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基於ARM和ST7540的城市路燈監控終端設計
TopSemi Electronics Design Land - GPRS路燈系統
摘 要:本文給出了一種電力載波通信與GPRS無線通信相結合的、嵌人式的城市路燈監控終端的設計方案，探討了該方案設計中所解決的主要問題。實現了基於LPC2134、電力載波晶片ST7540和GPRS模組M20的嵌人式監控終端，移植了u C/OS_II 作為即時操作系統，並對軟體系統中的主要模組作了分析。
關鍵字:嵌人式系統;“C/OS- II ;ST7540;GPRS;監控終端
1 引言
隨著城市建設的飛速發展和社會文明的進步，城市面貌發生了前所未有的變化，同時人民生活水平也提高到了一個新的高度，對美好生活環境的追求更加迫切。美麗的城市燈光讓人更加Jb曠神怡，同時營造出現代城市科學和藝術完美結合的照明效果，樹立城市的品牌形象，所以城市燈光的規模和質量已成為城市現代化水平的標誌之一。城市路燈照明是城市公共用電的重要部分，因此節約電能和方便管理成為一項重要的課題，也是建設節約型社會所必須的。
城市路燈遠端監控系統是由主控中心、一級監控終端、二級監控終端組成，系統總體框圖如圖1所示。系統各部分的通信聯繫是這樣實現的。主控中心與一級控制終端之間是通過GPRS無線通信傳輸資料。採用移動通信公司提供的數位資料專網DDN(Digital Data Network)與GPRS網路相連，主控中心的主機採用固定IP位址，各個一級控制終端通過GPRS網路與主控中心主機進行通償uo(優點是它具有永遠線上、按資料流量計費、傳輸穩定等。)一級控制終端與二級終端之間是通過電力線作為傳輸載體，採用單項PLC電力載波技術實現通信聯繫。這樣無需再鋪設專用通信線路，節約費用。整個系統中一級控制終端涉及到軟硬體的結合，也是系統工作的主要部分，因此主要探討該終端的設計問題。
2 一級控制終端的硬體設計
在整個系統中，一級監控終端起到相當重要的作用。它是聯繫主控中心和二級控制終端的節點。該終端的任務:(1)完成對二級終端的信號傳輸與控制，獲取二級終端的各個電力參數，然後傳輸給主控中心。(2)處理與GPRS 塊的通訊，接收主控中心命令返回即時資料(3)監控該終端下的電力線上的電力運行清況。
該終端採用模組化設計，主要由ARM嵌人式微處理器、電力載波模組、GPRS通信模組、電力參數採集模組等組成。ARM嵌人式微處理器採用基於ARM7TDMI-S核的32位元單片機作為該終端的控制核心，可以集成以下幾個模組:
a.嵌人式系統控制模組。系統採用ARM架構的LPC2134處理器，採用64引腳封裝，支援16KB SRAM和128KB片上高速快閃記憶體，內置2個8路10位A/D轉換器共包含16個模擬輸人，移植u C/OS II作為即時操作系統，完成信號的採集、處理、發送以及控制。
b. GPRS無線通信模組。採用Motorola公司的M20模組，該模組內嵌TCP/IP協定和用戶資料報UDP協定，體積小，無需進行底層設計，從根本上解決了GPSR無線通信和資料傳輸終端的協定瓶頸和成本問題。該模組的主要任務就是將數據傳到主控中心伺服器，極大降低了遠端通信成本，實現路燈的即時控制與電力信號採集。
c. PLC電力載波模組。採用意法半導體公司新推出的電力載波晶片ST7540。它比現有ST7538尺寸更小、接腳數更少的28接腳封裝，集成了單端功率放大器，帶有可接人的輸人和輸出線，能和幾個外接信號元件一起使用，作為可調諧有源濾波器的一部分，提供優異的線性功率性能，提供了更大的設計靈活性，降低應用的元件數和成本。ST7540內部集成了發送和接收資料的所有功能，通過串口通訊，可以方便與微處理器相連接。內部具有電壓自動控制和電流自動控制功能，只要通過稠合變壓器等很少的部件就可以直接連接到電力線上。
結構圖如圖2所示:
ST7540與LPC2134處理器之間的資料交換是通過SPI口進行的。反映載波情況的載波信號 (CD/LP)與串列傳輸速率 (BU/THERM)分別與處理器相連。. LPC2134通過接受載波晶片的信號來監測其工作狀況。LPC2134與M20之間通信要經過MAX232E進行電平轉換。電力線介面要具有濾波功能 具體的介面電路圖可以見ST7540晶片說明。電力參數採集部分可以採集該終端下電力線的工作狀態如漏電、竊電、線路損壞等。電力參數採集部分由電流、電壓互感器、專用的IC採集晶片以及相關的介面電路組成。限於篇幅就不在此詳述。
首先進行作業系統的移植。移植u C/OS_ Il作業系統主要包括以下幾個部分:修改OS_CPU. H檔，該檔主要包含與編譯器相關的資料類型的定義、處理器實現開關中斷的方法、堆疊類型的定義和幾個巨集定義及函數說明;修改OS_CPU_C.C檔，用C語言實現堆疊初始化和幾個提供給用戶用於擴展作業系統功能的Hook函數;修改OS_CPU A .S檔，用於CPU相關的組合語言實現CPU開/關中斷、任務級的任務切換、中斷級的任務切換以及時鐘中斷程式。除了對上述檔進行移植修改外，還要編寫週邊設備的驅動程式，使得作業系統能夠完成對硬體的操作。
硬體連接完成後，在進行GPRS上網操作之前，首先要對GPRS模組進行一定的設置。主要的設置工作有:?設置通信串列傳輸速率，可以使用 AT十IPR=38400命令，把串列傳輸速率設為 38400b/s或其他合適的串列傳輸速率，默認的通信速度為9600b/s,?設置接人閘道，通過AT+CGDCONT=1, "IP" , "CMNET”命令進行設置GPRS接人閘道為移動夢網。?設置移動終端的類別，通過AT十CGCLASS= "B”設置移動終端的類別為B類，即同時監控多種業務;但只能運行一種業務，即在同一時間只能使用GPRS上網，或者使用GSM的語音通信。?測試GPRS服務是否開通，使用AT+CGACT=l命令啟動GPRS功能。如果返回OK，則GPRS連接成功;如果返回ERROR，則意味著GPRS失敗。這時
應檢查一下SIM卡的GPRS業務是否已經開通，GPRS模組天線是否安裝正確等問題。
LPC2134與ST7540之間的通信考慮到電力線載波通信的協議比較複雜，收發的各幀的長度可能不一樣，可以採用奇偶校驗f6l。而LPC2134與M20模組之間的通信是串口通信，分為命令幀、資料幀，每種幀的長度為定長，可以採用迴圈冗餘校驗CRC(Cyclic Redundancy Check/Code)。這樣可以保證在遠距離通信中高效而無差錯地傳送資料。可以把通信的工作分別用兩個單獨的通信任務來完成。一個負責串口通信廠一個負責電力線通信，其他所有的功能任務者M過消息郵箱和這兩個任務交換資料以完成通信。為保證及時接收資料這兩個任務的優先順序僅次於監視任務。通信資料的接收、發送、打包、拆包、正誤判斷、重發均由這兩個任務負責和相應的串口中斷和電力線外部中斷協調完成。串口通信任務由串口中斷程式通過消息量觸發啟動。電力線載波通信任務通過一個消息佇列與各個功能任務進行資料交換，通過消息量通知電力線外部中斷開始處理接收到的資料。
各個功能任務根據具體功能可劃分為接受發送電力載波信號，接受發送GPRS信號，電力參數採集任務，竊電、短路、斷路報警任務，顯示任務等。每個功能任務都有自己的流程和時序。需要通信資料時都只需在向相應的通信任務提出郵箱申請的同時做超時判斷。而具體的通信細節則不用處理，每個任務的超時判斷都利用P C/OS_ II的系統時間管理來實現。各個任務可以併發執行，各個任務之間用信號量進行同步並且保護共用資源。系統採用模組化設計，用C語言編寫，程式流程圖如圖3所示。這樣各個功能模組結構清晰，獨立，對系統得改進、升級都很有利。
4 結束語
利用ARM單片機、GPRS通信模組M20、電力載波模組ST7540以及P C/OS_ II即時操作系統等組成城市路燈遠端監控的一級控制終端，作者在實驗室進行了實驗，結果表明其具有運行穩定、資料傳輸安全可靠、造價較低、維護方便等優點，並且具有很強的擴展和升級空間。該一級終端的系統還可以作為遠端抄表、電力系統監控和其他遠端監控領域的有益借鑒。
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