第26卷第3期電力自動(dòng)化設(shè)備Vol.26 No.32006年3月Electrice Power Automation EquipmentMar.2006 89GPRSDTU的設(shè)計(jì)及研究劉教瑜,吳美玲,譚杰(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 ,湖北武漢430070)摘要:通用無線分組業(yè)務(wù)(GPRS)是一種基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)的無線分組交換技術(shù),提供端到端的、廣域的無線IP連接,具有永遠(yuǎn)在線等特點(diǎn)。介紹了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)終端單元(DTU)。該單元是由以ARM芯片S3C44B0X和GPRS模塊G20為核心的硬件和軟件組成。在概括工業(yè)GPRS監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上,介紹了GPRS DTU硬件設(shè)計(jì),GPRS DTU軟件是由μC/OSI操作系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議組成。該單元使用戶通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備和用戶數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。關(guān)鍵詞:通用無線分組業(yè)務(wù);數(shù)據(jù)終端單元;無線通信;遠(yuǎn)程監(jiān)控中圖分類號(hào): X 84;TN 914文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1006- 6047(2006)03 -0089-03工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、交通管理等行業(yè)的遠(yuǎn)程傳輸數(shù)0引言據(jù)應(yīng)用。通用無線分組業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio1工業(yè)GPRS監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成Service)是第2代移動(dòng)通信技術(shù)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)邁向第3代(3G)的過渡技術(shù),是由英國BT用戶設(shè)備通過RS-用戶數(shù)據(jù)中心 .Cellnet公司早在1993 年提出的,是CSM Phase2+232和GPRS DTU相連,將[nternet(1997年)規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一,是一一種基于CSM的數(shù)據(jù)傳人DTU。進(jìn)入DTU移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),面向用戶提供移動(dòng)分組的IP或后的數(shù)據(jù)被GPRS模塊封GPRS網(wǎng)絡(luò)者X.25連接!"。GPRS在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊裝成適合于網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)GPRS DIRS-232加了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò),同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上增加硬件設(shè)備和據(jù)包后,被發(fā)送至GPRS網(wǎng)用戶設(shè)備軟件升級(jí),形成了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體,提供端絡(luò),再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)人圉1工業(yè)GPRS監(jiān)控到端的、廣域的無線IP連接,為構(gòu)建低成本的無線Internet上傳輸,最后被指系統(tǒng)構(gòu)成圉定IP地址的用戶數(shù)據(jù)中心Fig.1 Construction of indus-廣域工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供了可能。讀取。工業(yè)GPRS監(jiān)控系tial GPRS sperisoryGPRS數(shù)據(jù)終端單元(GPRS DTU)無需后臺(tái)計(jì)算統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。and control system機(jī)的支持,充分利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的“永遠(yuǎn)在線,接人速度快,采用數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)方式”(2.3)的特點(diǎn),具有無2硬件設(shè)計(jì)可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢,特別適用于電力系統(tǒng)自動(dòng)化、在本系統(tǒng)中,GPRS DTU采用的硬件芯片主要有收稿日期:2005-09-08;修回日期:2005-11-17ARM芯片S3C44B0X和MOTOROLA的GPRS通信Substation automation object modeling based on IEC 61850XU Ning' ,ZHU Yongli'2, DI Jian2 ,YU Cheng-yang' ,XIE Qing'(1.College of Electrical Engineering, North China Electric Power University ,Baoding 071003 ,China ;2.College of Computer Science and Technology ，North China Electric Power University , Baoding 071003 , China)Abstract: The latest intermational standard IEC 61850 is established for power system seamlesscommunication based on object-oriented technique ，which rules the substation information modeland modeling method and provides many public actual中國煤化工module models.Based on it ,a simple substation information model andThe abstractcommunication service provided by IEC 61850 is andMHCNMHCicemodel forcommunication between control center and substation is built up. The substation configurationperformances are described according to the definition of IEC 61850 configuration language.Key words: IEC 61850; XML(eXtensible Maykup Language); information model; logic device; logicnode; communication service電力自動(dòng)化設(shè)備第26卷模塊G20。S3C44BOX是由SAMSUNG公司推出的此設(shè)計(jì)中采用的是LwIP(Light weight IP),它是16/32位RISC處理器(66MHz),它包括了Thumb代瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkels 等開發(fā)的一套用碼壓縮器,1個(gè)片上的ICE斷電調(diào)試支持和1個(gè)32于嵌人式系統(tǒng)的開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧18。位的硬件乘法器。本應(yīng)用中ARM芯片實(shí)現(xiàn)與GPRSLwIP具有以下特性:支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā),模塊的數(shù)據(jù)通信(可采用UART通信方式或USB通支持ICMP協(xié)議,包括實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的UDP,阻塞控制、信方式),控制數(shù)據(jù)信號(hào)采集設(shè)備的工作,進(jìn)行指往返時(shí)間(RTT)估算、快速恢復(fù)、快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP,提示燈控制等4。G20是全新的嵌人式CSM模塊,采用最先進(jìn)的供專門的內(nèi)部回調(diào)功能用于提高應(yīng)用程序性能,可技術(shù)以滿足數(shù)據(jù)及語音通信市場。G20 的主要特性選擇的BerkeleyAPI 接口等。LwIP可以是單線程運(yùn)行,即只有1個(gè)tcepip線有:TCP/IP協(xié)議棧.GSM頻段EGSM900/ 1 800MHz,程,負(fù)責(zé)處理所有的tep連接,各種網(wǎng)絡(luò)程序都通過GSM850/ 1 900MHz,GPRS時(shí)隙class8,MO/MT SMS、tepip線程與網(wǎng)絡(luò)交互。但LwIP也可以多線程運(yùn)行,傳真、通過串口的STK功能、RS-232/USB接口、寬以提高效率和降低編程的復(fù)雜度?？梢酝ㄟ^下面的溫度工作范圍等。G20的硬件結(jié)構(gòu)包括主控制器,函數(shù)創(chuàng)建新線程:與GPRS網(wǎng)通信的接收模塊和發(fā)送模塊,存儲(chǔ)器件,電源管理和音頻管理模塊,接口模塊等。G20通過void sys. _thread. new (void (*thread) (void*arg)，70個(gè)引腳的接口模塊實(shí)現(xiàn)與外部電路的數(shù)據(jù)交換。void*arg);其中,主要包括:UART通信接口USB通信接口、在μC/OSI中,沒有線程(Thread)的概念,只有SPI總線接口實(shí)現(xiàn)與SIM卡的數(shù)據(jù)交換和音頻信號(hào).任務(wù)(Task)。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務(wù)的系統(tǒng)API輸人/輸出接口等。調(diào)用OSTaskCreate ,因此只要把OSTaskCreate封裝一GPRS DTU的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。下,就可以實(shí)現(xiàn)sys_ _thread_ new。LwIP中的Thread沒有μC/OSI中優(yōu)先級(jí)的概[ FlashSIM卡插槽p念,實(shí)現(xiàn)時(shí)需要由用戶事先為LwIP創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級(jí)。電源管理創(chuàng)建1個(gè)和TCP/IP相關(guān)的新進(jìn)程的部分代碼S3C44B0X] C20 模壩如下:圖2 CPRS DTU的結(jié)構(gòu)圖#define LwIP_ STK_ SIZE 10* 1024Fig.2 Construction of CPRS DTU#define LwIP_ TASK_ _MAX 53軟件設(shè)計(jì)#define LwIP_ START_ PRI0 5OS_ STK LwIP_ TASK_ STK[LwIP. _TASK_ MAX]GPRS DTU的軟件是由操作系統(tǒng).TCP/IP協(xié)[LwIP. _STK _SIZE];議、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)等組成。u8_ t cur_ prio. offset; .3.1操作系統(tǒng)部分sys_ thread_ t;操作系統(tǒng)采用μC/OSI ,它是一個(gè)公開源代碼sys_ systhread. .new ( void ( *function) (void*arg),的占先式多任務(wù)的微內(nèi)核RTOS,其特點(diǎn)是:公開源void*arg, int prio)代碼,代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了,注釋詳盡,組織有條理,3.3 PPP 協(xié)議部分可移植性好,可裁減,可固化，內(nèi)核屬于搶占式,最多PPP為基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的多協(xié)議自尋址數(shù)據(jù)包可以管理60個(gè)任務(wù)[5]。的傳輸提供了一.種標(biāo)準(zhǔn)方法。PPP 最初設(shè)計(jì)是為23.2 TCP/ IP協(xié)議部分[ FTP HTTPISMTPSNMP Telnet個(gè)對(duì)等結(jié)構(gòu)之間的IP流量和傳輸提供一種封裝協(xié).TCP/IP通信協(xié)議分TCPIP別由傳輸控制通信協(xié)議IF議。在TCP/IP協(xié)議集中,它是--種關(guān)于同步調(diào)制連(TCP)及因特網(wǎng)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序接的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(開發(fā)式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI(IP)2部分組成(6]。TCP/媒體訪問控制模式中的第2層)。PPP 主要?jiǎng)?chuàng)建電話線路及綜合物理層服務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)撥號(hào)接人網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商(ISP)IP模型如圖3所示。工業(yè)控制傳輸領(lǐng)城層采用TCP圖3 TCP/IP模型的連接,具有多種身份驗(yàn)證方法、數(shù)據(jù)壓縮和加密及協(xié)議,不用UDP協(xié)議,因Fig.3 TCP/IP model通知IP地址等功能19-10。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸量不大,而可靠性要求較高。雪重傳始的粉坦地昭?格式封裝成TCP數(shù)TCP協(xié)議為面向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議,其主要目的據(jù)中國煤化工域IP數(shù)據(jù)包,再按照是提供數(shù)據(jù)的傳輸并確保其傳輸無誤,具有錯(cuò)誤偵PPP|YHCNMHG后才能用于傳輸。測、數(shù)據(jù)復(fù)原及數(shù)據(jù)重新傳送等功能1。TCP在傳DTU要想和Internet建立連接,首先要附著在輸數(shù)據(jù)之前,會(huì)先在主機(jī)間(例如服務(wù)器端和客戶端)GPRS網(wǎng)上,然后發(fā)起分組數(shù)據(jù)協(xié)議(PDP)上下文激建立通信鏈接,通過此通信鏈接,數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)間.活過程,這樣才能與GPRS支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)建立一相互傳輸。條邏輯通路,從而和Internet建立連接。萬萬數(shù)據(jù)第3期劉教瑜,等:CPRS DTU的設(shè)計(jì)及研究?3.4 程序流程work in remote data acquisition[J]. Computer Engince-系統(tǒng)上電后,首先硬件初始化,再對(duì)操作系統(tǒng)初ring and Design, 2005 ,26(9) :2552-2554.始化,然后進(jìn)行系統(tǒng)文件配置,創(chuàng)建任務(wù),并對(duì)網(wǎng)絡(luò)[4]李巖,榮盤祥.基于S3C44B0X嵌人式uCLinux系統(tǒng)原理(TCP/IP ,PPP)初始化,啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度。通過PPP及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.發(fā)送LCP packets 進(jìn)行設(shè)定和測試數(shù)據(jù)鏈路,跟C20[5] LABROSS J J μC/0-I一源碼公開的實(shí)時(shí) 嵌人式模塊鏈接;然后進(jìn)行密碼認(rèn)證協(xié)議(PAP)認(rèn)證;通過操作系統(tǒng)[M].邵貝貝,譯.北京:中國電力出版社.2003.后,PPP發(fā)送NCPpackets選擇和設(shè)定1個(gè)網(wǎng)絡(luò)層[6] PETE L. TCP/IP透徹理解[M].劉謙,蘇建平,王軍平,等,運(yùn)行IP協(xié)議,一旦設(shè)定好協(xié)議,GPRS DTU就可以接譯.北京:電子工業(yè)出版社, 2003.人到Internet。DTU向用戶數(shù)據(jù)中心的IP地址發(fā)起[7]李勝后，鐘蕾. TCP/IP協(xié)議及其安全性分析[J].信息技術(shù),2005(4):99- 101.連接并請(qǐng)求注冊(cè),就可開始和用戶數(shù)據(jù)中心交互控LI Sheng-hou,ZHONG Lei. TCP/IP protocol and its safely制指令和數(shù)據(jù)。analysis[J]. Information Technology ,2005(4):99- 101.4結(jié)語[8]夏應(yīng)清,付曉軍.基于μC/OS-I的嵌人式系統(tǒng)以太網(wǎng)通訊功能的實(shí)現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界,2005(9):117- 120.研究和設(shè)計(jì)GPRS DTU的目的是將其應(yīng)用于XIA Ying-qing, FU Xiao-jun. Implementations of network武漢理工大學(xué)的含油污水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),目前實(shí)驗(yàn)communication of embedded ethemet based on μC/0S-階段的測試效果證明了此方案的可行性。I[J]. Electronic Engineering & Product World,2005基于CPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的基于(9):117- 120.有線連接或GSM短消息的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有很多.[9] PAZHYANNUR R S,ALI L,VUKOVIC L N. PPPmux一優(yōu)勢,如:連接時(shí)間短實(shí)時(shí)性強(qiáng)、永遠(yuǎn)在線收費(fèi)合a new protocol for transporting small IP packets [J].理、價(jià)格便宜等,相信GPRSDTU也會(huì)有很好的市Communications ,2001 ,7(8):2472 -2477.場前景。[10] ZAGHLOUL S,FROST V ,MOHAMMAD A J. ModelingTCP long file transfer latency over long delay wireless參考文獻(xiàn):mutilink PPP [J]. Communications Letters , 2005 ,9(11):988 -990.[1]文志成.通用分組無線業(yè)務(wù)一 GPRS[M]. 北京;電子工業(yè)出版社,2004.(責(zé)任編輯:汪儀珍)[2]孟曉寧,王永斌,孫建榮.基于GPRS的無線數(shù)據(jù)通信及其應(yīng)用前景[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005(19):31-33.作者簡介:MENG Xiao-ning, WANG Yong- bin ,SUN Jian-rong. Wire-劉教瑜(1957-),男,湖北武漢人，副教授,主要從事自動(dòng)less data conmunication and applied foreground based化檢測與智能控制方面的研究(E-mail: liujiaoyu@eyou.com);on GPRS[J]. Modern Electronic Technology ,2005(19):吳美玲(1981-),女,湖北武漢人，碩士研究生,研究方向31-33.為計(jì)算機(jī)控制與信息系統(tǒng)集成(E-mi:womeil@yaho.com.[3]趙亮,黎峰.GPRS無線網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].cn);計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2005 ,26(9) :2552-2554.譚杰(1981-),男 ,湖北武漢人，碩士研究生,研究方向ZHAO Liang,LI Feng. Application of GPRS wireless net-為智能控制理論與應(yīng)用。Design and research on GPRS DTULIU Jiao-yu, WU Mei-ling,TAN Jie(School of Automation, Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070 , China)Abstract: GPRS(General Packet Radio Service) is a wireless grouping exchanging technology basedon the GSM(Global System for Mobile communication). It provides port-to-port and wide IP connec-tion and has the feature of being on line forever. The DTU(Data Terminal Unit) based on GPRS net-work is introduced. Its hardware and software are bas中國煤化工0X and CPRSmodule G20. After the construction of industrial:DHCNMHGtrol system isgeneralized , the hardware design of GPRS DTU is introduceu. ts sollware CUnsisLs of μC/OS- Ioperating system ,TCP/IP protocol and point-to-point protocol. The data can be transmitted betweenuser equipments and user data centers via GPRS unit.Key words: GPRS; DTU; radio communications; remote control