基于AVR及MTURTU的無線電遙測系統(tǒng)設計

一、引言

基于AVR單片機及專用MODEM芯片的MTU(Master Terminal Unit中心調(diào)度機)、RTU無線電遙測系統(tǒng)。

分散地分布在全市的管網(wǎng)監(jiān)測點上的遠端RTU(系統(tǒng)可帶256個RTU)采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理后通過無線電臺向中心調(diào)度端發(fā)送數(shù)據(jù)，中心調(diào)度端接收到數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲，并送給模擬屏顯示。

二、設計思想

原有系統(tǒng)的使用中，主要存在以下幾個問題：1. 無線通信波特率低(300bps)，誤碼率高，巡測速度慢，最多帶32個RTU終端;2. 當某一遠程RTU端的無線電臺一直處于長時間誤發(fā)射狀態(tài)時(簡稱“長發(fā)” )一直占用系統(tǒng)頻點，由于系統(tǒng)共用一組無線電頻點，這將使系統(tǒng)其他所有電臺無法通信，整個系統(tǒng)癱瘓，處于故障的電臺亦無法發(fā)送有效數(shù)據(jù)，因而無法確定故障點，測壓點分布地域廣且分散，使得故障查找很困難，往往需要數(shù)天時間;3. RTU板集成度低，故障率較高，元器件難于采購。

考慮到系統(tǒng)的通用性和公司的實際情況，要求RTU系統(tǒng)能最大限度地利用原有的無線電臺、天線、電源、模擬屏、檢測儀表等，并能實現(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)量輸入可擴展為64路開關(guān)量輸入,可在RTU站存儲24小時歷史數(shù)據(jù)(15分鐘/次)，具有掉電保護功能。

我們通過軟硬件的有機配合，經(jīng)濟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，并把通常獨立于RTU板的無線調(diào)制解調(diào)MODEM集成在RTU板之上，簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)RTU板具有無線通信波特率1200bps，誤碼率低，最多帶256個RTU終端，有效解決了因無線電臺“長發(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，軟件升級容易等優(yōu)點。

三、RTU的設計

1、元器件的選擇

CPU選擇ATMEL公司的AVR系列單片機AT90S8535，該芯片是比較新型的單片機，其內(nèi)部資源如下：8K字節(jié)FLASH程序存儲器，512字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，8通道10位精度A/D轉(zhuǎn)換器，一個標準串口，1個16位定時/計數(shù)器，一個8位定時/計數(shù)器，1個實時時鐘，2個外部中斷，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上實現(xiàn);與無線電臺的連接選用OKI公司的MSM7512B MODEM芯片進行調(diào)制解調(diào)，與計算機的通信選用MAX232芯片進行，歷史數(shù)據(jù)存儲選用8K字節(jié)串行EEPROM存儲芯片AT24C64，電臺的供電由CPU控制，通過繼電器提供。

2、數(shù)據(jù)通信

(1)RS-232串口與PC機的通信

由于單片機的唯一的串口應用于無線電臺的通信，首先保證無線通信的精確。與PC機的通信通過MAX232芯片把單片機的TTL電平轉(zhuǎn)化為標準的RS-232電平，使用單片機的外部中斷INT0、INT1口和I/O口，應用軟件模擬，實現(xiàn)兩個波特率為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)無線電臺之間的無線通信

我們把通常獨立于RTU板的無線調(diào)制解調(diào)MODEM集成在RTU板之上，如此簡化了系統(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。在實踐中，我們發(fā)現(xiàn)當電臺從接收狀態(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)，此時的數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生誤碼，根據(jù)實驗，得出一個比較合適的延時時間，我們在控制無線電臺收發(fā)轉(zhuǎn)化后延遲適當?shù)臅r間，使數(shù)據(jù)傳送的可靠性和準確性得到了很大的提高。在數(shù)據(jù)傳送過程中，加入系統(tǒng)碼、RTU站碼，求和值低字節(jié)等校驗，保證了系統(tǒng)通信的可靠，正確。

3、無線電臺處于長時間誤發(fā)射狀態(tài)時(“長發(fā)” )系統(tǒng)癱瘓的解決對策

(1)在RTU板上設置電臺電源控制端口(無線電臺的電源由單片機通過繼電器控制)
RTU板可控制電臺電源的通斷;設置軟件陷阱，RTU在15分鐘內(nèi)若無接收到來自電臺的任何信號，則可能是電臺“長發(fā)” 、電臺接收故障、其它電臺“長發(fā)” 、RTU數(shù)據(jù)端口故障、中轉(zhuǎn)臺故障，此時切斷電臺電源，但15分鐘后再開通電臺電源，繼續(xù)上述檢測過程，這時若是由于中轉(zhuǎn)臺、其它電臺“長發(fā)”等外部引起的故障而接收不到信號的情況，RTU板的工作得于恢復正常;設置看門狗復位系統(tǒng)，程序引起的工作故障可以得到復位。

(2)中心調(diào)度室判斷

如果只接收不到某些點信號，其它點一直正常，那么是這些點自己有故障;如果一直接收不到所有點信號，那么是中轉(zhuǎn)臺、調(diào)度機故障或頻點受到連續(xù)干擾;如果15分鐘只接收不到某些點信號，其它點正常，15分鐘接收不到所有點信號，那么是某些點出現(xiàn)“長發(fā)”現(xiàn)象，可以從可接收數(shù)據(jù)的15分鐘里判斷故障點;如果接收到的數(shù)據(jù)時有時無，不是15分鐘間隔的規(guī)律，此時為系統(tǒng)頻點受到干擾或中轉(zhuǎn)臺、調(diào)度機的不規(guī)律故障。

通過采取以上的各項措施，可以較快的查找故障點、杜絕由于電臺“長發(fā)”引起的系統(tǒng)癱瘓，大大減少了維護工作量和維護成本。

4、數(shù)據(jù)采集

遠程遙測RTU分布在全市的管網(wǎng)監(jiān)測點上，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，軟件設計采用離散的采集方式，同時根據(jù)具體情況選用相應的數(shù)據(jù)濾波技術(shù)。

(1)離散的采集方式

在設計模擬量輸入對現(xiàn)場的壓力等多個參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集程序時，我們按照“離散采集同一參數(shù)，連續(xù)采集不同參數(shù)”的原則進行設計。因為短時連續(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)對此無能為力;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)字濾波是通過一定的算法程序?qū)Σ杉盘栠M行平滑加工，在此我們對每一數(shù)據(jù)進行四次采集，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)的真實性。通過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)的可靠運行。

四、應用與推廣

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