基于GSM網(wǎng)絡(luò)電流信號監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究

汪艷麗，柏逢明

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對工業(yè)系統(tǒng)中各項指標的實時監(jiān)測和故障的實時報警顯得特別重要。現(xiàn)如今GSM網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，GSM網(wǎng)絡(luò)遍及各個角落，應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)系統(tǒng)中各項指標的實時監(jiān)測的要求，基于GSM網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)便應(yīng)運而生了。本系統(tǒng)就是基于GSM網(wǎng)絡(luò)，采用SIM900A模塊和ATMEGA16單片機，以短信收發(fā)的方式實現(xiàn)了對工業(yè)系統(tǒng)中電路電流的實時監(jiān)測和實時報警。

1 總體設(shè)計

基于GSM網(wǎng)絡(luò)信號的監(jiān)測系統(tǒng)主要由四個模塊構(gòu)成：電流處理模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，主控制模塊以及SIM900A短信收發(fā)模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，電流處理模塊主要負責(zé)對被監(jiān)測電路電流的處理，主要進行I/V轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換模塊主要負責(zé)對I/V轉(zhuǎn)換后電壓的量化處理；主控制模塊主要負責(zé)控制A/D轉(zhuǎn)換以及短信收發(fā)；SIM900A短信收發(fā)模塊主要負責(zé)短信收發(fā)?；驹硎菍⒈O(jiān)測的電流進行I/V轉(zhuǎn)換，ATMEGA16單片機控制對轉(zhuǎn)換的電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后判斷此電壓的大小，如果大于或者小于系統(tǒng)的閾值，便控制SIM900A短信收發(fā)模塊發(fā)短信到目標手機報警，工作人員便實時處理電路故障。在此期間，工作人員還可以根據(jù)需要發(fā)短信到SIM900A模塊來監(jiān)測當(dāng)前的實時電流值，單片機便會控制SIM900A模塊發(fā)送當(dāng)前電流值到目標手機，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)電流的實時監(jiān)測和實時報警。

2 電流處理電路及收發(fā)系統(tǒng)

2.1 電流處理單元

電流處理電路使用斬波穩(wěn)零放大器ICL7650作為前置放大器。電路如圖2所示。

圖1 信號監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Signal monitoring system block diagram

在圖2中，電流由被監(jiān)測電路引入到A1，進行I/V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的電壓根據(jù)需要可調(diào)，可調(diào)范圍0-5V。I/V轉(zhuǎn)換得到的電壓信號流入A2進行放大；為了得到穩(wěn)定的電壓值，需將輸出的電壓信號輸入到A3進行跟隨，增強后續(xù)電路的驅(qū)動能力，這樣在Vout端輸出的便是穩(wěn)定的電壓信號。電流處理電路器件參數(shù)見表1。電阻R1和R2為可調(diào)，其范圍10～500KΩ。

圖2 電流處理電路Fig.2 Current processing circuits

表1 電流處理電路參數(shù)Tab.1 Current processing circuit parameters

在I-V轉(zhuǎn)換和放大電路中，由于輸入寄生電容使相位滯后，電路變得容易振蕩，為了防止振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須使用超前相位補償滯后的相位。相位常采用的方法是在反饋電阻上并聯(lián)上相位補償電容C1和C2。

其中，I-V轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓V1為：

電壓放大電路輸出電壓V2為：

當(dāng)增大反饋電阻R1時，會引起干擾振蕩。集成放大器都有數(shù)PF～數(shù)十PF輸入寄生電容，使得集成放大器的穩(wěn)定性變差。由于放大器的輸入寄生電容C，和反饋電阻R1構(gòu)成了新的頻率特性轉(zhuǎn)折點和相位滯后而引起振蕩，從導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)折點的頻率 f：

信號采集部分采用高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543。

TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省單片機I/O資源。

2.2 GSM網(wǎng)絡(luò)中短信收發(fā)單元

主控制芯片采用AVR單片機ATMEGA16。ATMEGA16可工作在外部4MHz-16MHz晶振頻率下，本系統(tǒng)使用7.3728MHz。與傳統(tǒng)的單片機相比，成本更低，性能更強。ATMEGA16最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 ATMEGA16最小系統(tǒng)Fig.3 The ATMEGA16 minimum system

短信收發(fā)模塊采用SIM900A模塊，實現(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò)電流信號故障信息實時傳輸，收發(fā)網(wǎng)絡(luò)信號控制指令與代碼，確保監(jiān)測系統(tǒng)采集信號無故障傳輸。

SIM900A工作電壓范圍為3.4V-4.5V；工作頻段為EGSM 900和DCS 1800，M900A可以自動的搜尋兩個頻段，也可以通過AT命令來設(shè)置頻段；短消息（SMS）有MT，MO，CB，Text和PDU幾種模式；串口支持標準的8線制串行接口，傳輸速率支持從1.2kbps到 115.2kbps可以通過串口發(fā)送AT命令和數(shù)據(jù)，支持RTS/CTS硬件流控，并且可以通過軟件打開或者關(guān)閉流控功能，支持符合GSM 07.10協(xié)議的串口復(fù)用功能，支持從1200bps到 115200bps的自動波特率檢查功能。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分主要包括以下幾個模塊：SIM900A驅(qū)動模塊，串口驅(qū)動模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊和主函數(shù)控制部分。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

在圖4中，首先對單片機I/O口、串口，以及SIM900A進行模塊初始化設(shè)置、系統(tǒng)信號循回掃描，按功能設(shè)定手動和自動兩種監(jiān)測方式。手動監(jiān)測是工作人員發(fā)送短信息到短信模塊，程序判斷是否收到發(fā)送的信息，如果沒有收到信息，則重新發(fā)送信息；如果收到則進行下一步發(fā)送當(dāng)前電流值到目的手機。工作人員可以根據(jù)收到電流的大小判斷當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀況。自動監(jiān)測是短信模塊自動識別當(dāng)前的電流值，程序判斷電流是否正常，如果正常程序繼續(xù)查詢；如果不正常則發(fā)送警告信息到目的手機。工作人員收到信息后可以采取相應(yīng)的措施。

其中，SIM900A驅(qū)動模塊主要完成短信發(fā)送的格式，發(fā)送內(nèi)容，目的號碼的定義以及發(fā)送和接受短信函數(shù)的實現(xiàn)。

A/D轉(zhuǎn)換模塊主要完成將采集到的電壓信號量化為二進制數(shù)，單片機將A/D轉(zhuǎn)換來的數(shù)值處理成所需要的十進制數(shù)，送到手機供顯示。

串口驅(qū)動模塊主要負責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，因為SIM900A與對外通信接口為標準 232協(xié)議，所以SIM900A與單片機通信的方式為串口通信，單片機通過串口發(fā)送指令給SIM900A，SIM900A收到指令后，回復(fù)相應(yīng)的指令，完成一次握手。串口對SIM900A控制的一些主要指令代碼：

在WindowsXP的環(huán)境下，通過串口調(diào)試助手可以觀測到一次完整的通信過程如圖5。

圖5 串口通信過程Fig.5 Serial communication process

4 結(jié)束語

本文從工業(yè)領(lǐng)域的需求出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)報警的性能需要，設(shè)計了一套針對工業(yè)電路中電流變化的實時監(jiān)測和實時報警的系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)可實現(xiàn)對工業(yè)電流的監(jiān)測，可以實時通過手機短信得到當(dāng)前的實時電流值，而電流大于或小于閾值時，系統(tǒng)自動報警，并同時發(fā)短信到目的手機，工作人員可以及時采取措施，從而避免了不必要的故障和損失。

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