基于AVR單片機(jī)的無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端的研制與開發(fā)

一、引言

隨著城市供水規(guī)模擴(kuò)大，城市管網(wǎng)不斷增大，廈門自來(lái)水公司原有遙測(cè)系統(tǒng)難以適應(yīng)生產(chǎn)調(diào)度需求。要求有一套可靠、快速的調(diào)度遙測(cè)系統(tǒng)，綜合國(guó)內(nèi)RTU（Remote Terminal Unit 遠(yuǎn)程測(cè)控終端）的發(fā)展?fàn)顩r及公司的具體情況，廈門自來(lái)水公司獨(dú)立研制開發(fā)了一套新的基于AVR單片機(jī)及專用MODEM芯片的MTU（Master Terminal Unit中心調(diào)度機(jī)）、RTU無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1，其中粗黑框部分為系統(tǒng)的核心MTU、RTU。


分散地分布在全市的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的遠(yuǎn)端RTU（系統(tǒng)可帶256個(gè)RTU）采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過(guò)無(wú)線電臺(tái)向中心調(diào)度端發(fā)送數(shù)據(jù)，中心調(diào)度端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并送給模擬屏顯示。

二、設(shè)計(jì)思想

原有系統(tǒng)的使用中，主要存在以下幾個(gè)問題：1. 無(wú)線通信波特率低（300bps），誤碼率高，巡測(cè)速度慢，最多帶32個(gè)RTU終端；2. 當(dāng)某一遠(yuǎn)程RTU端的無(wú)線電臺(tái)一直處于長(zhǎng)時(shí)間誤發(fā)射狀態(tài)時(shí)（簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)發(fā)” ）一直占用系統(tǒng)頻點(diǎn)，由于系統(tǒng)共用一組無(wú)線電頻點(diǎn)，這將使系統(tǒng)其他所有電臺(tái)無(wú)法通信，整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，處于故障的電臺(tái)亦無(wú)法發(fā)送有效數(shù)據(jù)，因而無(wú)法確定故障點(diǎn)，測(cè)壓點(diǎn)分布地域廣且分散，使得故障查找很困難，往往需要數(shù)天時(shí)間；3. RTU板集成度低，故障率較高，元器件難于采購(gòu)。

考慮到系統(tǒng)的通用性和公司的實(shí)際情況，要求RTU系統(tǒng)能最大限度地利用原有的無(wú)線電臺(tái)、天線、電源、模擬屏、檢測(cè)儀表等，并能實(shí)現(xiàn)如下功能：8路10位模擬量輸入、8路開關(guān)量輸入及兩路脈沖量輸入，其中8路開關(guān)量輸入可擴(kuò)展為64路開關(guān)量輸入,可在RTU站存儲(chǔ)24小時(shí)歷史數(shù)據(jù)（15分鐘/次），具有掉電保護(hù)功能。

我們通過(guò)軟硬件的有機(jī)配合，經(jīng)濟(jì)有效地解決了原有系統(tǒng)存在的問題及系統(tǒng)功能要求，做到MTU板和RTU板在硬件上的完全一致，并把通常獨(dú)立于RTU板的無(wú)線調(diào)制解調(diào)MODEM集成在RTU板之上，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)RTU板具有無(wú)線通信波特率1200bps，誤碼率低，最多帶256個(gè)RTU終端，有效解決了因無(wú)線電臺(tái)“長(zhǎng)發(fā)”引起系統(tǒng)癱瘓的問題，數(shù)據(jù)采集精度高，RTU板集成度高，通用性強(qiáng)，軟件升級(jí)容易等優(yōu)點(diǎn)，其電路板框圖如圖2：




三、RTU的設(shè)計(jì)

1、元器件的選擇

CPU選擇ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)AT90S8535，該芯片是比較新型的單片機(jī)，其內(nèi)部資源如下：8K字節(jié)Flash程序存儲(chǔ)器，512字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8通道10位精度A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，1個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，2個(gè)外部中斷，內(nèi)置看門狗電路等。RTU所需的功能和數(shù)據(jù)采集功能基本上可以在此單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)；與無(wú)線電臺(tái)的連接選用OKI公司的MSM7512B MODEM芯片進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，與計(jì)算機(jī)的通信選用MAX232芯片進(jìn)行，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用8K字節(jié)串行EEPROM存儲(chǔ)芯片AT24C64，電臺(tái)的供電由CPU控制，通過(guò)繼電器提供。

2、數(shù)據(jù)通信

（1）RS-232串口與PC機(jī)的通信

由于單片機(jī)的唯一的串口應(yīng)用于無(wú)線電臺(tái)的通信，首先保證無(wú)線通信的精確。與PC機(jī)的通信通過(guò)MAX232芯片把單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平，使用單片機(jī)的外部中斷INT0、INT1口和I/O口，應(yīng)用軟件模擬，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波特率為9600Bps半雙工三線制串口通信，其接收數(shù)據(jù)采用中斷方式。

（2）無(wú)線電臺(tái)之間的無(wú)線通信

我們把通常獨(dú)立于RTU板的無(wú)線調(diào)制解調(diào)MODEM集成在RTU板之上，如此簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本，并且提高了通信的可靠性，實(shí)現(xiàn)了RTU與MODEM的緊密結(jié)合。MODEM芯片選用OKI公司的MSM7512B調(diào)制解調(diào)芯片，MSM7512B是一塊比較成熟的芯片，通信波特率為1200Bps，工作方式為半雙工模式。在實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電臺(tái)從接收狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)射狀態(tài)或從發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)的瞬間有一段不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生誤碼，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，得出一個(gè)比較合適的延時(shí)時(shí)間，我們?cè)诳刂茻o(wú)線電臺(tái)收發(fā)轉(zhuǎn)化后延遲適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使數(shù)據(jù)傳送的可靠性和準(zhǔn)確性得到了很大的提高。在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，加入系統(tǒng)碼、RTU站碼，求和值低字節(jié)等校驗(yàn)，保證了系統(tǒng)通信的可靠，正確。

3、無(wú)線電臺(tái)處于長(zhǎng)時(shí)間誤發(fā)射狀態(tài)時(shí)（“長(zhǎng)發(fā)” ）系統(tǒng)癱瘓的解決對(duì)策

（1）在RTU板上設(shè)置電臺(tái)電源控制端口（無(wú)線電臺(tái)的電源由單片機(jī)通過(guò)繼電器控制），RTU板可控制電臺(tái)電源的通斷；設(shè)置軟件陷阱，RTU在15分鐘內(nèi)若無(wú)接收到來(lái)自電臺(tái)的任何信號(hào)，則可能是電臺(tái)“長(zhǎng)發(fā)” 、電臺(tái)接收故障、其它電臺(tái)“長(zhǎng)發(fā)” 、RTU數(shù)據(jù)端口故障、中轉(zhuǎn)臺(tái)故障，此時(shí)切斷電臺(tái)電源，但15分鐘后再開通電臺(tái)電源，繼續(xù)上述檢測(cè)過(guò)程，這時(shí)若是由于中轉(zhuǎn)臺(tái)、其它電臺(tái)“長(zhǎng)發(fā)”等外部引起的故障而接收不到信號(hào)的情況，RTU板的工作得于恢復(fù)正常；設(shè)置看門狗復(fù)位系統(tǒng)，程序引起的工作故障可以得到復(fù)位。

（2）中心調(diào)度室判斷

如果只接收不到某些點(diǎn)信號(hào)，其它點(diǎn)一直正常，那么是這些點(diǎn)自己有故障；如果一直接收不到所有點(diǎn)信號(hào)，那么是中轉(zhuǎn)臺(tái)、調(diào)度機(jī)故障或頻點(diǎn)受到連續(xù)干擾；如果15分鐘只接收不到某些點(diǎn)信號(hào)，其它點(diǎn)正常，15分鐘接收不到所有點(diǎn)信號(hào)，那么是某些點(diǎn)出現(xiàn)“長(zhǎng)發(fā)”現(xiàn)象，可以從可接收數(shù)據(jù)的15分鐘里判斷故障點(diǎn)；如果接收到的數(shù)據(jù)時(shí)有時(shí)無(wú)，不是15分鐘間隔的規(guī)律，此時(shí)為系統(tǒng)頻點(diǎn)受到干擾或中轉(zhuǎn)臺(tái)、調(diào)度機(jī)的不規(guī)律故障。

通過(guò)采取以上的各項(xiàng)措施，可以較快的查找故障點(diǎn)、杜絕由于電臺(tái)“長(zhǎng)發(fā)”引起的系統(tǒng)癱瘓，大大減少了維護(hù)工作量和維護(hù)成本。

4、數(shù)據(jù)采集

遠(yuǎn)程遙測(cè)RTU分布在全市的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，環(huán)境比較雜亂，其周圍環(huán)境存在著各種各樣的干擾，在輸入通道做濾波處理，通過(guò)硬件電路濾除較大的干擾，為提高采集數(shù)據(jù)的可靠性和精確度，軟件設(shè)計(jì)采用離散的采集方式，同時(shí)根據(jù)具體情況選用相應(yīng)的數(shù)據(jù)濾波技術(shù)。

（1）離散的采集方式

在設(shè)計(jì)模擬量輸入對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的壓力等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集程序時(shí)，我們按照“離散采集同一參數(shù)，連續(xù)采集不同參數(shù)”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)槎虝r(shí)連續(xù)地采集同一參數(shù)容易使采集到的數(shù)據(jù)值都受到干擾的影響，數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)此無(wú)能為力；而采用“離散采集同一參數(shù)，連續(xù)采集不同參數(shù)”的方法使參數(shù)采集離散在時(shí)空中，降低了干擾的概率，并使干擾分布在不同的參數(shù)上，這樣采用多次采集和數(shù)字濾波即可除去干擾的影響。

（2）數(shù)字濾波技術(shù)

數(shù)字濾波是通過(guò)一定的算法程序?qū)Σ杉盘?hào)進(jìn)行平滑加工，在此我們對(duì)每一數(shù)據(jù)進(jìn)行四次采集，算法上采用去掉最高、最低值，其余數(shù)據(jù)取算術(shù)平均的辦法，消除或減少干擾，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

通過(guò)使用上述抗干擾措施，大大提高了系統(tǒng)抗干擾能力，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

四、應(yīng)用與推廣

系統(tǒng)自2000年5月正式投入運(yùn)行兩年多以來(lái)，工作穩(wěn)定，做到基本無(wú)故障運(yùn)行，為公司的合理調(diào)度，節(jié)約能耗，及時(shí)發(fā)現(xiàn)破管等工作做出了貢獻(xiàn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。本系統(tǒng)通過(guò)廈門市科技局組織的鑒定技術(shù)水平為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。該系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，接口標(biāo)準(zhǔn)，適用于市政、電力、環(huán)保、水利等行業(yè)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集要求，有相當(dāng)?shù)耐茝V空間。