基于GPRS的遠程電壓監測系統開發與研究

江陰職業技術學院 王曉蓮 葉章秦

電網電壓安全穩定是用電設備可靠運行的最基本的條件，關系著我國整體經濟的發展。為保證電力設備能安全可靠、有效、穩定運作，勢必要對電網電壓各項參數進行監測。本文設計了一款以ATmega128單片機為核心的電壓監測系統，采用GPRS無線網絡實現監測儀表與遠程上位機之間的通信，以短信問答的形式或者自動上報的形式將電網電壓數據以及故障信息發送到上位機，隨時能反映電壓運行情況，確保電網電壓可以安全的運作著。監測設備系統可以實時監測電網電壓狀態，運行可靠、具有低功耗、低成本等優點。

圖1 電壓監測裝置硬件設計圖

隨著信息技術的快速發展，對資源的統籌協調利用和控制調度顯得非常重要，為實現數據資源的統籌分配、集中調度和實時采集管理成為重要的技術工作。GPRS網絡引入了分組交換和分組傳輸的概念，使得原有GSM網絡對數據業務的支持從網絡體系上得到了加強。

1 系統設計方案

該硬件電路以美國ATMEL公司的Atmega128單片機為核心，外圍電路的設計包括：RX-8025時鐘電路模塊、AT45DB161外部存儲器模塊、人機交互模塊（鍵盤和數碼管顯示）、電壓檢測模塊和GPRS通信模塊等電路的設計。如圖1所示。

2 硬件電路設計

它是RICS結構，指示條數有133條指示-絕大多數可以在一個周期內完成，存儲器32x8位通用寄存器+外設控制寄存器，工作效率工作于16MHz時它的性能可以高達到16MIPS，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器，內部SRAM 4K可選外部存儲器64K。

外設特性定時器/計數器(2個8位)；擴展定時器/計數器（2個16位）；實時時鐘計數器（1個）；PWM通道2個8位，6個（分辨率）可編程2～16位；輸出比較調制器8通道10位ADC:差分通道7個、單端通道8個、可調增益的差分通道2個面向字節的雙線接口、可編程的連續串口UART2個、主/從SPI串口、可編程看門狗、片內模擬比較器。

選用的Atmega128，提供了一個真正的由MCU本身自動下載和更新（采用讀/寫同時進行"Read-While-Write"的方式）程序代碼的系統程序自編程更新的機制。利用AVR的這個功能，電壓檢測系統實現在應用編程（IAP）以及實現系統程序的遠程自動更新的應用，無需到現場更新程序。

2.1 數據采集電路

電路采用CS5460A芯片，通過SPI接口與單片機之間發送數據。對寄存器進行讀寫操作時，都需要單片機通過SPI總線向芯片寫入一個8位的命令字，再通過SPI寫入或讀出3個字節的數據。CS5460A規定VREFIN和VA-之間所用基準電壓為+2.5V。此電路中將VREFIN與VREFOUT兩管腳連接起來，就可以使用芯片內部的基準電壓2.5V。如圖2所示。

圖2 CS5460A電壓轉換電路圖

圖3 AT45DB161接線圖

圖4 RX-8025時鐘芯片接線電路

圖5 FLY280模塊主要電路接線

2.2 外部數據存儲電路

本設計選擇串行接口的Flash芯片AT45DB161，AT45DB161D是串行接口的閃存芯片，可在2.5V～2.7V電壓下工作，普遍應用于圖像、數據語音、代碼數據存儲中。AT45DB161D支持Rapid S串行接口，適用于高速場合。Rapid S串行接口是與SPI相兼容的，速度可達到66MHz。除了主存儲器，AT45DB161D包含兩個數據緩沖區SRAM，每緩沖區里有512字節或528字節。在主存儲器正在編程時，緩沖區是容許接收數據的并支持寫入數據。與FLASH儲存器不相同的是，它采取串行接口Rapid S，這樣可以一定程度上提升了系統的可靠性和減少了可用引腳數量，開關噪音也有一定程度的降低，封口體積也有一定的縮小?？梢詰獊砩藤Q、工業等所需求的高密度、低引腳數、低電壓與低功耗的應用場合。

AT45DB161D可簡單的在系統里從新進行編程，不需要輸入高編程電壓。芯片可以采取2.5V～3.6V也可以采取2.7V～3.6V單電源進行供電，從而進行編程與讀取操作。它可以利用# CS來進行使能，并通過三個接口進行數據之間的通訊。如圖3所示。

2.3 時鐘電路

本課題采取的RX-8025芯片是一款實時計時器，設計采用可充電電池為RX-8025時鐘芯片供電，保證了了系統在停電后能精確地記載有錯誤故障發生的時間，擔保了時鐘芯片在斷電后依然能持續的正常作業。

RX-8025內置高精度頻率的32 768kHz水晶振子，32 768kHz時鐘輸出，有相對應的高速模式PC-BUS，時計的計數功能可選擇12/24是時間置與自動判斷閏年，內置高精度時計精度調整電路，有2個系統的鬧鐘功能(Alarm_W:星期、時、分、Alarm D:時、分）等功能。

RX-8025時鐘芯片與單片機是使用SCL和SDA兩個管腳進行數據傳導的SCL與SDA兩個引腳需要外接上拉電阻才能連接電源，上拉電阻起到了保護時鐘芯片的作用，單片機通過I2C總線接口方式對時鐘芯片進行讀寫操作FOE為32.768kHz時鐘輸出引腳FOUT控制引腳，為減小時鐘芯片在掉電后的功耗，選擇將FOE引腳接地，FOUT不輸出信號，關閉32.768kHz的時鐘信號輸出。TEST為測試引腳，該引腳與VDD引腳相連，保證了芯片正常工作。如圖4所示。

2.4 GPRS模塊電路設計

通過FLY280模塊連接GPRS網絡，落實終端設備與上位機服務器遠距離通信功能。FLY280是一款GPRS+GPS四頻模塊，它可以自動搜索兩個頻段，分別是支持指令AT和內嵌協議TCP/IP，提供標準的RS232接口。單片機可以使用串口FLY28通信模塊來發送指令和數據。模塊采用3.4～4.4V的單電源供電，內嵌一個50通道ublox6010 GPS接收機，支持用于PPP接的PAP協議，從而為客戶提供GPS數據、短信和數據業務無線接口。

可以使用發送手機短信設置的相對格式的參數從而不需要要到現場使用鍵盤來對設備進行設置參數。通過定時查詢關鍵字的方式來確認是否有短信以及短信是否有效，設置完參數后，發送OK信息通知用戶設置成功。如圖5所示。

3 軟件設計

主程序流程：

單片機上電后，單片機自身與外層芯片對各硬件和配置進行初始化調試參數，然后在主函數循環體中，依據不同設置的定時時間來運作到相對應的模塊子程序作業。軟件設計中采取時間調度器，利用單片機的定時功能設置定時時間為1ms為基于GPRS的遠程電壓監測系統開發與研究36位，對各模塊的時間間隔設定不同的計數值，以落實對各模塊的單次或周期性的調用。模塊化的設計不僅簡化多個任務的調度，結構層次也清晰了不少、畫面簡單直觀，而且提升了程序運轉效率。如圖6所示。

4 結論

（1）電壓監測系統的整體設計思緒是可行的。無論軟件設計還是硬件設計，都確定了具體的目標。在整個開發過程里得到了驗證。設計方案的明確性，加快了開發進度，更加指明了系統的研究方向。

（2）完成了系統的硬件電路設計。本系統以ATmega128單片機為核心，以高集成電路芯片CS5460A采集與測量電網電壓的有效值，AT45DB161作為外部存儲器存儲數據。通過SPI接口與CS5460A、AT45DB161相連完成電壓數據的讀取、保留等操作。RX8025時鐘芯片采用I2C總線與單片機相連，外接專門的可充電電池為其供電，保證在系統斷電后，RX8025時鐘芯片也能正常工作。采用的通信方式主要有：RS232異步串行通訊以及GPRS無線通信。采用FLY280作為GPRS無線通信，利用FLY280模塊對GPRS網絡進行連接，落實終端設備與上位機服務器遠距離通訊功能。

圖6 主程序流程圖

（3）完成了系統的軟件設計。電壓檢測系統部分軟件運用的都是模塊化的設計方法，利用時間標志位來判斷對應的操作是否執行了。MCU無需等待，提高了單片機工作效率，程序的可讀性、可移植性也有了明顯的增強以及查找錯誤的方便性。

（4）對設計的電壓監測系統進行了軟件和硬件的調試。試驗成果標志系統運行可靠，效果杰出，滿足技術指標的要求，對電網電壓的監測與管理起到了積極的作用。