数传电台（精选6篇）
数传电台 篇1
水情遥测系统遥测站RTU和遥测采集终端设备有时相距较远, 信号传输线路架设受干扰因素多, 地埋成本较高且线路中断后不易检查恢复。多功能无线数传电台使用简单, 将一对数传电台分别与水文信息采集终端设备和RTU在一起结合使用, 可有效替代水文信息采集终端设备和RTU之间的信号传输线路。
1 无线数传电台工作原理
无线数传系统中上位机与模块间的通信是通过异步串口来完成的。在通信前, 串口的数据帧格式 (8个数据位或9个数据位) 与速率应与模块一致。上位机与模块间的通信内容有两类, 一类是数据一类是命令。数据或命令可用DTR (数据终端就绪) 或DSR (数字存储继电器) 信号来区分。无论是上位机传给模块还是模块传给上位机的数据都采用无格式传送 (透明传送) 。
1.1 模块发送过程
当模块收到上位机的数据后, 模块先通过DTR线判断收到的数据是命令还是数据, 若是命令则执行相应的命令;若是发送数据则先将要发送的数据送到发送缓冲区, 并同时将模块的状态由接收状态转换成发射状态, 这个转换过程需要100ms, 状态转换完成后再启动发送打包程序。发送打包程序的功能是将缓冲区的数据打包成适合无线发送的数据包, 并将一些控制信令动态地插入到数据包中, 然后将这个数据包的数据送到模块中的数据调制口, 并按V23协议以FSK (频移键控) 的调制方式发射出去。在这个过程中, 所有的进程均是并行完成的。
1.2 模块接收过程
在接收状态下, 接收机总是接收码流中的同步信息, 一旦收到同步信息, 将立刻进行位同步, 获得位同步后, 再进行码同步, 码同步完成后, 即可接收数据及控制信息。收到数据后, 再按规定的串口帧格式传送给上位机。
1.3 数传基本功能
常见的数传模块的功能一般分为基本数传功能、扩展功能、高级扩展功能等三种。这里主要介绍实现基本数传功能的硬件连接方式。如果用TX表示设备端口上的数据发送 (数据离开功能块) 端子, 用RX表示设备端口上的数据接收 (数据进入功能块) 端子, 那么, 设备A与设备B之间的串口连接方式应该是TX对RX, RX对TX, GND对GND。
如果将两个无线模块组成的无线信道也看成是一个两端口的设备, 则对设备A与设备B而言, 串口通讯时有线连接与无线连接的端子的对应关系是一样的。
2 仪器功能
本文介绍的GD230B无线数传电台抗干扰、防浪涌能力强, 抗冲击, 抗震动, 性能、可靠性与稳定都比较高, 适用于水文信息采集终端设备这种比较潮湿恶劣的工作环境, 该电台采用数字频率合成技术, 双锁相环及双VCO, 发射启动时间小于10ms, 大大优于国标规定的100ms要求;工作、发射接收及数据接收都有相应状态指示灯;通过计算机可以方便灵活地设置频率、功率、静噪开启电平、信道速率、接口速率/校验方式、发射限时等各项参数;提供了EIA-232、EIA-485、TTL等多种数据接口;提供低功耗型配置, 休眠电流低至3 mA;
3 使用说明
3.1 配置电台的参数
给电台上电 (12V电源) , 用厂家配套的写频器将电台的RJ-45连接器与计算机串口连接, 启动设置软件, 在“通信”“选择串口”中选择计算机串口, 点击“通信”“读取 (PC<-电台) ”即可读出并显示电台的参数, 输入或修改各信道的参数, 修改完毕后点击“确认”按钮。点击“通信”“写入 (PC->电台) ”把更改的参数写入电台, 最多可设置16个信道, 如果设置了多个信道, 应设置当前工作信道。点击“通信”中的“设置当前信道”可设置某信道为当前信道。
3.2 接口信号定义
电台的DB9孔型连接器和RJ-45连接器完成信号的输入和输出, 使用中DB9用作数据通信, RJ-45周作电台参数设置。对于不同的电台配置, DB9具有不同的信号引脚定义, 表1为DB9作为485数据接口时的引脚定义。
3.3 数据传输协议
数据传输协议包括透明数据传输协议和非透明数据传输协议。
所谓透明数据传输协议就是在透明方式中, 发送方不识别或限制发出的数据, 接收方数传台送出的数据与发送方数据的长度和内容完全一致。非透明数据传输协议是将数据按一定的格式打包组帧, 以数据帧的方式传输。数据帧包涵起始符、数据长度、DATAn、校验码及结束码, 在非透明数据传输协议中, 只有符合上述特定格式的数据才会被发射出去。接收端会按相同的数据格式送出数据。本应用采用的是透明数据传输协议。
3.4 使用
GD230B无线数传电台的接口示意图如图1所示, 电台的DB9的2、3两个引脚引出的线分别与遥测采集终端设备的两个485信号线相连 (A对A, B对B) , 设备共地 (GND对GND) 如图2所示。终端RTU发送采集指令时, 无线数传电台就会通过超短波将所需要的485信号传回终端RTU。
配置电台参数时功率级别可随距离远近自行调改, 距离越远, 功率级别越高;接收、发送频率也可在允许范围内 (220MHZ—240MHZ) 自行调改, 但发射端电台的发送频率必须和接收端电台的接收频率保持一致, 接收端电台的发送频率必须跟发送端电台的接收频率必须保持一致;串口设置中的波特率调为9600bps, 校验方式为无。
4 常见故障解决方法
4.1 无法设置电台的工作参数
故障原因: (1) 接口类型不匹配 (如计算机应连接232接口, 不能直接连接485接口) ; (2) 未接写频器或未插写频头; (3) 串口连接不可靠或计算机串口选择错误。
解决方法:如使用中接口配置是485, 则需通过232/485接口转换器与计算机连接;用写频器连接计算机和电台, 或在RJ-45口插好写频头并将DB9的串口与计算机可靠连接;在设置软件界面“通信”“选择串口”中选择连接电台的串口。
4.2 无法发射数据, 数据指示灯不亮
故障原因: (1) 电台处于设置参数状态时不能正常收发数据; (2) 接口类型不匹配; (3) 串口连接不可靠或串口线连接错误。
解决方法:去掉写频器或写频头;检查电台的数据接口类型与所接设备是否一致, 如果采用了232/485等转换器, 检查转换器是否正常;检查串口线是否可靠连接。
4.3 无法对通数据
故障原因: (1) 接收频率与发射频率不一致; (2) 没有连接天线或负载; (3) 收发双方空中转输速率不一致; (4) 发射端电源供电电流不够; (5) 天线距离太近。
解决方法:设置接收电台的接收频率与发射电台的发射频率一致, 空中传输速率一致;正确连接天线或负载;确认电源有足够的供电能力;在近距离数据对通测试时天线之间的距离应大于5米。
5 结语
无线数传电台的这种使用方式已广泛用于江苏徐州地区的遥测站点, 使用该方式传输数据的优点有: (1) 延长了通讯线路。若采用有线传输485信号, 最远只能有1.2公里, 而使用无线数传电台传输485信号则可以延长至十几公里; (2) 遇线路远、难挖沟地区时可避免有线的埋设, 节约了人力、物力、财力以及大量的施工时间; (3) 较稳定, 不易受雷击; (4) 信号中断后易于检查恢复。
数传电台 篇2
许多厂矿通风机、水源井供水[1,2]、污水处理监控系统由于受到环境、地理因素等条件的限制,常处在离矿区本部 距离比较 远的地方,这类监控 系统一般采用有线通信方式和GPRS[3]通信方式与矿本部进行数据通信,这2种通信方式具有如下特点:
(1)有线通信方式采用铺设线缆的方式,通信可靠性和通信速率比较高,但是通信距离太长,存在着投资成本高、线路维护困难等缺点。
(2)GPRS通信方式的优点是不需单独铺设线路,前期投入资金较少,但是运行中费用较多,数据的传输速率和传输量很小,且该传输方式容易受气候条件的影响;在没有运营商基站的条件下,该传输方式无法应用。
针对以上通信方式的缺点,本文提出了一种新型的基于数传电台的无线远程监控系统,该系统采用无线数传电台作为传输介质,不仅可以传输数据, 还可以传输视频图像和语音信息。上位机采用组态软件控制现场设备,显示和处理各种数据。基于数传电台的传输方式相比有线通信和GPRS通信方式,具有数据传输可靠性好、速率高、数据传输量大和节省费用等特点。
1数传电台
数传电台是 数字式无 线数据传 输电台的 简称[4],即采用数字信号处理、数字调制解调,具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。 区别于模拟调频电台与Modem的模拟式数据传输电台,数传电台能够提供标准的通信接口,传输速率达19.2kbit/s,收发转换时间小于10 ms,具有场强、温度、电压等指示及误码统计、状态告警、网络管理等功能。
数传电台作为一种通信媒介,它可提供某些特殊条件下专网中监控信号的实时、可靠的数据传输, 具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远的特点,适合点多而分散、地理环境复杂等场合。
数传电台主要采用频分双工方式,由激励器单元、功放单元、接收单元、控制单元、供电电源、基带单元等部分组成,原理如图1所示。
(1)激励器单元:主要完成射频信号的调制和音频信号的处理。它由功率放大处理单元、数字锁相环、压控振荡器、电压放大器、功率调整电路、电源电路组成。
考虑到一般需要外接蓄电池作为电源,激励器电源输入可采用7809三端稳压器稳压,以提供较宽的电压动态范围。同时,也可采用多级低通滤波器来改善稳压和降噪效果。
(2)功放单元:主要任务是把激励器送来的射频信号进行放大,放大后的信号经过低通滤波器滤除高次谐波后送给双工器,最后通过天线发射出去。 如果天线出现开路或短路,那么功率将反射回来,此时检测电路将反射回来的信号进行检波,然后比较放大,再送一个信号给控制单元,由控制单元控制相关电路关断功放,以达到保护功放模块的目的。
(3)接收单元:可完成射频信号的解调和音频信号的处理。它一般由滤波器、选择回路、高级放大单元、双平衡混频器、一级放大单元、二级放大单元组成。
(4)控制单元:以ATMEGA64为核心来完成数传电台工作状态的控制,包括收发信机的频率合成数据,面板显示器、键盘的控制,工作频段控制,数传电台以及话音通信状态的控制等。
(5)基带单元:负责处理数传电台和计算机终端的数据交换。它以DSP芯片为核心,并以单片机及CPLD复杂可编程逻辑器件来组成控制和接口电路。同时以数模和模数转换以及运算放大器等构成信号与 数传电台 的接口电 路。 基带单元 采用DSP进行数字信号的调制与解调。
2系统设计要求
2.1项目现场情况
华润电力五间房煤矿位于内蒙古锡林郭勒盟西乌旗境内,水源井共5处,最近的水源井离矿本部10km,南北翼风井离矿本部15km,污水处理厂距离矿本部5km,水源井、风井和污水处理厂只通动力电缆,年最低气 温达 -38.6 ℃,年最大风 速为29m/s,冬季有冰雪覆盖,水源井、风井和污水处理厂区域无运营商信号基站。
2.2系统设计要求
通过无线远程监控系统,在矿本部调度室可以监测水源井、风井和污水处理厂的运行情况,当设备出现异常情况时,可以远程人工干预现场各设备的启停。
水源井工作方式设计为无人值守模式,要求根据矿区的用水情况自动开停水源井的水泵,且需测量管路的流量、压力、电动机的工作电压和电流等参数。 在水源井控制室设置控制台、摄像机和语音通信装置,用于矿调度室值班人员观察控制室设备的运行情况,方便检修人员和调度室值班人员进行通话。
通风机工作方式设计为有人值守、自动控制模式,每班设置值班人员一名,要求实现通风机的自动开停,风井的风量、风速、压力等参数的自动监测,电动机的工作电压和电流等电参数的监视。在控制室设置控制台、摄像机和语音通信装置,用于矿调度室值班人员观察控制室设备的运行情况,方便现场值班人员和调度室值班人员进行通话。
污水处理厂工作方式设计为全自动运行、有人值守模式,监控系统要求在矿调度室监测污水处理厂的自动控制系统、工业电视监控系统,能够在矿调度室与现场值班人员进行语音通信。
3系统硬件设计
根据系统设计要求,无线远程监控系统主要由水源井、通风机和污水处理等现场监控系统、无线数据传输系统和 调度室远 程监控系 统组成,如图2所示。
3.1现场监控系统
现场监控系统主要由控制器、各种传感器、视频监控、语音对讲分机等部分组成。
控制器按照系统的大小、功能不同而采用不同的控制内核,水源井监控系统以单片机[5]为控制核心,通风机和污水处理监控 系统以PLC为控制核 心[6]。控制器用于采集现场各种传感器的数据,并对这些数据进行分析和处理,按照预先设计的流程控制现场的各类开关、电动执行机构,保证生产的正常运转,控制系统提供标准的RS485或者以太网等通信接口,方便数据的远程传输。
视频监控选用高清摄像机,布置于厂区的关键部位,控制室设置硬盘录像机,用于存储视频图像。 压缩后的视频图像接入到无线数据传输系统中,再经系统远程传输到矿调度室。
语音对讲分机[7]主要用于维修人员、现场值班人员和矿调度室值班人员进行远程通话。
3.2无线数据传输系统
无线数据传输系统主要由供电电源、数传电台、 从站定向天线、避雷器(天线架在室外时)和主站全向天线组成。
供电电源主要将电网的交流电压转换为数传电台能够接收的稳定直流电压。由于现场条件的影响,将电源输入电压设计为交流165~285V,以应对现场供电电压波动。为使数传电台稳定工作,对电源的输出电压、输出电流也进行了处理。
数传电台是整个无线数据传输系统的主要设备,本文选用iNET300/900型电台。数传电台工作的频点低,具有很强的绕射能力和穿透能力,传输距离远,同时由于其 采用数字 信号处理 技术与FEC (Forward Error Correction,前向纠错)技术,所以具有较高的信号接收灵敏度,并能保证信号的可靠传输,且在低温环境、电网电压波动大的情况下能正常工作,更适应野外无线环境比较恶劣的情况。数传电台提供以太网和串口,配合视频服务器及其他设备,可以同时传输图像、话音和数据信息。
天线分为从向天线和定向天线,从向天线用作信号发射端,固定向1个方向发射频率信号;全向天线用于在信号接收端全向接收频率信号。当天线安装在户外时,还需要加装避雷器。
3.3调度室远程监控系统
远程监控系统主要是接收水源井、通风机和污水处理厂等现场监控系统通过无线数据传输系统传输过来的视频、语音和监控数据;视频数据经过解压缩处理,显示在综合调度大屏幕上,供调度室值班人员观察现场情况,语音信号接入矿调度通信系统,监控数据接入监控上位机。上位机选用成熟的组态软件将3个子系统的监控数据以动画、图像和文字等形式显示在大屏幕和调度显示器上。
调度室值班人员通过视频图像、语音信息和监控上位机监控画面了解现场设备运行情况,当现场设备工作异常时,值班人员通过语音和现场人员联系,必要时启动调度优先权直接控制现场相关设备, 以确保现场生产的安全。
4系统软件设计
无线远程监控系统软件设计包括现场监控程序设计、数传电台的软件设置和调度室远程监控程序设计。
4.1现场监控程序设计
水源井监控采用单片机为控制内核,利用C语言编写控制程序,程序流程如图3所示[8]。
通风机和污水处理控制都以PLC为控制核心, 软件编程采用PLC自带的软件编写,主要流程和水源井的监控程序一样。
4.2数传电台的软件设置
InSite无线系统网 络软件是iNET300/900型数传电台自带的一款配置和管理软件,可以对整个多址系统的基站、远程站、中继站和点对点系统进行监测控制;可以很方便地在办公室监测整个系统电台的工作状态,系统维护、参数修改均可通过该软件进行远程操作。该软件具有以下功能:
(1)内置RTU模拟器:可以用InSite将网络中任何电台的RTU模拟器打开,检查无线链路的质量和电台设置。
(2)远程电台设置:许多电台的参数可以通过无线信道远程设置,如输出功率、设备类型、发送接收频点、数据速率和格式等。
(3)监测无线电系统运行状态,诊断通信中的由电台、RTU、电源或传输路径引起的问题。
(4) 支持使用 编码操作 开关COS(Code Operated Switch):用1台PC机连接多个位于同一地点的基站电台。
4.3调度室远程监控程序设计
调度室远程监控程序采用成熟的组态软件设计,组态软件具有界面友好、设计简单、操作方便等优点,具有查询、监控功能,不同的登录帐号有不同的权限,可确保系统远程监控的安全性。调度室远程监控程序流程如图4所示。
5结语
基于数传电台的无线远程监控系统选用数传电台作为无线传输介质,具有抗干扰能力强、传输距离远、传输速度快等特点。该系统已在现场运行一年多,效果良好,解决了水源井、通风机和污水处理厂的数据远程传输问题。
摘要：针对现有水源井供水、污水处理等监控系统采用有线通信方式存在投资成本高、通信距离长、数据传输速率低、传输量小等缺点,设计了一种基于数传电台的无线远程监控系统。该系统采用数传电台作为监控数据、视频和语音信号的传输介质,保证了数据传输的可靠性和实时性;采用组态软件作为远程监控软件,实现了系统的稳定运行。
数传电台 篇3
目前,各电力公司正在全面建设用电信息采集系统,实现全采集、全覆盖和全费控,系统建设已经进入攻坚阶段,大部分地区的用电信息已经实现了自动采集。但仍然存在着一些恶劣环境,包括复杂的城市地形、地下室以及偏远山区、农村等,电力的有线和无线专网无法到达,而GPRS公网信号比较弱或者不稳定,甚至没有,形成网络信号孤岛,无法承载用电信息采集业务的要求。
由于移动公网的网络覆盖广,无线公网成为集中器上行通信方式的主要选择,90% 以上的集中器采用GPRS通信方式上传到信息主站。因此对于这些网络信号孤岛问题,考虑通过实现GPRS通信方式是相对低成本的方案。目前可以通过延长天线馈线或者使用高增益天线、终端外移等技术手段解决GPRS信号不足问题。
1 现有解决 GPRS 信号不足方案简介
(1)地下室、受建筑物阻挡处 :通常的做法是使用高增益天线,或者延长天线馈线把天线外移,甚至可以把集中器外移,移到有信号的地方,只需在几十米内存在信号相对较强的地方即可,因为需要布线,施工相对复杂。
(2)偏远山区、农村信号弱覆盖地区 :偏远山区、农村存在几公里范围内信号很弱甚至无移动信号的情况,这种情况下一般无法安装集中器,还需要实行人工抄表 ;有些地方尝试使用卫星信号,因成本过高难以推广应用。
(3)基站交接处 :当集中器安装位置正好在基站交接处,GPRS信道自动选择信号强的基站,但由于基站的信号会不断的变化,特别是两个基站场强差不多的情况下,GPRS信号在这两个基站之间频繁切换,安装的集中器会频繁掉线,无法正常工作。这种情况下采用外移天线或外移集中器由于受信号衰减的影响,只能移动几十米,对解决信号不稳定没有实际意义。
以上的情况说明,现有的解决手段无法完全解决用电信息采集系统中遇到GPRS信号不足问题,主要原因是信号延长距离不足。对多年来基于230MHz无线通信技术在用电信息采集系统中的应用研究与探索,本文提出以230MHz数传电台为无线信号中继基础的GPRS信号延伸装置,以解决复杂或遍远环境中GPRS信号不足的问题。
2 230MHz无线中继GPRS信号延长器
2.1 230MHz无线信道简介
国家无线电管理委员会在1991年下发文件 [(1991) 国无管字5号 ],在关于电力负荷监控系统频率使用的批复中明确指出,230 MHz频段的15对双频频点和10个单频频点作为无线电力负荷管理系统的专用频点,其中,相邻频点间隔为50~150k Hz,带宽为25k Hz。230 MHz无线通信属于超短波无线通信,是利用223 ~ 231 MHz超短波频段电磁波进行的无线电通信。超短波通信由于地面吸收较大且电离层不能反射,只能靠直线方式传输,又被称为视距通信,最大传输距离约50 km。
230MHz无线信道通信系统的主要部分是数传电台,是借助DSP技术和无线电技术实现的数据传输设备。数传电台早期采用模拟电台加无线MODEM,通信速率,在1200bps以下,发展到目前的数字电台,采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。传输速率达19.2Kbps以上,具有场强测量、信道质量测量、登陆入网管理、误码统计、状态告警等功能,结构简图如图1所示。
2.2 GPRS 信号延长器的组成
本技术方案是把集中器的GPRS通信模块进行外移,通过230MHz无线数传电台的中继方式将原有的GPRS链路进行延伸,从而解决无线公网信号覆盖不足的问题。信号延长器的组成如图2所示。
GPRS信号延长器由终端替换模块、传输处理器、接收处理器三个部分组成,其中替换模块替代集中器上原有的GPRS通信模块,传输处理器和接收处理器各有一台内置230数传电台,以独立的无线方式提供无线信号中继,接收处理器则完成230MHz无线信号与GPRS信号的转换。
图3为GPRS信号延长器的传输处理器系统结构图,包含四种单元模块。电源单元 :负责为系统各部分提供所需的电源。230M无线通信单元 :负责与接收处理器建立230M无线通信的物理通道。控制单元 :负责驱动无线通信单元,对数据进行处理等。RS485本地通信单元 :负责通过RS485线与替换模块进行通信。
图4为GPRS信号延长器的接收处理器系统结构图,包含四种单元模块。电源单元 :负责为系统各部分提供所需的电源。230M无线通信单元 :负责与传输处理器建立230M无线通信的物理通道。控制单元 :负责驱动无线通信单元,对数据进行处理等。GPRS无线通信单元 :负责与移动基站进行通信。
2.3 GPRS 信号延长器的工作原理
在集中器把用电信息的相关数据采集处理后,替换模块把需要通过原GPRS通信模块 上传的数 据解析出 来,通过RS485接口发送给传输处理器。GPRS替换模块是延长器的关键部分,在实际使用过程中,必须用此模块提取集中器需要交换的数据,并兼容各个厂家的集中器。
传输处理器放置在集中器GPRS替换模块附近,通过RS485连接集中器的替换模块并交换数据,其内置的230高速数传电台与接收处理器进行数据交换。集中器GPRS替换模块和传输处理器实际为一个整体,其作为GPRS信号延长器的近端部分,都放置在GPRS信号不足的集中器安装地。
接收处理器放置在GPRS信号良好的地段,把原有的集中器GPRS模块安装在其上面,通过控制解析原集中器GPRS模块与用电信息采集系统进行数据交换,然后通过其内置的230高速数传电台与传输处理器进行数据交换,保证了近端部分能在GPRS信号不足的地方与其通信并最终通过自身连接上信息采集系统主站,从而达到“GPRS延长”的目的,最终解决集中器上行通信问题。
整体而言,GPRS信号延长器可分为近端部分和远端部分,其中近端部分放置在GPRS信号不足的地方,远端部分放置在有GPRS信号的地方。其中远端部分负责控制GPRS模块与主站通行,并通过230M无线数据传输与近端部分进行通信,而近端部分主要控制集中器并通过230MHz无线信号数据传输与远端部分通信。整个系统做到控制并远距离传输数据的功能,从而达到集中器能在GPRS信号不足地方正常工作。
GPRS信号延长器的对外接口和功能可概括如下表1所示。
3 设备应用特点
本设备方案以230MHz数传电台为信号中继基础,提出了一种解决偏远山区、农村及复杂环境下GPRS信号覆盖问题的装置,具有以下特点。
(1)实用性强 :本设备使用230MHz为信号中 继,属于电力 专用频段,无需额外申 请授权。设备 使用独立 电源供电,发射功率 可分5级软件设 置 :1W/3W/5W/7W/10W,采用超短波无线信道,穿透和绕射能力强,通信距离可以达到200m ~ 5km,能根据信号延伸距离的需要设置发射功率,节约能耗。
(2)通信效果好 : 采用窄带技术,具有较高的数传灵敏度。窄带230MHz数传采用4GFSK调制解调方式,通讯速率达19200bps,具有抗干扰能力强,传输距离远的特征。
(3)传输可靠性高 : 具有频道干扰规避的能力,在一个频道受到干扰时使用另一个频道通信 ; 使用了纠错算法,具有一定的抗突发干扰能力。
(4)安装、运维方便灵活 :使用GPRS信号延长器在解决GPRS信号不足问题的同时,有效规避了拉馈线、更换高增盖天线等复杂的额外操作 ; 同时解放了对集中器安装位置的限制,可以更好遵循电力企业的规划方案。
(5)网络稳定、方式灵活 : 信号延长器的传输处理器和接收处理器采用点对点通信,成套匹配使用,采用自适应跳频技术规避信道干扰,彻底避免单一频道可能被干扰的通信间题。支持多台设备同时、同地域正常运行,为同一地区大规模应用提供了可能。
4 实施效果
张家口地区地势西北高、东南低,阴山山脉横贯中部,将张家口市划分为坝上、坝下两大部分,地形复杂,高原、山区、丘陵地区无线信号覆盖严重不足,影响了用电信息采集覆盖率。2014年7月开始进行GPRS信号延长器的现场试验测试,试运行结果表明 :信号延长器兼容国网标准的集中器,在无明显阻挡的情况下,5km以内能够进行可靠的数据传输,满足GPRS信号长距离延伸的传输需要。
5 结语
本文提出一种基于230MHz无线数传电台中继的GPRS信号延伸装置。该装置包括替代集中器GPRS模块的替换模块、传输处理器与接收处理器,共同构成一个GPRS信号透传的传输延伸设备。设备具有安装、运维方便灵活,环境适用性强,网络稳定、方式灵活等特点,对于偏远山区、农村或者复杂环境下无线公网信号覆盖不足区域的用电信息采集系统建设具有很好的补充作用。本文给出的是适用于集中器的一个设备实例,方案技术同样适用于专变采集终端等具有GPRS通信功能的用电采集设备的信号延伸需求。
摘要：在用电信息采集系统广泛应用GPRS无线信号通道的情况下,存在部分用户环境下无线信号不足的问题,导致集中器与主站之间无法通信,制约了该项工作的开展。对多年来基于230MHz无线数传电台技术在用电信息采集系统中应用的研究,本文提出一种基于230MHz无线数传电台中继的GPRS信号延伸装置,给出解决GPRS无线信号不足的一种解决方案。
数传电台 篇4
关键词：PLC,管道加热,无线电台,Modbus
1 引言
随着自动化技术的发展,网络化、远程化操作成为可能,配合中央控制计算机进行调度和数据存储,可使以前费时费力的人工操作变为简单的鼠标操作和计算机自动控制,大量节省了人力成本,提高了工作效率。
本项目石油输油管道位于山区,远离城市地广人稀,管道长度20公里,管道温度过低则必须对管道加热,以使油路畅通。管道沿线设有5台加热设备分布在野外管道沿线,分段对管道加热。实际使用过程中,中控室人员无法知道管道实时温度和加热设备是否正常工作,需要每天派人沿线抄录数据和查看设备工作状态。
为解决上述问题,系统在中控室进行集中监控。加热终端采用PLC进行数据实时采集和自动加热控制处理;传输采用无线电台,解决了山区布线难,成本高的问题。
2 系统概述
管道系统的中的电压、电流、温度等数据由现场变送器采集,变为0~10kHz的高速频率信号后传送到PLC,由PLC进行转换处理,使用Modbus协议,借助无线数传电台将信号传到十几公里外的中控室的上位微机上。使用监控软件,将现场各信号实时显示,并可超限报警、参数设置、手动操作控制等。
3 硬件基础
PLC选用S7-200系列小型化PLC。该设备功能强大,性能稳定,是中小项目的首选产品。考虑到输入输出点数不多,本次选用八入六出的S7-224XP CPU单元。PLC带双通信口,Port 1口用于和现场触摸屏通信,方便现场的查看、操作和设置;Port 0口用于电台通信,并功过电台与主监控电脑传送数据。
数传电台是一种远距离透明传送串口信号的设备。本次选用GB230B数传电台。GD230B型10W功率精致稳固型无线数传电台适用于高质量要求、恶劣工作环境、远距离和中长距离要求的无线监控和无线数据采集系统。数传电台在中控室和每台终端设备各放一台,实现中控室上位机和终端的信号传送。因为设备安装于山区有遮挡,主控天线选用10dB全向玻璃钢天线,终端设备天线选用6dB全向玻璃钢天线。
4 通讯协议
站点PLC与中控室的通讯协议采用Modbus协议。Modbus是当前使用最广泛的工业通讯协议。可借助于RS-232/485、以太网等通讯方式进行主从设备间的数据交换。
Modbus协议使用主从结构,一个网络中只能有一个主站。工作时由主设备向从设备发起询问,从设备接收到询问信号,并判断信号里的站号与本站号相同时,从设备返回响应。否则不返回信息。主从设备间通过一问一答方式进行通讯。主设备轮流询问各从站,该过程也称为“轮询”。
Modbus协议的数据格式分为RTU和ASCII两种形式:RTU基于数字型数据的传输;ASCII基于字符型数据的传输。一般工业现场均以数字型数据传送为主,因此使用Modbus RTU协议。
Modbus RTU协议由地址码、功能码、数据码和校验码四部分构成。实际的使用中只需定义前三个,校验码根据前三种数据自动生成。其中地址码为1-255,对应每个从设备的站号。本系统中上位机为Modbus主站,PLC作为Modbus RTU从站,使用功能码有01、03、05、06,如表1所示。数据码一般是Modbus寄存器的地址。
5 软件基础
5.1 上位机软件
上位机监控软件可采集各终端电流、电压、温度等模拟量数据和开关、接触器、热继电器等的工作状态并实时显示,并可温度超限及故障声光报警、参数设置、手动操作控制等。
5.2 PLC终端软件设计
输油管现场室内中PLC的软件使用Step 7Microwin V4.0 SP6编写,采用结构化编程方式,由主程序调用子程序功能块,语言形式为梯形图。通过对现场信号的预处理,过滤干扰信号,识别错误信号并对电流、温度和运行时间等数值进行累计存储,同时保证断电后累计数据的保持。程序结构规划如图1所示。
5.3 电台设置
数传电台只需在Windows下使用专用配置软件设定收发频率、通讯频率、网络地址等基本参数。在工作过程中,无需软件支持。
6 参数设置和工作流程
首先按使用手册的介绍,将高速计数信号接入相对应的输入点。当站点终端上电后,PLC将采集高速脉冲信号进行处理后,保存在PLC的内存(V存储区)中。同时PLC还对接触器、热继电器运行状态等数字信号进行监测。根据采集温度和上下限值控制接触器的动作,并可手动控制。PLC中同时运行Modbus通讯程序,该程序将PLC的内存地址映射为Modbus地址供上位微机读取和写入。
PLC通讯口的电平格式为RS-485,而数传电台是RS-232格式,因此使用PPI电缆进行RS-485和RS-232电平格式的转换。另外,通讯口的通讯标准为:9600、8、N、1,其中8、N、1不可改,通讯速度默认为9600,最大可到576000,本项目使用默认数值。数传电台需要用设置软件将传输参数设置为9600、8、N、1。
上位机监控软件通过微机串口和数传电台连接。通讯速率为9600、8、N、1,在Com1或Com2口上添加若干个不同地址的Modbus RTU设备,保证上位机监控软件能够准确的操作到具体地址。
7 结束语
本系统已经成功的应用于管道加热控制,运行状态良好,性能稳定可靠,并且能承受野外比较恶劣的工作环境。通过采用PLC作为终端控制设备,无线电台作为传输方式的控制方式,实现了对加热控制的远程监测和控制,减少了人力成本,具有良好的性价比。
参考文献
[1]西门子自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-200PLC[M.]北京:航空航天大学出版社2,003.
[2]孙鑫,余安萍.VC++深入详解[M.]电子工业出版社,2006.
数传电台 篇5
气动造浪系统主要包括由电机和鼓风机组成的空气供给系统、气体输送管路、造波风罩、布置在管路上的配气阀和对应的控制系统等。工作时, 通过电机转动带动鼓风机正常工作, 从而产生高压的气体, 气体通过配气阀控制造波风罩气流的周期性变化实现造浪。压力是造浪过程中主要的控制参数之一, 压力的大小直接影响到造浪的效果。在不同的压力下, 产生的浪的形态也会不同, 因此研究压力大小与造浪的关系对气动造浪系统具有重要的意义。气动造浪系统现场环境恶劣, 不便在现场直接测量, 而且布线不方便和布线成本较高。为解决这些问题, 本文结合数传电台无线传输技术和以ARM为核心的数据采集模块, 开发了基于数传电台和ARM的气动造浪测压系统方案。该系统通过实时检测造波风罩压力的变化, 准确测试出在不同浪的形态下的压力大小, 从而通过研究压力与造浪的关系建立了造浪控制相应的模型, 为气动造浪系统正常运行提供了理论数据。
1 系统的构成
本气动造浪测压系统由压力传感器、ARM7控制器、数传电台、监控中心系统等几部分组成。其中, 数传电台采用深圳市泰达鑫通讯技术有限公司的TDX-2000无线数传模块。该模块具有高抗干扰能力和低误码率;传输距离远, 可靠传输距离大于1 000 m;提供3种接口方式:TTL电平UART接口、标准电平的RS-232和标准的RS-485口;具有大的数据缓冲区, 数据格式为8N1/8E1/8O1用户自定义, 可传输无限长的数据帧, 用户编程更灵活。本气动造浪测压系统的计算机监控中心与测量点的距离大概在800 m左右, 而且每次传输的数据量相对少, 所以该数传电台能满足系统的使用要求。压力传感器采用某仪器有限公司的PTP702高压压力传感器。该传感器的弹性体采用一体化结构设计, 量程宽 (0~150~450MPa) , 综合精度高 (0.2%FS) , 密封等级是IP65, 适用于大型液压设备等的压力测量与控制。
监控中心系统运行在监控计算机上, 计算机EIA-232串口和数传电台相连。ARM7控制器采用232串口与数传电台相连。压力传感器与ARM7连接。数据采集流程为:ARM7控制器获取PTP702高压压力传感器采集的压力, 经处理后传输给数传电台, 通过数传电台传输给计算机监控中心软件。计算机监控中心软件将采集的数据进行显示、分析、打印。如果有异常情况发生, 可进行声音报警, 提醒操作人员采取相应的措施, 防止事故发生。
系统的总体结构如图1。
2 气动造浪测压系统实现
2.1 上位机监控系统
2.1.1 监控中心系统设计
监控中心系统主要实现实时显示气动造浪测压系统的压力状态、管理整个系统的运行和对采集的数据进行分析处理。主要模块包括显示压力模块、数据分析模块、参数配置模块、用户管理模块、权限管理模块等功能模块。
监控中心系统选用DELPHI2012作为系统的编程软件。DELPHI2012是一种优秀的编程工具, 具有功能强大、简便易用和代码执行速度快等优点。该开发工具不仅可视化快速, 而且具有强大的数据库支持、与Windows编程紧密结合、强大而成熟的组件技术、简单易学等特点[1]。数据库采用微软开发的Access。监控中心系统与数据库的数据交互采用ODBC技术。
2.1.2 采用多线程技术实现系统运行实时性
气动造浪测压系统主要功能是显示气动造浪过程中造波风罩的空气压力实时状态、采集和处理气动造浪过程中的空气压力数据等。为保证这些任务具有实时性, 需要系统支持多任务和并行处理多任务。在开发气动造浪测压系统时采用了多线程技术。根据气动造浪测压系统运行需求, 本气动造浪测压系统需要如下几个线程:系统主线程、数据采集线程、数据处理线程等。这些线程保证了系统的正常运行和系统的实时性, 提高了系统运行可靠性。其中, 系统主线程是系统从开始运行到系统结束运行的线程, 该线程主要是气动造浪测压系统显示状态、查询气动造浪测压系统的数据及对系统进行交互操作;数据采集线程主要是系统采集气动造浪测压系统通过数传电台发送回数据, 该线程在监控系统开机后一直运行;数据处理线程是系统单独建立一个线程, 主要任务是负责处理通过数传电台传回的数据, 并根据数据的状态对系统进行相应的处理, 处理完毕后根据需要将数据保存在Access数据库中, 该线程自数据采集线程运行后开始运行。由于采集的数据处理过后需要保存在数据库中, 计算机在处理这一过程中, 需要花费一定的时间, 而采集数据的速度也很快, 为保证数据能正确保存在数据库中而不出错, 在系统中建立了临时内存机制, 将需要保存的数据临时保存在电脑缓存中。在采集数据时可以进行处理数据和保存数据操作, 实现了采集数据和保存数据“同步”进行[2]。
2.1.3 监控中心系统与数传电台通讯实现
气动造浪测压系统软件由于需要与数传电台通讯进行数据采集, 所以在系统中必须建立相应的通讯机制。气动造浪测压系统软件与数传电台连接的硬件是采用232串口协议电缆。具体接口如下:其中, 数传电台的1、2脚接电源的正极, 可接12 V或5 V;3、4脚是电源地;5脚是数传电台的接收端;6脚是数传电台的发送端。为保证能够正常通讯, 气动造浪测压系统的PC机上接入232串口 (如果PC机上没有232串口, 可以采用USB-232转换器连接, 转换器的USB端接入PC机, 转换器的232端接入电缆) 。气动造浪测压系统软件的PC机与数传电台在做连接电缆时, 气动造浪测压系统的PC机的发送端3与数传电台的接收端5脚相通, 气动造浪测压系统的PC机的接收端2与数传电台的发送端6脚相通。气动造浪测压系统软件与数传电台连接的软件是采用232串口协议。在通讯过程中, 气动造浪测压系统软件采用常用的MSComm控件。在开发的软件界面上, 将MSComm控件放入相应的界面上, 并设置与串口通讯密切相关的属性, 就能满足串行通讯中所需的多种操作。系统在使用前必须对MSComm控件进行设置, 才能进行正确操作。在设置过程中, 主要是对控件的通讯口、通讯口参数、数据接受模式、打开通讯口等进行设置。根据系统的需要, 通讯口设置为1;通讯口参数设置:考虑到数据传输连续性, 将数据传输速率设为4 800 bit/s, 1位开始位, 8位数据位, 1位停止位, 无奇偶校验位。
为保证气动造浪测压系统软件与数传电台正常通讯, 还需要对数传电台进行相应的设置。对TDX-2000数传模块设置采用深圳市泰达鑫通讯技术有限公司提供的“泰达鑫电台参数设置软件”可设置电台的接口速率、空中数据速率、校验格式、发射频率、接收频率等参数。运行泰达鑫电台参数设置软件, 即可显示设置参数的界面, 界面可分为三个部分:设置参数、当前参数、命令栏。其中, 设置参数是用户可以通过改变各项参数值来设定数传电台的工作参数, 如接口速率、信道速率、校验格式、发射频点和接收频点。当设置好数值后运行“写入参数”命令即可将设置的参数写入数传电台中。
系统在运行过程中, 如果MSComm控件接受到触发了接受数据的事件, 那么系统就通过MSComm控件的Input属性将接受到的数据读取出来, 即系统把数传电台送到端口的数据通过MSComm控件的Input属性取出来, 从而实现了气动造浪测压系统软件与数传电台的通讯[2]。
2.2 ARM终端设计
ARM控制模块包括ARM7控制器、FLASH、SDRAM、电源及复位模块及相关外围电路[3]。系统选用基于ARM7TDMI-S的高性能32位RISC微控制器Philips LPC2214。该处理器是低功耗的32位微处理器, 具有多个串行接口、8路10位A/D转换器 (0~3 V测量范围) 、转换时间可低至2.44μs、112个通用I/O口 (可承受5 V电压) 、片上集成高速闪存, 广泛运用于工业控制、网络设备、数据通讯等领域。利用该ARM7控制器, 建立了ARM控制模块[4], 系统的总体框架图如图2所示。
ARM终端程序的开发环境采用ADS1.2, 该开发环境是ARM嵌入式开发的综合性软件, 作为一种开发工具, 它的功能强大, 并且也是比较易于使用的集成开发环境, 程序开发者可以使用ADS1.2来直接编写和调试各种基于ARM微处理器的工程与工业的应用程序, 同时能够支持硬件仿真和软件仿真。
根据系统的需求, ARM终端程序流程如图3所示, ARM终端程序主要由一系列用来实现相应功能的子程序组成, 主要包括采集各点压力数据程序、向数传电台输出数据程序等。
3 结论
本文提出一种基于数传电台和ARM的气动造浪测压系统。该系统主要由数传电台、压力传感器和ARM终端控制器组成[5,6], 适用于对气动造浪系统风罩压力的远程无线测量。该系统应用了无线通讯技术, 实现计算机与压力传感器的信息远程交联与共享。本系统能够实现气动造浪系统的压力测量, 为气动造浪系统正常运行提供了有力的数据支撑。同时, 该系统的测量方法和装置也为开发类似的系统提供了良好的启示和借鉴。
参考文献
[1]梁水, 李方超.Delphi开发技术大全[M].北京:人民邮电出版社, 2007.
[2]黄学飞, 李兆飞.基于DELPHI的实训车间设备监控管理信息系统[J].机电工程技术, 2012, 41 (9) :42-45.
[3]李莹, 赵双华.基于ARM的室内温度控制系统的设计与实现[J].计算机系统应用, 2010, 19 (9) :245-247, 251.
[4]郑建, 陈劲操, 黄华.基于ARM的新型风洞试验无线测压系统[J].测试技术学报, 2008, 22 (6) :516-520.
[5]王心鹏, 门雅彬, 顾季源, 等.便携式数传电台测试系统的设计与实现[J].现代电子技术, 2015, 38 (15) :5-7, 11.
数传电台 篇6
数传电台因其低成本、长距离通信的优势在石油、煤炭、环境等工业现场有着较为广泛的应用。然而, 随着计算机技术的发展, 基于网络编程实现的各类应用已逐渐成为主流, 数传电台的组网通信问题便成为了限制其进一步推广应用的关键瓶颈。
本文在充分借鉴Linux网卡虚拟化思想、成果的基础上, 结合数传电台的通信特点, 完成了一个专用TCP/IP网络通信平台的设计, 并以该平台为基础, 搭建了由两个网络节点组成的通信验证网络。经过测试, 该通信平台的应用实现了数传电台间的有序组网通信, 为基于网络编程开发的上层应用程序的移植提供了良好的平台支持。
2 虚拟网卡基本原理
虚拟网卡目前多用于网络安全及构建虚拟网络等应用领域, 在Linux平台上, 虚拟网卡实际上就是一个网卡驱动程序。
2.1 虚拟网卡工作原理
虚拟网卡并不与真实的物理设备进行数据交互, 而是提供了一种在操作系统内核态和用户态之间进行数据交互的机制。通常情况下虚拟网卡驱动并不是单纯的网卡驱动程序, 其中还实现了部分字符设备驱动的功能。因此, 应用程序通过访问用户态字符设备文件, 即可实现数据在Linux操作系统两种运行状态下的交互。
2.2 虚拟网卡体系结构
依据标准虚拟网卡程序的体系结构, 分为网络协议接口层、网络设备表示层、设备驱动功能层及设备接口层。
网络协议接口层为虚拟网卡与内核TCP/IP协议栈之间的接口, 通过调用该层提供的函数, 虚拟网卡可实现与TCP/IP协议栈的交互;网络设备表示层提供了统一的用于描述具体网络设备属性和操作的结构体;设备驱动功能层在具体实现了表示层中提到的各种操作的同时还可于该层实现一些定制化的功能;设备接口层为虚拟网卡与物理或虚拟设备之间的接口, 提供了对设备的读写操作函数。
3 通信平台设计
本文在借鉴标准虚拟网卡体系结构的基础上, 针对数传电台的特点, 针对性的完成了一款通信平台的设计。该平台的系统架构如图1所示, 由协议预处理层、数据链路层及物理接口层组成。该平台的设计核心在数据链路层, 该层在定义了数据帧格式的基础上, 实现了数传电台组网、通信链路控制等功能。协议预处理层介于内核TCP/IP协议栈与数据链路层之间, 实现了网络层数据格式与自定义数据链路层帧格式间的转换及数据的双向传输。物理接口层介于数据链路层与物理设备 (数传电台) 之间, 通过串口读写操作, 实现了数据帧的收发。
3.1 数据链路层设计
3.1.1 数据帧格式定义
数据帧保障了数据在链路层上传输的完整性和有序性, 其格式定义如图2所示。
其中, Type字段占一个字节, 其中bit0表示该数据帧的类型, ‘0’代表普通数据帧, ‘1’代表网络管理帧;bit1用于区分原帧与应答帧, ‘0’代表原帧, ‘1’代表应答帧;bit2用于标识该数据帧的本次传输是否由主节点发起, ‘0’代表由从节点发起, ‘1’代表由主节点发起;bit3-7暂未定义。To字段占一个字节, 标识该数据帧的目的地址;From字段占一个字节, 标识该数据帧的源地址;Seq.字段占一个字节, 用于标识该原帧在发送队列中的序号, 接收方正确接收数据后, 在应答帧中沿用原帧Seq.值。Data字段占0-64个字节, 为实际发送的数据。Resd.字段为保留字段, 占一个字节, 用于今后协议的扩展。Checksum字段占一个字节, 为该数据帧的校验和。
3.1.2 自组网协议设计
自组网协议由组网策略、入网策略、出网策略组成。组网策略负责将多个网络设备以主从模式组成稳定、有序的星型数据通信网络。其中主节点的选择使用最小ID分簇算法 (LID) , 主节点产生后由其负责建立并维护网络成员列表。
入网策略设计了从节点加入网络的机制, 主节点接收到从节点的入网请求并成功入网后负责更新网络成员列表。
出网策略的实现机制为主节点对各网络成员进行超时监测, 若发现从节点不可达, 即通信超时次数达到上限, 则从成员列表中删除该成员。
3.1.3 数据链路控制模块设计
该模块的设计及实现解决了网络从节点占用信道发送数据的问题。根据接收到数据帧类型的不同, 系统在具体实现时定义了数据帧接收缓冲区及管理帧接收缓冲区。数据链路控制模块对接收到的管理帧进行分析, 当发现信道使用权分配指令后即对发送模块进行设置, 完成发送前的准备。
3.1.4 数据接收及发送模块设计
该模块实现数据帧的收发功能。接收子模块对接收到的数据帧的目的地址进行判断, 如果与本节点一致则按照该帧的具体类型完成针对性的写缓存操作;发送子模块在发送数据之前首先判断是否具备信道的使用权限, 若具备则在规定的时间片内完成发送缓冲区中数据帧的发送。
3.2 协议预处理层设计
该层主要实现IP包预处理功能, 包括分包组帧功能及解帧组包功能。分包组帧功能指将内核TCP/IP协议栈下发的IP数据包按数据链路层数据帧格式进行分割和组帧, 原理如图3所示, 然后将数据帧存入发送缓存的过程;解帧组包功能指将从接收缓存中获取的数据帧解析后按照规则组成IP包并发送给内核TCP/IP协议栈的过程。
3.3 物理接口层设计
该层主要设计实现了对基本网络设备进行读写操作的功能, 实现了数据链路层数据帧在实际网络设备上的收发。针对数传电台的实际控制方式, 本文在该层设计实现了RS-232串口读写功能函数。
4 测试及验证
本文以网络命令ping为例介绍了通信平台的测试验证过程。测试搭建了两个节点的通信网络, 每个网络节点由一台运行Linux (内核版本2.6.32) 操作系统的计算机配一个数传电台组成。节点A虚拟网卡IP为192.168.0.1;节点B虚拟网卡IP为192.168.0.2。在两台计算机上分别运行insmod vnic.ko及ifconfi gvnic192.168.0.1 (2) up两个命令完成虚拟网卡的加载与启动。在节点A上运行ping命令后的效果如图4所示。
在两台计算机上的调试打印信息分别如图5、6所示。图5为节点A执行ping命令时发出的IP包, 0x0800表示ping请求, 前面分别为节点B及节点A的IP地址;图6为节点A接收到的ping命令回复IP包, 0x0000表示ping应答请求, 前面分别为节点A及节点B的IP地址。
5 结束语
本文以Linux虚拟网卡技术为基础, 以实现多个数传电台间的组网通信为目标, 设计实现了一个完整的TCP/IP通信平台。数据链路层是该平台的设计重点, 结合数传电台的通信特点, 在该部分重点设计实现了一套完整的数据链路层协议栈。经过验证, 该通信平台屏蔽了底层的具体通信及组网方式, 满足了网络编程的需要。
摘要：数传电台组网技术是制约其进一步推广应用的关键问题。本文参考Linux虚拟网卡技术设计实现了一个以数传电台为基础通信方式的网络通信平台, 通过该平台的应用实现了多个数传电台的组网并向上层应用屏蔽了具体的通信细节, 使得基于TCP/IP协议开发应用可方便地移植于该电台网络之上。
关键词：数传电台,虚拟网卡,Linux,TCP/IP
参考文献