基于公用电话网的远程监控系统.docx
- 文档编号:10945541
- 上传时间:2023-02-23
- 格式:DOCX
- 页数:80
- 大小:303.71KB
基于公用电话网的远程监控系统.docx
《基于公用电话网的远程监控系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于公用电话网的远程监控系统.docx(80页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于公用电话网的远程监控系统
基于公用电话网的远程监测系统设计
摘要
本文阐述了基于公用电话网的空气质量参数远程监测系统的下位机设计方法及其软硬件的实现过程。
该系统利用成熟的单片机技术,以微控制器AT89S8252作为主要控制器件,并通过扩展相关的外围电路以及采用模块化的软件设计完成了能在远程无人职守的情况下工作的空气质量参数监测系统。
该系统硬件主要包括CPU模块、数据采集模块、液晶显示模块、MODEM通信模块和程序下载等几个模块。
CPU模块主要由微控制器AT89S8252构成主控器件,完成对整个系统的控制作用。
数据采集模块主要功能是将两路模拟输入信号转换成数字信号,由于使用了功能强大的AD7705转换芯片,使得该模块还具有滤波功能,滤除工频噪声的干扰。
液晶显示模块主要是将A/D转换后的数据显示出来,以便观察。
MODEM通信模块的主要功能是将采集到的数据通过RS-232C串行通信传送给上位机。
程序下载模块采用了灵活、方便的ISP编程模式,能将调试好的程序方便、快捷的下载到单片机的FLASH程序存储器中,也为系统的在线升级提供了方便。
该系统的软件主要由主模块、数据采集模块、显示模块及通信模块等几个部分组成,主模块为核心,管理其他3个子模块。
另外在主模块和通信模块中,在适当的位置插入软件看门狗模块来监视系统的运行状态,以防通信死锁等意外情况导致下位机瘫痪,实现下位机在软故障条件下的自恢复。
设计完成的系统可以对空气中的两路模拟量(即二氧化硫和二氧化氮)进行自动监测。
关键词:
公用电话网;空气质量参数;远程监测;数据采集;下位机
TheDesignofRemoteMonitoringSystemBasedonPSTN
Abstract
ThispaperelaboratesthedesignmethodofthelowerpositioncomputerofairqualityparametermonitoringsystembasedonPSTNanditssoftwareandhardwarerealization.Thissystem,whichworksundertheremotenobody-watchcondition,useswell-roundedMCUtechnologyandtakesmicro-controllerAT89S8252chipastheprimarycontrollerwiththeexpansionofrelatedperipheralcircuitsandadoptingthesoftwaredesignofmodulization.
ThesystemmainlyincludestheCPUmodule,dataacquisitionmodule,LCDmodule,MODEMcommunicationmoduleandprogramdownloadingmodule,etc.
TheCPUmodulemainlyusesthemicro-controllerAT89S8252toconsistofthehostcontroldeviceinordertoperformthewholesystemcontrolaction.Themainfunctionofthedataacquisitionmoduleistoconverttwochannelsanaloginputsintodigitalsignals.TheuseofthepowerfulAD7705transformationchipenablesthismoduletohavethefilterfunctionwhichcanfiltertheindustrialfrequencynoise.ThemainfunctionoftheLCDmoduleistodisplaytheresultdataofA/Dconverter,whichcanbeeasilyobserved.ThemainfunctionoftheMODEMcommunicationmoduleistotransmittheacquireddatatotheuppercomputerbytheserialcommunicationofRS-232C.TheflexibleandconvenientISPprogrammingpatternisadoptedintheprogramdownloadingmodule,whichcanconvenientlyandquicklydownloadthedebuggedprogramtoMCU'sFLASHprogrammemory,andisalsoconvenientforthesystemtoupdateon-line.
Thesoftwareofthesystemismainlycomposedofmainmodule,dataacquisitionmodule,displaymoduleandcommunicationmodule,etc.Thecoremoduleofthesystemisthemainmodulewhichmanagestheotherthreesub-modules.Inordertoavoidthecommunicationdeadlockandothercontingencieswhichleadtobreakdownthelowercomputerandachievingauto-recoveryinthesoftwarefailure,moreover,asoftwarewatchdogmoduleisinsertedtomonitortherunningconditionsofthesysteminthemainmoduleandthecommunicationmoduleinsuitablesites
Thecompletedsystemcanautomaticallymonitortwoanalogparameters(includeSO2andNO2)inair.
Keywords:
PSTN;Airqualityparameter;Remotemonitoring;Dataacquisition;Lowercomputer
不要删除行尾的分节符,此行不会被打印
目录
摘要……
Abstract
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2课题研究的意义及主要内容1
1.3课题研究所采用的技术路线2
第2章系统下位机的总体结构3
2.1基于公用电话网的远程监测系统总体结构框图3
2.2下位机的硬件框架及器件选择4
2.2.1下位机的硬件框架4
2.2.2器件选择原则4
2.3本章小结5
第3章系统下位机的硬件设计7
3.1CPU模块设计7
3.2时钟电路设计8
3.3人机界面设计9
3.3.1概述9
3.3.2接口信号说明10
3.3.3读写操作时序和RAM地址映射图11
3.3.4液晶显示模块接口电路设计11
3.4模拟量输入通道和开关量输入通道设计13
3.4.1AD7705概述13
3.4.2AD7705接口电路设计15
3.5MODEM通信接口设计16
3.5.1通信接口设计16
3.5.2多机通信17
3.6程序下载模块接口设计18
3.6.1AT89S8252单片机并行编程18
3.6.2AT89S8252单片机串行编程20
3.6.3复位电路设计21
3.6.4电源设计22
3.7本章小结22
第4章远程监测系统下位机的软件设计23
4.1下位机系统软件设计的重点23
4.2下位机的软件框架23
4.3软件主模块设计24
4.3.1主模块设计考虑因素及程序流程图24
4.3.2基于ASM51汇编语言的主模块设计24
4.3.3采用字符点阵液晶模块的显示模块设计28
4.3.4基于AD7705的数据采集模块程序设计29
4.3.5MODEM通信模块程序设计32
4.3.6基于软硬件看门狗的容错性设计34
4.4本章小结35
结论36
致谢37
参考文献38
附录A39
附录B55
附录C66
千万不要删除行尾的分节符,此行不会被打印。
在目录上点右键“更新域”,然后“更新整个目录”。
打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行
第1章绪论
1.1课题背景
自20世纪以来,随着微电子技术、通信技术和网络技术的飞速发展,远程检测技术和远程控制技术得到了广泛的应用。
例如:
大型设备的故障远程诊断,典型的如席梦思床垫衍缝机远程故障诊断系统;无人职守设备的状态远程监测,典型的如移动通讯基站电源的电压、电流及环境温度等参数的远程监测系统;远程控制,如工业废水的集污及排污控制系统;远程智能家电,如具有远程控制能力的空调,可以通过电话或因特网远程控制空调的开启与关闭、设定温度等。
空气质量参数远程监测系统的实现正是基于以上技术的不断发展而发展起来的。
空气质量远程监测系统是一套以智能仪器为核心的自动远程监测系统。
空气质量的自动监测系统一般采用湿法和干法两种方式来实现。
湿法的测量原理是库仑法和电导法等,需要大量试剂,存在试剂调整和废液处理等问题,操作繁琐、故障率高、维护量大,该法在日本应用较广,但自1996年起,日本在法定的测量方法中增加了干式测量原理,湿法现已处于淘汰阶段。
干法基于物理光学测量原理,使样品始终保持在气体状态,没有试剂的损耗,维护量较小,干法以欧美国家为主,代表了目前的发展趋势。
近年来,美国、法国等欧美国家均研制成功了基于常规光源的长光程吸收光谱仪器,并相继用于城市大气污染的常规监测中。
例如法国ESA公司推出的典型的SANON长光程测控系统,其特点是采用RS-232串行接口将每台仪器的所有数据通过MODEM用电话线与中心站计算机系统相连,随机配套的通讯软件可通过仿真数据采集器和仪器操作面板实现对子站的远程控制和诊断,与干法仪器设备组合可组成长光程与干法共存的混合系统,其特点是能在长光程主机故障时不影响其它参数的测量。
我国在二十世纪七十年代后期由北京分析仪器厂、沈阳分析仪器厂等厂家推出了一批库仑式湿法仪器;到了二十世纪八十年代中期,北京分析仪器厂又引进了美国MONITOR公司的88系列干法仪器的生产技术,随着该系列仪器的过时和淘汰,目前已无厂家生产:
进入二十一世纪后,沈阳东宇公司引进美国DASIBI公司的生产技术,开始组装基于干法的空气质量自动监测系统;河北先河公司则自主研制成功基于干法的空气质量自动监测系统,但这仍处于起步阶段,系统的各项性能指标还有待于进一步的提高和完善。
1.2课题研究的意义及主要内容
随着社会经济的快速发展和工业化水平的提高,我们在创造经济价值的同时也产生了不同程度的环境污染,面对日益严峻的大气污染,对大气质量及变化趋势进行实时、准确的大量监测,对污染源及其治理进行监督监测,是全国环境保护工作中最艰难的任务之一。
目前,我国许多城市都在开展环境空气质量日报或预报工作,开展这一工作的基本条件之一是必须建立环境空气质量自动监测系统。
由于国内目前的研发水平和能力有限,空气质不方便,往往与我国的具体实际情况结合不够,尤其是在系统结构、数据采集、远程控制与诊断方面同我们的实际要求相差较远。
为此本文将针对国内的实际情况,给出一个适合我国当前需要且适用的空气质量自动监测系统的设计方案及该系统下位机的具体实现过程。
目前空气质量监测污染物有三项,即二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物(飘尘)。
因此本文的目的是研制出一套可以自动测量空气中二氧化硫和二氧化氮含量的空气质量参数监测系统,其下位机设计所包含的主要内容是:
1.完成对二氧化硫和二氧化氮含量的测量;
2.具有自检、自动稳零等功能,以实现远程无人职守;
3.自动应答上位机呼叫并上传数据;
4.上、下位机远程通信方式的研究。
本系统硬件设计的关键是通信接口电路、模拟信号采样电路及满足无人职守要求的下位机控制电路的设计;软件设计的重点在于1)通信接口程序,关键是软件握手信号的处理;2)模拟/数字转换接口程序;3)主模块框架的构建;4)适应无人职守的系统可靠性设计。
1.3课题研究所采用的技术路线
根据上述设计要求,结合实际情况,对空气质量参数的远程监测系统采取如下所述的研究方法和技术路线:
本系统是以智能仪器为核心的自动监测系统,因此其整体性能的好坏在很大程度上取决于CPU的先进性和灵活性。
随着半导体、单片机技术的发展,陆续出现了不少增强型的CPU,高档的单片机层出不穷,特别是随着微电子技术和超大规模集成电路技术的发展,单片微型计算机以其体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独特的特点,在各个领域(如工业控制、家电产品、智能仪器仪表等)得到了广泛的应用,相关技术也越来越成熟。
基于以上原因,本系统采用成熟的单片机技术组成智能仪器的主控系统,围绕主控系统扩展相应的外围电路,以完成硬件设计要求,然后再编制与硬件电路相对应的软件程序[1]。
第2章系统下位机的总体结构
2.1基于公用电话网的远程监测系统总体结构框图
本远程监测系统实际上是空气质量参数的远程测量,被测参数包括SO2和NO2两路模拟量及四路开关量,要求能按定时和随机两种方式完成上述参数的测量并传送至上位系统;上、下位系统的距离应不受限制;系统具有自我恢复能力,真正实现远程无人职守。
根据空气质量远程监测系统的设计要求,整个监测系统采用上、下位主从结构设计,上位机为主叫方,下位机为被叫方。
上位机通过与下位机进行远程通信获取各下位机(子站)采集到的空气质量数据,然后根据国家环保总局有关空气质量检测的要求编制周报、时报等;下位机则分布在各检测点,负责采集空气质量数据。
本系统在多机通信过程中为下位机,需要完成对被测参数包括SO2和NO2的两路模拟量及四路开关量的采集,并且能按定时和随机两种方式完成上述参数的测量并传送至上位机系统。
由于被测参数的变化缓慢,对实时性要求不是很苛刻,因此采用PSTN形式实现远程呼叫和数据通信。
在远程监测系统中,通常是采用上下位的拓扑结构,而且下位机经常为无人职守形式,因此下位机的可靠运行就显得十分重要,这就对上下位机的可靠、安全通信提出了较高的要求。
远程监测系统中的通信采用的物理链路有:
1)现场总线形式,如CAN,RS-422/485等;2)Internet形式;3)PSTN(公用电话网)形式。
其中,现场总线形式受通信距离的约束,其远程能力有限,例如CAN总线的直接通信距离最大为10km(当速率在5kbps以下时);Internet形式虽在距离上不受限制,但对硬件和软件的要求较高,而采用无线方式,可靠性不高且受到环境和距离的限制。
因此,从目前的技术条件及通信距离、实时性、可靠性和安全性等诸多方面的综合考虑,利用现有的公用电话网,采用单片机驱动MODEM传输数据不失为一种有效的方法。
本系统就是基于以上所述的PSTN形式来设计的,其拓扑结构如图2-1所示[2]。
图2-1基于公用电话网的远程监测系统
2.2下位机的硬件框架及器件选择
2.2.1下位机的硬件框架
本系统硬件设计的关键是基于PSTN通信接口电路、模拟信号采样电路及满足无人职守要求控制电路。
按照功能规划和系统设计要求,确定本系统的硬件框架。
如图2-2硬件系统框图所示:
图2-2硬件系统框图
2.2.2器件选择原则
器件的选型应遵循两个原则:
首先是器件的性能要满足整个系统的要求;其次是在满足性能的基础上要尽可能低的降低成本。
考虑成本时不能单纯地只考虑器件的价格,还要考虑印刷电路板的加工成本、器件的加工成本以及整个系统的维护成本。
空气质量参数的远程监测系统的主要器件包括MCU,A/D转换器、液晶显示器以及通信器件。
作为整个系统的主控芯片,MCU的选择对整个系统其它部分的选择有很大的影响。
目前市场上的MCU种类繁多,从总线宽度来说,有8位机、16位机和32位机,并且每一种MCU又具有很多不同功能的型号。
就本系统而言,所选择的MCU主要考虑的是存储器的大小、类型以及是否具有ISP(在系统编程)功能。
存储器的大小应足够大,这样就不需要进行存储器扩展,有利于提高系统的稳定性。
此外,由于空气质量监测系统的某些需求还不确定,为了以后在使用中升级方便,因此选用具有ISP功能和带FLASH程序存储器的MCU是很有必要的。
在众多的单片机中,Atmel公司的AT89S8252就能够很好地满足以上要求,而且它内部还含有看门狗定时器(WDT),能满足系统无人职守条件下自恢复运行和监视系统运行状态的要求,这样可以节省不必要的外围电路开销,给系统设计带来了很大的方便。
在图中,微处理器采用AT89S8252,是基于以下原因:
1.内部含有看门狗定时器(WDT),能满足系统无人职守条件下自恢复运行和监视系统运行状态的要求;
2.片内带8KB的FLASH程序存储器和2KB的EEPROM数据存储器,不需要进行存储器扩展,有利于提高系统的稳定性;
3.电源电压范围宽,4.0~6.0V的工作电压,能在一定程度上抵御电源波动干扰,降低对电源的要求,有利于远程控制的实现。
由于系统的显示量大,同时从实现的方便性和经济性考虑,采用16×2字符液晶模块作为显示界面,同时降低系统功率消耗,满足系统长期连续不间断工作的条件。
系统电源要同时对MODEM和主控系统所有模块进行供电,外置有线MODEM的供电电压一般为+9V,系统主控线路和所有外围模块的电源电压采用+5V。
前者采用抗过压、过流的线性电源,既满足系统野外工作的高可靠性要求和模拟电路对电源纹波的要求,同时又满足有线MODEM抗雷击的要求。
由于9V与5V两者的压差为4V,因此完全可以采用ST7805简单地从+9V得到+5V,需要引起重视的是,必须为该芯片提供充足的散热条件保证连续工作需要。
模数转换芯片在选择上主要考虑以下几个方面;
1.转换精度要求;
2.转换速度要求;
3.接口方式;
4.性价比。
由于本系统涉及到两个被采集参数(非电量)的调整放大和数字化,并且需采集的参数变化缓慢,对转换速度要求不高,采样周期也没有特殊要求,因此选用了AD公司的AD7705模数转换接口芯片。
该器件具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能,以及低电压、低功耗等优点。
在数据显示方面,由于系统的显示量大,同时从实现方便性和经济性考虑,因此采用了16×2字符液晶模块作为显示界面,同时降低了系统功率消耗,满足系统长期连续不间断工作的要求。
远程监测系统的关键模块是通信模块,基于PSTN远程系统的关键则是调制解调器(MODEM)通信接口模块。
因此本系统选择了MAXIM公司生产的性能很好的MAX232A专用串行通信芯片,确保上位机和下位机能够顺利地以RS-232C方式进行通信[3]。
2.3本章小结
本章对基于公用电话网的远程监测系统下位机设计进行了总体的描述。
介绍了整个系统的拓扑结构,下位机的硬件框架及器件选择。
选用具有ISP功能和带FLASH程序存储器的AT89S8252,它内部还含有看门狗定时器(WDT),可以节省不必要的外围电路开销,给系统设计带来了很大的方便。
通信模块选择了MAXIM公司生产的性能很好的MAX232A专用串行通信芯片,确保上位机和下位机能够顺利地进行通信。
第3章系统下位机的硬件设计
3.1CPU模块设计
AT89S8252是Atmel公司推出的具有ISP功能的8位CMOS单片机,性能高、功耗低。
它使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,具有可串行下载的8KB的FLASH程序存储器和2KB的E2PROM数据存储器,与工业标准80C51指令集和引脚完全兼容,可通过SPI串行接口对片内存储器进行在系统编程。
该器件的电源电压范围宽,4.0V~6.0V的工作电压,能在一定程度上抵御电源的波动干扰,降低对电源的要求,有利于远程控制的实现。
在本系统的设计中,由于采用了功能强大的微控制器AT89S8252,使得外围电路的设计变得简单,没有使用专门的译码电路,因为微控制器的I/O口线较充裕,因此直接用微控制器的I/O口对外围器件的片选和其他信号线进行控制。
这样既减少了系统的不稳定性风险,提高了系统的可靠性,又减小了整个系统的体积、节约了成本[4]。
基于微处理器的模块电路如图3-1所示。
图3-1CPU模块电路图
在图中,为了适应LCD液晶模块的接口需要,在P0数据地址复用总线口上扩展了U3(74HC373)作为低八位地址锁存器,产生LCD模块读写所需驱动信号的输入信号A0、A1。
这是一种常规的LCD模块接口设计方案,但从系统的性价比考虑,U3显然有点过于浪费。
可以将U3去掉,而直接将P20、P21作为产生LCD模块读写所需驱动信号的输入信号A0、A1这也是一种可行方案,只是液晶模块的接口地址不同而已。
本系统采用的是前一种方案,如果采用第二种方案,则需要重新计算接口地址。
图中LCDIN为液晶模块地址选择口线。
系统采用MAX813L实现复位需要,由S1实现手动复位(主要用于调试期间的复位)。
由此实现的复位电路具有电源电压监测能力,即当电源电压低于4.65V时产生高电平复位信号,同时也具有上电复位能力。
由于AT89S8252内部含WDT,并不需要额外的喂狗信号;从减少口线占用考虑,放弃使用MAX813L内含的WDT。
在图中,CZ2为四路开关量输入口,CZ8为功能扩展预留口。
从图可知,系统的主频为6MHz,一方面保证满足系统对时间的要求,同时也考虑了可靠性的要求,即适当降低速度以提高抗干扰能力。
图中ADSCK、ADIO及ADRDY为模数转换接口信号;MODEM作为MODEM电源控制信号;LED为系统指示灯控制信号[5]。
3.2时钟电路设计
AT89S8252既可以使用片内的时钟振荡器,也可以使用外部时钟源。
在单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或者陶瓷振荡器一起构成了一个自激振荡器。
这种接法也就是使用CPU的内部时钟方式。
具体电路如图3-2所示。
外部时钟晶体以及电容构成了并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中,这时内部振荡器便自激振荡,可以用示波器观察到XTAL2引脚输出的正弦波。
对外接电容的值没有严格的要求,但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
外接晶体时,电容值常选为30pF左右;外接陶瓷谐振器时,电容值可选为47pF。
在设计印刷电路板时,晶体或者陶瓷谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近,以减少
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 公用 电话网 远程 监控 系统