电力系统设备远程程序升级解决方案.pdf

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1、，彰暑 羽2 0 0 7 年第2 6 卷第7 期 电力 系统设备远 程程序升级解 决方案 王 学虎 王 少荣(华中科技大学电气与电子工程学院4 3 0 0 7 4)摘 要 针对传统的电力系统设备程序更新不方便的问题，提 出了一种通过在 电话 网络上利 用 7 3 M2 9 0 1 C实现 P C机与远程单片机系统通信，从而对基于单片机 系统 的电力系统设备进行远 程程序升级的方法。对 P C机、电话线、单 片机 系统之 间的转换接 口硬件 电路设计做 了详细 的论 述，并在软件设计 中采用 了在应用 中编程 I AP(I n A D p l i c a t i o n P r o g r a

2、mmi n g)的设计思想，简化 了硬 件电路 的设计。此程序升级方法可以用在大 多数利用单片机开发的电力系统设备上。关键 词 串 口通信 远程程 序 升级7 3 M2 9 0 1 C 1 引言 目前，单片机等嵌入式系统在 电力系统设备 中 得到 广 泛 的 应 用。随 着 电 力 系 统 的 日渐 庞 大 复 杂 化，电力 系统 工作 人员 的工 作量 也 随之增 加，比如需 要对某一个 电力 系统设备进行程序 升级，传统的方 法是工程师到达现场，卸下设备，用随身携带的笔记 本电脑对设备进行程序升级。这种方法费时费力费 钱，既 不 经 济 又 浪 费 时 间，本 文 将 介 绍 一 种 利

3、用 T D K公 司生产 的 MO D E M 芯 片 7 3 M2 9 0 1 C实 现 单 片机系统远程程序升级的方法。传统的单片机编程方法都是利用编程器进行程 序更新，系统编程 I S P(I n S y s t e m P r o g r a mm i n g)的 提出使得单片机编程变得简单、方便，更使得远程编 程变成可能。I S P是指电路板上的空白器件可以编 程写入最终用户代码，而不需要从 电路板上取 下器 件，已经编程的器件也可 以用 I S P方式擦 除或再编 程。目前支持 I S P(I n S y r s t e m P r o g r a mm i n g)技术 的 单片

4、 机有 很 多，P h i l i p S 公 司、S S T公 司 以及 S T C公 司都有很多款支持 I S P的单 片机。比较 常用 的有 P h i l i p S 公司 的P 8 9 C 5 1 R D 2、S S T公 司的 S S T 8 9 C 5 8 RD+、S T C公 司的 S T C 8 9系列 等，在此 选择 了 P h i l i p S 公司 的 P 8 9 C 5 1 R D 2进行 实验。整个远程程序升级系统 由 P C机、转 换接 口、通 信线路以及单 片机 系统组成。P C机直接对单 片机 进行 I S P编程 已经是很成熟的技术，要进行远程编 程，就要

5、通过通信网实现数据的远程传输，在此选择 电话网作为通信 网，只要把设备接到电话线上并分 配一个号码，就能实现远程通信。P C机与 电话线，电话线与单 片机系统 的转 换接 口都采用 MO DE M 芯片 7 3 M2 9 0 1 C，系统模型如图 1 所示。图 1 单片机远程程序升级 系统模型 2接 口电路 介绍 2 1 MO DE M 芯 片 7 3 M2 9 0 1 C简 介 7 3 M2 9 0 1 C包含有数据泵和所有 的控 制器(数 据终 端设 备)，是符 合 V 2 2 b i s标 准 的 智 能 MO。D EM。它实 际 上 是 以 8 0 5 1为 处 理 核 心，包 含 有

6、 相 应的模拟电路和控制软件，集成 了一个 S OC(S y s t e m On C h i D)产 品。另 外，7 3 M2 9 0 1 C还 提 供 了一 个 混 合驱 动器。7 3 M2 9 0 1 C的工作 电压 为 5 v，属 于 低功 耗器件(5 v工作 电压下 的功耗为 2 5 0 mW)，支持 自 动备用休眠模式，也可以接 收来 自数据终 端设备的 命令进行断电操作，从 而完成该芯片的核心控制逻 辑 而 无 需 用 到 其 他 器 件，7 3 M2 9 0 1 C 具 有 如 下 特 点 1：真正的单片嵌入式 系统解决方案。低功 耗(2 5 0 mw、5 V)，具 有空 闲(

7、s t a n d b y)和 掉 电(p o w e r d o w n)两种低功耗模式。兼容通信规范和数据传 输速 率：V 2 2 b i s 2 4 0 0 b i t s，V 2 2 B e l l 2 1 2-1 2 0 0 b i t S，V 21 Be l l 1 0 3-3 0 0b i t s，V 23-1 2 00 75 b i t s，Be l l 2 0 2 1 2 0 0 b i t s，B e l l 2 0 2 V 2 3 四线 工 作 方 式。动 态范围：一9 一4 3 d B m。支持 AT命令 集。D TMF产生和检测功能。呼 叫进 程支持多 国标 一3 9

8、 维普资讯 http:/ 量 钼2 0 0 7 年第2 6 卷第7 期 电力系统设备远程程序升级解决方案 准(F C C 6 8、C T R 2 1，J AT E等)。呼叫识别(I D)功 能。黑名单功能。标准异步串行通信接 口，3 0 0 9 6 0 0 b i t s 波特率 自适应功能。2 2 7 3 M2 9 0 1 C与 电话线 的接 口 7 3 M2 9 0 1 C与 电话 线 的接 口电路包 括 拨 号 脉 冲 发生电路、振铃检测 电路和音频信号处 理三部分。其具体电路如图 2所示。拨号脉冲发生电路主要由 电 阻 6，继 电 器K】和 音 频 变 压 器T 组 成。7 3 M2

9、9 0 1 C的引脚 R E L A Y 为 高 电平 时 处 于 挂机 状 态，为低电平时处于摘机状态。摘机时，电话线路的 直 流 负 载 约 为 6 0 0 1 2(音 频 变 压 器 的 阻 抗)。当 7 3 M2 9 0 1 C接收到拨号命令时，R E L A Y引脚将会发 出相应的高低 电平，发出拨号脉冲。振 铃检测 电路 主要 由电容 c 电阻 R 8，光耦 O P T O1 组成。当有 振铃信号(2 53 H z，9 01 5 V，交流)时，经过光耦 的 隔离 转 换 输 出 脉 冲 方 波。此 方 波 信 号 输 出 接 7 3 M2 9 0 1 C的 R I NG 引脚，7

10、3 M2 9 0 1根 据 内部 设 置 检测 此 信 号 是 否 为 振 铃 信 号。另 外，若 要 求 7 3 M2 9 0 1 C 自动 应 答，需 用 A T 指 令 对 7 3 M2 9 0 1 C 的 s 0 寄存器进行设置，设置 7 3 M2 9 0 1 C开始 自动应 答前需要等待 的振铃次数。s 的默认值为 0，表示 禁止 7 3 M2 9 0 1 C的 自动应答特性。图 2 7 3 M2 9 0 1 C与电话线 的接 口电路 2 3 7 3 M2 9 0 1 C与 单片机 的接 口 由于 7 3 M2 9 0 1 C采 用 全 双工 的工 作 方 式，其 数 据终端 始终

11、处于 工 作状 态，因 此允 许 不 用 检 测 发送 信号(C T S)和终端准备好(DT R)等信号，而仅仅检 测振铃信号(RI NG)和载波信号(D C D)就能完成正 常 的工作。单 片机 与 7 3 M2 9 0 1 C之 间 的数据 通信 直 接 通 过 串 口 来 完 成。也 就 是 说，单 片 机 向 7 3 M2 9 0 1 C发送 AT命令、7 3 M2 9 0 1 C向单片机返 回 结果码以及单片机通过 7 3 M2 9 0 1 C向远端数据终端 传送数据都可通过串 口来实现。7 3 M2 9 0 1 C与单片 机 的接 口电路 示 意 图如 图 3所示。R XD T X

12、D TXD RXD P8 9C51 RD2 73M 2 9 01 P1 O DCD P I 1 RING 图 3 7 3 M2 9 0 1 C与单 片机 P 8 9 C 5 1 R D 2的接 口电路 _。40-2 4 7 3 M2 9 0 1 C与 P C机 的接 口 由于 7 3 M2 9 0 1 C具 有标准 的异 步 串行 通信接 口，因此只要将 R S 2 3 2接 口的各信号线经过电平转 换后接 到 P C机 串 口即 可。硬 件 电路 如 图 4所 示。MAX 3 2 4 1为标准的 R S 2 3 2转换芯片。3 软件设计 本设计 中采 用 的 单 片机 P 8 9 C 5 1

13、 RD 2是 P h i l i p 公 司 内核 基 于 8位 8 0 C 5 1单 片机 的 派 生 产 品，它 在 完全保留 8 0 C 5 1指令系统和硬件结构的大框架外，进 行 了 多 方 面 的加 强、扩 展、翻新 和创 新。它 具 有 1 K B的片上 R AM 和 6 4 K B的片上闪存，满足 当今 用嵌 入 式 高 级 语 言对 片 上 大 存 储 容 量 的需 要。P 8 9 C 5 1 R D 2具有 3种 编 程 方式 即在 系统 编 程 I S P、在应用中编程 I AP以及通过商用 编程器 的并行编 程。P h i l i p s 公 司 为 了 使 I S P技

14、 术 和 I A P技 术得 以 推广，在芯片上免费提供 B o o t ROM 固件，并且巧妙 维普资讯 http:/ 电力系统设备远程程序升级解决方案 嘭 量调2 0 0 7 年第2 6 卷第7 期 地解决了固件和 F l a s h的地址覆盖 问题和一些具体 实现细节问题，使它们的实现变得简单。0 P F 一 L7 I卜 I M A X 3 2 4 1 E C W I 2 8。C R t 1 1 0 5 9 2 M l l 2 6 Vc c C 1+l J ，上 _L 2 7 v+C 1，ll C2+0 1L F 9 C 2 T 坤 H口 H，LL 、J 上 0 _】4-_ JJ 1 0

15、，1 13 T X D 1 葛 罱 I 高 专、J 11 1 12 D T R 1 2 OM 1 、J DS R 口 l懈VVREF 1 DCD 卜、21 j 一 l 20，I 8 19 DCD 1ll l 4 CTS VB G 1 0 R I U1 N C I I 8 Ds RI J f 3 2 R T S 73 M 2 9 0 1 I 3 0 R X D R X A o 6 DSR l 6 r 1 7 RXD1 2 7 0 2R)丑)O 3 T)(D o 8 TS o 4 DTR O 9RI u 1 6 cTs1 I 2 8 T X C L K T X A P 、l 7 r 3 1 眦 们

16、们们；目 叫 8 r 1 5 R I 1，I 一 2 2 2 3 一 1 H l l I。V GND 广 01L L F 图 4 7 3 M2 9 0 1 C与 P C串 口的接 口电路 P 8 9 C 5 1 R D 2单 片机在 出厂 时，芯 片 中就 有 一个 I S P服务程序，位于 B o o t R OM 中，单 片机还包括两 个特殊的 F l a s h寄存器：引导向量和状态字节，出厂 时为 F C H和 F F H。系统复位 时，单片机检 查状态 字节中的内容。如果状态字为 0，则转去 0 0 0 0 H地 址开始执行程序，这是用户程序 的正常起始 地址。如果状态字不为 0，则

17、将引导向量的值作为程序计 数器 的高 8位，低 8位 固定为 0 0 H。引 导 向量 为 F C H，则 程 序 计 数 器 内容 为 F C 0 0 H，即程 序 转 到 F C 0 0 H 地址 开始 执 行，而 I S P服 务 程 序 就 是从 F C 0 0 H处 开始 的，也就 是 进 入 了 I S P状 态。接 下来 就可以用 P C机的 I S P软件对系统进行编程 了。要使 P 8 9 C 5 1 R D 2进入 I S P运行状态，需满足以 下几个条件：系统复位；引脚 P S E N被拉至低 电平；引 脚AL E 浮 空；引 脚E A 为 高 电 平。由 于 P 8 9

18、 C 5 1 R D 2内部的 F l a s h E P ROM为 6 4 K B，在使用 时不 外扩 R OM，引脚 E A应始 终为 高 电平。但要 对 单片机进行远程程序更新，对系统进行手动复位是 不 现实 的，因此在 软 件 设 计 时 候 采用 了在 应 用 中编 程方 法，自己编 写 了 一段 I S P程 序，烧 录在 B o o t R OM区前面 的部分 F l a s h中。单片机通过 串 口接 收到的信息分数据和命令两种格式，经判断，如果是 编程命 令，就 调用 固化 在 B o o t R OM 区 的 I S P子 程 序 对单 片机 特定 F l a s h区域进

19、 行 程 序 更新。为 了加 强可靠性，在 单 片机 系统 中外 接 了一个 6 4 K B的 R A M。单片机接受到上位机传来 的程序数据后 暂 时存放 在 6 4 KB的 R AM 中，待 上 位 机 经 过 校 验无 误后，单片机再取出来写入单片机 特定 F l a s h区域，再经 过校验 F l a s h程序 无误后，完成 程序 的更新。软件 I A P部 分 的流程 图如 图 5所 示。P 8 9 C 5 1 RD 2接收数据信息 数据存储至 R AM N 出 R AM 数据发送至上位机 调用 B o o t R OM 区 I S P程序 写 F l a s h 读出 F l

20、a s h数据发送至上位机 程序升级完毕 图 5下位机软件流程图 整 个 系 统 工 作 过 程 由 P C机 控 制，P C机 装 有 一 J一 维普资讯 http:/ 嘭 量闻2 0 0 7 年第2 6 卷第7 期 电 力系统设备远程程序升级解决方案 VC开 发 的控 制 软 件，首先 对 近端 7 3 M2 9 0 1 C进 行 初始化，初始化后发送“AT D T X X X X XX X X”命 令控 制 近 端 7 3 M2 9 0 1 C拨 号，连 接 成 功 后 就 可 以 装 载 H E X文 件，发 送 到 远 端 的 P 8 9 C 5 1 R D 2。远 端 7 3 M2

21、 9 0 1 C检测到振铃信号后摘机，建立连接，接受 从 P C机发来的数据。然后进行如 图 5所示 的软件 处理。程序升级完毕后，发送挂机命令“AT H”控制 远 端 7 3 M2 9 0 1 C挂 机，然 后 跳转 到起 始 处 运行 升 级 后 的程序。5 结束语 在本设计 中，采用 了一 些有特色 的芯片，比如 T DK公 司 的 MO D E M 芯片，7 3 M2 9 0 1 C和 P HI L I P S 公 司具有 I S P功 能 的 P 8 9 C 5 1 R D 2单片 机，使得 整 个 项目设 计变得 方便、简 洁。虽 然系统 中采 用 的是 P 8 9 C 5 1 R

22、 D 2一 种 单 片机，但 是 由于 P 8 9 C 5 1 R D 2属 于 8 0 C 5 1 系列，所以其他利用 8 0 C 5 1系列单片机开 发的设备都可以在加装少许 硬件后实现远程升级，为工作人员减轻维护工作量，节省维护费用。后续 要做的工作就是在此基础上，实现其他系统 的远程 程序升级。比如 电力系统设备常用的处理器：D S P 系统、A RM系统等，使得所有电力 系统 的设备都能 实现远程的程序升级。参 考文 献 1 蒋 俊峰 应用 在远 程控制 系统 中 的 7 3 M2 9 0 1 J 电子 产 品世 界，2 0 0 3(2 1)：2 42 6 2 能 昌信 用 7 3

23、M2 9 0 1 C实现单 片机与 P C机之间的远程 数据通讯 J 国外 电子元器件，2 0 0 3(6)：4 3 4 5 3 伍萍辉，刘 国繁，王迎 旭 P 8 9 C 6 6 8单 片机 的 I S P技 术 及其在智能 仪表 远 程 升级 中的应 用 J 新技 术 新 工 艺，2 0 0 4(1 1)：2 02 2 4 马一兵 基于 P 8 9 C 5 1 R D 2单片机系统远程程序下 载的 实现 J 世界 电子元器件，2 0 0 3(2)：5 2 5 3 5 张道德，杨 光友，周 国柱 基 于公用 电话 网 的 Mc s 一5 1 单片机 远 程数 据 传 输 装 置 J 微 计

24、算 机 信 息，2 0 0 5 (2)：1 1 71 1 8 S o l u t i o n o f Re mo t e Pr o g r a m Up d a t e f o r El e c t r i c Po we r S y s t e m Eq u i p m e n t Wa n g Xu e hu (Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y)Ab s t r a c t Th e me t h od o f p r og r a m u pd a t e u s e

25、 d i n t r a d i t i on a l e l e c t r i c p owe r s y s t em e q ui p me nt i s no t c o n ve ni e nt S o t h e me t h od o f r e mo t e p r og r a m u pd a t e i s de s c r i b e d Th e me t ho d a c h i e v e s t he r e mot e d at a c o mmun i c a t i o n o f PC a n d MCU us i ng t e l e p ho n

26、e ne t wo r kAt t h e s a me t i me，t he i nt e r f a c e c i r c u i t o f PC，t e l e ph o n e ne t wo r k a n d M C U a r e d et a i l e d l y di s c u s s e d，a nd t h e me t h o d o f I AP(I n Ap p l i c a t i o n P r o g r a mmi n g)i s u s e d i n t he s o f t wa r e d e s i g nThe me t h od o

27、 f r e mo t e pr o g r a m u pd a t e c a n be us e d i n mo s t o f e l e c t r i c po we r s ys t e m e qu i pme nt b a s e d on M CU Ke y wo r d s s e r i al c o mmu ni c a t i o n r e mot e pr o g r a m up d at e 73M2 901 C 收稿 日期：2 0 0 60 8 2 6 信 息动 态眄 中国 荷 兰政府 共建 沼气 发 电项 目试压 成功 2 0 0 7年 6月中旬由我国

28、和荷兰政 府共建 的沼气 发 电示 范项 目 新疆 生产建设兵团农二师 3 0团沼气 发电工程试 压成功，即将 开始发电。中、荷 沼气 发电示 范项 目 3 0团沼气发 电工 程 占地 总面积 5 9 5 1 m ，总投资 5 7 5万元。该工程 由荷兰政 府无偿 援助 沼气发 电机组、配套 电器设备 及管网，充分利用 3 0团 千头奶 牛改 良繁 殖 中心 牛粪 资源，采 用 全封 闭 生产 工艺，控制解决 了牛粪 污染，同时减少 了温室气 体排 放，开 发了 新 型能源，节约 了常规能 源。目前，项 目土建 工 程全部 完 一 2一 工，沼气发 电机组 安装调 试完 毕，并于 近 日试 压成 功，即 将进入发 电阶段。3 0团大 型沼气发电工程 每天 可以处 理 5 5 t 牛粪，日产 沼气 l O 0 0 m。，年产 沼气 3 6 5万 m。，全部用 于发 电，日发 电量 2 2 0 0 k W h，年发 电量 8 0万 k W h，可供 3 5 0 0户 职工 家庭照 明用 电。工程 将产 生 良好 的经 济 效益、社会 效 益、生态效益。消息来 源：国家电力信息网 维普资讯 http:/