具有GPS时钟电路的数据集中器研究

李科蕾

(仪器科学与动态测试教育部重点实验室(中北大学)和电子测试技术国家重点实验室1，山西 太原 030051;中北大学信息与通信工程学院2，山西 太原 030051)

具有GPS时钟电路的数据集中器研究

李科蕾1，2

(仪器科学与动态测试教育部重点实验室(中北大学)和电子测试技术国家重点实验室1，山西 太原 030051;中北大学信息与通信工程学院2，山西 太原 030051)

具有GPS时钟电路的数据集中器，主要由双CPU数据采集、存储和传输电路、软件狗电路、电压监控电路、调制解调器和GPS时钟电路组成。给出了双CPU电路和软件狗电路的工作原理图，介绍了采用GPSOEM接收板的日期与时间电路的设计思路和编程方法。该数据集中器已应用于基于公用电话网的配变参数远程抄表系统。

GPS时钟电路 实时监测 数据采集 数据集中器 公共交换电话网络(PSTN)

0 引言

为了解决对配电变压器低压测的电压、电流、功率和功率因数等运行参数的实时监测，人们开发了配电变压器运行参数自动监测仪和配电变压器运行参数管理系统。

供电部门获取各监测仪中的数据主要有两种方法:一是人工抄表，此法工作量大且不具有实时性［1-2］;二是通过专用线、以太网等自动读取数据［3-6］，这种方法的抄表成本太大且数据的接收受到设备和线路的限制。

对此，我们采用数据集中器加电话线的办法来降低抄表成本，提高抄表的自动化程度和读表的实时性。该方法可以利用数据集中器接收GPS的日期和时钟信号［7-8］，校正每台监测仪的日期和时间，确保了每台监测仪日期和时间的一致性，提高了分析和处理数据的准确性，为供电部门配电网的改造、设备的增容等决策提供了更加科学的依据。

1 数据集中器的组成

具有GPS时钟电路的配电参数监测仪数据集中器，主要用于基于公用电话网的远程抄表系统。远程抄表系统主要由N台配电参数监测仪、配电参数监测仪数据集中器、电话和抄表(T＆M)分时复用器、公用电话网(PSTN)和计算机等组成。其中，配电参数监测仪数据集中器主要由主控电路(双CPU数据采集、存储和传输电路)、GPS时钟电路、调制解调器、电压监控电路和软件狗电路五大部分组成，其原理框图如图1所示。

图1 数据集中器原理框图Fig.1 Principle of the data concentrator

在双CPU数据采集、存储和传输电路中，其中一个CPU用于定时读取并存储各配电参数监测仪的数据，另一个CPU用于完成与上位计算机的通信。软件狗电路由一片NE556构成，通过不同的电阻和电容决定双CPU软件狗延时常数。GPS时钟电路用于校对各监测仪的日期和时间。电压监控由一片MAX708完成。

2 双CPU工作原理

主控电路的工作原理图如图2所示。

图2 主控电路的工作原理图Fig.2 Operational principle of the main control circuit

主控电路有2片CPU，主CPU选用AT89C51，通过外接调制解调器、T＆M分时复用器和PSTN与管理计算机连接，用于处理上行信道的数据传送;从CPU选用AT89C52，通过与门和MAX485(图中未给出)，与GPS-OEM板和各监测仪连接，用于读取标准时钟和处理下行信道的数据传送。从CPU的外部计数器0与外接的GPS-OEM板的每秒1个脉冲输出端连接。主、从CPU通过地址锁存器74HC373-2和74HC373-4交换数据。

主CPU根据计算机的命令进行相应的数据传送。当接到抄表命令时，主CPU把集中器中所有数据传送给计算机;当接到读当前值命令时，主CPU把此命令与从CPU进行交换。从CPU根据命令要求实时采集某监测仪的三相电压、三相电流和三相功率因素值，并与主CPU进行数据交换，主CPU将实时采集的数据送给计算机。相应的流程图如图3所示。

图3 主CPU控制程序流程图Fig.3 Flowchart of the main CPU control program

3 软件狗电路工作原理

软件狗电路的工作原理图如图4所示。

图4 软件狗电路的工作原理图Fig.4 Principle of the dongle circuit

由图4可以看出，软件狗电路采用NE556(图4中的U9A和 U9B)实现。电阻 R11、电解电容 C2决定AT89C52的软件狗延时常数;电阻R12、电解电容C1决定AT89C51的软件狗延时常数;电压监控电路由一片MAX708完成。

4 GPS时钟电路的组成和软件

GPS-OEM板采用Thales-nacigation公司的A12GPSOEM接收板，其输出数据的逻辑电平为TTL。本应用中从CPU的RXD、TXD和计数器T0引脚分别与A12GPSOEM接收板的TXD、RXD和1PPS引脚连接。

接收板的GPS定位信息串行输出格式采用美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183通信标准格式［9-10］，其输出数据采用的是ASCII码，数据格式设置为1个起始位、8个数据位、1个停止位，无奇偶校验，输出默认波特率为4 800 bit/s。

对于GPS-OEM接收板，常用语句有6种:GGA、GLL、GSA、GSV、RMC和VTG。本研究采用 GPRMC最小定位信息来获得所需信息。

GPRMC语句的结构为:

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

其中，“GP”为交谈识别符，“RMC”为语句识别符;“*”为检验和识别符;“hh”为校验和，它们代表了“MYM”与“*”之间但不含这两个字符的所有字符按位异或的结果;＜1＞为UTC时间，格式为hhmmss(时分秒)，＜9＞为UTC日期，格式为ddmmyy(日月年)。如GPS输出的一组数据为“MYMGPRMC，140736.00，A，3800.9040，N，11236.5364，E，00.0，355.6，121106，04，W，D*3B”，则我们从中可以知道它给出的日期为2006年11月12日，它给出的时间为14时07分36.00秒［9］。

从CPU的定时器/计数器T0设置为计数器，记录GPS-OEM接收板脉冲个数，60个脉冲数为1 min。从CPU每分钟读一次GPS，读的过程禁止主从CPU交换数据，然后判断是否为零时零分，如果是，则需要对各个监测仪进行时钟校正，同时要读取各个监测仪一天的整点数据并存储。从CPU读时钟和数据程序流程图如图5所示。

图5 读时钟和数据程序流程图Fig.5 Flowchart of the read clock and data program

为了读取时间和日期信号，程序设计中首先要识别时间信号的标志位MYMGPRMC，然后根据需要进行数据筛选。

接收的数据需进行格式转换，即把原始的ASCII码转为BCD码;另外，GPS所给时间为格林尼治时间，要转换为北京时间还需在小时位上加8 h。当然还要考虑对年、月和日期的影响，同时还要注意这种转换对平年和闰年在二月份的影响［9-11］。

5 结束语

具有GPS时钟电路的数据集中器，是基于双单片机AT89C52、AT89C51和双数据存储器62256、628128以及GPS时钟电路构成的数据集中器，利用单片机AT89C52提取GPS时钟电路的高精度时钟信号，并将该时钟信号应用于基于公用电话网的配变参数远程抄表系统。该系统采用数据集中器定时把每台监测仪的日测量数据集中存储，并根据上位计算机的命令传送相应的数据。

实践证明，该数据集中器能定时把标准的时钟信息群发到每个监测仪，并修正各监测仪的时钟信号，从而保证了各监测仪测试数据的时间同步，提高了上位机的数据处理能力，保证了数据分析的一致性和准确性。该方法也可以应用于其他需要自动统一时间的自动检测系统。

［1］张志伟.基于PTR200的电力无线手持抄表系统［J］.电测与仪表，2004，41(463):56-58.

［2］范迪，吕常智.射频模块PTR8000在无线抄表中的应用［J］.中国测试技术，2007，33(2):26-28.

［3］王益祥，牛江平.远程无线抄表系统的研究［J］.自动化仪表，2011，32(3):4-7.

［4］刘有珠，李舒亮，朱杰斌.基于GPRS的低压配电网实时管理系统［J］.电力自动化设备，2009，29(5):123-125.

［5］刘晓胜，李贵娇，戚佳金.一种基于FPGA的新型电力线跳频通信系统［J］.电力自动化设备，2009，29(3):110-114.

［6］叶水春，柳军，刘曼.利用DTMF信号传输监控数据［J］.电力自动化设备，2009，29(5):123-125.

［7］王卿，宋铁成，奉媛.基于GPS技术进行精确授时的方法［J］.电气电子教学学报，2007，29(4):34-38.

［8］陈小桥，周水斌，王敏，等.基于GPS的变电站用时钟的研制［J］.计算机应用，2001，27(12):1-3.

［9］兰洋，郑高群.利用OEM模板设计基于89C52的GPS同步时钟［J］.现代电子技术，2001(7):82-84.

［10］杨占伟，张文栋，杨伟，等.基于ATmega128的GPS时钟设计与实现［J］.计算机信息，2007，23(12-2):117-118.

［11］蒋益锋，胡琳娜.基于GPRS无线远程抄表系统的研究与实现［J］.电脑知识与技术，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，现为中北大学测控技术专业在读博士研究生，副教授;主要从事电子仪器及测控技术的研发工作。