作者：柴智淵，殷天明，梁曉鋒，肖敬義

GPRS技術是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務，其最大優(yōu)勢在于它的數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高，目前已達到了115Kbps。其次GPRS是按GSM標準定義的封包交換協(xié)議，可快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。它在移動終端和網(wǎng)絡之間實現(xiàn)了“永遠在線”的連接，網(wǎng)絡容量只有在實際進行傳輸時才被占用。基于這些優(yōu)勢，GPRS技術適合進行數(shù)據(jù)傳輸，同時由于其可靠性，可以進行遠程控制的設計。本文以油田抽油機為實際應用背景，介紹基于GPRS技術的開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)遠程控制的架構和具體實現(xiàn)。

系統(tǒng)整體結構

本系統(tǒng)是通過上位機操作系統(tǒng)，利用無線網(wǎng)絡遠程控制應用于油田抽油機的開關磁阻電機，控制開關磁阻電機的啟動、停止、復位以及轉速設定等參數(shù)，并對電機的運行狀態(tài)進行采集，如電流參數(shù)、溫度參數(shù)、轉速信息、故障信息等，并將其返回到上位機操作系統(tǒng)進行分析，判斷電機工作情況和下一步的控制情況，實現(xiàn)遠程控制的目的。

本系統(tǒng)整體工作結構原理圖見圖1。

圖1 GPRS遠程控制系統(tǒng)整體結構圖

上位機操作系統(tǒng)

上位機操作系統(tǒng)是人機對話的平臺。本文采用VB語言編寫的可視化界面，編寫了一個TCP/IP超級終端，實現(xiàn)了TCP/IP服務器端的功能，這是Socket的一個簡單應用。由于每次GPRS撥號，系統(tǒng)端獲的的IP地址都不一樣，而PC端的IP地址應該是固定的，因此選擇PC端作為服務器端。服務器端創(chuàng)建后開始偵聽來自網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，循環(huán)等待客戶端的連接，如果有客戶端連接，接收到的數(shù)據(jù)會保存在緩沖器中，然后服務器端會判斷是否是系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)，如果正確則顯示該客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)，同時服務器端會重新啟動一個線程等待新的客戶連接。

系統(tǒng)硬件設計

如圖2所示，遠程控制系統(tǒng)內(nèi)部結構可分為系統(tǒng)電源、復位電路、信號采集、控制給定以及其他控制部分。這里著重介紹信號采集、GPRS遠程控制等部分。

圖2 GPRS遠程控制系統(tǒng)內(nèi)部結構圖

本設計需要采集開關磁阻電機的運行狀態(tài)，包括電流信號、電壓信號等，需要進行ADC變換。

TLC0834是八位逐次逼近模數(shù)轉換器，具有輸入可配置的多通道多路器和串行輸入方式，采用串行輸入結構，其供電電壓為5V，輸入與輸出與TTL，CMOS電平兼容。為了節(jié)省I/O資源，采用LPC2134的一個I/O口連接到TLC0834的DO端和DI端，DI端只在多路器尋址時被檢測，而此時DO端仍為高阻狀態(tài)，經(jīng)過一個時鐘周期后，DO端才開始在時鐘上升沿時讀出數(shù)據(jù)。

GPRS遠程控制系統(tǒng)

GPRS遠程控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分，傳輸控制信息以及采集運行狀態(tài)，是負責上位機控制系統(tǒng)和底層電機的聯(lián)系紐帶。核心部分由ARM7處理器LPC2134和GPRS無線通信模塊MC35i構成。LPC2134與GPRS通信模塊MC35i的通信是通過串口通信來實現(xiàn)的，如圖3所示，通信模塊MC35i的16～23引腳數(shù)據(jù)輸入/輸出端標準串口的8個引腳分別為DSR0、RING0、RXD0、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗位，波特率在300bps～115000bps之間。為了和開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)正常地進行通信，這里選擇1200bps作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?，硬件握手信號用RTS/CTS，模塊串口支持標準的AT命令集。

圖3 GPRS模塊MC35i引腳結構圖

模塊的24“29管腳為SIM卡引腳，其中CCVPP引腳用于檢測SIM卡插槽中SIM卡是否插入正常，CCCLK用于模塊在該周期下定時檢測SIM卡，因此，CCVPP腳會定時出現(xiàn)一個跳變；CCVCC引腳是MC35i模塊為SIM卡提供的供電電源。

系統(tǒng)軟件設計

本設計采用國際化標準組織所定義的開放系統(tǒng)互連模型，OSI/RM參考模型包括七個協(xié)議層來定義數(shù)據(jù)通訊的協(xié)議功能。圖4所示為本設計互聯(lián)參考模型結構圖及所涉及的協(xié)議。

圖4 系統(tǒng)互聯(lián)參考模型結構圖

圖中包括上位機、INTERNET、GPRS網(wǎng)絡、GPRS遠程控制板、開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)以及開關磁阻電機幾大部分的信息通信，其中GPRS遠程控制板和GPRS網(wǎng)絡間的通訊通過PPP（點對點協(xié)議）實現(xiàn)，GPRS網(wǎng)絡和INTERNET的通信通過GPRS網(wǎng)關節(jié)點實現(xiàn)，INTERNET和上位機的通信通過TCP/IP協(xié)議，并通過可視化界面實現(xiàn)。

PPP的設計與實現(xiàn)

本設計環(huán)節(jié)需要支持GPRS功能的GSM模塊，使移動終端通過串口和GPRS模塊相連，然后通過AT命令先設置好模塊，定義PDP上下文和網(wǎng)絡服務質(zhì)量；發(fā)出進行申請GPRS服務的撥號命令， GPRS模塊的PPP協(xié)議服務器端程序進行協(xié)商通信。收到撥號命令后，GPRS模塊會進行網(wǎng)絡的附著，網(wǎng)絡分配無線鏈路資源，這時GPRS模塊中的PPP協(xié)議服務器端進入NETWORK狀態(tài)，得到網(wǎng)絡分配的IP地址并通過IPCP協(xié)議分配給移動終端，這樣，移動終端就在串口和GPRS之間用PPP協(xié)議建立了一條透明的傳輸通道，并取得了自己的IP地址，可以和數(shù)據(jù)中心通信了。PPT實現(xiàn)流程見圖5。

圖5 PPP實現(xiàn)流程框圖

TCP/IP小型協(xié)議棧uIP的設計和實現(xiàn)

uIP是一個極其小型的TCP/IP協(xié)議棧，可以適用于低至8位或16位微處理器的嵌入式系統(tǒng)。它可以被看作是一個代碼庫為系統(tǒng)提供確定的函數(shù)。uIP提供三個函數(shù)到系統(tǒng)底層uip_init（）、uip_input（）和uip_periodic（）。應用程序必須提供一個回應函數(shù)給uIP。當網(wǎng)絡或定時事件發(fā)生時，調(diào)用回應函數(shù)。

VB語言編寫的可視化界面

TCP/IP協(xié)議是Internet最重要的協(xié)議，本設計采用VB語言實現(xiàn)了TCP/IP服務器端的功能。Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡的API，網(wǎng)絡的Socket數(shù)據(jù)傳輸是一種特殊的I/O，Socket也是一種文件描述符。VB提供了WinSock控件，用于在TCP/IP的基礎上進行網(wǎng)絡通信。當使用Socket進行網(wǎng)絡通信時，其中一個必須創(chuàng)建Socket服務器偵聽以進行通信，創(chuàng)建服務器，首先創(chuàng)建一個服務端口號，并開始偵聽是否有客戶請求連接。部分VB程序如下：

Private Sub Form_Load（）

SockServer.LocalPort = 3000 ‘服務器端口號

SockServer.Listen ‘開始偵聽

End Sub

Private Sub Form_Unload（Cancel As Integer）

SockServer.Close

End Sub

Private Sub SockServer_Close（）

SockServer.Close

End Sub

Private Sub SockServer_ConnectionRequest（ByVal REQID As Long）

SockServer.Close

SockServer.Accept REQID ‘表示客戶請求連接的ID號

End Sub

Private Sub SockServer_Data Arr （ByVal bytesTotal As Long）

‘當向服務器發(fā)送的數(shù)據(jù)到達后，產(chǎn)生DataArr事件，在事件中接收數(shù)據(jù)

Dim a As String

SockServer. GetData a

Text1.Text = a

End Sub

……

結語

綜合以上設計，利用GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程控制的最大好處在于它的可靠性，可在惡劣環(huán)境下使用，可通過上網(wǎng)的網(wǎng)絡終端來實現(xiàn)遠程控制和電機運行狀態(tài)的接收，同時可實現(xiàn)多點到多點的雙向控制，成本低廉，尤其是像油田抽油機的惡劣的工作環(huán)境，更能節(jié)省很大的人力及物力，效率很高。

責任編輯：gt