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　1 GPRS簡介

　　GPRS 是通用無線分組業(yè)務(wù)的縮寫( General Packet Radio Service ) ,是介于移動通信第二代和第三代技術(shù)之間的一種過渡形式,通常稱為2.5G,目前通過升級GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn).GPRS 采用分組交換技術(shù), 按流量計費, 僅在實際傳送和接受數(shù)據(jù)時才占用無線資源, 從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù), 特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、點多分散、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸, 也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS 是一種新興的無線上網(wǎng)通訊技術(shù),它不但集中了其他幾種無線通訊方式的優(yōu)點,由于可與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)直接互通,有效提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)流量。此外,應(yīng)用GPRS通訊還可以實現(xiàn)抄表系統(tǒng)的實時在線。

　　2 主要功能模塊

　　GPRS通信模塊：目前GPRS模塊主要有Sony Ericsson的GR47/48模塊，西門子公司的 MC35系列模塊，WAVCOM公司的M1206B模塊。其中Sony Ericsson的GR47模塊含有完整的TCP/IP協(xié)議，可以直接使用相應(yīng)AT指令進行開發(fā)工作。

　　GR47是Sony/Errison公司推出的一款內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GSM /GPRS模塊,內(nèi)嵌CPU 可以開放給用戶,省去外掛MCU,開發(fā)容易, 節(jié)省成本; GR47 具有豐富的存儲資源, 44KB 的程序/64KB 的數(shù)據(jù)Flash空間, 25KB RAM,豐富的功能庫,能滿足大多數(shù)用戶的應(yīng)用要求,從而使利用GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸變得非常容易。GR47對外有3個串口,其中串口1作AT指令通道或程序下載用,串口2主要用于調(diào)試程序,串口3為通用232 口,可以連接其他外部設(shè)備,另外還有I2C、SPI總線和8根I/O線。

　　GR47模塊有兩種工作方式,一種是內(nèi)部控制器方式,即直接利用模塊內(nèi)嵌的CPU 和開放的系統(tǒng)資源,將應(yīng)用程序下載到模塊中使用,腳本在模塊本身的內(nèi)部控制器中運行,腳本運行的時候模塊可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)并對其進行處理;另一種方式是外部控制器方式,即將模塊嵌入到用戶的系統(tǒng)中使用,外掛處理器對其進行操作控制,腳本在外部微控制器中運行。本次設(shè)計應(yīng)用到第二種工作方式，將微控制器NEC78F0547和GR47模塊結(jié)合起來,從微處理器通過UART1向GR47發(fā)送AT指令。數(shù)據(jù)通過GR47發(fā)送到遠端的服務(wù)器上。

　　3 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　3.1總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示，,整個系統(tǒng)由計量模塊、MCU、存儲模塊、通信模塊、顯示模塊、上位機軟件六部分組成。計量模塊主要包括珠海炬力公司的三相電能計量芯片ATT7022B以及外圍取樣電路,計算電流有效值、電壓有效值、實時功率、平均功率等;MCU采用NEC公司的8位微控制器UPD78F0547,寫入程序上電后自動執(zhí)行,負責完成電量、參數(shù)保存,遠程、本地通信等;存儲單元EEP2ROM用來存儲電表參數(shù)、當前/歷史有功無功電量等數(shù)據(jù);通信單元GPRS模塊(GR47)完成與中心站的遠程通信, RS485和紅外口完成表的本地通信;液晶顯示單元顯示電量信息, 實時顯示電能表運行狀態(tài)，各種電量的計量值。電能表液晶在平時處于循環(huán)顯示狀態(tài), 可通過編程選取其中所需的項目進行循環(huán)顯示;上位機軟件完成對遠程電表的實時監(jiān)控、電量讀取、用電分析等功能。

　　圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3.2　電能計量

　　ATT7022B是一顆高精度三相電能專用計量芯片，集成了六路二階Sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路;還提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。

　　計量功能主要由該芯片完成，分時計量正、反向有功電能, 正、反向及四象限無功電能。分別計量總計及四個費率的正、反向有功最大需量以及最大需量出現(xiàn)時間, 并可根據(jù)編程所設(shè)置的清需量日把最大需量及最大需量出現(xiàn)時間結(jié)算為本月數(shù)據(jù)及上月數(shù)據(jù);最大需量計量為滑差步進式, 積分時間為1-60m in 可設(shè)置, 滑差時間可在1-60m in 之間任意設(shè)置。電流和電壓采樣信號送到電能計量芯片,信號先經(jīng)過芯片的ADC轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,然后將電流、電壓數(shù)字信號送入乘法器計算生成電量,脈沖送到CPU計數(shù)通道。CPU 經(jīng)過多種運算完成電量、需量、計費等多種計量工作,執(zhí)行控制功能及信息傳輸功能。

　　3.3 微控制器(MCU)

　　UPD78F0547具有片上調(diào)試的功能;運行溫度范圍大，在-400C到+850C;71條雙向輸入輸出口線,且每條均可單獨做I/ O 的控制;內(nèi)部只讀存儲器ROM為128KB，且采用CMOS 電路,功耗低。其最主要的特點是具有雙時鐘，掉電后仍然可以正常工作。UPD78F0547的以上特點,使得它特別適合于應(yīng)用在本電能表中。

　　微控制器是整個系統(tǒng)的核心。微控制器定時從電能計量模塊中取出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過修正運算以后送入電量累加單元，同時根據(jù)修正后的數(shù)據(jù)計算出功率、電壓、電流、功率因素等參數(shù)，并計算出統(tǒng)計量，如斷相欠壓累計時間、累計次數(shù)、電能表累計工作時間等，并將這些數(shù)據(jù)存入非易失存儲器中，以供顯示和查詢。同時，微控制器檢測電源電壓報警信號，如發(fā)現(xiàn)電壓低至門檻以下，立即進行現(xiàn)場保護，將運行數(shù)據(jù)存入EEPROM。

　　3.4系統(tǒng)通信：

　　3.4.1上位機網(wǎng)絡(luò)連接

　　上位機接入GPRS網(wǎng)的方式很多,可以采用GPRS無線上網(wǎng)卡(PC I卡)、GPRS無線MODEM (RS232 接口或USB 口) 、ADSL 接入、DDN 專線等方式,不管采用哪種方式都必須固定服務(wù)器端的IP地址和偵聽端口號,在接入網(wǎng)絡(luò)后要一直保持在線。本次設(shè)計中使用RS232 接口接入。下位機(電表)工作后會主動與服務(wù)器建立一個TCP連接,告知服務(wù)器自己的表號、IP地址以及端口號,服務(wù)器收到后將其加到動態(tài)地址數(shù)據(jù)庫中,服務(wù)器自動定時刷新數(shù)據(jù)庫以確定哪些表還掛在網(wǎng)絡(luò)上,再根據(jù)管理員設(shè)定的自動抄表時間對連接在網(wǎng)絡(luò)上的電表進行數(shù)據(jù)讀取、校時等操作。

　　3 軟件設(shè)計

　　采用模塊化設(shè)計思想，單片機軟件設(shè)計主要包括主程序、初始化程序、ATT7022B復(fù)位程序、SPI通信程序、數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)發(fā)送程序。系統(tǒng)還包括3 個中斷程序：ATT7022B異常判定中斷程序、定時中斷程序和串口通信中斷程序。

　　4 結(jié)束語

　　以STC89C51單片微處理器為核心，利用專用計量芯片ATT7022B的電能計量能力實現(xiàn)對有功、無功、視在功率、雙向有功和四象限無功電能，以及電壓和電流有效值、相位、頻率等電參數(shù)的準確測量。電表的線路設(shè)計簡單、計量精度高。此電表目前已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，運行良好