李科蕾

(儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室(中北大學)和電子測試技術(shù)國家重點實驗室1，山西 太原 030051;中北大學信息與通信工程學院2，山西 太原 030051)

具有GPS時鐘電路的數(shù)據(jù)集中器研究

李科蕾1，2

(儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室(中北大學)和電子測試技術(shù)國家重點實驗室1，山西 太原 030051;中北大學信息與通信工程學院2，山西 太原 030051)

具有GPS時鐘電路的數(shù)據(jù)集中器，主要由雙CPU數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸電路、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接收板的日期與時間電路的設(shè)計思路和編程方法。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)遠程抄表系統(tǒng)。

GPS時鐘電路 實時監(jiān)測 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

為了解決對配電變壓器低壓測的電壓、電流、功率和功率因數(shù)等運行參數(shù)的實時監(jiān)測，人們開發(fā)了配電變壓器運行參數(shù)自動監(jiān)測儀和配電變壓器運行參數(shù)管理系統(tǒng)。

供電部門獲取各監(jiān)測儀中的數(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時性［1-2］;二是通過專用線、以太網(wǎng)等自動讀取數(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。

對此，我們采用數(shù)據(jù)集中器加電話線的辦法來降低抄表成本，提高抄表的自動化程度和讀表的實時性。該方法可以利用數(shù)據(jù)集中器接收GPS的日期和時鐘信號［7-8］，校正每臺監(jiān)測儀的日期和時間，確保了每臺監(jiān)測儀日期和時間的一致性，提高了分析和處理數(shù)據(jù)的準確性，為供電部門配電網(wǎng)的改造、設(shè)備的增容等決策提供了更加科學的依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)集中器的組成

具有GPS時鐘電路的配電參數(shù)監(jiān)測儀數(shù)據(jù)集中器，主要用于基于公用電話網(wǎng)的遠程抄表系統(tǒng)。遠程抄表系統(tǒng)主要由N臺配電參數(shù)監(jiān)測儀、配電參數(shù)監(jiān)測儀數(shù)據(jù)集中器、電話和抄表(T＆M)分時復用器、公用電話網(wǎng)(PSTN)和計算機等組成。其中，配電參數(shù)監(jiān)測儀數(shù)據(jù)集中器主要由主控電路(雙CPU數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸電路)、GPS時鐘電路、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、存儲和傳輸電路中，其中一個CPU用于定時讀取并存儲各配電參數(shù)監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)，另一個CPU用于完成與上位計算機的通信。軟件狗電路由一片NE556構(gòu)成，通過不同的電阻和電容決定雙CPU軟件狗延時常數(shù)。GPS時鐘電路用于校對各監(jiān)測儀的日期和時間。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，通過外接調(diào)制解調(diào)器、T＆M分時復用器和PSTN與管理計算機連接，用于處理上行信道的數(shù)據(jù)傳送;從CPU選用AT89C52，通過與門和MAX485(圖中未給出)，與GPS-OEM板和各監(jiān)測儀連接，用于讀取標準時鐘和處理下行信道的數(shù)據(jù)傳送。從CPU的外部計數(shù)器0與外接的GPS-OEM板的每秒1個脈沖輸出端連接。主、從CPU通過地址鎖存器74HC373-2和74HC373-4交換數(shù)據(jù)。

主CPU根據(jù)計算機的命令進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送。當接到抄表命令時，主CPU把集中器中所有數(shù)據(jù)傳送給計算機;當接到讀當前值命令時，主CPU把此命令與從CPU進行交換。從CPU根據(jù)命令要求實時采集某監(jiān)測儀的三相電壓、三相電流和三相功率因素值，并與主CPU進行數(shù)據(jù)交換，主CPU將實時采集的數(shù)據(jù)送給計算機。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)實現(xiàn)。電阻 R11、電解電容 C2決定AT89C52的軟件狗延時常數(shù);電阻R12、電解電容C1決定AT89C51的軟件狗延時常數(shù);電壓監(jiān)控電路由一片MAX708完成。

4 GPS時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TTL。本應(yīng)用中從CPU的RXD、TXD和計數(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國家海洋電子協(xié)會制定的NMEA-0183通信標準格式［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個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位，無奇偶校驗，輸出默認波特率為4 800 bit/s。

對于GPS-OEM接收板，常用語句有6種:GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。本研究采用 GPRMC最小定位信息來獲得所需信息。

GPRMC語句的結(jié)構(gòu)為:

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

其中，“GP”為交談識別符，“RMC”為語句識別符;“*”為檢驗和識別符;“hh”為校驗和，它們代表了“MYM”與“*”之間但不含這兩個字符的所有字符按位異或的結(jié)果;＜1＞為UTC時間，格式為hhmmss(時分秒)，＜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，它給出的時間為14時07分36.00秒［9］。

從CPU的定時器/計數(shù)器T0設(shè)置為計數(shù)器，記錄GPS-OEM接收板脈沖個數(shù)，60個脈沖數(shù)為1 min。從CPU每分鐘讀一次GPS，讀的過程禁止主從CPU交換數(shù)據(jù)，然后判斷是否為零時零分，如果是，則需要對各個監(jiān)測儀進行時鐘校正，同時要讀取各個監(jiān)測儀一天的整點數(shù)據(jù)并存儲。從CPU讀時鐘和數(shù)據(jù)程序流程圖如圖5所示。

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

為了讀取時間和日期信號，程序設(shè)計中首先要識別時間信號的標志位MYMGPRMC，然后根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)篩選。

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

5 結(jié)束語

具有GPS時鐘電路的數(shù)據(jù)集中器，是基于雙單片機AT89C52、AT89C51和雙數(shù)據(jù)存儲器62256、628128以及GPS時鐘電路構(gòu)成的數(shù)據(jù)集中器，利用單片機AT89C52提取GPS時鐘電路的高精度時鐘信號，并將該時鐘信號應(yīng)用于基于公用電話網(wǎng)的配變參數(shù)遠程抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)集中器定時把每臺監(jiān)測儀的日測量數(shù)據(jù)集中存儲，并根據(jù)上位計算機的命令傳送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

實踐證明，該數(shù)據(jù)集中器能定時把標準的時鐘信息群發(fā)到每個監(jiān)測儀，并修正各監(jiān)測儀的時鐘信號，從而保證了各監(jiān)測儀測試數(shù)據(jù)的時間同步，提高了上位機的數(shù)據(jù)處理能力，保證了數(shù)據(jù)分析的一致性和準確性。該方法也可以應(yīng)用于其他需要自動統(tǒng)一時間的自動檢測系統(tǒng)。

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

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

［3］王益祥，牛江平.遠程無線抄表系統(tǒng)的研究［J］.自動化儀表，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)實時管理系統(tǒng)［J］.電力自動化設(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］.電力自動化設(shè)備，2009，29(3):110-114.

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

［7］王卿，宋鐵成，奉媛.基于GPS技術(shù)進行精確授時的方法［J］.電氣電子教學學報，2007，29(4):34-38.

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

［9］蘭洋，鄭高群.利用OEM模板設(shè)計基于89C52的GPS同步時鐘［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時鐘設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機信息，2007，23(12-2):117-118.

［11］蔣益鋒，胡琳娜.基于GPRS無線遠程抄表系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(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)為中北大學測控技術(shù)專業(yè)在讀博士研究生，副教授;主要從事電子儀器及測控技術(shù)的研發(fā)工作。