对指令进行译码。 : 把一个操作数移位，产生 ALU的结果。 /数据 :如果需要，则访问数据存储器。 否则 ALU的结果只是简单的缓冲 1个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程。 : 将指令产生的结果回写到寄存器堆，包括任何从存储器中读取的数据。 AMR920的内核包括 AMR9TDMI核心， MMU， 16KB指令缓存和 16KB数据缓存，写缓冲。 同类的 ARM处理器一般都是基于 ARM720内核的，如 :EP7312。 与之相比， S3C2410的优势在于拥有较高的主频。 抄表系统的总体设计 抄表系统集硬件、软件为一体，本章对自动抄表的模式、总体结构进行了分析与设计。 结合具体的使用过程，对系统实现的功能和可靠性要求等方面进行了简要介绍。 电表的种类与工作原理 电表按其工作方式大致可分为如下几种类型 : (1)普通型机械电表。 (2)脉冲式电表。 (3)数字式电表。 (4)磁卡预收费电表。 对于脉冲式和数字式电表，实现自动抄表相对较容易，但是由于其价格昂贵，用户使用范围有限。 磁卡预收费电表的使用也存在很大的缺陷 :只适用于 散户，不便于集中物业管理。 抗干扰能力弱，易产生用电纠纷。 易解密。 普通型电表价格低廉 ,为绝大多数用户所使用。 因此较实用的电表抄录系统还是要针对居民用户的普通电表来设计。 普通机械电表，是将电能转化为表盘的动能，再由表盘的转动带动数字码盘进行计数， 毕业设计（论文） 第 10 页 从而显示电表读数。 电表显示的用电度数与表盘所转动的圈数成正比，对同一电表该比例参数为恒定值 (单位为 :转 /度 )。 在表盘的侧面，有用于出厂检测的黑色标记。 在进行机械电表的数字化转换时，该标记起到了重要作用、电网的覆盖范围十分广泛，电表的工作环境也就千变万化、千差万别，天气变 化、电磁辐射、火花放电、电压波动等都可能在它的周围频繁发生，因此抄表系统的设计必须最大限度地适应电表的这种复杂的工作环境。 否则抄表系统难以得到广泛的推广和应用 [5]。 抄表系统的设计思想 抄表系统是针对普通用户的机械式电表进行设计的，而机械式电表是以码盘的方式显示电表的读数，不便于自动抄表。 那么首先要将电表记录的用电度数转变为数字电信号，在电表前端进行存储，实现机械电表到数字电表的转换。 但是考虑到系统的适用性和安装方便，这种转换只能是在电表的外部进行，不能对电表本身作任何更改，不能影响电表本身的 正常工作。 电表数据在抄表前端进行了可靠存储，计算机只要获取这些数据，就实现了电表数据的抄录工作 [13]。 系统设计以降低成本、增强可靠性、使用方便为出发点，那么抄表前端的硬件成本、数据的采集与可靠存储、数据通信是关键。 系统使用的方便性与灵活性主要体现在计算机的软件设计上，可根据用户的实际要求和用电管理的需要。 数据的抄录方式 电表数据的抄录方式，要与抄表人员的实际工作要求相适应。 一个月、一个季度抄录一次或者针对网上用电情况对波峰和波谷分开抄录，无论哪种情况，何时进行抄表工作都由计算机集中进行控制。 那么数据抄录采用查询的工作方式适应了抄表系统的这种工作模式。 数据抄录采用查询方式，每个前端单片机对应一个全系统唯一的地址编码，当主机要抄录某个单片机中的电表数据时，只需将其地址向通信网中进行广播，前端单片机接收地址后，与本机地址编码比较，从而决定是否发出本机记录的所有电表数据。 采用这种查询的数据抄录方式，抄表人员可随时打开计算机，根据需要进行抄表。 实现软件的功能。 抄表系统可靠性设计要求 由于抄表系统的应用环境比较复杂，要完成一个经济适用的抄表系统，可靠性至 毕业设计（论文） 第 11 页 关重要，在具体设计过程当中，要注重以 下几点 : (1)前端电表数据必须可靠地记录与存储，单片机所记录的电表数据与电表指示的用电度数要严格一致，不受停电、天气等环境变化的影响。 (2)数据通信要可靠。 (3)计算机软件要能实现电表原始数据的保存、历史数据的转存、错误报告等功能。 从软件的角度，增强系统的可靠性。 (4)要具有应付系统崩溃的有效措施，系统出现故障，数据能够得到有效恢复 [10]。 抄表系统的功能 电表自动抄录系统具有人工抄表所完成的所有功能，还具有系统本身和用户所要求的其它功能。 具体来说，有如下几个方面 : 所有电表的数据。 ，以便于分类或分阶段进行统计。 毕业设计（论文） 第 12 页 3. 基本理论知识及其应用 为了规范和统一多功能电能表的数据传输，电力工业部组织有关单位参照 IEC 标准（关于本地和总线数据通信）的有关内容，并结合国内电力系统多功能电能表使用中的实际情况，制定、发布了《多功能电能表通信规约》（ DL/T645－ 1997）； 1998 年6 月 1 日起实施。 (详见附录 ) 《多功能电能表通信规约》适用于本地系统中的电能表费率装置与手持单元（也称抄表器，用于现场抄表或编程）或其他数据终端设备进行点对点的或一主多从的数据交换方式；标准中规定了它们之间的物理连接（物理层）、通信链路（数据链路层）及应用技术（应用层）规范。 数据终端设备经数据信道（如无线电台、市话网络等）与远方主站的数据通信协议不属于 DL/T645－ 1997 的范畴 [8]。 DL/T645－ 1997 中的主站指手持单元或其他数据终端设备。 它具有选择费率装置（与 电能表连接或与电能表组装在一起的数据采集与处理单元）并与它进行信息交换的功能。 《多功能电能表通信规约》的实施，改革了人工抄表，实现了电能计量信息和控制信息的长距离传输，提高了用电管理部门的用电管理水平。 接口介绍 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。 由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS232C 接口（又称 EIA RS232C）是目前最常用的一种串行通讯接口。 它是在 1970 年由美国电子工业协会（ EIA）联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。 它的全名是 ―数据终端设备（ DTE）和数据通讯设备（ DCE）之间 串行二进制数据交换接口技术标准 ‖该标准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定 [2]。 （ 1）接口的信号内容 实际上 RS232C 的 25 条引线中有许多是很少使用的 ，在 毕业设计（论文） 第 13 页 计算机与终端通讯中一般只使用 39 条引线。 RS232C 最常用的 9 条引线的信号内容见附表 1 所示 （ 2）接口的电气特性 在 RS232C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。 即：逻 辑 ―1‖， 5— 15V；逻辑 ―0‖ +5— +15V。 噪声容限为 2V。 即 要求接收器能识别低至 +3V 的信号作为逻辑 ―0‖，高到 3V 的信号 作为逻辑 ―1‖。 图 串口引脚功能图 （ 3）接口的物理结构 RS232C 接口连接器一般使用型号为 DB25 的 25 芯插头座 ,通常插头在 DCE 端 ,插座在 DTE 端 . 一些设备与 PC 机连接的 RS232C 接口 ,因为不使用对方的传送控制信号 ,只需三条接口线 ,即 ―发送数据 ‖、 ―接收数据 ‖和 ―信号地 ‖。 所以采用 D。