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1、西安科技大学 硕士学位论文 集中器与主站通信协议的设计与实现 姓名：赵金龙 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：朱宇 论文题目：集中器与主站通信协议的设计与实现 专 业：计算机软件与理论 硕 士 生：赵金龙 (签名) 指导老师：朱 宇 (签名) 摘 要 目前在低压电力用户集中抄表系统建设中，主站和集中器之间的数据通信协议并无 相应国家和行业标准可循，导致系统集成、设备更换难度和费用加大，给供电公司的抄 表管理工作带来不便。有必要研究制定统一的集中器上行通信协议。 本文研究国内湖北、湖南两省的集中器上行通信协议，并参与其协议解析的编写， 探索设计出一套融合湖北、湖南优点的集中器
2、上行通信协议。新设计的集中器上行通信 协议增加远程升级的协议模块，并加强数据传输可靠性和降低协议二义性。硬件平台采 用 ARM7 系列 32 位嵌入式芯片 LPC2214 为主控芯片， 片外扩展三种存储器和对上通讯 方式。软件平台移植实时操作系统 C/OS-II，实现实时操作系统的多任务功能，提高系 统的实时性、可靠性和稳定性。在 ADS1.2 开发环境中，采用面向对象和面向过程综合 的编程方法，使系统可以并存多种集中器上行通信协议，且能够灵活切换。利用 ASM、 C、C+多种语言混合编程方式实现系统功能，使系统具有较高的健壮性和可扩展性。 目前，本协议已经投入到湖北省荆门市，结果表明，协议运
3、行稳定可靠，且现场维 护工作减少，抄表率达到 99%，达到协议预期的设计目标和要求，对用电管理和供电质 量起到积极作用。 关 键 词：LPC2214；C/OS-II；协议解析；远程升级 研究类型：应用研究 Subject ：The Design and Implement on Communication Protocol Based on Concentrator with the Master Station Specialty ：Computer software and theory Name ：Zhao Jinlong (Signature) Instructor：Zhu Yu (S
4、ignature) ABSTRACT There is no unified national or industrial protocol for data communication between master station and concentrator when constructing Automatic Meter Reading(AMR) system for Low-voltage customers, and often lead to system integration, equipment replacement difficulty and the cost i
5、ncreases, which brings inconvenience to meter reading management of power supply company. So it is necessary to study and design an unified concentrator upstream communication protocol. The paper studies the concentrator upstream communication protocol of Hubei and Hunan Provinces, and participate i
6、n the compiling of protocol analysis, and design a concentrator upstream communication protocol which merges the advantages of communication protocol in Hubei and Hunan. The new designed concentrator upstream communication protocol which increases the protocol module of remote upgrade, enhances data
7、 reliability and reduces the ambiguity of the protocol. ARM7 32-bit LPC2214 embedded chip ARM7 is adopted by hardware platform as the master chip, three kinds of memory and upstream communication mode are extended in the peripheral chip. Software platform adopts portable real-time operating system C
8、/OS-II to realize the multitask function of real-time operating system. The system improves real-time performance, reliability and stability of the system. In the development environment of ADS1.2, combined with object-oriented and process-oriented approach. The System realized the mixed programming
9、 of ASM, C and C+, which can switch various concentrator upstream communication protocol, and the system can have high robustness and scalability. At present, the protocol has applied to Jingmen in Hubei province. Results show that the protocol runs reliably and maintenance work of field reduced, an
10、d meter reading accurate reached 99%.Therefore, it can reach the expected goals and requirements of protocol, and play a positive role in the power user management and power supply quality. Keyword: LPC2214 C/OS-II Protocol Analysis Remote Upgrade Thesis : Application Research 1 绪论 1 1 绪论 电力系统集抄设备大部
11、分安装在特定的区域， 电力部门对其进行管理和维护存在着 很多困难。用电管理部门仍然采用远程抄表和人工抄读并用的方式维护电力系统，远程 抄表经过多年的发展，已经存在湖北、湖南等多种集中器上行通信协议；采用人工方式 抄读用户电表的各项数据，不仅工作量大，工作效率低，而且数据可信度低，不满足用 电管理现代化的需求。 远程自动抄表又称为集中抄表，这种方式不需要人员到达现场，使用计算机网络等 远程通讯技术，通过一定的远程通讯设备建立通讯链路，自动采集和传输各种故障信息 数据，各种范围内电力用户实时用电量信息，并且可以统计及综合分析各种数据。集中 器与主站系统的通信协议则是集中抄表的核心，国际标准 IEC
12、62056 协议并不适合国内 远程抄表，因此国内推出国标 645 协议；各省从本省的实际情况出发，以国标 645 为基 础， 开发不同的协议。 湖北和湖南两省的集中器上行通信协议存在着很大的差异和不足， 需要完善集中器上行通信协议，增加其实时性、稳定性和可靠性，减少电力部门的维护 工作1。 1.1 研究现状 1.1.1 集中抄表上行协议现状 目前国内外在用电管理领域内，多采用手动现场抄表和远程自动抄表两种方式来获 取电能计量数据，而手动现场抄表又分为原始手动抄表和协助式现场抄表。在国家的强 大内需推动下，兴起远程自动抄表的飞速发展。国内以国标 645 协议为基础，但由于省 局电力部门自行研究远
13、程抄表，就产生了本省自行设计的集中器上行通信协议。 国内远程自动抄表的集中器上行通信协议大多数以省局设计的集中器上行通信协 议为主，由于大、中型公司设计的集中器上行通信协议和房地厂商的开发，甚至在某些 省市产生一省多种集中器上行通信协议的现象。国内远程自动抄表的集中器上行通信协 议存在着多样性，集中器设备采用多种协议并存的方式解决上行通信问题。随着远程自 动抄表的飞速发展，原有的国标 645 协议已经存在着不足，因此国内将在最近几年推出 新的国标 698 协议2。 国外有很多著名厂商致力于远程抄表产品的开发与生产，而且对远程抄表的研究也 越来越深入。美国于 1986 年就成立自动抄表技术协会
14、AMRA (Automatic Meter Request Association)，每一年半左右开一次国际性年会，会上有自动抄表的专题报告和最新成果 展示。近年又成立了欧洲自动抄表技术协会和英国自动抄表技术协会3。 西安科技大学硕士学位论文 2 我国远程自动抄表系统的起步比国外晚，当前已经形成多种方式并存的格局。集中 器对采集器和表通信以国标 645 协议为主，多采用 RS-485 或载波通信；集中器与主站 系统则以各省的集中器上行通信协议为基础，采用廉价的 GPRS 通信，部分市区仍然采 用着电话线拨号抄表的方式。远程自动抄表系统多采用嵌入式技术中的实时性强的操作 系统，本设计采用的是抢占
15、式操作系统 C/OS-II。 1.1.2 嵌入式技术现状 嵌入式系统是指以计算机技术为基础、以应用为中心、软件硬件可剪裁、适应对功 能、可靠性、成本、体积、功耗具有较高要求的专用计算机系统，主要由嵌入式微处理 器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成，实现对其它设备监 控和管理等功能4。 嵌入式系统是软硬件一体化的高可靠性系统，功能强大、灵活方便。硬件的核心是 嵌入式 CPU(Central Processing Unit)，在存储系统、外围电路的支持下，构成嵌入式系 统的硬件基础。存储系统大多使用闪存(Flash Memory)，以满足嵌入式系统高性能、高 可靠性、系统资源
16、开销小的要求。外围电路的外部设备在应用软件驱动下，完成嵌入式 系统的应用功能。 由于网络与通信技术的发展，嵌入式系统在经历近 20 年的发展历程后，从普遍的 低端应用进入到一个高、 低端并行发展的阶段。 在低端 8 位 MCU(Microcomputer Control Unit)仍然占有较大市场份额的情况下，32 位 MCU 迅速发展，占据嵌入式高端市场并且 逐渐向低端市场渗透。 32 位 MCU 的高端应用多集中在网络、通讯和多媒体技术领域，而 ARM 公司适时 推出的 ARM 系列嵌入式微处理器，以其明显的优势和知识产权平台，迅速形成 32 位 MCU广泛应用的主流地位， 并且使少数传统嵌入式系统厂家放弃自己的32位发展计划， 转而使用 ARM 公司内核来发展自己的 32 位 MCU5。 PC 时代的到来为 32 位嵌入式系统的高端应用提供了空前巨大的发展空间，同时起
