一种新型水情遥测终端的设计

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。