CN101620777A - 远程抄表系统通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术，特别涉及一种面向电能集中抄表的复合式通信模块。本发明公开了一种远程抄表系统通信装置，本发明的远程抄表系统通信装置包括FPGA芯片和外围电路，其特征在于，所述FPGA芯片片内集成有片上CPU控制系统及功能模块；所述功能模块包括RS－232模块、RS－485模块、MAC模块、无线收发模块、电力线载波调制解调模块。本发明基于FPGA的SOC系统设计，集成了当今流行的数据通信传输手段，不仅包括了电力线载波传输、无线远程数据接收发送、以太网等通信手段，并且将这些模块的数字逻辑功能集成在一片FPGA中完成，通过外围的数模转换电路和接口电路，为现有的远程抄表系统提供灵活的数据通信手段。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术，特别涉及一种面向电能集中抄表的复合式通信模块。
背景技术
“一户一表，集中抄表，银行联网”已成为电能计量计费信息化的长期发展目标，这就决定了抄表系统的两个基本特点：系统数据采集点多，采集点具有分散性，数据量大；系统是一个覆盖面很广的通信网络。从常见的自动抄表系统构成可以看出，网络通信对数据的可靠、快速传输起到关键作用。可采用的通信方式有多种，红外抄表只适合于短距离人工手持抄表。小功率无线电波、RS-485总线的通信距离较近，适用于居民小区和楼宇的集中抄表，用于底层数据采集。电话交换网、大功率无线电波、低压电力线载波、以太网、GSM/GPRS通信网的通信距离相对较远，可以作为上层的数据传输方式。在实际应用中，可以将多种自动抄表方式结合起来，构成一种复合式自动抄表方式。
近年来，国内外都出现了相关产品。但目前所出现的产品，在系统中装置的设计上多采用单一的网络方式，一旦出现通信通道故障，就会影响到整个系统的正常工作。另外这些装置的通信采用大量分离模块，也会使得系统抗干扰性较差，影响计量的精准性。分离模块构成的系统体积也较大，影响安装与维护。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的远程抄表系统通信模式单一，可靠性低的缺点，提供一种高度集成、具有多种通信方式的复合式通信装置。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，远程抄表系统通信装置，包括FPGA芯片和外围电路，其特征在于，所述FPGA芯片片内集成有片上CPU控制系统及功能模块；所述功能模块包括RS-232模块、RS-485模块、MAC模块、无线收发模块、电力线载波调制解调模块；
所述RS-232模块，用于向外接的RS-232设备提供通信接口，包括提供与抄表系统的数据采集器或者集中器的接口、电话网MODEM接口、外部GPRS模块接口；
所述RS-485模块，提供485总线标准信号，用于实现抄表系统中485总线上的通信应用；
所述MAC模块，提供TCP/IP协议中数据链路层的功能，配合片上CPU控制系统中的TCP/IP协议栈，提供以太网通信功能；
所述无线收发模块，用于实现摩斯编码，提供无线电报文的发送和接收；
所述电力线载波调制解调模块，一是用于调制，将数据调制在一定频率的载波上，通过电力通道发送出去；二是用于解调，对电力通道传送来的数据进行解析和接收；
所述功能模块通过FPGA内部总线与片上CPU控制系统连接。
进一步的，所述MAC模块与以太网连接；
进一步的，所述电力线载波调制解调模块通过变换器与电力网络连接，所述变换器用于信号耦合并隔离电力网络；
具体的，所述片上CPU控制系统包括CPU软核、用户配置寄存器、电源时钟管理模块、存储控制模块、DMA控制模块和外设总线桥；
所述CPU软核为整个系统的控制核心，用于控制各个模块之间的数据流，并且通过应用软件实现数据标准化处理；
所述用户配置寄存器，用于配置CPU软核的工作模式、传输速率；
所述电源时钟管理模块，用于对外围晶振提供的频率倍频或者分频，为系统各个模块提供所需的频率信号；
所述存储控制模块，用于控制随机存储器的读写操作；
所述DMA控制模块，用于控制各控制间批量数据的传输，提高数据的处理速度和吞吐量；
所述外设总线桥，用于提供片上CPU控制系统内部总线到FPGA内部总线的连接；
具体的，所述FPGA芯片采用美国ALTERA公司的EP2C70F672C6芯片。
本发明的有益效果是，集成了多种通信方式，不仅包括了电力线载波传输、无线远程数据接收发送、以太网等通信手段，并且将这些模块的数字逻辑功能集成在一片FPGA中完成，通过外围的数模转换电路和接口电路，为现有的远程抄表系统提供灵活的数据通信手段。本发明具有外围电路简单、成本低、数据传输迅速可靠的特点。可以满足各种环境下对电表计量的要求。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2无线收发模块结构图；
图3是电力线载波调制解调模块的调制部分框图；
图4是电力线载波调制解调模块的解调部分框图；
图5是RS-485总线模块结构框图；
图6是MAC模块结构框图；
图7是上层软件构架示意图；
图8是系统软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。
基于FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列)的SOC(片上系统或系统级芯片)技术目前在控制、通信等领域的应用越来越广泛。基于FPGA的SOC系统可以大大减少硬件系统的外围器件，增强整个系统的稳定性、可靠性。同时也使得系统的体积减小，功耗和成本降低。更为关键的是，SOC系统是可配置的，这样方便了对日后系统的升级和维护。本发明采用该技术，结合远程抄表系统通信的特点，实现多种通信方式集成于一个硬件模块中，可以很好的解决智能抄表系统目前存在的不足。
本发明的远程抄表系统通信装置，集成了当今流行的数据通信传输手段，其组成结构如图1所示。本发明采用基于FPGA的SOC系统设计，片内含有CPU软核、总线接口(外设总线桥)、存储单元等。所有这些硬件都以IP核方式连接在一起。
本发明中CPU软核，是整个系统的控制核心，用于控制各个模块之间的数据流，并且基于其应用软件实现数据标准化等功能。
本发明中的用户配置寄存器，用于配置软件工作模式、传输速率等。
本发明中的电源时钟管理模块，对外围晶振提供的频率倍频或者分频，为系统各个模块提供所需的频率信号。
本发明中的存储控制模块，用于控制外接的随机存储器，提供数据或者程序的临时存储空间。
本发明中的DMA(直接内存访问)控制模块，用于控制各控制间批量数据的传输，提高数据的处理速度和吞吐量；
本发明中的外设总线桥，用于提供片上CPU控制系统内部总线到FPGA内部总线的连接，其功能类似于总线接口。
本发明中的RS-232模块，用于向外接的RS-232设备提供通信接口，包括提供与抄表系统的数据采集器或者是集中器的接口、与电话网MODEM(调制解调器)接口、与外部GPRS模块接口等。
本发明中的RS-485模块，提供485总线标准信号，负责实现抄表系统中485总线上的通信应用。
本发明中的MAC(媒体访问控制)模块，提供TCP/IP协议中数据链路层的功能，配合嵌入式操作系统中的TCP/IP协议栈，提供以太网通信功能。可以利用现在小区装有的宽带网络。
本发明中的无线接收发送模块，用于实现摩斯编码，提供无线电报文的发送和接收。从而提供远程数据无线发送接口。
本发明中的电力线载波调制解调模块，一是用于调制，将数据调制到一定频率的载波上，通过电力通道发送出去；二是用于解调，对电力通道传送来的数据进行解析。
下面结合附图，对本发明中几个主要功能模块进行描述。
图2是无线收发模块结构框图。
当向外发送数据时，首先提取CPU软核送来的数据中的ASCII码，将其送入编码模块，转换成摩斯码，由串口线上依次输出。当接收数据时，首先从串口依次接收摩斯码，解析后送入解码模块，转换成ASCII码送给CPU软核处理。
图3，图4分别是电力线载波模块的调制和解调部分结构框图。
当需要通过电力线载波发送数据时，CPU软核操纵读取数据进入电力线载波调制逻辑，经过差分模块编码转换为2路正弦信号。然后再经过扩频后，进行DBPSK(差分二进制相移键控)调制成所需的模拟信号编码，再由变换器送入220V电力通道。当需要通过电力线载波接收数据时，电力线上的模拟信号经过A/D转换、带通滤波，再经过解扩、DBPSK解调后还原出所需要的原始数据。
图5是RS-485模块。它也分为接收和发送两部分。
由于发送和接收分别可以是并行的数据流程，因此可以实现全双工。数据缓冲器用于暂存每次接收或发送的数据，移位寄存器用于进行数据的串并转换。对于发送的数据，要在数据后加入循环校验码(CRC)，并插入零码。对于接收的数据，首先去除零码，然后检查CRC校验码是否正确。状态寄存器负责向控制逻辑提供当前发送或接收的位数、CRC校验错误等状态信息。控制逻辑向CPU软核提供控制接口和时钟接口。
图6是MAC模块的框图。
网络上数据经过物理层接口后传送到该模块。经过4B码到5B码的转换，送入MII接口(介质无关接口)再进行底层数据处理后，送入接收模块进行地址、报文发送类型的解析，将数据包传送给上层TCP/IP协议栈进行处理。
上层数据经过TCP/IP协议栈传送到发送模块，进行数据协议的打包。然后数据送入MII接口，插入报文头。再将完整的数据帧经过5B码到4B码的转换，送入物理层接口发送到网络上去。
本发明是对现有智能电表集抄技术的革新和完善。不仅包括了电力线载波调制解调、无线远程数据接收发送、以太网等通信手段，并且将这些数字逻辑功能集成在一片FPGA中完成，通过外围的数模转换电路和接口电路，为现有的数字集中抄表系统提供灵活的数据通信手段。
本发明具有外围电路简单、成本低、数据传输更加迅速可靠的特点。可以满足各种环境下对电表计量的要求。
本发明的远程抄表系统通信装置，其软件基于嵌入式操作系统，软件构架包括上层管理软件和各个驱动模块。各个驱动模块向上层管理软件提供操作硬件单元的接口，主要包括相应通信模块的配置寄存器映射、状态寄存器的映射、数据缓存寄存器的映射以及相应的中断处理程序。
上层管理软件是整个软件部分的核心，负责数据的管理和控制，其总体框架如图7所示。
通信数据流控制模块是上层软件的主程序模块，主要负责对通信接收和发送的数据流进行控制，协调并控制各硬件模块，确保数据的及时、完整的传输。对于大批量数据，采用DMA方式进行各硬件模块间的数据传输。而对于状态等实时信息采用中断方式处理。例如各种通信状况在开机初始化时，会形成状态表。当运行过程那个种，某通信状况出现关闭或者是开启时，会产生硬件中断。数据流控制模块可以在相应的中断服务程序中及时修改其对应的通信状况表。
协议处理模块和数据存储管理模块是上层软件的子程序模块。其中协议处理模块负责对发送的数据，按照通信协议进行数据的汇总、打包。对接收到的数据，负责按照通信协议解析，并提取出其中的参数信息。数据存储管理模块负责将接收来的大批量数据保存在本地硬盘上或者移动存储上。根据远程抄表系统的抄表周期，本通信装置支持保存1周以上数据，可确保在通信状况不佳的情况下的数据安全。在需要发送数据时，数据存储管理模块按照所需要的时间信息，提取相应的本地存储数据。软件流程如图8所示。
本发明的FPGA芯片可以采用美国ALTERA公司的CYCLONEII系列芯片设计实现，如EP2C7OF672C6。CPU软核采用NIOSII，所有功能模块采用Verilog语言编码，通过ALTERA的QUARTERS6.1和SOPC BUILDER配置、编译、综合后，下载至FPGA芯片中，构成SOPC系统(可编程片上系统)。
软件操作系统采用uCLinux，基于该操作系统，串口驱动软件、RS485驱动软件、MAC驱动软件、电力线载波驱动软件、无线接收发送驱动软件。这些软件分别对应于硬件中相应的功能模块，提供操作系统上层软件与硬件的接口，负责完成硬件各功能模块的初始化配置、模式配置、状态读取等工作。
基于uCLinux的上层软件包括数据流控制主程序以及存储管理和协议处理模块子程序。首先，系统启动后，数据流控制主程序初始化各个硬件功能模块，并根据各功能模块返回的状态信息，得到当前通信状况信息表(如表1所示示例)存放于本地存储器中。随后等待接收数据的中断请求。一旦某通信方式接收数据中断请求到来，转入相应的协议处理模块子程序。该模块解析数据后，提取出信息，将信息返回给数据流控制主程序。主程序一面启动存储管理模块将信息按系统时间进行存储。另一面根据当前通信状况信息选择相应通信方式，将信息再次送入协议处理模块子程序，按照相应的协议要求对信息转换、打包，返回给主程序。数据流控制主程序启动相应的硬件模块，将数据信息发送出去。
表1：
| 通信方式 | 通信方式编码 | 通信状态 |
| RS-232 | 0x80 | 1或者0 |
| RS-485 | 0x81 | 1或者0 |
| 以太网通信 | 0x82 | 1或者0 |
| 电力线载波通信 | 0x83 | 1或者0 |
| 无线电通信 | 0x84 | 1或者0 |
其中通信状态1代表可以使用，0代表不可以使用。查询顺序按照方式编码号从小到大依次查询。优先级顺序可通过软件修改。通信状态在上电初始化时得到，并且可以在系统运行过程中，根据硬件中断实时修改。
Claims (5)
1.远程抄表系统通信装置，包括FPGA芯片和外围电路，其特征在于，所述FPGA芯片片内集成有片上CPU控制系统及功能模块；所述功能模块包括RS-232模块、RS-485模块、MAC模块、无线收发模块、电力线载波调制解调模块；
所述RS-232模块，用于向外接的RS-232设备提供通信接口，包括提供与抄表系统的数据采集器或者集中器的接口、电话网MODEM接口、外部GPRS模块接口；
所述RS-485模块，提供485总线标准信号，用于实现抄表系统中485总线上的通信应用；
所述MAC模块，提供TCP/IP协议中数据链路层的功能，配合片上CPU控制系统中的TCP/IP协议栈，提供以太网通信功能；
所述无线收发模块，用于实现摩斯编码，提供无线电报文的发送和接收；
所述电力线载波调制解调模块，一是用于调制，将数据调制在一定频率的载波上，通过电力通道发送出去；二是用于解调，对电力通道传送来的数据进行解析和接收；
所述功能模块通过FPGA内部总线与片上CPU控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的远程抄表系统通信装置，其特征在于，所述MAC模块与以太网连接。
3.根据权利要求1所述的远程抄表系统通信装置，其特征在于，所述电力线载波调制解调模块通过变换器与电力网络连接，所述变换器用于信号耦合并隔离电力网络。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的远程抄表系统通信装置，其特征在于，所述片上CPU控制系统包括CPU软核、用户配置寄存器、电源时钟管理模块、存储控制模块、DMA控制模块和外设总线桥；
所述CPU软核为整个系统的控制核心，用于控制各个模块之间的数据流，并且通过应用软件实现数据标准化处理；
所述用户配置寄存器，用于配置CPU软核的工作模式、传输速率；
所述电源时钟管理模块，用于对外围晶振提供的频率倍频或者分频，为系统各个模块提供所需的频率信号；
所述存储控制模块，用于控制随机存储器的读写操作；
所述DMA控制模块，用于控制各控制间批量数据的传输，提高数据的处理速度和吞吐量；
所述外设总线桥，用于提供片上CPU控制系统内部总线到FPGA内部总线的连接。
5.根据权利要求4所述的远程抄表系统通信装置，其特征在于，所述FPGA芯片采用美国ALTERA公司的EP2C70F672C6芯片。
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