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引 言 針對地下水資源已經嚴重透支，水資源受到嚴重破壞的問題設計本系統，目的就是為了監控農用機井的用水情況。農用機井分布站點廣，站點之間距離幾十m到一兩百km，采用人工抄表監控會浪費大量的人力和物力，而且實時性差。以前采用GSM方式也存在實時性差、控制困難的問題。 目前，對此類問題可靠的、現實的解決方案就是，將現場設備接入Internet上的服務器，在上層實現實時監控、管理；但是現場沒有專門Internet接入點和設備。采用GPRS接入Internet進行遠程數據傳輸，是近兩年企業、研究所等科研機構的熱門課題。隨著GPRS技術的日益成熟,GPRS已經成功地應用在遠程抄表、夜燈照明、油田監測、自動測量、智能儀表等不方便甚至根本不可能人工操作的遠程數據傳輸系統中。因此，本系統選用GPRS和GSM混合工作模式：在網絡狀況通暢的情況使用GPRS工作模式；反之可以切換到GSM工作模式。每個站點數據傳輸終端定時登陸到GPRS，接入Internet上的主機服務器，把采集數據和站點狀態下載到服務器硬盤上；上層采用B/S 瀏覽器方式供地級、區級、市級等不同級別設置權限瀏覽；同時可以隨時監控站點的實時狀態，報告實時現場狀況，調用系統歷史數據信息。 市場的機遇和應用技術的成熟常常是一對矛盾，尤其對于GPRS這類新技術，通常不得不一邊開拓市場一邊完善技術。然而實踐是檢驗真理的唯一標準。系統交接使用之后，用戶反饋一些改善功能的意見，另外，長時間使用之后，終端程序隱藏的“bug”也可能會隨之浮出水面。這就需要對數據傳輸終端的程序進行升級，但是設想一下，假如投入使用了200個站點，就算用ISP現場在線編程，工作人員得到每個站點把程序更新一遍。不但浪費大量的人力、物力，而且直接貽誤了開辟市場的時機，對企業造成的后果可能是致命的。 本設計方案就是應用在此類GPRS遠程監控系統上,融合GPRS網絡通信技術解決數據傳輸終端程序升級問題的。 1 IAP功能簡介與系統應用 IAP（In?Application Programming）是應用在Flash程序存儲器的一種編程模式。簡單地說就是在應用程序控制下，對程序某段存儲空間進行讀取、擦除、寫入操作。與ISP（In?System?Programming）操作非常相似，都不需要從電路板上取下芯片用編程器燒寫再安裝上去運行新程序，即具有在線編程功能。但是它們有其不同點：ISP通常是整片擦除、編程，在手工操作下通過PC串口下載程序到Flash，需要簡單的硬件資源——串口RX、TX和RS232驅動芯片；而IAP卻是在某段程序的控制下對另外一段程序Flash進行讀寫操作，可以控制對某段、某頁甚至某個字節的讀寫操作。 根據IAP的功能特點，可以制作仿真軟件替代仿真器功能。在PC上做個簡單的界面應用程序就可以直接實現用戶程序在線仿真：設置斷點、單步運行、改變運行結果調試等功能。同理，根據ISP的功能特點可以替代編程器。本系統就是把IAP模式融入到GPRS通信系統中，用GPRS遠程升級指定目標芯片的軟件。 2 IAP功能系統架構 IAP功能系統架構如圖1所示。 P89LPC936是Philips公司推出的一款高穩定性、多功能的51內核MCU；集成了I2C總線，讀寫操作I2C器件FM24C256速度快、穩定性高；增強型UART，具有幀錯誤檢測、幀間隔檢測、可選雙緩沖、接收和發送中斷可選分開等強大串口通信功能，增強了和GPRS模塊串口通信的可靠性；內置AD/DA轉換器；16 KB Flash存取器，支持ISP和IAP；采用TSSOP28或HWQFN28低成本封裝。設計系統的外圍電路可以減少到最少，不但提高了系統的性能，甚至可以IAP升級終端部分功能而不用改變外圍硬件電路。 FM24C256，256 Kb的FRAM (鐵電存儲器)，兼有ROM的掉電數據保存特性和RAM的讀寫速度和次數，讀寫次數達到1000億次，采用I2C總線讀寫操作，使用穩定可靠；用8腳SOIC封裝，與MCU的接口電路簡單、通信可靠。通信速率0～400 kHz可調。P89LPC936的I2SCLH和I2SCLL 兩個SFR的值就是確定串行時鐘發生器占空比。本系統選擇7.372 8 MHz晶振，I2SCLH＝I2SCLL＝75，I2C速率為25 Kbps。 GPRS模塊使用WAVECOM公司生產的Q2406B，雙頻GPRS/GSM模塊（EGSM900/1 800 MHz或EGSM900/1 900 MHz），內置TCP/IP，與標準AT指令完全兼容；其設計開發符合ETSI GSM Phase 2+標準。本系統模塊使用9.6 kbps波特率，而模塊出廠波特率為115 200 bps，用串口終端初始化模塊時，特別要注意這一點。 3 IAP功能的軟件編程 3.1系統工作狀態分析 ① 用戶程序工作狀態，在遠程數據傳輸系統中，用戶程序完成數據采集、存儲、發送，系統監控、報警，接收執行上位機設置、控制命令等正常用戶功能。 ② IAP工作狀態，如圖2所示。上位機發送升級程序信令，數傳終端收到并回復確認信息后，開始等待下載信令；收到正確下載信令后開始下載代碼到FM24C256暫存。按幀順序號發送、接收數據，校驗幀的正確性，采用握手數據流保證每幀完全正確接收、存儲。代碼發送完畢后，發送下載完畢信令，包括代碼總長度和塊校驗碼；每階段都采取延時處理：延時時間到繼續重發過程三次，還沒收到就報告出錯信息，強行下線，切換到待升級用戶程序運行。如果通信正常，就進入最關鍵一步——Flash擦除和編程。 Philips在P89LPC936地址FF00H～FFFFH的空間里固化一個256字節的引導ROM，所有MCU對內部Flash的操作都可以調用這個子程序完成。使用IAP功能時就是提供這個子程序的入口參數（參考Philips的數據手冊），然后調用程序的入口地址FF00H，就可以實現讀、寫、擦除Flash。擦除、編程Flash時需要關閉所有中斷，不能對同一塊Flash同時進行擦除和編程，而且編程之前要先把扇區清除。對Flash的扇區進行擦除操作的程序清單（入口參數A、R7、R4和R5，返回參數（F0(C)、R7）如下： ERASE_FLASH: MOVA,#04H； A為操作類型（A=04H，告訴IAP； 執行的是擦除操作） MOVR7,#01H ； R7刪除操作方式（00H表示刪除； 頁；01H表示刪除扇區） MOVR4,#HIGH ； 操作的Flash地址高8位 MOVR5,#LOW ； 操作的Flash地址低8位 LCALLFF00H JCERASE_FLASH； F0(C)： 0表示擦除成功，1表示 ； 擦除失敗 3.2IAP功能系統SFR配置 (1) 用戶保密扇區設置MOVSEC6,#04H;禁止對Flash扇區6的擦除MOVSEC7,#04H;禁止對Flash扇區7的擦除扇區6和扇區7代碼是控制擦除、編程Flash。為保證不被誤操作，只允許在出廠時用專門的編程器擦寫。 (2) IAP特許關鍵值設置執行擦除或寫Flash的IAP功能，需要在調用IAP功能程序前，把96H寫入RAM單元FFH來設置特許關鍵值。程序代碼如下：MOVR0,#0FFHMOV@R0,#96HIAP程序處理完功能調用后，特許關鍵值被清除。因此在每次調用IAP功能程序前必須設置特許關鍵值。 3.3IAP功能實現流程 IAP功能實現流程如圖3、圖4所示。flagIAP為下載程序完畢，并且校驗碼確認后，準備擦寫Flash的標志。在FM24C256開辟單元存儲功能很重要：在程序擦寫發生異常，如掉電復位，可以在程序啟動后，與上位機確認擦寫后，繼續完成升級任務。每次編程的字節數和上位機傳輸的1幀數據中，代碼字節數保持一致，幀序號數表示程序分成多少幀傳輸和多少次編程操作。 3.4協議設計 GPRS網絡速度理論上有117 kbps，實際上遠遠沒達到；GPRS與Internet連接建立后，進入數據透明傳輸階段。本系統在完善的TCP/IP機制基礎上設計用戶應用層協議。為實現對系統某個終端的系統軟件升級，可將要升級的程序代碼通過寫碼軟件轉化為系統信令，接入Internet到GPRS網絡，透明傳輸下載到目標數傳終端。本系統的信令格式采用如下代碼幀格式： 開始信令幀和結束信令幀代碼數據段都是FFH。同步碼設置為AAH，55H；字節長度（1B）表示此數據幀包含代碼數據的字節數,通常小于64；下載目標地址(5B)設定為出廠ID號，賦予一個特定代碼含義，只有校驗ID號正確后數據傳輸終端才可能接收命令，而且是唯一標識，不可改變；從安全性出發，本系統中設置為出廠日期和編號的組合：0501160000表示2005年1月16號出廠的第一個產品。幀序號(1B)表明此次升級程序分成的傳送幀數，在命令傳送過程中，此域為00H。控制字段(1B)表示傳送的是操作命令還是數據。結束碼設置55H，AAH。數據傳輸終端上行和下行數據格式完全相同，上行響應數據除代碼數據段不同之外，其他字段都是下行控制數據的復制，實現數據流控制。 4 IAP功能可靠性探討 系統升級過程不免受到環境的干擾，如系統斷電或網絡通信阻塞、故障等意外事故，而導致IAP升級失敗。因此必須有一套可靠的軟、硬件機制來保障IAP的完全正常工作。以下介紹本系統所采取的一些措施： ① 掉電情況處理。現場環境的電網波動相當大，而且經常性停電，甚至影響到系統的正常工作。可采用蓄電池供電，提供穩定的、可靠的工作電源；外加一充電板電路，能在有電的時候直接給電路充電。此外，軟件上還做了完善的握手機制，信令設置回執，確保通信正確不會發生誤操作；下載和擦寫Flash部分時序上隔離，網絡通信性能和掉電異常對系統正常工作的影響減到最小。 ② 數據傳輸過程產生的誤碼。通用的、有效的解決辦法就是用CRC循環冗余效驗和重傳機制。數據校驗碼正確后存入FM24C256，錯誤或超時就發幀序號請求重發，直到檢測到結束幀。 3823 最后一幀數據長度不夠就用FFH填滿一幀發送。 ③ 數據傳輸過程大延遲或阻塞情況處理。數據傳輸采用超時處理，三次握手失敗，作異常處理機制。 該技術方案從根本上解決了本系統現場升級困難的問題，大大提高了系統的可維護性，加速了新產品上市時間，可以提供更快、更完美的用戶服務，增強產品的市場競爭力。以GPRS網絡為載體，在廣大接入Internet困難的監控現場或農村地區，該技術提出了一個解決方案。 |
