一种新型水情遥测终端的设计

摘要：设计了一种新型的水情遥测终端，该终端能够实时采集雨量、水位、流量、温度等多种水情数据，对采集到的数据可以进行显示。同时能通过CDMA网络或者备用的超短波网络及时将数据上传给中心站，使得数据通信不中断。该系统工作稳定可靠，满足水情遥测的功能和性能等技术要求，具有良好的应用前景。
关键词：遥测终端；ATMEGA1280；MC703；CMX868；双重通信

    为了适应防汛和水利调度的现代化、信息化要求，往往需要采集多个水情数据，采集的内容包括水位、雨量等参数，遥测终RTU(Remote Terminal Unit)主要能完成对水情数据的自动采集与存储。在中心站任何时候需要查看数据时，遥测终端利用CDMA网络或者备用的超短波网络双重通信网络都能及时地上传数据，避免了数据通信的中断，准确快速的获取所需要的数据。中心站接收到各遥测站数据并进行分析处理后，为水利部门提供及时准确的水情信息，提高防汛和水利调度的效率。RTU通常用于监测控制有限距离或远方的设备，已经成为控制工业SCADA(Supervisory Control andData Acquisition，数据采集与监视控制)系统中的重要设备。

1 遥测终端的总体设计
    遥测终端总体设计的目标是用于实现数据的采集存储，以及与中心站进行通信。如图1所示，遥测终端的硬件核心微控制器采用嵌入式微处理器Atmega12800 HMI模块是人机接口模块，采用段式微功耗液晶显示器，带键盘控制，实时显示标准时间和交替显示各种参数，以便能够及时了解情况。通信模块包含两个网络，一个是选用MC703无线模块接入CDMA网络，另外一个是选用调制解调器CMX868和电台ND886A构建超短波网络，实现数据的通信。固态存储模块是系统外接的铁电存储器FRAM和大容量SD存储卡，用来作为片外存储器保存海量的水情数据信息。翻斗雨量计和并口水位计与微控制器直接相连，负责采集雨量和水位信息。RS485接口的主要功能是可以进一步扩展传感器，采集更多的水情数据，并传送给微控制器，以便微控制器对数据做进一步的处理。

2 遥测终端硬件设计及实现
2．1 ATmega1280微控制器及HMI模块设计
    ATmega1280是Atmel公司推出的一款高性能、低功耗8位AVR闪存微控制器。该单片机CPU内核采用了先进的RISC体系结构，具有强大的数据处理能力。
    Atmega1280具有128K字节的在系统可编程Flash存储器，4K字节的EEPROM，8K字节的SRAM，4个串口(均可用作485和232通讯)，I2C总线接口、SPI总线接口、6个具有比较模式和PWM功能的定时／计数器。还具有与IEEE1149．1规范兼容的JTAG接口，能为程序的编写调试带来很大的方便。
    HMI模块使用的是液晶LCD显示屏，CMOS工艺制造，具有低功耗的特点。它采用4个背极输出和40个显示段输出，因此，最多可驱动160个LCD显示段。另外，HMI模块还带有3*3键盘控制，方便人机交互。微控制器通过“二线”双向的I2C总线与其连接，进行数据传输。
2．2 双重无线网络通信模块
    无线通信模块包含两个网络：CDMA网络和超短波网络，实现数据的通信。常用的是CDMA网络，利用电信的公网来进行通信，使用方便，费用较低。超短波网络作为备用网络，当在CDMA网络不能覆盖到的偏远地区时，或者CDMA网络在维护不能使用时，可以启用超短波网络继续进行数据的传送，使得通信连贯，及时进行数据通信。
2．2．1 CDMA网络通信
    CDMA网络通信是采用华为MC703 CDMA EV—DO无线模块来实现数据通信，MC703模块提供一路UART接口，支持9线带流控功能的全串口模式，最高支持4Mbpa的传输速率。全串口UART1支持DATA服务，可支持用户从UART1发起PPP拨号，进行数据业务操作。UART1支持可编程的数据宽度、可编程的数据停止位、可编程的奇／偶校验或者没有校验，支持波特率掉电保存。
    MC703模块与微控制器是通过串口进行通信的，与微控制器连接的引脚说明如表1所示。

    MC703与微控制器Atmega1280的连接如图2所示，UART1_RD、UART1_TD分别与串口引脚TXDO、RXDO相连，UART1_CTS、UART1_RTS、MODULE _WAKEUP、TERM_ON、HOST_WAKEUP和RESET_N引脚依次与输入输出口PE端口相连。Atmega1280将要发送的数据传送给MC703，然后由MC703经天线发送出去，通过CDMA网络发送给中心站。同样，中心站也通过CDMA网络发送数据MC703，MC703接受到数据以后，再传送给微控制器Atmega 1280，由微控制器进行数据处理。这样，通过使用MC703模块无线数据的收发功能，以及与Atmega1280的串口通信，就实现了CDMA网络的数据通信。

2．2．2 超短波网络通信
    超短波网络通信是采用Modem芯片CMX868A和电台ND886A来实现数据通信，CMX868A是CML公司研制的支持V．21、V．22、V．22 biS、V．23、Bell 202和Bell 212A等多种标准的新型低功耗Modem芯片，支持FSK、DPSK和QAM 3种调制方式。ND886A是NISSEI DENKI公司研制开发的专业数传电台，数传专用频段(223～235MHz)，自动调谐；具有极低的守候电流及发射电流，发热少，功耗低。可与FSK、FFSK、MSK、GMSK、CPFSK等不同类型的Modem相匹配。
    CMX868A与单片机Atmega1280的接口是通过C～BUS总线实现的，C～BUS总线与MOTOROLA公司的SPI总线非常类似。对与单片机接口的几个引脚解释如表2所示。

    在具体的线路连接时，我们将Command Data、Reply Data、Serial Clock、CSN分别与MOSI、MISO、SCK、相连接，IQRN信号与微控制器外部中断输入引脚相连，这里选用了INT2引脚，从而实现与CMX868A的数据通信。
    在CMX868A与电台ND886A的线路连接中，我们将CMX868A的输出脚TXA、输入脚RXA分别与电台的输入脚TFSK、输出脚RFSK相连接。电台ND886A的／EXT PTT引脚与微控制器Atmega1280的PA0输入输出口相连。当PAO输出低电平信号到／EXT PTT引脚时，使该引脚变为低电平状态，即可打开发射机发送数据；当该引脚为高阻状态时，电台可接受数据。这样，微控制器将要发送的数据传送给CMX868A，然后由Modem调制以后，再经电台发送出去。电台接受中心站发送过来的信号，经过处理以后传送给Modem，信号解调后再将数据发送给微控制器，做进一步的处理。因此，通过使用CMX868A的调制解调和电台ND886A收发数据的功能，我们就实现了超短波网络的数据通信。微控制器、CMX868A与ND886A连接示意图如图3所示。

    在与CMX868A数据通信中，需要访问和设置CMX868A的一些寄存器。这些寄存器包括了复位命令寄存器、控制寄存器、发送模式寄存器、接受模式寄存器、发送数据寄存器、接受数据寄存器和状态寄存器。
    复位命令寄存器的作用是让CMX868A复位，使其进入省电模式，降低功耗。控制寄存器的作用是使CMX868A进入正常工作模式，打开中断和选择外部晶振频率等。发送和接受模式寄存器的功能是明确发送和接受信号的类型，信号的类型有QAM、DPSK、FSK调制信号，还有DTMF双音多频信号。发送和接受数据寄存器是数据的缓冲区，主要是存放将要发送的数据和已经接受的数据。另外，通过访问状态寄存器，可以获知CMX868A当前的工作状态。
    在CMX868A进行数据的调制解调时，采用了频率键控FSK的调制解调方式。产生频率为980 Hz的信号波形代表数字信号中的高电平，即数字“1”；产生频率为1180 Hz的信号波形代表数字信号中的低电平，即数字“0”，这样就较容易地实现了数据的调制解调。
2．3 数据采集模块
    数据采集模块由雨量、水位传感器组成，将采集的数据上传到微控制器，微控制器对数据进行处理、存储和发送。
    雨量传感器使用的是翻斗雨量计，采用单路采集方式。当降雨量达到翻斗雨量计触发值时，雨量计的两个输入信号产生反转，从而引发外部中断，唤醒处于休眠模式的微控制器，微控制器转入正常工作状态，执行雨量中断程序，将对检测到的雨量信号进行累加和保存。
    水位的采集是使用12路并行线直接与微控制器的I／O口相连，水位采用查询方式，定时读取数据。
2．4 固态存储模块设计
    固态存储模块由铁电存储器FRAM和大容量存储SD卡组成。铁电存储器FRAM可以作为数据的缓冲区，微控制器将采集的数据可以先暂存到铁电存储器FRAM中，然后最终将数据存放在存储卡中，实现大容量的存储。FRAM、SD卡都是用SPI总线与Atmega1280连接的，可以方便快速地进行数据通信。

3 遥测终端软件设计
    遥测终端软件设计的目标是实现在无人值守的情况下，有效地采集水位、雨量等水情信息，并做相应处理和存储，最后及时上传到中心站。
3．1 软件主程序设计
    主程序是终端系统软件的核心部分，对系统进行总体的控制。主程序首先要进行系统参数的初始化工作，在没有任务需要执行时，系统休眠以降低功耗、节省电量。当触发中断时，系统被唤醒恢复到正常工作状态，进入中断服务程序，处理完任务后，再次将系统设置成休眠状态。
    系统的软件总体结构如图4所示。

    系统被唤醒后，进入中断服务程序，执行的中断程序包括Modem中断程序，秒中断程序，定时中断程序，按键中断程序和雨量、水位中断程序等。
3．2 双重数据通信程序设计
    在双重数据通信程序设计中，首先要对无线模块MC703进行复位检测，初始化参数，然后检测网络信号质量，进行无线连接。在没有数据发送时，模块选择休眠，降低功耗。当需要发送数据时，唤醒MC703模块，将数据发送出去。当检测到网络信号质量不好时，或者无线连接不上时，选用调制解调器CMX868A芯片，启动备用电台，及时向中心站发送数据。数据通信程序设计如图5所示。

    模块初始化的工作中，通过串口发送AT命令设置串口的波特率，查看模块的型号，软件的版本号，设置功能模式，将调试的错误上报，以及查看系统的信息和模式。初始化的主要命令流程如下：
   
   
    模块的无线连接使用AT命令进行PPP拨号上网，使用外置的协议栈，通过TCP／IP方式发送数据，／需要的主要AT命令流程如下：
   

4 结束语
    设计的遥测终端RTU主要能完成对水情数据的自动采集与存储，显示数据和终端的工作状态，并且将数据发送给中心站。在数据传输中终端采用了CDMA网络和超短波网络双重通信方式，正常工作情况是使用CDMA网络进行数据传送。当在CDMA网络无法覆盖到的偏远地区时，或者CDMA公用网络需要维护，不能使用时，都可以使用备用的超短波网络及时将数据上传给中心站，实现不间断的通信。这样，水利管理部门能够及时得到准确的水情信息，有效地采取措施防洪防汛，提高水利调度的效率，满足了水利信息化的要求。