MC55模块在电力负荷管理终端中的应用

2010-03-26陶维靑

合肥工业大学学报（自然科学版） 2010年9期

王晶，陶维靑

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥 230009)

电力负荷管理系统是围绕着需求侧管理，集现代数字通信技术、计算机软硬件技术、电能计量技术和电力营销技术为一体的综合性的实时信息采集与分析处理系统。系统由负荷管理中心站、通信信道、负荷管理终端3部分组成。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的少量数据的传输，也适用于大量的数据传输，并且GPRS是按数据流量收费的。由于GPRS以上的特点，它非常适用于作为电力负荷管理系统中管理中心主站和负荷管理终端之间的通信信道[1-3]。

1 MC55模块简介

西门子公司的MC55模块是目前最小的三频GSM/GPRS模块，具有很高的可靠性和易用性，适合在移动终端中作无线通信模块。MC55提供了RIL/MUX软件包，同时内嵌了TCP/IP协议栈，在开发过程中无需对模块编写通信协议。MC55有50个引脚，按功能可以分为以下4个功能模块:电源充电管理、双非平衡的异步通讯端口(ASC0是8总线串口，ASC1是4总线串口)、双音频接口、SIM卡接口。MC55在单电源3.3～4.8 V下工作，在系统设计时使用锂电池供电。同时MC55要求SIM卡符合ISO7816标准，在MC55和SIM卡之间共有6个引脚连接，为了保证EMC(电磁兼容性)MC55与SIM卡之间的距离不能超过20 cm，另外50根扁平适配线长度也不能超过20 cm。MC55的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITUTRS232接口标准，它有固定的参数:8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率为自适应在0.3～230 kbps之间可选，硬件握手信号用RTS0/CTS0等;支持标准的AT命令集[4]。

2 基于MC55的终端通信单元硬件设计

MC55模块对外有2个通讯接口，一个通过RS232接口与负荷管理终端主控MCU连接，另一个利用GPRS模块拨号登陆至GPRS网络。2个接口之间采用数据直接转发的透明机制，实现数据采集终端和GPRS无线网络的互联。主站发送的数据通过天线进入MC55模块，经过TCP/IP协议解析提取有用数据，根据电力通信规约重新组帧发给MCU，MCU响应的数据经过MC55模块调制成GSM信号，通过外部数据网，以TCP/IP传输协议传送至主站[4-6]。

本设计中以TI公司的DSP芯片TM S320F2812为负荷管理终端上的MCU，该芯片主要实现整个系统所需监测数据的采集，中心主站命令的解析;MC55模块完成无线上网数据传输功能。具体硬件电路如图1所示。

图1 MC55接口硬件原理

DSP的通用I/O口GPIOD1引脚与MC55引脚VDD连接实现掉电异常检测，模块开机时VDD输出高电平，模块关机VDD输出低电平，通过监测VDD引脚电平判断模块是否掉电，模块掉电时重新启动。SYNC引脚提供脉宽600 ms占空比为1∶1及高电平脉宽75 ms、低电平脉宽3 s的时钟信号控制LED1，反映MC55的工作状态。如图1所示，SYNC输出高电平时三极NPN1导通，LED发光;SYNC输出低电平时NPN1截止，LED熄灭。DSP通过RS232选择时钟信号，无信号或没有插入SIM卡时，SYNC引脚输出脉宽600ms占空比为1∶1的时钟信号。LED均匀闪烁，登陆到GPRS网络时SYNC引脚输出高电平脉宽75m s、低电平脉宽3 s的时钟信号，LED长灭短亮。MC55提供的SIM卡接口可直接驱动SIM卡座，MC55的引脚CCIN为SIM卡检测引脚，当SIM卡座中插入SIM卡时，CCIN输出高电平，MC55工作;拔出SIM卡时，CCIN输出低电平，MC55关闭。CCIN引脚通过电平控制MCU的开关，防止工作过程中拔出SIM时对MC55的损坏[4]。

MC55模块的GSM内核需由IGT引脚以预定的时序激活，才能进入正常工作状态，IGT引脚的启动时序图如图2所示。

图2 IGT引脚启动时序

首先IGT引脚保持高阻态，通过4.6 V直流电压给MC55加电，当BATT+引脚上的电压超过+3 V，同时IGT引脚要比VDD的下降沿至少延迟达10 m s后，才操作IGT引脚;BATT+超过3 V并保持10 m s后，IGT变为低电平且下降沿持续时间不能超过1ms;将IGT引脚拉低的时间不少于100m s，同时应保持BATT+引脚电平不低于3 V，这样才能正常激活模块。需要特别注意的是，MC55模块启动后需要等待900m s才能正常使用串口[4]。

3 终端通信单元软件的实现

MC55的数据传输模式和命令模式均是通过AT命令来实现的，对于MC55的操作主要包括2个步骤:一是GPRS连接服务的建立;二是进行相关的数据传输操作。根据这2个步骤在程序设计中将系统的通信功能步骤化和模块化，并使用实时任务调度和任务驱动机制。先把GPRS功能函数和GPRS通信数据分开设计，系统主函数每10ms调用一次GPRS功能函数，这个函数包括了GPRS上电初始化和AT命令拨号操作，并根据具体的任务标志进行数据传输操作;GPRS通信数据处理的任务主要实现数据传输的具体操作，如串口接收发送函数，GPRS模块读写操作函数以及具体的报文解析等，具体操作流程如图3、图4所示[7]。

MC55模块在电力系统实际应用中通信方式和任何通信相关的参数均是利用AT命令通过串口本地更改设置的，本设计中将终端控制MC55模块上线设置的AT命令放入二维数组M odem-Command中。

其中socket通信主要完成终端历史数据、实时数据、主站控制命令的传输，是整个GPRS通信的核心部分。为了进行socket连接和数据传输，本设计中定义了以下结构体。

数据结构GPRS-DEV定义了MC55模块任务状态信息，例如WaitAckTime为等待响应时间，单位为10m s，在发送AT命令后，每隔10m s减1，当WaitAckTime为0时没有收到应答，则执行AT命令重发;ATIndex为所要发送AT命令的序号，即二维数组M odemCommand的行号，它的初始值为0;GprsWaitingAck为模块应答标志，当AT命令发送后，模块正确回复时GprsWaitingAck置1;当需要执行GPRS模块的复位操作，则置位GprsDev.Reset标志，函数检测该标志，执行GPRS模块的初始化，重新上电和远方主机重新建立连接。

在发送报文的处理过程中，首先检测各发送标志，G prsDev.SATLgin置位发送登陆报文，GprsDev.SATHeat置位发送心跳报文，Gprs-Dev.SATCm d置位发送AT命令;然后组帧完成即GprsDev.FrameOK，将通讯规约的对应报文通过GPRS发送到Internet计算机。

数据结构体GPRS-BUF定义了GPRS通讯所使用的各数据缓冲区及报文大小。

DataOutBuf为GPRS发送缓冲区，DataIn-Len为发送数据长度，DataInBu f为GPRS接收数据缓冲区，DataInLen为接收数据长度。收发数据采用电力负荷管理规约。

图3 GPRS通信功能流程

图4 GPRS通信数据处理流程

4 通信链路连接的维护机制

GPRS数据异常中断是指在GPRS数据通信过程中，由于通信链路受到外界干扰或通信链路某节点异常，导致整个通信链路的中断，数据传输失败。一般网络附着因素是导致GPRS掉线的主要原因。当GPRS终端长时间没有通信，PDP上下文状态从ACTIVE状态跳转到STANABY，最后转到IDLE状态，GPRS网络系统的GGSN和SGSN等设备删除了GPRS终端的各种PDP上下文信息，下次有数据传输时，GPRS网络系统不能找到相关的传递信息，导致GPRS终端设备无法传输数据，产生掉线。

本设计中解决GPRS网络附着掉线的方法采用心跳包技术。在线心跳包技术原理是在规定的时间间隔内，周期性地主动发送一些维护链路信息，触发GGSN、SGSN、MS的等待定时器，使其定时期地回归初始状态，使GGSN、SGSN、MS的状态保持激活状态，维持GPRS数据传输通道的畅通。在电力传输规约中明确规定了心跳报文的格式。设计中采用终端每隔3 m in(时间可设)向主站发送心跳报文，当主站确认终端在线时，发送心跳确认报文。如果终端连续次没有收到主站的心跳确认信息，即做掉线处理，重新启动TCP连接。另外为防止程序跑飞或进入死循环，使用软件看门狗监测串口数据接收。设定串口接收数据的最大间隔时间，在该时间内串口没有接收到任何数据，进行复位操作，MC55模块断电关机再重新开机，以保证程序可靠运行[8]。