基于Web和硬件可重構(gòu)技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表設(shè)計
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它由三個部分組成，分別是抄表客戶端程序、數(shù)據(jù)集中器以及分布在各家各戶的電表。抄表流程如下：首先由抄表人員使用抄表客戶端程序向數(shù)據(jù)集中器以HTTP協(xié)議的形式發(fā)送抄表請求，該請求通過因特網(wǎng)到達(dá)數(shù)據(jù)集中器后，會首先被一個嵌入式Web服務(wù)器進行處理。嵌入式Web服務(wù)器將返回一個HTML文件給客戶端，要求用戶輸入命令類型(例如，是抄數(shù)據(jù)還是執(zhí)行相關(guān)控制操作)、電表編號以及附加數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶填完表單后，這些數(shù)據(jù)將依照HTTPPOST協(xié)議發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器中的嵌入式Web服務(wù)器。隨后，相關(guān)的命令和數(shù)據(jù)參數(shù)抽取出來，送給數(shù)據(jù)集中器的控制模塊?？刂颇K將對命令參數(shù)進行判斷和安全性檢查，然后生成相應(yīng)的命令元組，以便控制和讀取數(shù)據(jù)。電表通信模塊完成與電表之間的通信任務(wù)，負(fù)責(zé)將命令元組發(fā)送給電表，并讀取執(zhí)行結(jié)果。當(dāng)執(zhí)行抄表操作時，數(shù)據(jù)將被電表通信模塊以數(shù)據(jù)元組的方式返回給控制模塊，然后按照固定格式被組裝為一個字符串，并交給嵌入式Web服務(wù)器。嵌入式Web服務(wù)器將這些數(shù)據(jù)插入到預(yù)先設(shè)計好的HTML文件模板中，隨后將其通過因特網(wǎng)返回給客戶端的抄表程序。
硬件設(shè)計
從圖1中可以看出，數(shù)據(jù)集中器是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，一方面它需要按照《DL/T64521997：多功能電能表通信規(guī)約》通過RS485總線從電表處采集數(shù)據(jù)，并執(zhí)行各種控制任務(wù)；另一方面它必須能夠解釋以HTTP形式發(fā)送過來的控制命令，并將執(zhí)行結(jié)果以HTML文件的形式返回給抄表客戶端。
本文在進行硬件設(shè)計的時候采用了基于IP核的設(shè)計方法，并將數(shù)據(jù)集中器的大部分功能在單個FPGA芯片上予以實現(xiàn)。設(shè)計電路原理圖之前，必須根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的IP核。所謂IP核，是指那些以硬件形式(硅片版圖)或者軟件形式(用Verilog、VHDL描述的RTL或者門級模型)存在的、具有特定功能的硬件電路。IP核通常分為硬核、固核與軟核三種。根據(jù)系統(tǒng)的硬件開發(fā)環(huán)境以及性能需求，本文選擇了Altera公司開發(fā)的一系列軟核產(chǎn)品，它們是用Verilog語言所描述的硬件模塊，允許用戶根據(jù)需要對各種參數(shù)進行配置，如數(shù)據(jù)通路帶寬、優(yōu)先進行速度優(yōu)化還是資源優(yōu)化等，因而應(yīng)用非常靈活。系統(tǒng)所用到的軟IP核產(chǎn)品有Nios CPU、ROM、RAM、定時器、通用異步收發(fā)器UART，以及用于外部功能擴展的Avalon總線模塊，并將Nios CPU配置為32位字長模式，擁有256個通用寄存器，工作頻率33MHz；UART配置為14400bPs的波特率，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位，無奇偶校驗。在確定了IP核并進行相應(yīng)設(shè)置后，需要設(shè)計系統(tǒng)的電路原理圖。圖2表示了由各個IP模塊組成的數(shù)據(jù)集中器內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，其中的ROM用于存放用戶程序，RAM作為程序運行時的存儲空間，定時器為實時操作系統(tǒng)提供時鐘中斷功能，外部總線接口和UART負(fù)責(zé)與系統(tǒng)外部進行通信。它們將通過一條內(nèi)部總線與Nios CPU相連，這樣就構(gòu)成了一個完整的嵌入式硬件系統(tǒng)。設(shè)計電路圖后的下一步工作是選擇合適的實現(xiàn)載體?；贗P核的設(shè)計方法通常使用FPGA芯片或者直接在硅片上實現(xiàn)。本文采用的是Altera公司APEX20KE系列FPGA芯片，能提供8000個左右的邏輯塊資源和多達(dá)400Kb左右的ROM和RAM存儲空間。由于FPGA芯片具有可反復(fù)更改的特性，因此有助于硬件系統(tǒng)的改進和不斷升級。另外，通過對通信接口進行重構(gòu)，例如將UART改為CAN總線控制器，可以使系統(tǒng)能與更多的硬件環(huán)境兼容。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/192114.htm
圖2 數(shù)據(jù)集中器的硬件結(jié)構(gòu)
由于在FPGA芯片上構(gòu)造電平轉(zhuǎn)換電路和以太網(wǎng)物理層、MAC層電路較困難，本文將這些功能放到了FPGA芯片的外面，并分別使用MAX485和LAN91C111芯片來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和以太網(wǎng)硬件接口功能。FPGA芯片內(nèi)的UART模塊和MAX485芯片共同完成與電表的數(shù)據(jù)通信任務(wù)，前者負(fù)責(zé)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，后者完成信號電平的轉(zhuǎn)換。SMSC公司的LAN91C111是為了方便嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)連接到快速以太網(wǎng)而專門設(shè)計的，它實現(xiàn)了CSMA/CD協(xié)議的物理層和媒體訪問控制層(MAC)兩個部分，并可以很方便地與許多嵌入式處理器進行數(shù)據(jù)交換。
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