基于AVR單片機(jī)及MODEM芯片的MTU、RTU無線電遙測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、引言

　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無線電遙測系統(tǒng)。

　　分散地分布在全市的管網(wǎng)監(jiān)測點(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)處理后通過無線電臺(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. 無線通信波特率低(300bps)，誤碼率高，巡測速度慢，最多帶32個(gè)RTU終端;2. 當(dāng)某一遠(yuǎn)程RTU端的無線電臺(tái)一直處于長時(shí)間誤發(fā)射狀態(tài)時(shí)(簡稱“長發(fā)” )一直占用系統(tǒng)頻點(diǎn)，由于系統(tǒng)共用一組無線電頻點(diǎn)，這將使系統(tǒng)其他所有電臺(tái)無法通信，整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，處于故障的電臺(tái)亦無法發(fā)送有效數(shù)據(jù)，因而無法確定故障點(diǎn)，測壓點(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。

　　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線電臺(tái)、天線、電源、模擬屏、檢測儀表等，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(gè)RTU終端，有效解決了因無線電臺(tái)“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(qiáng)，軟件升級(jí)容易等優(yōu)點(diǎn)。

　　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)用于無線電臺(tái)的通信，首先保證無線通信的精確。與PC機(jī)的通信通過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)無線電臺(tái)之間的無線通信

　　我們把通常獨(dú)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(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、無線電臺(tái)處于長時(shí)間誤發(fā)射狀態(tài)時(shí)(“長發(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(無線電臺(tái)的電源由單片機(jī)通過繼電器控制)

　　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)若無接收到來自電臺(tái)的任何信號(hào)，則可能是電臺(tái)“長發(fā)” 、電臺(tái)接收故障、其它電臺(tái)“長發(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)上述檢測過程，這時(shí)若是由于中轉(zhuǎn)臺(tái)、其它電臺(tái)“長發(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，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。