李科蕾

(儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中北大學(xué))和電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，山西 太原 030051;中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院2，山西 太原 030051)

具有GPS時(shí)鐘電路的數(shù)據(jù)集中器研究

李科蕾1，2

(儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中北大學(xué))和電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，山西 太原 030051;中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院2，山西 太原 030051)

具有GPS時(shí)鐘電路的數(shù)據(jù)集中器，主要由雙CPU數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸電路、軟件狗電路、電壓監(jiān)控電路、調(diào)制解調(diào)器和GPS時(shí)鐘電路組成。給出了雙CPU電路和軟件狗電路的工作原理圖，介紹了采用GPSOEM接收板的日期與時(shí)間電路的設(shè)計(jì)思路和編程方法。該數(shù)據(jù)集中器已應(yīng)用于基于公用電話網(wǎng)的配變參數(shù)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。

GPS時(shí)鐘電路 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)集中器 公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)

0 引言

為了解決對(duì)配電變壓器低壓測(cè)的電壓、電流、功率和功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，人們開(kāi)發(fā)了配電變壓器運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀和配電變壓器運(yùn)行參數(shù)管理系統(tǒng)。

供電部門(mén)獲取各監(jiān)測(cè)儀中的數(shù)據(jù)主要有兩種方法:一是人工抄表，此法工作量大且不具有實(shí)時(shí)性［1-2］;二是通過(guò)專用線、以太網(wǎng)等自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)［3-6］，這種方法的抄表成本太大且數(shù)據(jù)的接收受到設(shè)備和線路的限制。

對(duì)此，我們采用數(shù)據(jù)集中器加電話線的辦法來(lái)降低抄表成本，提高抄表的自動(dòng)化程度和讀表的實(shí)時(shí)性。該方法可以利用數(shù)據(jù)集中器接收GPS的日期和時(shí)鐘信號(hào)［7-8］，校正每臺(tái)監(jiān)測(cè)儀的日期和時(shí)間，確保了每臺(tái)監(jiān)測(cè)儀日期和時(shí)間的一致性，提高了分析和處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為供電部門(mén)配電網(wǎng)的改造、設(shè)備的增容等決策提供了更加科學(xué)的依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)集中器的組成

具有GPS時(shí)鐘電路的配電參數(shù)監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)集中器，主要用于基于公用電話網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要由N臺(tái)配電參數(shù)監(jiān)測(cè)儀、配電參數(shù)監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)集中器、電話和抄表(T＆M)分時(shí)復(fù)用器、公用電話網(wǎng)(PSTN)和計(jì)算機(jī)等組成。其中，配電參數(shù)監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)集中器主要由主控電路(雙CPU數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸電路)、GPS時(shí)鐘電路、調(diào)制解調(diào)器、電壓監(jiān)控電路和軟件狗電路五大部分組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)集中器原理框圖Fig.1 Principle of the data concentrator

在雙CPU數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸電路中，其中一個(gè)CPU用于定時(shí)讀取并存儲(chǔ)各配電參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)，另一個(gè)CPU用于完成與上位計(jì)算機(jī)的通信。軟件狗電路由一片NE556構(gòu)成，通過(guò)不同的電阻和電容決定雙CPU軟件狗延時(shí)常數(shù)。GPS時(shí)鐘電路用于校對(duì)各監(jiān)測(cè)儀的日期和時(shí)間。電壓監(jiān)控由一片MAX708完成。

2 雙CPU工作原理

主控電路的工作原理圖如圖2所示。

圖2 主控電路的工作原理圖Fig.2 Operational principle of the main control circuit

主控電路有2片CPU，主CPU選用AT89C51，通過(guò)外接調(diào)制解調(diào)器、T＆M分時(shí)復(fù)用器和PSTN與管理計(jì)算機(jī)連接，用于處理上行信道的數(shù)據(jù)傳送;從CPU選用AT89C52，通過(guò)與門(mén)和MAX485(圖中未給出)，與GPS-OEM板和各監(jiān)測(cè)儀連接，用于讀取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘和處理下行信道的數(shù)據(jù)傳送。從CPU的外部計(jì)數(shù)器0與外接的GPS-OEM板的每秒1個(gè)脈沖輸出端連接。主、從CPU通過(guò)地址鎖存器74HC373-2和74HC373-4交換數(shù)據(jù)。

主CPU根據(jù)計(jì)算機(jī)的命令進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)接到抄表命令時(shí)，主CPU把集中器中所有數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī);當(dāng)接到讀當(dāng)前值命令時(shí)，主CPU把此命令與從CPU進(jìn)行交換。從CPU根據(jù)命令要求實(shí)時(shí)采集某監(jiān)測(cè)儀的三相電壓、三相電流和三相功率因素值，并與主CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主CPU將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)。相應(yīng)的流程圖如圖3所示。

圖3 主CPU控制程序流程圖Fig.3 Flowchart of the main CPU control program

3 軟件狗電路工作原理

軟件狗電路的工作原理圖如圖4所示。

圖4 軟件狗電路的工作原理圖Fig.4 Principle of the dongle circuit

由圖4可以看出，軟件狗電路采用NE556(圖4中的U9A和 U9B)實(shí)現(xiàn)。電阻 R11、電解電容 C2決定AT89C52的軟件狗延時(shí)常數(shù);電阻R12、電解電容C1決定AT89C51的軟件狗延時(shí)常數(shù);電壓監(jiān)控電路由一片MAX708完成。

4 GPS時(shí)鐘電路的組成和軟件

GPS-OEM板采用Thales-nacigation公司的A12GPSOEM接收板，其輸出數(shù)據(jù)的邏輯電平為T(mén)TL。本應(yīng)用中從CPU的RXD、TXD和計(jì)數(shù)器T0引腳分別與A12GPSOEM接收板的TXD、RXD和1PPS引腳連接。

接收板的GPS定位信息串行輸出格式采用美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NMEA-0183通信標(biāo)準(zhǔn)格式［9-10］，其輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼，數(shù)據(jù)格式設(shè)置為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，輸出默認(rèn)波特率為4 800 bit/s。

對(duì)于GPS-OEM接收板，常用語(yǔ)句有6種:GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。本研究采用 GPRMC最小定位信息來(lái)獲得所需信息。

GPRMC語(yǔ)句的結(jié)構(gòu)為:

MYMGPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞，*hh

其中，“GP”為交談識(shí)別符，“RMC”為語(yǔ)句識(shí)別符;“*”為檢驗(yàn)和識(shí)別符;“hh”為校驗(yàn)和，它們代表了“MYM”與“*”之間但不含這兩個(gè)字符的所有字符按位異或的結(jié)果;＜1＞為UTC時(shí)間，格式為hhmmss(時(shí)分秒)，＜9＞為UTC日期，格式為ddmmyy(日月年)。如GPS輸出的一組數(shù)據(jù)為“MYMGPRMC，140736.00，A，3800.9040，N，11236.5364，E，00.0，355.6，121106，04，W，D*3B”，則我們從中可以知道它給出的日期為2006年11月12日，它給出的時(shí)間為14時(shí)07分36.00秒［9］。

從CPU的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0設(shè)置為計(jì)數(shù)器，記錄GPS-OEM接收板脈沖個(gè)數(shù)，60個(gè)脈沖數(shù)為1 min。從CPU每分鐘讀一次GPS，讀的過(guò)程禁止主從CPU交換數(shù)據(jù)，然后判斷是否為零時(shí)零分，如果是，則需要對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行時(shí)鐘校正，同時(shí)要讀取各個(gè)監(jiān)測(cè)儀一天的整點(diǎn)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。從CPU讀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)程序流程圖如圖5所示。

圖5 讀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)程序流程圖Fig.5 Flowchart of the read clock and data program

為了讀取時(shí)間和日期信號(hào)，程序設(shè)計(jì)中首先要識(shí)別時(shí)間信號(hào)的標(biāo)志位MYMGPRMC，然后根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。

接收的數(shù)據(jù)需進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，即把原始的ASCII碼轉(zhuǎn)為BCD碼;另外，GPS所給時(shí)間為格林尼治時(shí)間，要轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間還需在小時(shí)位上加8 h。當(dāng)然還要考慮對(duì)年、月和日期的影響，同時(shí)還要注意這種轉(zhuǎn)換對(duì)平年和閏年在二月份的影響［9-11］。

5 結(jié)束語(yǔ)

具有GPS時(shí)鐘電路的數(shù)據(jù)集中器，是基于雙單片機(jī)AT89C52、AT89C51和雙數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256、628128以及GPS時(shí)鐘電路構(gòu)成的數(shù)據(jù)集中器，利用單片機(jī)AT89C52提取GPS時(shí)鐘電路的高精度時(shí)鐘信號(hào)，并將該時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)用于基于公用電話網(wǎng)的配變參數(shù)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)集中器定時(shí)把每臺(tái)監(jiān)測(cè)儀的日測(cè)量數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)，并根據(jù)上位計(jì)算機(jī)的命令傳送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

實(shí)踐證明，該數(shù)據(jù)集中器能定時(shí)把標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘信息群發(fā)到每個(gè)監(jiān)測(cè)儀，并修正各監(jiān)測(cè)儀的時(shí)鐘信號(hào)，從而保證了各監(jiān)測(cè)儀測(cè)試數(shù)據(jù)的時(shí)間同步，提高了上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，保證了數(shù)據(jù)分析的一致性和準(zhǔn)確性。該方法也可以應(yīng)用于其他需要自動(dòng)統(tǒng)一時(shí)間的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

［1］張志偉.基于PTR200的電力無(wú)線手持抄表系統(tǒng)［J］.電測(cè)與儀表，2004，41(463):56-58.

［2］范迪，呂常智.射頻模塊PTR8000在無(wú)線抄表中的應(yīng)用［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2007，33(2):26-28.

［3］王益祥，牛江平.遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)的研究［J］.自動(dòng)化儀表，2011，32(3):4-7.

［4］劉有珠，李舒亮，朱杰斌.基于GPRS的低壓配電網(wǎng)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29(5):123-125.

［5］劉曉勝，李貴嬌，戚佳金.一種基于FPGA的新型電力線跳頻通信系統(tǒng)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29(3):110-114.

［6］葉水春，柳軍，劉曼.利用DTMF信號(hào)傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29(5):123-125.

［7］王卿，宋鐵成，奉媛.基于GPS技術(shù)進(jìn)行精確授時(shí)的方法［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(4):34-38.

［8］陳小橋，周水斌，王敏，等.基于GPS的變電站用時(shí)鐘的研制［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2001，27(12):1-3.

［9］蘭洋，鄭高群.利用OEM模板設(shè)計(jì)基于89C52的GPS同步時(shí)鐘［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2001(7):82-84.

［10］楊占偉，張文棟，楊偉，等.基于ATmega128的GPS時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)信息，2007，23(12-2):117-118.

［11］蔣益鋒，胡琳娜.基于GPRS無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2007(16).

Study on the Data Concentrator with GPS Clock Circuit

The data concentrator with GPS clock circuit mainly consists of dual-CPU data acquisition，storage and transmission circuits，dongle circuit，voltage monitoring circuit，modem and GPS clock circuit.The operational principles of dual-CPU circuit and dongle circuit are given，and the design concept and programming method of date and time circuit using GPS OEM receiver board are introduced.This data concentrator has been used in remote distribution transformation parameters remote meter reading system based on public switched telephone network.

GPS clock circuit Real-time monitoring Data acquisition Data concentrator Public switched telephone network(PSTN)

TM915+.3

A

修改稿收到日期:2011-08-17。

作者李科蕾(1966-)，女，現(xiàn)為中北大學(xué)測(cè)控技術(shù)專業(yè)在讀博士研究生，副教授;主要從事電子儀器及測(cè)控技術(shù)的研發(fā)工作。