基于ARM和ST7540的城市路灯监控终端设计摘 要:本文给出了一种电力载波通信与GPRS无线通信相结合的、嵌人式的城市路灯监控终端的设计方案，探讨了该方案设计中所解决的主要问题。实现了基于LPC2134、电力载波芯片ST7540和GPRS模块M20的嵌人式监控终端，移植了u C/OS_II 作为实时操作系统，并对软件系统中的主要模块作了分析。
关键词:嵌人式系统;“C/OS- II ;ST7540;GPRS;监控终端
1 引言
随着城市建设的飞速发展和社会文明的进步，城市面貌发生了前所未有的变化，同时人民生活水平也提高到了一个新的高度，对美好生活环境的追求更加迫切。美丽的城市灯光让人更加Jb旷神怡，同时营造出现代城市科学和艺术完美结合的照明效果，树立城市的品牌形象，所以城市灯光的规模和质量已成为城市现代化水平的标志之一。城市路灯照明是城市公共用电的重要部分，因此节约电能和方便管理成为一项重要的课题，也是建设节约型社会所必须的。
城市路灯远程监控系统是由主控中心、一级监控终端、二级监控终端组成，系统总体框图如图1所示。系统各部分的通信联系是这样实现的。主控中心与一级控制终端之间是通过GPRS无线通信传输数据。采用移动通信公司提供的数字数据专网DDN(Digital Data Network)与GPRS网络相连，主控中心的主机采用固定IP地址，各个一级控制终端通过GPRS网络与主控中心主机进行通偿uo(优点是它具有永远在线、按数据流量计费、传输稳定等。)一级控制终端与二级终端之间是通过电力线作为传输载体，采用单项PLC电力载波技术实现通信联系。这样无需再铺设专用通信线路，节约费用。整个系统中一级控制终端涉及到软硬件的结合，也是系统工作的主要部分，因此主要探讨该终端的设计问题。
2 一级控制终端的硬件设计
在整个系统中，一级监控终端起到相当重要的作用。它是联系主控中心和二级控制终端的节点。该终端的任务:(1)完成对二级终端的信号传输与控制，获取二级终端的各个电力参数，然后传输给主控中心。(2)处理与GPRS 块的通讯，接收主控中心命令返回实时数据(3)监控该终端下的电力线上的电力运行清况。
该终端采用模块化设计，主要由ARM嵌人式微处理器、电力载波模块、GPRS通信模块、电力参数采集模块等组成。ARM嵌人式微处理器采用基于ARM7TDMI-S核的32位单片机作为该终端的控制核心，可以集成以下几个模块:
a.嵌人式系统控制模块。系统采用ARM架构的LPC2134处理器，采用64引脚封装，支持16KB SRAM和128KB片上高速闪存，内置2个8路10位A/D转换器共包含16个模拟输人，移植u C/OS II作为实时操作系统，完成信号的采集、处理、发送以及控制。
b. GPRS无线通信模块。采用Motorola公司的M20模块，该模块内嵌TCP/IP协议和用户数据报UDP协议，体积小，无需进行底层设计，从根本上解决了GPSR无线通信和数据传输终端的协议瓶颈和成本问题。该模块的主要任务就是将数据传到主控中心服务器，极大降低了远程通信成本，实现路灯的实时控制与电力信号采集。
c. PLC电力载波模块。采用意法半导体公司新推出的电力载波芯片ST7540。它比现有ST7538尺寸更小、接脚数更少的28接脚封装，集成了单端功率放大器，带有可接人的输人和输出线，能和几个外接信号元件一起使用，作为可调谐有源滤波器的一部分，提供优异的线性功率性能，提供了更大的设计灵活性，降低应用的元件数和成本。ST7540内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串口通讯，可以方便与微处理器相连接。内部具有电压自动控制和电流自动控制功能，只要通过稠合变压器等很少的部件就可以直接连接到电力线上。
结构图如图2所示:
ST7540与LPC2134处理器之间的数据交换是通过SPI口进行的。反映载波情况的载波信号 (CD/LP)与波特率 (BU/THERM)分别与处理器相连。. LPC2134通过接受载波芯片的信号来监测其工作状况。LPC2134与M20之间通信要经过MAX232E进行电平转换。电力线接口要具有滤波功能 具体的接口电路图可以见ST7540芯片说明。电力参数采集部分可以采集该终端下电力线的工作状态如漏电、窃电、线路损坏等。电力参数采集部分由电流、电压互感器、专用的IC采集芯片以及相关的接口电路组成。限于篇幅就不在此详述。
首先进行操作系统的移植。移植u C/OS_ Il操作系统主要包括以下几个部分:修改OS_CPU. H文件，该文件主要包含与编译器相关的数据类型的定义、处理器实现开关中断的方法、堆栈类型的定义和几个宏定义及函数说明;修改OS_CPU_C.C文件，用C语言实现堆栈初始化和几个提供给用户用于扩展操作系统功能的Hook函数;修改OS_CPU A .S文件，用于CPU相关的汇编语言实现CPU开/关中断、任务级的任务切换、中断级的任务切换以及时钟中断程序。除了对上述文件进行移植修改外，还要编写外围设备的驱动程序，使得操作系统能够完成对硬件的操作。
硬件连接完成后，在进行GPRS上网操作之前，首先要对GPRS模块进行一定的设置。主要的设置工作有:①设置通信波特率，可以使用 AT十IPR=38400命令，把波特率设为 38400b/s或其它合适的波特率，默认的通信速度为9600b/s,②设置接人网关，通过AT+CGDCONT=1, "IP" , "CMNET”命令进行设置GPRS接人网关为移动梦网。③设置移动终端的类别，通过AT十CGCLASS= "B”设置移动终端的类别为B类，即同时监控多种业务;但只能运行一种业务，即在同一时间只能使用GPRS上网，或者使用GSM的语音通信。④测试GPRS服务是否开通，使用AT+CGACT=l命令激活GPRS功能。如果返回OK，则GPRS连接成功;如果返回ERROR，则意味着GPRS失败。这时
应检查一下SIM卡的GPRS业务是否已经开通，GPRS模块天线是否安装正确等问题。
LPC2134与ST7540之间的通信考虑到电力线载波通信的协议比较复杂，收发的各帧的长度可能不一样，可以采用奇偶校验f6l。而LPC2134与M20模块之间的通信是串口通信，分为命令帧、数据帧，每种帧的长度为定长，可以采用循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check/Code)。这样可以保证在远距离通信中高效而无差错地传送数据。可以把通信的工作分别用两个单独的通信任务来完成。一个负责串口通信厂一个负责电力线通信，其它所有的功能任务者M过消息邮箱和这两个任务交换数据以完成通信。为保证及时接收数据这两个任务的优先级仅次于监视任务。通信数据的接收、发送、打包、拆包、正误判断、重发均由这两个任务负责和相应的串口中断和电力线外部中断协调完成。串口通信任务由串口中断程序通过消息量触发启动。电力线载波通信任务通过一个消息队列与各个功能任务进行数据交换，通过消息量通知电力线外部中断开始处理接收到的数据。
各个功能任务根据具体功能可划分为接受发送电力载波信号，接受发送GPRS信号，电力参数采集任务，窃电、短路、断路报警任务，显示任务等。每个功能任务都有自己的流程和时序。需要通信数据时都只需在向相应的通信任务提出邮箱申请的同时做超时判断。而具体的通信细节则不用处理，每个任务的超时判断都利用P C/OS_ II的系统时间管理来实现。各个任务可以并发执行，各个任务之间用信号量进行同步并且保护共享资源。系统采用模块化设计，用C语言编写，程序流程图如图3所示。这样各个功能模块结构清晰，独立，对系统得改进、升级都很有利。
4 结束语
利用ARM单片机、GPRS通信模块M20、电力载波模块ST7540以及P C/OS_ II实时操作系统等组成城市路灯远程监控的一级控制终端，作者在实验室进行了实验，结果表明其具有运行稳定、数据传输安全可靠、造价较低、维护方便等优点，并且具有很强的扩展和升级空间。该一级终端的系统还可以作为远程抄表、电力系统监控和其他远程监控领域的有益借鉴。
摘 要:本文给出了一种电力载波通信与GPRS无线通信相结合的、嵌人式的城市路灯监控终端的设计方案，探讨了该方案设计中所解决的主要问题。实现了基于LPC2134、电力载波芯片ST7540和GPRS模块M20的嵌人式监控终端，移植了u C/OS_II 作为实时操作系统，并对软件系统中的主要模块作了分析。
关键词:嵌人式系统;“C/OS- II ;ST7540;GPRS;监控终端
1 引言
随着城市建设的飞速发展和社会文明的进步，城市面貌发生了前所未有的变化，同时人民生活水平也提高到了一个新的高度，对美好生活环境的追求更加迫切。美丽的城市灯光让人更加Jb旷神怡，同时营造出现代城市科学和艺术完美结合的照明效果，树立城市的品牌形象，所以城市灯光的规模和质量已成为城市现代化水平的标志之一。城市路灯照明是城市公共用电的重要部分，因此节约电能和方便管理成为一项重要的课题，也是建设节约型社会所必须的。
城市路灯远程监控系统是由主控中心、一级监控终端、二级监控终端组成，系统总体框图如图1所示。系统各部分的通信联系是这样实现的。主控中心与一级控制终端之间是通过GPRS无线通信传输数据。采用移动通信公司提供的数字数据专网DDN(Digital Data Network)与GPRS网络相连，主控中心的主机采用固定IP地址，各个一级控制终端通过GPRS网络与主控中心主机进行通偿uo(优点是它具有永远在线、按数据流量计费、传输稳定等。)一级控制终端与二级终端之间是通过电力线作为传输载体，采用单项PLC电力载波技术实现通信联系。这样无需再铺设专用通信线路，节约费用。整个系统中一级控制终端涉及到软硬件的结合，也是系统工作的主要部分，因此主要探讨该终端的设计问题。
2 一级控制终端的硬件设计
在整个系统中，一级监控终端起到相当重要的作用。它是联系主控中心和二级控制终端的节点。该终端的任务:(1)完成对二级终端的信号传输与控制，获取二级终端的各个电力参数，然后传输给主控中心。(2)处理与GPRS 块的通讯，接收主控中心命令返回实时数据(3)监控该终端下的电力线上的电力运行清况。
该终端采用模块化设计，主要由ARM嵌人式微处理器、电力载波模块、GPRS通信模块、电力参数采集模块等组成。ARM嵌人式微处理器采用基于ARM7TDMI-S核的32位单片机作为该终端的控制核心，可以集成以下几个模块:
a.嵌人式系统控制模块。系统采用ARM架构的LPC2134处理器，采用64引脚封装，支持16KB SRAM和128KB片上高速闪存，内置2个8路10位A/D转换器共包含16个模拟输人，移植u C/OS II作为实时操作系统，完成信号的采集、处理、发送以及控制。
b. GPRS无线通信模块。采用Motorola公司的M20模块，该模块内嵌TCP/IP协议和用户数据报UDP协议，体积小，无需进行底层设计，从根本上解决了GPSR无线通信和数据传输终端的协议瓶颈和成本问题。该模块的主要任务就是将数据传到主控中心服务器，极大降低了远程通信成本，实现路灯的实时控制与电力信号采集。
c. PLC电力载波模块。采用意法半导体公司新推出的电力载波芯片ST7540。它比现有ST7538尺寸更小、接脚数更少的28接脚封装，集成了单端功率放大器，带有可接人的输人和输出线，能和几个外接信号元件一起使用，作为可调谐有源滤波器的一部分，提供优异的线性功率性能，提供了更大的设计灵活性，降低应用的元件数和成本。ST7540内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串口通讯，可以方便与微处理器相连接。内部具有电压自动控制和电流自动控制功能，只要通过稠合变压器等很少的部件就可以直接连接到电力线上。
结构图如图2所示:
ST7540与LPC2134处理器之间的数据交换是通过SPI口进行的。反映载波情况的载波信号 (CD/LP)与波特率 (BU/THERM)分别与处理器相连。. LPC2134通过接受载波芯片的信号来监测其工作状况。LPC2134与M20之间通信要经过MAX232E进行电平转换。电力线接口要具有滤波功能 具体的接口电路图可以见ST7540芯片说明。电力参数采集部分可以采集该终端下电力线的工作状态如漏电、窃电、线路损坏等。电力参数采集部分由电流、电压互感器、专用的IC采集芯片以及相关的接口电路组成。限于篇幅就不在此详述。
首先进行操作系统的移植。移植u C/OS_ Il操作系统主要包括以下几个部分:修改OS_CPU. H文件，该文件主要包含与编译器相关的数据类型的定义、处理器实现开关中断的方法、堆栈类型的定义和几个宏定义及函数说明;修改OS_CPU_C.C文件，用C语言实现堆栈初始化和几个提供给用户用于扩展操作系统功能的Hook函数;修改OS_CPU A .S文件，用于CPU相关的汇编语言实现CPU开/关中断、任务级的任务切换、中断级的任务切换以及时钟中断程序。除了对上述文件进行移植修改外，还要编写外围设备的驱动程序，使得操作系统能够完成对硬件的操作。
硬件连接完成后，在进行GPRS上网操作之前，首先要对GPRS模块进行一定的设置。主要的设置工作有:①设置通信波特率，可以使用 AT十IPR=38400命令，把波特率设为 38400b/s或其它合适的波特率，默认的通信速度为9600b/s,②设置接人网关，通过AT+CGDCONT=1, "IP" , "CMNET”命令进行设置GPRS接人网关为移动梦网。③设置移动终端的类别，通过AT十CGCLASS= "B”设置移动终端的类别为B类，即同时监控多种业务;但只能运行一种业务，即在同一时间只能使用GPRS上网，或者使用GSM的语音通信。④测试GPRS服务是否开通，使用AT+CGACT=l命令激活GPRS功能。如果返回OK，则GPRS连接成功;如果返回ERROR，则意味着GPRS失败。这时
应检查一下SIM卡的GPRS业务是否已经开通，GPRS模块天线是否安装正确等问题。
LPC2134与ST7540之间的通信考虑到电力线载波通信的协议比较复杂，收发的各帧的长度可能不一样，可以采用奇偶校验f6l。而LPC2134与M20模块之间的通信是串口通信，分为命令帧、数据帧，每种帧的长度为定长，可以采用循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check/Code)。这样可以保证在远距离通信中高效而无差错地传送数据。可以把通信的工作分别用两个单独的通信任务来完成。一个负责串口通信厂一个负责电力线通信，其它所有的功能任务者M过消息邮箱和这两个任务交换数据以完成通信。为保证及时接收数据这两个任务的优先级仅次于监视任务。通信数据的接收、发送、打包、拆包、正误判断、重发均由这两个任务负责和相应的串口中断和电力线外部中断协调完成。串口通信任务由串口中断程序通过消息量触发启动。电力线载波通信任务通过一个消息队列与各个功能任务进行数据交换，通过消息量通知电力线外部中断开始处理接收到的数据。
各个功能任务根据具体功能可划分为接受发送电力载波信号，接受发送GPRS信号，电力参数采集任务，窃电、短路、断路报警任务，显示任务等。每个功能任务都有自己的流程和时序。需要通信数据时都只需在向相应的通信任务提出邮箱申请的同时做超时判断。而具体的通信细节则不用处理，每个任务的超时判断都利用P C/OS_ II的系统时间管理来实现。各个任务可以并发执行，各个任务之间用信号量进行同步并且保护共享资源。系统采用模块化设计，用C语言编写，程序流程图如图3所示。这样各个功能模块结构清晰，独立，对系统得改进、升级都很有利。
4 结束语
利用ARM单片机、GPRS通信模块M20、电力载波模块ST7540以及P C/OS_ II实时操作系统等组成城市路灯远程监控的一级控制终端，作者在实验室进行了实验，结果表明其具有运行稳定、数据传输安全可靠、造价较低、维护方便等优点，并且具有很强的扩展和升级空间。该一级终端的系统还可以作为远程抄表、电力系统监控和其他远程监控领域的有益借鉴。
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