基于单片机的低成本远程监控系统

  简述了基于单片机的远程监控系统的设计思想，重点介绍了有线／无线数据通信的电路设计，就如何提高系统可靠性等技术问题进行了说明。
    
    1　引　言
    
    随着信息技术的不断发展，对特定分散测控对象实现远程监控的应用需求正日益广泛。以单片机为设计的低成本远程监控系统可广泛应用于野外作业、企业生产及军事装备的指挥控制中，能够充分体现出组网灵活、高可靠性与可维护性以及令人满意的性能价格比。
    
    2　系统总体方案简介
    
    系统由一个主站、若干个机动从站构成。主站负责自动化转台及传感器的数据采集、控制命令及状态信息的上传下达。从站位于固定机房、无人值守间及野外作业站等地方，负责接收检测传感器的指示数据、进行Karlman滤波后的生产工艺方程解算、相关显控处理等。主站与从站之间实现点与点之间的码分多址通信，可以实现有线数据通信（15km），以及在V／UHF电台支持下的无线分时复用数／话一体通信（25km）。
    
    系统工作原理简图如图1所示，电路功能主要有：
    
    ·主站、从站均采用双CPU（80C196、8031）扩展STD总线结构，即除STD的56芯标准插件之外，自定义了60芯的专用系统信号。0C000H－0C3FFH分配给双口RAM（IDT7130），以便与数据通信板的8031进行透明的数据交换。非全地址译码I／O空间，采用了在线可编程芯片ISP2031，便于调试。
             
    ·付站显控电路。以MC6847作为显控主芯片，显存占用80C196地址空间的0A000－0C000H，外接工业级CRT，显示分辨率为256×192。根据在微机上获取的汉字字模，自建专用12×12非标准汉字库。键盘控制的主芯片为8279，在应用软件的支持下，可以获得类似于工控机的表页或图示式监控效果。
    ·各类I／O板，接收来自扩展STD总线的信号，完成数据、地址与控制信号的隔离驱动，为了防止设备间的互相干扰，在这类电路板上，广泛采用了MC1413支持下的继电器隔离、光电隔离，以及变压线圈隔离等措施，以保证系统工作的可靠性。
    ·智能接口板，主要以3片MC6821控制芯片为，形成48路可以任意位定义的信号（如瞬时IO方向，信号持续时间等），与模拟器进行数据通信，该电路板可以模拟给出展宽后的复杂总线时序驱动信号。
    ·转台方位转换电路。以分立元器件电路得出同步传输机的模拟方位信号，经过粗、精信号的分化，形成直流电平，再由CPU控制多路开关切换，以后由80C196内置的AD变换电路求出方位数据。其他传感器转换电路，在识别同步脉冲后，直接由高性能计数器计数，并产生外部中断信号，交CPU处理。
     
    3　有线／无线数据通信的软硬件设计
    单片机串行口，只能解决近距离的通信，对中、远距离通讯则无能为力。当各点之间距离超过1 km或更远时，就需要采用调制解调技术来解决，参见图2。
    3．1　有线数据通信
    采用电话线作通信介质在主、从站都经过有线数字调制解调器（简称Modem）形成FSK调制信号。
    在本方案中采用TCM3105，它是TI公司生产的单片CMOS工艺的Modem，符合CCITT V．23建议和BELL202标准，内含基本的调制解调、定时、载波检测，以及群延时均衡等，可工作于全双工或半双工方式。其RD及TD脚可以和单片机的串行口RXD、TXD直接相接，RDR1、RDR2外接至8031的P1口以设定波特率（1200、600bps）。RXB脚用于接受信号偏压调整，在片内调整比较器的门限电平。CDL脚作载波检测电平设定，所以应调整电位器W1、W2以保证良好的收发性能。这里的CLK脚仅作观测用，一般不接。
    调制信号输入RC、输出脚TC经过两级运放及1:1变压线圈隔离后至外部电缆接插件。
    3．2　无线数、话一体通信
    无线数据传输的传播介质是电磁波，很适合复杂地形或机动设备等应用场合，并且能和话音分时复用一部电台，其优点不言而喻。无论是数据还是话音，V／UHF电台本质上传输的都是低频基带信号。MSM6927是日本OKI公司生产的一种单片集成、采用FSK调制的Modem，符合ITU－T V．23通信协议，与8031微处理器以及射频电路一起可以进行无线链路数据报的双向可靠传输。
    图2中的发送RD和XD是收发数据脚，为了与有线Modem复用8031的串行口，还应将这二者和TCM3105的RD、TD脚通过多路开关54LS157转接至8031的RXD、TXD，这一点图中没有绘出。／CD2脚表示是否接收到载波信号，低电平有效，可接至指示灯。调制信号输入AIN、输出脚AO经过运放处理及低通滤波后馈送到电台。
    3．3　通信软件设计
    通信采取由主机首先发起广播呼叫，检查各从机是否就绪，再将缺席者从以后的轮询队列中删除的方法。由于未采用复杂的TCP协议，所以主呼与应答必须事先确定好规则，这样可以避免多个现场节点同时呼叫而出现通信阻塞。数据帧定义为：
     
         主呼方呼叫后无应答，给出超时标志后即脱离。分机收到数据包后如发现地址与本机符合则接受，有错则视信息的重要与否，要求重发或干脆丢弃。调试时可与微机进行仿真通信，评估控制关系及数据响应率，以减小研发工作量。
    4　改善可靠性的措施
    ·适当的冗余设计有助于军用系统的可靠性。如本系统的有线／无线通信，CRT与LET复合显示，以及备用通道的控制等，都起到了良好的效果。
    ·抗雷击措施在野外作业时应当加强。本系统曾遭雷击而重度受损，后追加了防雷保护器，包括有线数据通信电缆串接的防雷保护器、电源防雷保护器等，系统经受住了恶劣气候的考验。
    ·防止键盘死锁的一种特殊办法。键盘死锁是工业控制系统甚至家用电脑的常见故障，但对于实时性要求比较高的军用系统，则要坚决杜绝这一现象。本系统曾遇到由于8279的RST上出现小毛刺，而使8279异常复位，从而导致键盘死锁的现象。因此，在定时器子程序内追加了8279初始化代码，即，每隔10ms定时给8279初始化，以后再未出现键盘死锁现象。
    ·算法设计优化也可提高系统的可使用性。如AD采样后的“野值”剔除处理、Karlman滤波，以及数据通信的纠错编码等，本系统采用了海明（Hamming）编码校验与代码和相结合的方法进行检错与纠错。
    5　结束语
    采用上述思路设计的远程监控系统，已批量生产并装备部队。经使用证明其启动快捷、组网灵活、运行可靠，取得了良好的效益。

参考文献:

[1]. IDT7130 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IDT7130_1940167.html.
[2]. MC6847 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC6847_475672.html.
[3]. CRT datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CRT_2331578.html.
[4]. MC1413 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC1413_1054908.html.
[5]. MC6821 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC6821_475436.html.
[6]. TCM3105 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TCM3105_643063.html.
[7]. MSM6927 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MSM6927_874087.html.
[8]. 54LS157 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/54LS157_70428.html.