通过GPRS模块实现远程监控系统的总体设计

远程监控系统在工业控制领域中有着十分重要的意义。在许多工业场合，尤其是对于一些分散的、无人值守的现场，需要对数据进行定时采集从而进行监控。但随着仪器仪表的数字化和无线通信技术的发展，现场设备的远程监控技术可方便实现远程仪表的测量、执行机构的操作和状态的监测，非常有利远程设备的数据抄表、数据管理和设备维护，很大程度上降低了用户的维护成本，更加有利于生产商的售后服务质量，因此远程监控终端装置的研发具有实际意义。因此，提出了一种基于GPRS（General Packet Radio Service）的无线远程监控系统。通用分组无线数据业务（GPRS）是以端对端的分组传输与交换方式为用户提供的发送和接收高速数据、低速数据以及信令的多种业务集合。

1 系统硬件设计

能够满足系统的基本需求，并充分考虑系统的扩展能力，远程监控终端自动完成仪表模拟信号、数字量、开关量和采集及故障状态指示，定时采集现场仪表数据和各种状态并保存记录。终端设备与远程服务器的通信可控，方式多样，终端数据库本地／远程实时查询，充分节约通信成本。

系统的整体框图如图1所示。

图1 系统的整体框图

1.1 模拟量输入电路

模拟量输入电路包括取样电路、低通滤波、电压变换、驱动隔离和限幅保护。取样电路实现将传感器的4～20 mA的电流信号转换为电压信号；电压变换电路实现取样电压的调整满足微处理器A／D通道输入电压的要求；低通滤波则消除模拟通道上的工频干扰和高频干扰等；驱动隔离实现输入通道的阻抗匹配；限幅电路使A／D通道输入电压在规定电压范围，保护A／D转换通道。如图2所示。

图2 一种A/D转换示意图

1.2 开关量输入电路

开关量输入电路由限流电阻、滤波电容、稳压管、光耦和输入缓冲器组成，电路图如图3所示。

图3 一路开关量输入通道示意图

1.3 开关量输出电路

开关量输出电路由输出锁存器、光耦和驱动器（开极电极输出）组成，电路图如图4所示。

图4 一路开关量输出通道示意图

1.4 终端小系统电路

终端小系统电路由复位电路、看门狗电路、振荡电路和微控制器构成。其中看门狗电路可防止系统运行时的程序死锁，电源电压下降时看门狗电路产生硬件复位信号使系统正常复位。微控制器可选用与51兼容的C8051F02x系列单片机，内部资源丰富，具体特性如下：C8051F0 20／1／2／3器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I／O引脚（C8051F020／2）或32个数字I／O引脚（C8051F021／3）。下面列出了一些主要特性：

（1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25 MIPS）；

（2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；

（3）真正12位（C8051F020／1）或10位（C8051F022／3）、100 KSPS的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；

（4）真正8位500 KSPS的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；

（5）两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；

（6）64 KB可在系统编程的FLASH存储器；

（7）4352（4 096+256）B的片内RAM；

（8）可寻址64 KB地址空间的外部数据存储器接口；

（9）硬件实现的SPI，SMBus／I2C和两个UART串行接口；

（10）5个通用的16位定时器；

（11）具有5个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列；

（12）片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。

具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020／1／2／3是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能／禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

每个MCU都可在工业温度范围（-45～+85℃）内用2.7～3.6 V的电压工作。端口I／O，和JTAG引脚都容许5 V的输入信号电压。

1.5 外部存储电路

外部存储电路选用非易失性存储器（掉电保存数据），主要是用于存储终端参数和历史数据。存储芯片可根据数据的容量和更新周期进行选型，在保存数据量小，更新频率的应用中可选用E2PROM（理论擦除次数10 000次），而在大容量和更新频率高的应用中选用FRAM（铁电存储器，理论擦除次数100亿次）较合适。典型应用电路图如图5所示。

图5 E2PROM存储器与MCU的连接

1.6 终端日历时钟的设计方案

终端时钟是系统设计的一个重要部分，终端的诸多操作均以该时钟为基准，包括状态信息的记录、历史数据查询和远程控制等，要求设计一个可靠且实用的时间基准。

本终端采用Xicor公司的X1226RTC芯片来设计终端日历，X1226是一个带有时钟日历两路报警512×8位的E2PROM振荡器补偿和电池切换的实时时钟，它以秒、分、时、日、星期、月和年为单位跟踪时间，具有闰年校正和对2000年问题及小于31天的月自动调整的功能。在备用电池供电下，可保证主电源掉电后时钟芯片的RTC仍可正常工作。它采用标准的I2C接口方式，非常方便与带I2C接口MCU进行通信，其独特的软件校准功能不仅节省硬件成本，消除了硬件方式校准中因校准元器件老化因素带来的时间误差，极大程度上提高了RTC的准确性和可靠性。

X1226采用标准的I2C接口，C8051F02X也配置了标准的I2C接口，因此X1226可以直接与C8051F02X连接。X1226与MCU的连接如图6所示。

图6 X1226封闭图与MCU的接口电路

1.7 GPRS通信电路

GRPS通信电路主要由电源电路、GPRS模块、SIM接口电路和串行接口电路部分构成。其核心部分是GPRS模块，比较成熟的有Wavecom的Q24系列与SIMCOM的SIM300系列模块，它们均支持GSM和GPRS两种模式。模块的主要电路如图7所示。

图7 GRPS模块的外围接口电路

2 系统的软件设计

软件系统由底层驱动以及应用软件组成。监控终端系统软件系统具有数据量采集、处理和存储，远程通信和系统管理等功能，能实现现场各种数据的现场处理与远程传输应用。另外，还可以利用GPRS通道实现系统应用系统的远程更新等扩展功能。具体包括以下功能模块：数据采集模块（A／D）；开关量输入数据采集模块；开关量输出模块；数据库管理模块（包括数据查询和RTC管理）；通信模块；系统升级模块（扩展功能，需MCU的支持）。

3 结论

远程监控技术在工业控制领域中的应用非常广泛，本文对远程监控系统的硬件电路组成做了详细的介绍，提出了基于GPRS远程监控系统的总体设计方案，在电力系统、石油勘测、水利、交通运输等领域有着非常重要的作用，采用GPRS技术使得无线监控系统的实时性、可靠性有了很大的提高，进一步促进了工业监控系统的智能化和信息化。