基于gprs的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

I畢業(yè)設(shè)計(jì)題目基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)XXX專業(yè)班級(jí)指導(dǎo)教師 I基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)本課題針對(duì)分布式油田的原油計(jì)量和丟盜油問題，研究開發(fā)了一套基于GPRS的原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)。系統(tǒng)通過對(duì)原油的實(shí)時(shí)計(jì)量，解決長期以來分布式油田存在的計(jì)量方式簡陋，實(shí)時(shí)性差，人為誤差大的問題；通過盜油報(bào)警系統(tǒng)，打擊盜油犯罪分子，減少或杜絕偷盜油現(xiàn)象。整個(gè)系統(tǒng)旨在提高分布式油田的信息化管理水平。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：遠(yuǎn)程監(jiān)測終端和計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。監(jiān)測終端完成儲(chǔ)油罐中原油油位、儲(chǔ)油罐閥門狀態(tài)、以及當(dāng)防盜報(bào)警設(shè)備被觸發(fā)時(shí)井場周邊圖片數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送和接收；計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心通過固定的IP地址登陸Internet網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)接收、保存和分析，實(shí)時(shí)顯示各儲(chǔ)油罐油位高度、當(dāng)前閥門狀態(tài)，并提供報(bào)表打印等功能。在遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件開發(fā)中，為了保證整個(gè)硬件配置靈活、易于調(diào)試、升級(jí)和維護(hù)，采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，即依據(jù)系統(tǒng)功能自頂向下的把硬件分成了五個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS通信模塊、圖像采集模塊、鍵盤與顯示模塊和系統(tǒng)供電模塊。數(shù)據(jù)STM32F103C6T6為核心，負(fù)責(zé)監(jiān)測終端總體控制功能；GPRS通信模塊由BenQ公司的M23AGSM/GPRS模塊及相關(guān)外圍電路組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；圖像采集模塊負(fù)責(zé)將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；鍵盤與顯示模塊負(fù)責(zé)終端的顯示和操作；供電模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)監(jiān)測終端設(shè)備提供工作電源。論文中對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS通信模塊和鍵盤顯示模塊的電路進(jìn)行了詳細(xì)說明。在遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件開發(fā)中，借鑒于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)的層次化設(shè)計(jì)方法，在遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件設(shè)計(jì)中也采用了層次化的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)?？偟膩碚f，整個(gè)監(jiān)測終端軟件采用的是先軟件分層，再結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)、利用事件驅(qū)動(dòng)的方法來設(shè)計(jì)的。論文Ⅲ中首先對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端軟件開發(fā)中應(yīng)用的編程方法進(jìn)行了介紹，然后對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的部分底層驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用層程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行論文最后對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的軟件開發(fā)作了簡要說明。關(guān)鍵詞：GPRS,分布式油田，計(jì)量和防盜，Cortex-M3內(nèi)核，onGPRSwirelessnetworkinthepaper.Inthesystem,alotofproblemsroughmeasuringmethod,poorreal-timeperformanceandhighwillbereduced.Theaimofthewholesystemistoimprovetheoiltankwhentheburglaralarmequipmentistriggethereal-timedisplayofcrudeoillevelinoiltank,currentvalveimageacquisitionmodule,keyboardanddisplayamodules.ThecoreofdataacquisitionmoduleisARM'sVcontrolofmonitoringterminals.GPRSmoduleiscomposedofBenQ'ssupplymoduleachievespowequipment.Inthepapercircuitsofdacommunicationmoduleandkeyboardmodulearedesignisbuiltinthehierarchicaldesignwaywhwholeremote-monitoringterminalsoftwaredesignuseshierarchicaladvantageofcase-drivenlast.Systemsoftwareprogrammingideaisintroducedfirstly,andthenprogramsofmonitoringterminalaredescribedindetail.Finally,abriefdescriptionofsoftwaredesignofcomputer基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)I I1緒論 11.1項(xiàng)目背景及研究的目的和意義 11.2項(xiàng)目的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 21.4論文的組織結(jié)構(gòu) 32需求分析 52.1系統(tǒng)要解決的問題 52.1.1遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的要求 52.1.2計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的要求 52.2遠(yuǎn)程監(jiān)測終端功能分析 62.3計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心軟件功能分析 6 72.4.1運(yùn)行環(huán)境 72.4.2測量參數(shù)及要求 72.4.3無線通信范圍 73總體設(shè)計(jì)方案 83.1設(shè)計(jì)原則 83.2系統(tǒng)方案 83.2.1遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的結(jié)構(gòu) 93.2.2計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的結(jié)構(gòu) 3.3系統(tǒng)方案的可行性 3.4系統(tǒng)開發(fā)涉及的相關(guān)內(nèi)容 3.4.2GPRS模塊選型 3.4.5遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的外設(shè)備選型 3.4.6遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的微控制器 Ⅱ3.4.7開發(fā)工具 4遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件電路設(shè)計(jì) 4.1系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 4.2數(shù)據(jù)采集模塊的電路設(shè)計(jì) 4.2.2實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 4.2.3數(shù)據(jù)采集模塊的供電電路 4.2.4數(shù)據(jù)采集模塊的串行通信電路 4.2.6開關(guān)量輸入處理電路 4.6.7開關(guān)量輸出處理電路 4.2.8SD卡接口電路 4.3GPRS通信貓的電路設(shè)計(jì) 4.3.1M23A模塊供電電路 4.3.2M23A模塊啟動(dòng)電路 4.3.3M23A模塊通信接口電路 4.3.4SIM卡接口電路 4.4鍵盤與顯示模塊的電路設(shè)計(jì) 5遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件設(shè)計(jì) 5.1軟件設(shè)計(jì)方法 5.1.2事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)方法 5.2遠(yuǎn)程監(jiān)測終端底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 5.2.2系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍驅(qū)動(dòng)程序 5.2.3串口底層驅(qū)動(dòng)程序 5.2.5圖像采集驅(qū)動(dòng)程序 5.2.6開關(guān)量采集驅(qū)動(dòng)程序 5.2.7模擬量采集驅(qū)動(dòng)程序 5.2.8SD卡驅(qū)動(dòng)程序 5.2.9鍵盤與顯示驅(qū)動(dòng)程序 基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)I5.3遠(yuǎn)程監(jiān)測終端應(yīng)用層程序設(shè)計(jì) 6計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的軟件開發(fā) 6.2功能模塊的設(shè)計(jì) 6.2.1用戶管理模塊 附錄A:數(shù)據(jù)采集板原理圖1-1 附錄B:數(shù)據(jù)采集板原理圖1-2 附錄D:鍵盤顯示板原理圖 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄 攻讀學(xué)位期間參與的項(xiàng)目 原創(chuàng)性聲明及關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 1能源問題是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，它嚴(yán)重影響著工業(yè)化進(jìn)程的步伐。而石油能源又被譽(yù)為“工業(yè)的血液”,因而一個(gè)國家石油的儲(chǔ)量將很大程度影響該國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度。我國是一個(gè)石油資源不十分豐富的國家，自1993年開始，我國便超越日本成為僅次于美國的世界上第二大石油進(jìn)口國[1,能源機(jī)構(gòu)預(yù)測顯示，為了保持高經(jīng)濟(jì)增長勢頭，在2040年，中國將有87%的原油依我國相當(dāng)一部分油田的井場屬于分布式布局，分布式布局指的是油井?dāng)?shù)量頭或溝壑，每個(gè)井場由3~10口井組成，每口油井獨(dú)立對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)油罐。報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且由于缺乏監(jiān)管機(jī)制，很嚴(yán)重，據(jù)有關(guān)資料，目前陜北共有分布式油井3萬多口，以產(chǎn)油100萬噸為生產(chǎn)計(jì)劃，歷年來丟油的數(shù)量十分驚人，被偷盜原油占總產(chǎn)量的10%～15%之效率，以取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，是分布式油田管理面臨的新問題。量和防盜的自動(dòng)化監(jiān)控管理方案。該方案運(yùn)用GPRS無線技術(shù)作為通信媒介，1.2項(xiàng)目的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2計(jì)量、分隊(duì)計(jì)量),采用單獨(dú)計(jì)量、計(jì)算管理模式，該模式對(duì)于當(dāng)時(shí)國內(nèi)各油油井、計(jì)量站規(guī)模加大，原三級(jí)計(jì)量管理模式在某種程度上不能滿足當(dāng)計(jì)對(duì)原油進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，用標(biāo)量體積管來完成對(duì)流量計(jì)的在線標(biāo)定[5;劉曉良進(jìn)行標(biāo)定6;侯鵬倩工程師應(yīng)用靶式流量計(jì)的原理，對(duì)原油計(jì)量中的密度進(jìn)行了修正，解決了含有泥沙雜質(zhì)的原油計(jì)量問題7。長慶氣田采用差壓式孔板流液面計(jì)量法，實(shí)現(xiàn)對(duì)油田的遙控遙測和無人值守9。代了操作人員的巡視。李華工程師在長慶油田采用瞬態(tài)負(fù)壓波法，實(shí)現(xiàn)長輸式井場原油計(jì)量與防盜和現(xiàn)場設(shè)備防盜的研究相對(duì)較少。1.3論文的主要研究內(nèi)容3若有原油被盜時(shí)現(xiàn)場報(bào)警，拍攝現(xiàn)場照片，以為日后辦案提供證據(jù)的功能。整(1)儲(chǔ)油罐液面的探測儲(chǔ)油罐內(nèi)部液面的變化直接反映著原油的儲(chǔ)量和正常、異常放油的情況，對(duì)原油液面探測是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提和關(guān)鍵。儲(chǔ)油罐在野外，風(fēng)沙大，溫差大，(2)數(shù)據(jù)采集通過傳感器將液位變化的物理量和儲(chǔ)油罐閥門開啟位置的變化量轉(zhuǎn)換為(3)無線數(shù)據(jù)傳輸采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，建立無線通信通道，把所采集的數(shù)問題的時(shí)候，如何保障測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性，(4)建立可靠的防盜報(bào)警系統(tǒng)原油的防盜報(bào)警是整個(gè)系統(tǒng)的重要功能，從多個(gè)方面保證報(bào)警系統(tǒng)的可靠象，同時(shí)也要研究諸如變壓器、電機(jī)等設(shè)備的防盜報(bào)警功能。1.4論文的組織結(jié)構(gòu)本項(xiàng)目源自于陜西省教育廳科技產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)07JC05,根論文共分為7章，其組織結(jié)構(gòu)如下：第1章緒論。主要介紹項(xiàng)目背景及研究目的和意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，第2章需求分析。根據(jù)系統(tǒng)需要解決的問題，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了功能分析，確定了系統(tǒng)各個(gè)部分的功能，最后給出了系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。4第3章總體方案設(shè)計(jì)。首先說明了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，提出了系統(tǒng)總第4章遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件電路設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端采用模塊化的電路第5章遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件通過先分層、結(jié)思想，在此基礎(chǔ)上對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的底層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用層程序進(jìn)行了介紹。第6章計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的軟件開發(fā)。文中簡要介紹了系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)第7章結(jié)論。文中對(duì)所做的工作進(jìn)行了總結(jié)，并提出了目前存在的不足5充分理解需求信息對(duì)系統(tǒng)開發(fā)的成功至關(guān)重要，對(duì)需求進(jìn)行詳盡的分析、本章通過對(duì)分布式油田的原油計(jì)量和防盜需求上進(jìn)行分析，以明確開發(fā)目標(biāo)，滿足油田管理自動(dòng)化應(yīng)用需求。2.1系統(tǒng)要解決的問題點(diǎn)是：井場井群分散布局在各個(gè)山頭或山溝之間，每個(gè)井場由3~10口井組成，每口油井獨(dú)立對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)油罐，待標(biāo)準(zhǔn)油罐儲(chǔ)存滿后，由20~50噸的油罐(1)研發(fā)原油實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)量系統(tǒng)。解決長期以來油田存在的計(jì)量方式簡(2)設(shè)計(jì)防盜油報(bào)警系統(tǒng)。針對(duì)分布式油田油井分布的地域廣，不好管2.1.1遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的要求系統(tǒng)針對(duì)分布式油田的實(shí)際狀況，要求監(jiān)測終端應(yīng)具備以下功能：(1)用非接觸測量方法，對(duì)油罐內(nèi)的原油進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。(2)對(duì)油罐閥門的開關(guān)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。(3)當(dāng)有偷盜油時(shí)，抓拍現(xiàn)場圖片并報(bào)警。(4)油罐有油位上限報(bào)警功能及現(xiàn)場油位顯示功能。(5)采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式上傳檢測的各類數(shù)據(jù)。(6)現(xiàn)場調(diào)試、參數(shù)設(shè)置功能。(7)故障自診斷功能。(8)電源必須冗余設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)供電。(9)具備一定的升級(jí)換代和擴(kuò)展功能。2.1.2計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的要求6(1)顯示遠(yuǎn)程現(xiàn)場監(jiān)測終端的測量信息。(2)應(yīng)能自動(dòng)生成油罐存油的日、月、年報(bào)表。(3)統(tǒng)計(jì)分析功能，可以查詢?nèi)我庥凸拗性偷默F(xiàn)存量，歷史存量。(4)下達(dá)各種測控指令。(5)建立數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)現(xiàn)場數(shù)據(jù)。(6)及時(shí)的數(shù)據(jù)備份，保證數(shù)據(jù)不丟失。(7)報(bào)表打印功能。2.2遠(yuǎn)程監(jiān)測終端功能分析分析整個(gè)項(xiàng)目對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端需求的功能，總的來說應(yīng)具備如下幾點(diǎn)：(1)具有數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)功能。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的基本功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測存油罐中油位高度、油罐閥門狀態(tài)、報(bào)警器狀態(tài)，當(dāng)報(bào)警器被觸發(fā)時(shí)，采集現(xiàn)場的圖片數(shù)據(jù)，以為辦案提供第一手資料。(2)具有數(shù)據(jù)處理功能。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端對(duì)模擬量可分別設(shè)置報(bào)警上、下限，有效上、下限，當(dāng)數(shù)據(jù)越限值時(shí)可生成報(bào)警記錄。(3)具有通信功能。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端把各監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，其通訊方式采用突發(fā)事件主動(dòng)上報(bào)和定時(shí)上報(bào)兩種。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端也能接收來自監(jiān)控中心的各種命令。(4)具有電源切換及電池充電功能。當(dāng)有交流電源時(shí)系統(tǒng)使用交流電源為系統(tǒng)供電，并給蓄電池充電。當(dāng)交流供電丟失時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切換到由蓄電池為系統(tǒng)供電，并保證系統(tǒng)在電池供電的情況下可以持續(xù)工作一定的時(shí)間。(5)具備一定的功能擴(kuò)展能力。本課題中以分布式油田采油現(xiàn)場的儲(chǔ)油罐為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)原油的計(jì)量和防盜，整個(gè)系統(tǒng)可以稍加修改應(yīng)用到其它設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控上，另外遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件設(shè)計(jì)也為系統(tǒng)的功能擴(kuò)展留有余地，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)采油現(xiàn)場抽油機(jī)等設(shè)備的監(jiān)控。2.3計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心軟件功能分析根據(jù)項(xiàng)目需求，計(jì)算機(jī)監(jiān)測中心軟件應(yīng)具備通信、數(shù)據(jù)庫管理及數(shù)據(jù)處理、各種顯示、報(bào)表打印和參數(shù)設(shè)置等功能，計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心軟件的功能分述如下：(1)通信功能。計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心通過固定的IP地址接入Internet網(wǎng)絡(luò)，接收監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)；同時(shí)可下達(dá)各種控制命令給遠(yuǎn)程監(jiān)測終端。(2)數(shù)據(jù)庫管理及數(shù)據(jù)處理功能。建立數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對(duì)通信采7集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理、并進(jìn)行各種累計(jì)和統(tǒng)計(jì)工作。月、日)顯示、故障列表顯示等功能。(4)報(bào)表功能。以表格的形式，記錄、顯示各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，可代(5)打印功能。提供多種打印方式，可根據(jù)需要將報(bào)表打印出來?？纱蛴〉膬?nèi)容包括各種報(bào)表、統(tǒng)計(jì)圖表、趨勢曲線等各種表格。2.4系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)(1)各監(jiān)測點(diǎn)分散分布、距離遠(yuǎn)、地形和環(huán)境復(fù)雜。(2)溫濕度變化范圍大。(3)各種電磁干擾。2.4.2測量參數(shù)及要求(1)油位變化范圍：0~8米；測量精度：≤30毫米。(2)外部開關(guān)量電平輸入：高電平16V~24V,低電平0V~8V。(3)視頻信號(hào)接口方式：RS232。2.4.3無線通信范圍GPRS:在移動(dòng)基站覆蓋的地域。83總體設(shè)計(jì)方案據(jù)。根據(jù)分布式油田現(xiàn)場的實(shí)際情況，本系統(tǒng)中按下列原則進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)：(1)可靠性原則能力，無故障工作時(shí)間長。具體包括硬件系(2)先進(jìn)性和實(shí)用性原則與計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，本系統(tǒng)通訊方式構(gòu)架于GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，無需進(jìn)行重新投資建設(shè)通訊網(wǎng)(3)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則力，能順利過渡到下一代。(4)操作、維護(hù)的簡便性原則分布式油田原油計(jì)量和防盜遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是將安裝在井場儲(chǔ)油罐上的各種傳感器采集數(shù)據(jù)(油位、閥門狀態(tài)、報(bào)警器狀態(tài))利用GPRS無線通信平臺(tái)傳輸至計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的管理人程監(jiān)測終端拍攝現(xiàn)場照片，照片數(shù)據(jù)分本地和計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心兩地保存，為日基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)9無線通信網(wǎng)絡(luò)，將計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心和各個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端聯(lián)系起來。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3.2.1遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的結(jié)構(gòu)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測終端的功能需求，遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示。GPRSGPRS模塊RS232接口RS232接口圖像采集模塊LED顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器傳感器及電接入圖3-2監(jiān)測終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端以微處理器為核心，包括圖像采集、時(shí)鐘、鍵盤與顯示、數(shù)GPRS模塊發(fā)送至監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的供電分為三部分：系統(tǒng)板供電，傳感器供電和GPRS通信模塊供電。關(guān)于遠(yuǎn)程監(jiān)測終端各個(gè)部分電路的設(shè)計(jì)，3.2.2計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心系統(tǒng)由接入Internet網(wǎng)絡(luò)的通用計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等組成。監(jiān)控中心通過固定的IP地址接入Internet網(wǎng)輸來的監(jiān)測數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)固定的公網(wǎng)IP的方式，采用該方式對(duì)量的方法主要分為接觸式測量和非接觸式測量方法[14],如圖3-4所示。射光外電感式電容式靜壓式聲波電式稱重式浮沉式圖3-4液位測量方法隨著監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，非接觸測量法中的浮沉式的測量方法因機(jī)械部分不是超聲波非接觸測量方法，選用的是重慶兆易公司的RISEN-BS1KA0型號(hào)超在防盜監(jiān)控方面，由于分布式油田的油井大多分散在人煙稀少的山脈里，可有效打擊盜油犯罪分子，從而減少或杜絕偷盜油現(xiàn)象，提高經(jīng)濟(jì)效益。在GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸方面，目前GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍廣，綜上所述，整個(gè)系統(tǒng)方案能夠滿足分布式油田對(duì)原油計(jì)量和防盜的要求，自動(dòng)化水平；通過系統(tǒng)中的防盜報(bào)警措施，可以3.4系統(tǒng)開發(fā)涉及的相關(guān)內(nèi)容(1)幾種通信方式的比較利用導(dǎo)線來完成信息傳遞的；另一類稱為無線通信，它是利用電波在空氣中的傳播實(shí)現(xiàn)信息傳遞的。目前常用有線和無線的通信方式主要有：電話線撥號(hào)、無線數(shù)傳電臺(tái)、基于GSM短消息的數(shù)據(jù)傳輸、基于GPRS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)确绞?。電話線撥號(hào)無線數(shù)傳電臺(tái)短消息GPRS模式覆蓋范圍窄較寬較寬通信速率160字節(jié)/包建設(shè)成本高高較低較低運(yùn)行費(fèi)用高一般較高較低實(shí)時(shí)性差差差高可靠性一般低一般較高相比于GPRS數(shù)據(jù)傳輸模式，其它各通訊方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下[1611)電話線撥號(hào)。這種方式存在建設(shè)費(fèi)用高、施工周期長、擴(kuò)展性差、設(shè)備維護(hù)難等缺點(diǎn)。2)無線數(shù)傳電臺(tái)。無線數(shù)傳電臺(tái)屬于專用網(wǎng)絡(luò)，利用無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)(限于160字節(jié)),存在短消息延時(shí)、丟失和擁塞等現(xiàn)象，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)?！粲肋h(yuǎn)在線。即用戶隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，即使沒有數(shù)據(jù)傳送，終端還一直與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系?！舨捎脭?shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)。用戶可以保持一直在線，只有在讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候占用資源并進(jìn)行付費(fèi)，改變以往按連接時(shí)間計(jì)費(fèi)的方式，這將節(jié)約用戶資費(fèi)。◆傳輸數(shù)據(jù)速率高。GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度最大可以高達(dá)170Kbps,速度的高低取決與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的設(shè)置?，F(xiàn)在根據(jù)中國移動(dòng)公司的情況，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度可以穩(wěn)定在20~40Kbps。◆組網(wǎng)簡單。GPRS的無線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)DDN(DigitalDataNetwork)可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地構(gòu)建覆蓋全國的虛擬移動(dòng)數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)為廣大的中小企業(yè)提供接入便利、費(fèi)用低廉的通信方式。◆通信鏈路由運(yùn)營商維護(hù)。由于采用中國移動(dòng)的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此鏈路維護(hù)也由中國移動(dòng)負(fù)責(zé)，免除通信鏈路維護(hù)的后顧之憂?！艨煽啃詮?qiáng)。系統(tǒng)具有糾錯(cuò)、重發(fā)機(jī)制，從而確保資料的完整性和正確性。系統(tǒng)具有自動(dòng)恢復(fù)功能，在GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定的情況下，?！艚尤霑r(shí)間短。GPRS接入等待時(shí)間短，可快速建立連接，平均耗時(shí)為兩◆數(shù)據(jù)安全性高。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中加入了加密機(jī)制，資料可以在應(yīng)用比較成熟及其本身通信方式的優(yōu)點(diǎn)，我們選用GPRS作為本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳了移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)，與高速發(fā)展的固定IP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫連接，為用戶提供數(shù)據(jù)、語GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS有了GPRS,用戶的呼叫建立時(shí)間大大縮短，幾乎可以做到“永遠(yuǎn)在線”。此GPRS是在原有的基于電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)CSD(Circuit-switcheddataservices)方式的GSM(GlobalSystemofMobilecommunication)網(wǎng)絡(luò)上引入Node)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN(GatewayGPRSSuportNode)。GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)交換中心MSC(Mobileserviceswitchingcenter)在同一等級(jí)水平，并跟蹤單個(gè)MSC的存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)安全功能和接入控制，并通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，并經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)SGSN連通。圖3-5給出了GPRS與SGSNGPRS骨干網(wǎng)GPRS模塊數(shù)據(jù)中心圖3-5GPRS與Internet連接框圖GPRS骨干網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信，GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的利用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)鏈路的建立的方式如圖3-6,主要有：數(shù)據(jù)中心通過ADSL撥號(hào)上網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)固定的公網(wǎng)IP、數(shù)據(jù)中心使用專線方式連接至移動(dòng)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)中心通過VPN隧專線方式連接至移動(dòng)網(wǎng)關(guān)VPN隧道連接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接GPRS網(wǎng)絡(luò)圖3-6GPRS幾種組網(wǎng)方式1)數(shù)據(jù)中心通過ADSL撥號(hào)上網(wǎng)這是一種最經(jīng)濟(jì)的方案，數(shù)據(jù)中心通過普通的ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)包月業(yè)務(wù)連接上Internet。但是每次連上Internet后數(shù)據(jù)中心獲得的公網(wǎng)IP地址都不一樣，所以在GPRS數(shù)據(jù)采集終端中無法直接設(shè)置目2)數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)固定的公網(wǎng)IP提供商(比如電信、網(wǎng)通)申請(qǐng)一個(gè)固定的公網(wǎng)IP地址。使用該方案的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的穩(wěn)定性，并且速度上較普通ADSL更快些，缺點(diǎn)是費(fèi)用稍高，具3)數(shù)據(jù)中心使用專線方式連接至移動(dòng)網(wǎng)關(guān)中國移動(dòng)針對(duì)行業(yè)應(yīng)用還推出了無線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)DDN(DigitalDataNetwork)業(yè)務(wù)，該業(yè)務(wù)使用數(shù)據(jù)專線連接用戶的數(shù)據(jù)中心和GPRS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN。該方案的優(yōu)點(diǎn)是具有更高的速度和更低的時(shí)延，并且在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和在數(shù)據(jù)安全性方面也有較大的提高，但是費(fèi)用較高。4)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接中國移動(dòng)的無線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)DDN業(yè)務(wù)除了數(shù)據(jù)專線方式外還有VPN隧道ADSL撥號(hào)上網(wǎng)的方案更有優(yōu)勢。在分布式油田原油計(jì)量與防盜系統(tǒng)的開發(fā)中，綜合考慮以上幾種GPRS組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，以及為便于整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)和3.4.2GPRS模塊選型GPRS技術(shù)把Internet的通訊方式引入到了無線通信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的互連。無線用戶可以很方便地采用熟悉的標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通訊模式與Internet直接交換數(shù)據(jù)，也就應(yīng)運(yùn)而生了GPRS終端產(chǎn)品。GPR是為使用GPRS服務(wù)而開發(fā)的無線通信終端設(shè)備，因此在開發(fā)GPRS終端產(chǎn)品的時(shí)候，就而臨著如何選擇一個(gè)低成本、易開發(fā)的GPRS模塊的問題。用的GPRS模塊和內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊。(1)通用的GPRS模塊這一類模塊的特點(diǎn)是只支持GPRS短信的收發(fā)模式，本身不具備TCP/IP絡(luò)協(xié)議。當(dāng)處理能力不強(qiáng)或沒有操作系統(tǒng)時(shí)，需要用戶自己開發(fā)或者移植一些實(shí)現(xiàn)GPRS的附著和激活過程，此后才能與Internet通信，因此用戶的開發(fā)任(2)內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊這一類模塊是在通用GPRS模塊基礎(chǔ)上內(nèi)置TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，用戶一般只需要調(diào)用相應(yīng)的AT命令對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，模塊自身就會(huì)完成GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet的互連，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)過程比較簡單。代表如Siemens公司的TC45、MotorolaG20、S隨著GPRS技術(shù)的不斷發(fā)展，GPRS模塊的功能越來越強(qiáng)大，成本卻越來越低，綜合考慮到成本和開發(fā)難度，做無線數(shù)據(jù)傳輸開發(fā)時(shí)選用內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊才是明智之舉，因此在遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的開發(fā)中選用的是BenQ公司內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的M23AGSM/GPRS模塊。◆在GPRS數(shù)據(jù)通信模式下消耗電流最大280mA;◆電源電壓范圍：直流3.3V到4.5V;M23AGSM/GPRS模塊共有44個(gè)引腳，通過一個(gè)插槽引出。這44個(gè)引腳NCEARN041569M23AGSM/GPRS模塊的各個(gè)引腳的功能如表3-2所示。接口名稱引腳數(shù)量功能說明6RS232傳輸接口2內(nèi)部軟件調(diào)試1蜂鳴器驅(qū)動(dòng)引腳6常規(guī)用途I/O1啟動(dòng)引腳1二極管驅(qū)動(dòng)引腳43電源輸入I電池輸入7音頻信號(hào)接口1鍵盤中斷地1天線M23AGSM/GPRS模塊支持外部SIM卡，可以直接和3.0V的SIM連接，模塊能自動(dòng)檢測和適應(yīng)SIM卡類型。為使用模塊的GPRS功能，應(yīng)用時(shí)選用的SIM卡需要開通GPRS業(yè)務(wù)。M23AGSM/GPRS模塊還提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行接口，用戶通過串行口使用AT命令完成對(duì)模塊的操作。AT命令是Hayes公司為MODEM(調(diào)制解調(diào)器)制定的一個(gè)控制指令集，用于數(shù)據(jù)終端(計(jì)算機(jī))和MODEM之間的通信。由于Hayes公司生產(chǎn)的MODEM產(chǎn)品在工業(yè)界占有主導(dǎo)的地位，為了保持產(chǎn)品的兼容性，其它MODEM制造廠商也接受并使用了AT指令，因此AT命令目前在工業(yè)界已經(jīng)成為一個(gè)事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，非Hayes公司的MODEM產(chǎn)品也都支持AT指令集。AT命令通常是由字符AT或at(大小寫應(yīng)一致)作為前綴，MODEM從這的指令一般使用7個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)奇偶位和一個(gè)停止位組成的幀，也可以使用有8個(gè)數(shù)據(jù)位、無奇偶位和1個(gè)停止位組成的幀，另每個(gè)AT指令都是以“\r\n”指令功能設(shè)置模塊串口通信速率AT+IRP=0(模塊自適應(yīng)串口通信速率)設(shè)置是否自動(dòng)登陸網(wǎng)絡(luò)AT+COPS=1(選擇自動(dòng)登陸網(wǎng)絡(luò))當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)情況AT+CREG=1(查詢是否登陸上網(wǎng)絡(luò))PCO字符串激活指令A(yù)T%CGPCO=1,"PAP,,",1(激活PCO字符串)定義PDP文本指令A(yù)T+CGDCONT=1,"IP","CMNET"(文本)設(shè)置將連接的IP地址AT$DESTINFO="",2,5001,0(將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式ATD*97#(連接已用AT$DESTINFO指令設(shè)置的IP地址和端口號(hào))十++從數(shù)據(jù)傳輸模式返回指令模式命令+++(返回指令傳輸模式，模塊又能接收AT表3-3只列出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)使用到的AT指令，關(guān)于GPRS相關(guān)的AT指令的詳細(xì)材料請(qǐng)參見本論文的參考文獻(xiàn)48。3.4.5遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的外設(shè)備選型終端使用了超聲波液位變送器、圖像采集卡、紅外對(duì)射探測器和接近開關(guān)等幾個(gè)監(jiān)測設(shè)備，以下對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端使用的各個(gè)設(shè)備的原理和性能作簡要介紹。(1)超聲波液位變送器線而定向傳播等特點(diǎn)，以超聲波作為監(jiān)測手段，并將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成工業(yè)上常用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的液位變送器就是超聲波液位變送器。射過程中機(jī)械惰性占用了傳輸時(shí)間，使靠近超聲波換能器的一小段區(qū)域不能接收聲波，這個(gè)區(qū)域稱為盲區(qū)，盲區(qū)大小與超聲波的量程有關(guān)。Device)貼片元件及兆易公司與美國合作研發(fā)的專用芯片，使得整機(jī)電路非常料，其外形精巧美觀，防水、防塵，可適應(yīng)大多數(shù)工況現(xiàn)場。RISEN-BS1KA0超聲波液位變送器的主要技術(shù)參數(shù)如下：◆量程：1,2,3,4,5,6,8米；◆盲區(qū)：小于300毫米；◆波束角：15度；◆工作電壓：直流12V/24V;◆安裝方式：φ49雙鑼母夾緊式固定安裝或M49×1.5鑼孔旋進(jìn)式安裝；(2)紅外對(duì)射探測器紅外對(duì)射探測器全名叫“光束遮斷式感應(yīng)器”Detector),其基本的構(gòu)造包括瞄準(zhǔn)孔、光束強(qiáng)度指示燈、球面鏡片和LED 目前常見的主動(dòng)紅外探測器有兩光束、三光束、四光束，距離從30米到和一些特殊的場所。本系統(tǒng)中選用的是LENNOX力諾士公司的QT系列四光◆四光束上下2組水平、垂直獨(dú)立調(diào)整，精度步進(jìn)式微調(diào)；◆內(nèi)置微處理器控制電路，防干擾效果好；◆內(nèi)置雙層保護(hù)電路，有效防止室外雷擊破壞；◆采用高效率水晶球準(zhǔn)直透鏡聚焦技術(shù)，大幅度提升投光性能，降低誤◆使用C型繼電器輸出；◆外罩采用特殊材料和結(jié)構(gòu)，防止凝結(jié)雨、霜和露水，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(3)圖像采集卡VC313案提供第一手資料，我們選用了是武漢萬德數(shù)碼技術(shù)有限公司的VC313嵌入◆串口波特率1200~115200bps;◆支持6種圖像分辨率：160×120、176×144、320×240、352×288、◆支持6種圖像壓縮比；◆可調(diào)整亮度、對(duì)比度、色飽和度；◆電源電壓3.3V,正常工作電流195mA(睡眠模式下約45mA);◆外形尺寸70×70毫米；而VC313通過串口向主機(jī)發(fā)送JPG文件。主機(jī)發(fā)送給VC313嵌入式視頻壓縮卡的控制命令一共有9條，命令列表如表3-4所示。表3-4VC313圖像采集卡命令列表命令號(hào)命令名命令結(jié)構(gòu)幀頭命令碼參數(shù)20設(shè)置串口波特率1切換工作模式2切換視頻輸入3設(shè)定亮度4設(shè)定對(duì)比度5設(shè)定色飽和度6設(shè)定活動(dòng)偵測靈敏度78每個(gè)控制命令長度為6個(gè)字節(jié)，前2個(gè)字節(jié)為幀頭，第3、4字節(jié)為命令否則該命令將被丟棄。第4字節(jié)是第3字節(jié)的重復(fù)，第6字節(jié)是第5字節(jié)的重復(fù)，用作校驗(yàn)。命令7除參數(shù)1外，還帶有可變長度的第2參數(shù)。VC313執(zhí)行命令8:0xFF+0xE1+0x68+0x68+PAR0+PAR0之后，將向主機(jī)發(fā)送JPG文件，其中參數(shù)PAR0的值按位進(jìn)行設(shè)定，參數(shù)意義見表3-5所示。表3-5VC313命令8參數(shù)位組功能說明圖像分辨率D2DIDO的值圖像分辨率012345其它無效值顏色屬性彩色或黑白0黑白1彩色圖像壓縮比圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)0很差1差2好3好4很好5很好其它無效值是否刷新圖像是否刷新圖像0是1否從上表可以看出，VC313可支持6種圖像分辨率和6種圖像壓縮比，注意后的圖像清晰度越高，文件長度越長。表3-6表示了不同壓縮比和分辨率下黑表3-6黑白圖像各分辨率文件長度壓縮比編號(hào)012345VC313輸出的JPG文件總是以0xFF+0xD8開始，以0xFF+0xD9結(jié)束。主機(jī)在接收數(shù)據(jù)的過程中可進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)0xFF+0xD8就表示文件開始，發(fā)現(xiàn)0xFF+0xD9就表示文件結(jié)束，把0xFF+0xD8、中間收到的數(shù)據(jù)、以及最后(4)接近開關(guān)根據(jù)項(xiàng)目的具體需求，我們最后選擇了渦流式NPN常開型接近開關(guān)◆工作電壓：10V~30V;◆工作溫度范圍：-20℃~80℃;◆絕緣電阻：大于20MQ(DC為500V時(shí));◆抗振能力：10~55Hz(周期每分鐘);J5M-D0.5NK接近開關(guān)的輸出接口如圖3-8所示。(5)聲光報(bào)警器為了在系統(tǒng)監(jiān)測到盜油等異常狀況時(shí)，井場能夠通過鳴笛來震懾盜油分力極強(qiáng)(300米外仍聽得很清晰),近距離宏亮且不刺耳。同時(shí)安裝在一體的警◆工作電源：直流24V;◆報(bào)警聲音：工程音、警笛音、道口音、消防音和倒車音共5種；◆音量：135分貝；Cortex-M3內(nèi)核是ARM公司于2006推出的最新一代的嵌入式ARM處理內(nèi)核是專為功耗和價(jià)格敏感的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的，應(yīng)用范圍可從低端微控制器到復(fù)雜SoC。它采用了ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)核是建立在一個(gè)高性能哈佛結(jié)的性能，具有優(yōu)異的能效比。Cortex-M3內(nèi)核還實(shí)現(xiàn)了Thumb-2指令集(傳統(tǒng)Thumb指令集的一個(gè)超集),既獲得了傳統(tǒng)32位代碼的性能，又具有16位的ARMCortex-M3相比于ARM其它系列微控制器，具有以下優(yōu)勢和特點(diǎn)：◆ARMCortex-M3與ARM7內(nèi)核一樣，采用適用于微控制器應(yīng)用的三級(jí)◆針對(duì)業(yè)界對(duì)ARM處理器終端響應(yīng)的問題，Cortex-M3首次在內(nèi)核上集成了嵌套向量中斷控制器NVIC(NestedVectoredInterruptCont◆支持位綁定操作。以前的ARM處理器不支持位操作，當(dāng)需要對(duì)一個(gè)變量或端口位操作時(shí)，先要用邏輯與/或指令屏蔽其它的位，使位操作需把一個(gè)地址單元的32位變量中的每一位，通過一個(gè)簡單的地址換算算法，映射到另外一個(gè)地址空間，每一位占用一個(gè)地址，對(duì)此地址空間的操作，只有數(shù)據(jù)的最低一位是有效的，其余高31位的值被忽略?！魞?nèi)核支持低功耗模式。像ARM7、ARM9等內(nèi)核本身只有運(yùn)行/停止模式，沒有其它模式。Cortex-M3支持3種功耗管理模式：通過一條指令的處理器狀態(tài)分別執(zhí)行32位的ARM指令和16位的Thumb指令，使高效的Thumb2指令集，它是一種16/32位混合編碼指令，兼容Thumb指令，對(duì)于一個(gè)應(yīng)用程序編譯生成的Thumb2代碼，以接近Thumb編碼的代碼尺寸，達(dá)到了ARM編碼的運(yùn)行性能?！艟哂?2位硬件除法和單周期乘法。以往的ARM處理器沒有除法指令，在某些除法密集型應(yīng)用中性能不盡如人意。Cortex-M3加入了32位除位乘法操作只要一個(gè)時(shí)鐘周期。這一性能使得使用Cortex-M3來進(jìn)行◆定義了統(tǒng)一的存儲(chǔ)器映射。Cortex-M3內(nèi)核定義了統(tǒng)一的存儲(chǔ)器映射，各廠商生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器芯片都具有一致的存儲(chǔ)表3-7列出了Cortex-M3和ARM7性能的比較，從表中不難發(fā)現(xiàn)Cortex-M3Tab3-7ComparisonofCortex-M3andARM7'sperfo架構(gòu)ARMv4T(馮·若依曼)ARMv7-M(哈佛)ISA支持流水線3級(jí)3級(jí)+分支預(yù)測中斷240個(gè)物理中斷中斷延時(shí)24~42個(gè)時(shí)鐘周期12個(gè)時(shí)鐘周期(最少6個(gè))休眠保護(hù)無內(nèi)置寄存器保護(hù)無8段寄存器保護(hù)單元硬件除法無2~12個(gè)時(shí)鐘周期運(yùn)行速度功耗面積0.62mm2(僅內(nèi)核)0.86mm2(內(nèi)核+外設(shè))(2)STM32F103C6T6處理器STM32F103C6T6是意法半導(dǎo)體工作于-40℃至105℃的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V,最高工作頻率72MHz,同時(shí)該處理器還集成了看門狗、模擬轉(zhuǎn)換器等諸多外設(shè)?！鬉RM32位Cortex-M3內(nèi)核。72MHz運(yùn)行速度，高達(dá)90DMIPS,◆具有3種省電模式：睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式；◆具有10通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為1微秒；◆具有7通道DMA控制器，DMA支持的外設(shè)有：定時(shí)器、ADC、SPI、◆具有7個(gè)定時(shí)器。包括3個(gè)同步的16位定時(shí)器、1個(gè)16位的高級(jí)控制定時(shí)器、2個(gè)看門狗定時(shí)器(獨(dú)立和窗口型的)及1個(gè)系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器；◆具有6個(gè)通信接口。包括1個(gè)I2C接口、1個(gè)SPI同步串行接口、2個(gè)USART接口、1個(gè)CAN接口、1個(gè)USB2.0全速接口；3.4.7開發(fā)工具(1)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端開發(fā)工具遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的開發(fā)工具主要包括嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境和仿真器兩目前支持Cortex-M3內(nèi)核調(diào)試的主流集成開發(fā)環(huán)境是IAREmbeddedEmbeddedWorkbench集成開發(fā)環(huán)境的不同系列還支持8051、MSP430、AVR、ARM7、ARM9等多種類型的處理器，使工程以上原因，我們選擇了IAREmbeddedWorkbenchforARMV5.20版本作為遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件開發(fā)環(huán)境。IAREWARM是一個(gè)針對(duì)ARM處理器的集成開發(fā)環(huán)境，包含項(xiàng)目管理器、編輯器、編譯鏈接工具和支持RTOS該環(huán)境下可以使用C/C++和匯編語言方便地開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序。為了配合IAREWARM集成開發(fā)環(huán)境對(duì)開發(fā)的程序進(jìn)行調(diào)試和下載，我們選用了IARJ-LINK仿真器，IARJ-LINK是IAR為支持仿真ARM內(nèi)核芯片推出的JTAG方式仿真器，配合IAREWARM集成開發(fā)環(huán)境支持所有ARM7/ARM9/Cortex-M3內(nèi)核芯片的仿真，無需安裝任何驅(qū)動(dòng)程序與IAREWARM集成開發(fā)環(huán)境無縫鏈接，操作方便?！鬒AREWARM集成開發(fā)環(huán)境無縫鏈接的JTAG仿真器；◆支持所有ARM7/ARM9/Cortex-M3內(nèi)核的芯片，包括Thumb模式；◆下載速度高度600Kb/s;◆最高JTAG速度12MHZ;◆標(biāo)準(zhǔn)20芯JTAG仿真插頭；標(biāo)準(zhǔn)20芯JTAG插頭與目標(biāo)板連接。IARJ-LINK仿真器的主要技術(shù)指標(biāo)見表功耗吸取USB供電電流<50mA通信方式USB2.0全速目標(biāo)板接口20芯JTAG口(14芯JTAG口選件)J-LINK和ARM間串行傳輸速率最高12MHz支持目標(biāo)電壓工作溫度5~60攝氏度體積電磁兼容性(EMC)(2)計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心軟件開發(fā)工具計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心軟件采用VisualBasic6.0開發(fā)，采用SQLServer作為4遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)采油現(xiàn)場的原油計(jì)量和防盜監(jiān)控的要求，遠(yuǎn)程監(jiān)測終端完成的主要功遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件模塊劃分如圖4-1所示。電源線接口電源線接口信貓RS232圖像采集!電源線示模塊接口平轉(zhuǎn)換平轉(zhuǎn)換圖4-1監(jiān)測終端硬件模塊圖系統(tǒng)供電模塊為系統(tǒng)提供能量，是遠(yuǎn)程監(jiān)測終端工作的基礎(chǔ)。它由220V數(shù)據(jù)采集模塊是監(jiān)測終端的核心，它由STM32F103C6T6處理器組成的最GPRS通信貓主要由GPRS模塊及電源電路、通信接口電路組成。該部分與數(shù)據(jù)采集模塊之間通過RS232接口通信，該部分是遠(yuǎn)程監(jiān)測終端接入GPRS集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，圖像采集卡部分的電路文中不做過多的介紹。鍵盤與顯示模塊和數(shù)據(jù)采集模塊之間通過I2C接口通信，完成現(xiàn)場油位顯示及參數(shù)設(shè)置等功能。該部分由專門的鍵盤管理與顯示芯片ZLG7290及相關(guān)外圍電路組成?；贕PRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)整充橋的c整充橋的c時(shí)間達(dá)到24小時(shí)。電源切換及充電電路如圖4-2所示。當(dāng)交流供電存在時(shí)，三極管Q1截止，整流后的電源通過LM7824穩(wěn)壓到般來說系統(tǒng)使用24V的蓄電池時(shí)，限制充電電壓為29.4V,這樣在電路設(shè)計(jì)的過程中，需要保證整流后的電壓輸出為29.4V,這就需要在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候選34007圖4-2電源切換及電池充電電路遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的總體供電方案如圖4-3所示。由圖可知，數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、傳感器及信號(hào)前端電路都是24V輸入。通信模塊及數(shù)據(jù)采集模塊的通訊模塊通訊模塊圖4-3監(jiān)測終端電源供電框圖Fig4-3Powersupplyofmonitoringterminalsblockdiagram數(shù)據(jù)采集模塊以具有ARM公司最新的Cortex-M3內(nèi)核的微處理器端電路、開關(guān)量信號(hào)處理電路和SD卡接口電路，以下將分別進(jìn)行說明。4.2.1微控制器外圍電路(1)振蕩電路振蕩器是微控制器的心臟，它產(chǎn)生微控制器工作需要的基本時(shí)鐘，STM32F103C6T6處理器具有內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器的雙時(shí)鐘系統(tǒng)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一種簡單的方法是利用STM32F103C6T6處理器內(nèi)部自帶的振蕩器，但分別連接在STM32F103C6T6處理器的OSC_IN(5)(OSC_IN表示引腳名稱，5表示引腳編號(hào)，以下含義與此相同)和OSC_OUT(6)引腳。利用處理器內(nèi)率穩(wěn)定性為20ppm的8M的晶體振蕩器，經(jīng)PLL擴(kuò)頻后處理器運(yùn)行在72MHz。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的STM32F103C6T6處理器振蕩電路如圖4-4所示?；贕PRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)引腳來選擇的。3種啟動(dòng)模式的說明見表4-1。表4-1啟動(dòng)模式啟動(dòng)模式選擇引腳BO0T模式說明0系統(tǒng)FLASH存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器被選為啟動(dòng)空間01用戶閃存存儲(chǔ)器用戶閃存存儲(chǔ)器被選作啟動(dòng)空間11系統(tǒng)SRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)SRAM被選作啟動(dòng)空間由于本系統(tǒng)不擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，應(yīng)該選取從片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器啟動(dòng)，該模式要求啟動(dòng)控制引腳BOOTO(44)拉低，BOOT1(20)引腳可任意狀態(tài)。出于對(duì)器件防靜電干擾的考慮，在設(shè)計(jì)中將BO0T0(44)和BO0T1(20)引腳通過100K的電阻接地。啟動(dòng)電路如圖4-5所示。圖4-5啟動(dòng)電路STM32F103C6T6處理器復(fù)位引腳NRST(7)屬于低有效復(fù)位。本設(shè)計(jì)中使用SP708芯片[37]搭建手動(dòng)/自動(dòng)復(fù)位電路，該芯片是3.3V工作電壓，可以保持長達(dá)200毫秒的復(fù)位信號(hào)有效時(shí)間，當(dāng)初始上電時(shí)，芯片自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；也可以由/MR引腳通過按鍵接地，當(dāng)按下按鍵時(shí)，提供手動(dòng)復(fù)位功能。復(fù)位電路如圖4-6。886NC4/MRNRST7圖4-6復(fù)位電路基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)(4)電源處理為了增強(qiáng)STM32F103C6T6處理器對(duì)電源紋波的抗干擾能力，在圖4-7微處理器的電源處理Fig4-7Microprocessorpowerprocessing(5)JTAG調(diào)試電路STM32F103C6T6處理器支持標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口調(diào)試及程序下載。JTAG (JointTestActionGroup,聯(lián)合測試行動(dòng)小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測試電路，通過專用的JTAG測試工具對(duì)內(nèi)TMS:測試模式選擇，即通過TMS信號(hào)控制JTAG狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)；TDI:數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口；TDO:輸出輸出，數(shù)據(jù)通過TDO輸出JTAG口；接口外部的上下拉電阻可以省略。JTAG接口電路如圖4-8所示。 NC NCGNDGNDGNNDGNDGND24682圖4-8JTAG接口電路4.2.2實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路此外STM32F103C6T6處理器具有一個(gè)專門為RTC供電的引腳VBAT(1),方便于采用電池為RTC供電，這樣即使設(shè)備斷電，設(shè)備的時(shí)鐘也能夠正常運(yùn)行。為RTC提供時(shí)鐘，同時(shí)使用一節(jié)紐扣電池為RTC提供電源，電路中發(fā)光二極管D1的作用是指示電池的電量，當(dāng)電池電量不足時(shí)，發(fā)光二極管D1將亮，用于入入C18327684.2.3數(shù)據(jù)采集模塊的供電電路STM32F103C6T6處理器的運(yùn)行電壓范圍是2.0~3.6V,數(shù)據(jù)采集模塊上選擇的其它芯片的工作電壓均是3.3V,因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)成3.3V應(yīng)用系統(tǒng)。而從上一節(jié)我們知道數(shù)據(jù)采集模塊的外部輸入電壓是24V,因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)電壓變換，先通過LM2575開關(guān)穩(wěn)壓集成電路將外部輸入電壓從24V轉(zhuǎn)換成5V,再使用低壓差電源芯片LDO(LinearDropOut)SPX1117M3-3.3穩(wěn)壓輸出LM2575開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等。LDO芯片SPX1117M3-3.3特點(diǎn)是輸出電流可達(dá)800mA,輸出電壓的精度在百分之一以內(nèi)，還具有電流限數(shù)據(jù)采集模塊供電電路原理圖4-10所示。電路中二極管D1是為了防止電——源反接，外部24V直流電源經(jīng)C4、E5濾波后通過LM2575將電源穩(wěn)壓至5V,再經(jīng)過SPX1117M3-3.3穩(wěn)壓輸出3.3V電壓(VCC),發(fā)光二極管D7用于指示是否有外部24V直流電源輸入，當(dāng)有外部電源輸入，發(fā)光二極管D7點(diǎn)亮，否5N58193424.2.4數(shù)據(jù)采集模塊的串行通信電路串行通信使用電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)推薦的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，這是一種很常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的微控制器、PC機(jī)都提供串行接口。要完成最基本的串行通信功能，實(shí)際上只需要RXD(數(shù)據(jù)接發(fā)送)和GND(地)。但是由于RS-232標(biāo)準(zhǔn)所定義的高、低電平信號(hào)與的標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)2V至3.3V,標(biāo)準(zhǔn)“O”對(duì)應(yīng)0V至0.4V,而RS-232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)-5V至-15V,標(biāo)準(zhǔn)邏輯“O”對(duì)應(yīng)+5V至+15V,顯然兩者之間進(jìn)行通信必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中采用了SP3232E芯片作為電平轉(zhuǎn)換的接口電路，該芯片工作電壓為3.3V。STM32F103C6T6處理器內(nèi)置兩個(gè)異步串口，每個(gè)都可以工作在中斷和DMA模式。在應(yīng)用中串口1用來和M23AGPRS通信模塊通信，串口2用來和VC313嵌入式視頻壓縮卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。串行通信接口電路如圖4-11所示。需要注意的是：與串口1相連的9針串口座的1號(hào)引腳與STM32F103C6T6處理器的PB10引腳相連，該引腳將作為GPRS模塊的點(diǎn)火引腳，在以下的相關(guān)3C1-OC2-8026O-OO09oo348055圖4-11數(shù)據(jù)采集模塊的串行通信接口電路Fig4-11Dataacquisitionmoduleserialco4.2.5模擬信號(hào)采集電路A/D轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter)是一種能把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字要將外部傳感器送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并交給系統(tǒng)處理器進(jìn)行處理，STM32F103C6T6處理器自帶2個(gè)12位精度、10通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此本部分電路的設(shè)計(jì)只需要將傳感器的輸出信號(hào)變換到STM32F103C6T6的模STM32F103C6T6處理器以芯片工作電壓VDD(一般3.3V)作為模數(shù)轉(zhuǎn)換參考通道，通過軟件處理將該通道ADC測量的VDD值作為ADC參考電壓值。系統(tǒng)中的模擬信號(hào)采集電路如圖4-12所示。由于前端液位傳感器輸出是4～20mA的電流信號(hào)，首先將這電流信號(hào)通過165歐姆的精密電阻R5轉(zhuǎn)換為的影響，將電壓信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器后再接入STM32F103C通道ADC12_IN3用于監(jiān)測系統(tǒng)電源輸出，以區(qū)別當(dāng)前采集板是通過外部進(jìn)入該通道，當(dāng)該通道上電壓為零時(shí)，說明56LM3582通道電壓在3V以上時(shí)，表明采集板使用的是市電接入。通道ADC12_IN1用于測量測量處理器工作電壓VCC,為了避免STM32F103C6T6處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道輸入阻抗太小引起VCC電壓跌VCC電壓經(jīng)電壓跟隨器后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入通道ADC12_IN1。26圖4-12模擬信號(hào)采集前端處理電路4.2.6開關(guān)量輸入處理電路由于選用的接近開關(guān)、紅外報(bào)警器輸出電平范圍超過了STM32F103C6T6處理器所能承受的高低電平范圍，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。開關(guān)電路如圖4-13所示，圖中所示的開關(guān)量信號(hào)處理電路一共有4路，本系統(tǒng)中在圖4-13所示電路中，當(dāng)外部開關(guān)量輸出高電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的開關(guān)量設(shè)備都是NPN常開型的，因此在設(shè)備上電正常工作時(shí)開關(guān)量輸出是高電平，即4-13圖中J1、J2開關(guān)量輸入端口處正常情況下都是高電平輸入，處理器檢測引腳一端是低電平；而在開關(guān)量設(shè)備沒有接入J1、上的這個(gè)特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)就可以對(duì)外設(shè)備是否被接入和故障進(jìn)行檢測，配合軟J3圖4-13開關(guān)量信號(hào)處理電路數(shù)據(jù)采集板系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了2路繼電器開關(guān)量輸出電路，系統(tǒng)中微控器通過使用的開關(guān)量輸出電路如圖4-14所示。5233FLB25圖4-14開關(guān)量輸出電路4.2.7LED及蜂鳴器電路數(shù)據(jù)采集模塊部分設(shè)計(jì)了4個(gè)獨(dú)立的LED,用于指示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。LED高電平時(shí)LED點(diǎn)亮，低電平時(shí)LED熄滅。為了使整個(gè)系統(tǒng)操作友好，在任何按鍵被按下時(shí)給出提示聲以及當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)給出相應(yīng)的聲音報(bào)警，設(shè)計(jì)了一個(gè)蜂鳴器電路，蜂鳴器使用PNP三極管Q2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)Q2導(dǎo)通，蜂基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)鳴器響，當(dāng)Q2截止，蜂鳴器停止蜂鳴。通過蜂鳴器電路，用于指示系統(tǒng)中各種操作提示聲音。LED及蜂鳴器電路如圖4-15所示。圖4-15LED及蜂鳴器電路4.2.8SD卡接口電路為了保證在GPRS網(wǎng)絡(luò)不通時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)不丟失，以及在有偷盜油警情出現(xiàn)時(shí)，監(jiān)測終端能本地保存井場附近圖片數(shù)據(jù)，監(jiān)測終端采用了一張128M的SD(SecureDigitalMemoryCard)卡來存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)。SD卡[41]由日本松下、東芝及美國SanDisk公司于1999年8月共同開發(fā)研制，大小猶如一張郵票的SD記憶卡，重量只有2克，擁有高記憶容量、快速24mm×32mm×2.1mm的體積內(nèi)結(jié)合了SanDisk快閃記憶卡控制與MLC技術(shù)和東芝NAND存儲(chǔ)技術(shù)，通過9針的接口界面與專門的驅(qū)動(dòng)器相連接，不需要額外的電源來保持其上記憶的信息。SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4-16所示。圖4-16SD卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖SD卡工作電壓3.3V,接口支持SD卡和SPI模式兩種操作模式，主機(jī)系基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)統(tǒng)可以選擇其中任一模式讀寫SD卡，SD卡模式允許四SPI模式允許簡單通用的SPI通道接口，這種模式相對(duì)于SD模式的不足之處是喪失了速度。由于遠(yuǎn)程監(jiān)測終端對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的操作并不頻繁，并為了方便與處理器接口，設(shè)計(jì)中采用的是SPI的操作模式。SD卡在SPI模式下針腳定義如表4-2所示。表4-2SD卡在SPI模式針腳定義針腳名稱類型描述2數(shù)據(jù)輸入3S地4S供電電壓5時(shí)鐘6S地7數(shù)據(jù)輸出89遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的SD卡接口電路見圖4-17。數(shù)據(jù)從STM32F103C6T6處理器的SPII_MOSI(17)引腳同步輸入SD卡的DI/CMD引腳，并由SD卡的DO/DATA0線同步輸入STM32F103C6T6的SPI1_MISO(16)引腳。數(shù)據(jù)在SPI1_SCK(15)信號(hào)的上升沿輸入和輸出。47K(47K(47K(47K(47K34567892圖4-17SD卡接口電路GNDGNDGPRS通信貓電路部分以內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的M23A模塊為中心，由M23啟動(dòng)電路、通信接口電路和SIM卡接口電路。M23AGSM/GPRS模塊工作電壓范圍3.3V～4.5V,典型值是4.2V。電源必須能夠在上行傳輸時(shí)提供約2A的峰值電流且能承受突發(fā)傳輸時(shí)的電壓降。1)外部電源任何時(shí)候不能低于3.3V,而且在突發(fā)傳輸中的電壓降不能超過400mV,否則將引起M23AGSM/GPRS模塊自動(dòng)關(guān)機(jī)。2)為了減小功率損耗，應(yīng)使用盡可能短的連接電纜，電路板上電源線的綜合M23AGSM/GPRS模塊對(duì)供電電源的特殊要求，為模塊設(shè)計(jì)了如圖4-18所示的供電電路，電路采用可調(diào)壓式穩(wěn)壓電源芯片LM2576-ADJ,該電源芯片最大輸出電流能達(dá)3A,調(diào)節(jié)電阻R9使LM2576-ADJ輸出4.2V為模塊供時(shí)時(shí)2n圖4-18M23AGSM/GPRS模塊供電電路才能被啟動(dòng)。為了便于數(shù)據(jù)采集模塊與GPRS信模塊的單獨(dú)調(diào)試，設(shè)計(jì)了如圖4-19所示的M23AGSM/GPRS模塊的啟動(dòng)電該電路可以通過S1鍵被按下、數(shù)據(jù)采集模塊上STM32F103C6T6處理器的一個(gè)GPIO口接IGT并拉為低電平兩種方式來啟動(dòng)M23A模塊。結(jié)合軟件上4.3.3M23A模塊通信接口電路M23AGSM/GPRS模塊提供了一個(gè)全功能的串行通信接口，原本M23A的串行接口和STM32F103C6T6處理器的串行通信接口可以直接相連(兩者串行接口的輸入輸出電平在同一個(gè)范圍內(nèi)),但為了使GPRS通信模塊更具備通用也能保持不變，為此為M23AGSM/GPRS通信模塊設(shè)計(jì)了圖4-20所示的串口電平轉(zhuǎn)換電路，使主處理器和M23AGSM/GPRS模塊之間通過RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。另外為GPRS通信模塊設(shè)計(jì)專門的RS232串行通信接口還便于GPRS通信模塊的單獨(dú)調(diào)試。圖4-20所示電路中，通過MAX3238器件完成TTL信號(hào)向RS232電平信 4C2.58V-pout+0oNVALD7Y6004.3.4SIM卡接口電路GSM網(wǎng)絡(luò)是使用SIM卡來識(shí)別終端設(shè)備，故使用GPRS的功能也必須使用SIM卡。M23AGSM/GPRS模塊在接口上提供了4個(gè)引腳來連接外部的SIM卡座，引腳功能描述如表4-3。引腳名稱引腳號(hào)引腳方向功能輸出SIM卡時(shí)鐘，由M23A基帶處理器可以設(shè)置不同的時(shí)鐘頻率輸出SIM復(fù)位，由M23A基帶處理器提供輸入/輸出串行數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)輸入和輸出輸出調(diào)整SIM輸出SIMSIM卡電路連接方式如圖4-21所示。56734圖4-21SIM卡電路連接圖基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)4.4鍵盤與顯示模塊的電路設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的鍵盤與顯示，主要是為了完成以下操作：(1)監(jiān)測終端實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前油罐中油位高度，與上位機(jī)監(jiān)控中心服務(wù)器的連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、電源狀態(tài)等。(2)通過鍵盤操作，設(shè)置計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心服務(wù)器的IP和端口號(hào)、標(biāo)定液位傳感器的輸入、設(shè)置設(shè)備編號(hào)和查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示和鍵盤的管理，本系統(tǒng)應(yīng)用中采用IC接口的鍵盤與顯示管理芯片ZLG7290[43與主處理器STM32F103C6T6進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。I2C總線是Philip公司推出的芯片間串行傳輸總線，它用兩根線實(shí)現(xiàn)了完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳輸，可以極為方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。I2C總線通過2根線：串行數(shù)據(jù)(SDA)和串行時(shí)鐘(SCL)線在連接到總線上的器件間傳遞信息，在I2C總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘線SCL為高電平時(shí)保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)線SDA的電平狀態(tài)只有在SCL線是低電平時(shí)才能改變，I2C總線上的數(shù)據(jù)位傳輸如圖4-22所示。允許數(shù)允許數(shù)數(shù)據(jù)有效Fig4-22Databittransmission在I2C總線中違反圖4-22所示數(shù)據(jù)位傳輸?shù)氖瞧鹗嘉缓屯Ｖ刮坏膫鬏敚赟CL線是高電平時(shí)，SDA線從高電平向低電平切換表示一個(gè)起始位；在SCL線是高電平時(shí)，SDA線由低電平向高電平切換表示一個(gè)停止位，起始位和停止位的數(shù)據(jù)傳輸如圖4-23所示。s起始位停止位 在I2C總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)送到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須為8位，且每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)應(yīng)答位，首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位(MSB),I2C總線上完整的一次數(shù)據(jù)傳輸如圖4-24所示。廠在中斷期間S或92每個(gè)I2C器件都有一個(gè)唯一的地址，ZLG7290的器件地址是70H,其I2C接口的通信速度為32Kbit/s。ZLG7290芯片主要的性能指標(biāo)為：2)工作電壓范圍：3.3V~5.5V:3)可驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED和64個(gè)按鍵；6)8個(gè)功能鍵，可檢測任一鍵的連擊次數(shù)；7)工業(yè)級(jí)器件，具有封裝形式DIP24、SOP24;ZLG7290內(nèi)部有7個(gè)控制寄存器和8個(gè)顯示緩沖區(qū)，通過I2C接口對(duì)內(nèi)部寄存器的操作就可以實(shí)現(xiàn)顯示和鍵值獲取。ZLG7290芯片內(nèi)部的功能框圖如圖4-25所示。鍵盤掃描系統(tǒng)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示命令接口命令解釋：通信接口鍵盤8系統(tǒng)中采用鍵盤與顯示管理芯片ZLG7290來對(duì)鍵盤操作和顯示進(jìn)行管理，可以減少主處理器運(yùn)行負(fù)擔(dān)，避免不斷的對(duì)按鍵和數(shù)碼管顯示進(jìn)行掃描，使的整個(gè)系統(tǒng)的顯示更穩(wěn)定，并且通過在有鍵按下時(shí)ZLG7290提供的中斷信號(hào)，使的按鍵操作能夠得到及時(shí)響應(yīng)。顯示鍵盤板上有兩個(gè)4連的8位LED數(shù)碼管和15個(gè)按鍵，按鍵分為10在沒有按鍵動(dòng)作時(shí)，數(shù)碼管上分時(shí)顯示年月日和時(shí)分秒，在鍵動(dòng)作時(shí)，數(shù)據(jù)管上顯示對(duì)應(yīng)的操作菜單。按鍵操作主要完成以下幾個(gè)功能：(1)設(shè)置計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心IP地址及端口號(hào)：(2)設(shè)置傳感器量程；(3)設(shè)置GPRS數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔；(4)設(shè)置被監(jiān)控的儲(chǔ)油罐數(shù)目及儲(chǔ)油罐起始編號(hào)；(5)時(shí)間設(shè)置和故障查詢；鍵盤與顯示模塊的電路見附錄D:鍵盤顯示板原理圖。 5遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)(以下稱之為“裸機(jī)”)的純硬件上的開發(fā)模式。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS 使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)常將軟件系統(tǒng)層次化，大致上整應(yīng)用層系統(tǒng)應(yīng)用層程序(MnAPP)接口層底層驅(qū)動(dòng)層 ◆系統(tǒng)運(yùn)行的輸出。在系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)會(huì)執(zhí)行一些C4、C5,定義系統(tǒng)輸出的集合是C。圖5-2即為某一實(shí)時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖中Cn/En表示當(dāng)事件En發(fā)生時(shí)，基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)執(zhí)行動(dòng)作Cn,并根據(jù)圖中箭頭的指向進(jìn)行狀態(tài)遷移。例如，在S0狀態(tài)下發(fā)生動(dòng)作，并保持系統(tǒng)狀態(tài)不變：在S0狀態(tài)下發(fā)生E1事件，系統(tǒng)無動(dòng)作，系統(tǒng)狀態(tài)也保持不變；在S0狀態(tài)下發(fā)生E2事件，則執(zhí)行C1動(dòng)作，并將系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)SI狀態(tài)。圖5-2狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表5-1所示的狀態(tài)事件變遷和圖5-2所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖含義相同。狀態(tài)事件變遷表里的第一行表示每個(gè)狀態(tài)，第一列表示每個(gè)事件，狀態(tài)轉(zhuǎn)移在每個(gè)狀態(tài)和事件的相交處出現(xiàn)。如在狀態(tài)S0和事件E2相交之處，描述了一個(gè)轉(zhuǎn)移使當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移到SI狀態(tài)，并輸出一個(gè)CI動(dòng)作。表5-1狀態(tài)事件變遷表狀態(tài)S注：一表示在當(dāng)前狀態(tài)下發(fā)生當(dāng)前事件，系統(tǒng)無動(dòng)作且狀態(tài)不變。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的工作過程總是能用一個(gè)狀態(tài)機(jī)來進(jìn)行完整的描述。系統(tǒng)狀態(tài)是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程的靜態(tài)描述，是根據(jù)系統(tǒng)的具體情況人為定義的，如處于準(zhǔn)備狀態(tài)、故障狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等。無論系統(tǒng)運(yùn)行在何種狀態(tài)，必然同時(shí)伴隨著某些事件發(fā)生，如一次按鍵、繼電器動(dòng)作或定時(shí)時(shí)間到，事件發(fā)生可以激發(fā)狀態(tài)變化，如按下開機(jī)鍵，系統(tǒng)進(jìn)入開機(jī)狀態(tài)，故障發(fā)生后轉(zhuǎn)入故障狀態(tài)，也可以只引起某些處理，沒有狀態(tài)變化，也可能不作任何動(dòng)作處理和狀態(tài)變化，例如處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)再按開機(jī)鍵。5.1.2事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用程序的開發(fā)通常是采用面向過程的程序設(shè)計(jì)方基于GPRS的分布式油田原油計(jì)量和防盜系統(tǒng)設(shè)法，面向過程的程序設(shè)計(jì)方法要求程序跟隨過程走直至該過程完成，因此當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)較為復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用程序時(shí)，必然將引入大量的標(biāo)志位來聯(lián)系程序中各個(gè)功能模塊，因此可以說程序的流向在很大程度上由大量的標(biāo)志位來控制，而眾多的標(biāo)志位之間往往處于一種離散的狀態(tài)，這樣導(dǎo)致程序的可讀性和可維護(hù)性變差。事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)方法的核心模型是有限狀態(tài)機(jī)，其主要思想是根據(jù)系統(tǒng)功能劃分好系統(tǒng)的狀態(tài)及外部輸入引起狀態(tài)改變的各種事件，系統(tǒng)根據(jù)不同的事件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，并從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)狀態(tài)，整個(gè)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上就是通過索引系統(tǒng)狀態(tài)和事件兩項(xiàng)唯一的確定應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作程序段。事件驅(qū)動(dòng)程序中設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題是系統(tǒng)狀態(tài)和事件的劃分，系統(tǒng)狀態(tài)可以根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)來劃分；事件可以依據(jù)是否是異步動(dòng)作來劃分，例如在遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件開發(fā)中，共劃分了三個(gè)事件，分別是按鍵事件、串口1接收到數(shù)據(jù)事件、串口2接收到數(shù)據(jù)事件，各事件編號(hào)如表5-2所示。表5-2監(jiān)測終端的事件編號(hào)Tab5-2Monitoringt事件名稱事件編號(hào)鍵事件123為了管理系統(tǒng)中發(fā)生的各個(gè)事件并做出相應(yīng)的動(dòng)作，需要一個(gè)循環(huán)的緩沖隊(duì)列，當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，就將事件對(duì)應(yīng)的編號(hào)寫入緩沖隊(duì)列，上層軟件通過讀取緩沖隊(duì)列就知道系統(tǒng)中發(fā)生的具體事件，并依據(jù)當(dāng)前狀態(tài)做出相應(yīng)的動(dòng)作。事件管理緩沖隊(duì)列如圖5-3所示，圖中APPBuffWR是寫隊(duì)列指針，APPBuffRD讀隊(duì)列指針，在初始化時(shí)兩個(gè)指針同時(shí)指向隊(duì)列的首地址，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，事件編號(hào)先寫入APPBuffWR指向的地址空間，然后調(diào)整APPBuffWR指向下一個(gè)地址空間，上層軟件通過比較APPBuffWR和APPBuffRD兩者是否相等就將知道是否有新的事件寫入，如果兩者不等，則取出APPBuffRD指向地址空間的數(shù)據(jù)(即發(fā)生的事件編號(hào)),然后調(diào)整APPBuffRD指向下一個(gè)地址空間。事件管理緩沖隊(duì)列的C語言定義如下：uchar8APPBuff[APPBuffLENuchar8*APPBuffWR=APPBuff;1寫隊(duì)列指針uchar8*APPexternvoidWRAPPBuff(uchar8i){if(APPBuffWR==APPBuff+APPBuffLEN)A從事件緩沖區(qū)中取出事件編號(hào)的相關(guān)代碼如下：staticuchar8RdAPPBuff(void)if(APPBuffRD==APPBuffWR)return(0);//沒有新事件返回0if(APPBuffRD==APPBuff+APPBuffLEN)AP方法中是寫一個(gè)延時(shí)程序來完成需要的延時(shí)，這樣做的缺點(diǎn)是浪費(fèi)處理器資源，大大的降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力。在使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件中，需要延時(shí)的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)先進(jìn)行任務(wù)切換，使其