第26卷第3期電力自動化設備Vol.26 No.32006年3月Electrice Power Automation EquipmentMar.2006 89GPRSDTU的設計及研究劉教瑜,吳美玲,譚杰(武漢理工大學自動化學院 ,湖北武漢430070)摘要:通用無線分組業(yè)務(GPRS)是一種基于全球移動通信系統(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,具有永遠在線等特點。介紹了基于GPRS網(wǎng)絡的數(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)成的基礎上,介紹了GPRS DTU硬件設計,GPRS DTU軟件是由μC/OSI操作系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議、點對點協(xié)議組成。該單元使用戶通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)用戶設備和用戶數(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;數(shù)據(jù)終端單元;無線通信;遠程監(jiān)控中圖分類號: X 84;TN 914文獻標識碼: A文章編號: 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)的遠程傳輸數(shù)0引言據(jù)應用。通用無線分組業(yè)務GPRS(General Packet Radio1工業(yè)GPRS監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成Service)是第2代移動通信技術(shù)全球移動通信系統(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)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一,是一一種基于CSM的數(shù)據(jù)傳人DTU。進入DTU移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務,面向用戶提供移動分組的IP或后的數(shù)據(jù)被GPRS模塊封GPRS網(wǎng)絡者X.25連接!"。GPRS在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡基礎上疊裝成適合于網(wǎng)絡通信的數(shù)GPRS DIRS-232加了一個新的網(wǎng)絡,同時在網(wǎng)絡上增加硬件設備和據(jù)包后,被發(fā)送至GPRS網(wǎng)用戶設備軟件升級,形成了一個新的網(wǎng)絡邏輯實體,提供端絡,再通過GPRS網(wǎng)絡進人圉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)無需后臺計算統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。and control system機的支持,充分利用GPRS網(wǎng)絡的“永遠在線,接人速度快,采用數(shù)據(jù)流量計費方式”(2.3)的特點,具有無2硬件設計可比擬的性價比優(yōu)勢,特別適用于電力系統(tǒng)自動化、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電力自動化設備第26卷模塊G20。S3C44BOX是由SAMSUNG公司推出的此設計中采用的是LwIP(Light weight IP),它是16/32位RISC處理器(66MHz),它包括了Thumb代瑞士計算機科學院Adam Dunkels 等開發(fā)的一套用碼壓縮器,1個片上的ICE斷電調(diào)試支持和1個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。本應用中ARM芯片實現(xiàn)與GPRSLwIP具有以下特性:支持多網(wǎng)絡接口下的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,包括實驗性擴展的UDP,阻塞控制、信方式),控制數(shù)據(jù)信號采集設備的工作,進行指往返時間(RTT)估算、快速恢復、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,采用最先進的供專門的內(nèi)部回調(diào)功能用于提高應用程序性能,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可以是單線程運行,即只有1個tcepip線有:TCP/IP協(xié)議棧.GSM頻段EGSM900/ 1 800MHz,程,負責處理所有的tep連接,各種網(wǎng)絡程序都通過GSM850/ 1 900MHz,GPRS時隙class8,MO/MT SMS、tepip線程與網(wǎng)絡交互。但LwIP也可以多線程運行,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雜度。可以通過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個引腳的接口模塊實現(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總線接口實現(xiàn)與SIM卡的數(shù)據(jù)交換和音頻信號.任務(Task)。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務的系統(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,就可以實現(xiàn)sys_ _thread_ new。LwIP中的Thread沒有μC/OSI中優(yōu)先級的概[ FlashSIM卡插槽p念,實現(xiàn)時需要由用戶事先為LwIP創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。電源管理創(chuàng)建1個和TCP/IP相關(guān)的新進程的部分代碼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軟件設計#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、點對點協(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 ,它是一個公開源代碼sys_ systhread. .new ( void ( *function) (void*arg),的占先式多任務的微內(nèi)核RTOS,其特點是: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為基于點對點連接的多協(xié)議自尋址數(shù)據(jù)包可以管理60個任務[5]。的傳輸提供了一.種標準方法。PPP 最初設計是為23.2 TCP/ IP協(xié)議部分[ FTP HTTPISMTPSNMP Telnet個對等結(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)絡驅(qū)動程序接的數(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 主要創(chuàng)建電話線路及綜合物理層服務數(shù)字網(wǎng)(ISDN)撥號接人網(wǎng)絡服務提供商(ISP)IP模型如圖3所示。工業(yè)控制傳輸領城層采用TCP圖3 TCP/IP模型的連接,具有多種身份驗證方法、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。實時監(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,具有錯誤偵PPP|YHCNMHG后才能用于傳輸。測、數(shù)據(jù)復原及數(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,會先在主機間(例如服務器端和客戶端)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)可在計算機間.活過程,這樣才能與GPRS支持節(jié)點(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的設計及研究?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,再對操作系統(tǒng)初ring and Design, 2005 ,26(9) :2552-2554.始化,然后進行系統(tǒng)文件配置,創(chuàng)建任務,并對網(wǎng)絡[4]李巖,榮盤祥.基于S3C44B0X嵌人式uCLinux系統(tǒng)原理(TCP/IP ,PPP)初始化,啟動多任務調(diào)度。通過PPP及應用[M].北京:清華大學出版社,2005.發(fā)送LCP packets 進行設定和測試數(shù)據(jù)鏈路,跟C20[5] LABROSS J J μC/0-I一源碼公開的實時 嵌人式模塊鏈接;然后進行密碼認證協(xié)議(PAP)認證;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選擇和設定1個網(wǎng)絡層[6] PETE L. TCP/IP透徹理解[M].劉謙,蘇建平,王軍平,等,運行IP協(xié)議,一旦設定好協(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.連接并請求注冊,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)通訊功能的實現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界,2005(9):117- 120.研究和設計GPRS DTU的目的是將其應用于XIA Ying-qing, FU Xiao-jun. Implementations of network武漢理工大學的含油污水遠程監(jiān)控系統(tǒng),目前實驗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的遠程監(jiān)控系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的基于(9):117- 120.有線連接或GSM短消息的遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有很多.[9] PAZHYANNUR R S,ALI L,VUKOVIC L N. PPPmux一優(yōu)勢,如:連接時間短實時性強、永遠在線收費合a new protocol for transporting small IP packets [J].理、價格便宜等,相信GPRSDTU也會有很好的市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:mutilink PPP [J]. Communications Letters , 2005 ,9(11):988 -990.[1]文志成.通用分組無線業(yè)務一 GPRS[M]. 北京;電子工業(yè)出版社,2004.(責任編輯: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.為計算機控制與信息系統(tǒng)集成(E-mi:womeil@yaho.com.[3]趙亮,黎峰.GPRS無線網(wǎng)絡在遠程數(shù)據(jù)采集中的應用[J].cn);計算機工程與設計,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