遠程監控系統在工業控制領域中有著十分重要的意義。在許多工業場合，尤其是對于一些分散的、無人值守的現場，需要對數據進行定時采集從而進行監控。但隨著儀器儀表的數字化和無線通信技術的發展，現場設備的遠程監控技術可方便實現遠程儀表的測量、執行機構的操作和狀態的監測，非常有利遠程設備的數據抄表、數據管理和設備維護，很大程度上降低了用戶的維護成本，更加有利于生產商的售后服務質量，因此遠程監控終端裝置的研發具有實際意義。因此，提出了一種基于GPRS（General Packet Radio Service）的無線遠程監控系統。通用分組無線數據業務（GPRS）是以端對端的分組傳輸與交換方式為用戶提供的發送和接收高速數據、低速數據以及信令的多種業務集合。

1 系統硬件設計

能夠滿足系統的基本需求，并充分考慮系統的擴展能力，遠程監控終端自動完成儀表模擬信號、數字量、開關量和采集及故障狀態指示，定時采集現場儀表數據和各種狀態并保存記錄。終端設備與遠程服務器的通信可控，方式多樣，終端數據庫本地／遠程實時查詢，充分節約通信成本。

系統的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統的整體框圖

1.1 模擬量輸入電路

模擬量輸入電路包括取樣電路、低通濾波、電壓變換、驅動隔離和限幅保護。取樣電路實現將傳感器的4～20 mA的電流信號轉換為電壓信號；電壓變換電路實現取樣電壓的調整滿足微處理器A／D通道輸入電壓的要求；低通濾波則消除模擬通道上的工頻干擾和高頻干擾等；驅動隔離實現輸入通道的阻抗匹配；限幅電路使A／D通道輸入電壓在規定電壓范圍，保護A／D轉換通道。如圖2所示。

圖2 一種A/D轉換示意圖

1.2 開關量輸入電路

開關量輸入電路由限流電阻、濾波電容、穩壓管、光耦和輸入緩沖器組成，電路圖如圖3所示。

圖3 一路開關量輸入通道示意圖

1.3 開關量輸出電路

開關量輸出電路由輸出鎖存器、光耦和驅動器（開極電極輸出）組成，電路圖如圖4所示。

圖4 一路開關量輸出通道示意圖

1.4 終端小系統電路

終端小系統電路由復位電路、看門狗電路、振蕩電路和微控制器構成。其中看門狗電路可防止系統運行時的程序死鎖，電源電壓下降時看門狗電路產生硬件復位信號使系統正常復位。微控制器可選用與51兼容的C8051F02x系列單片機，內部資源豐富，具體特性如下：C8051F0 20／1／2／3器件是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有64個數字I／O引腳（C8051F020／2）或32個數字I／O引腳（C8051F021／3）。下面列出了一些主要特性：

（1）高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（可達25 MIPS）；

（2）全速、非侵入式的在系統調試接口（片內）；

（3）真正12位（C8051F020／1）或10位（C8051F022／3）、100 KSPS的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關；

（4）真正8位500 KSPS的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關；

（5）兩個12位DAC，具有可編程數據更新方式；

（6）64 KB可在系統編程的FLASH存儲器；

（7）4352（4 096+256）B的片內RAM；

（8）可尋址64 KB地址空間的外部數據存儲器接口；

（9）硬件實現的SPI，SMBus／I2C和兩個UART串行接口；

（10）5個通用的16位定時器；

（11）具有5個捕捉／比較模塊的可編程計數器／定時器陣列；

（12）片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。

具有片內VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F020／1／2／3是真正能獨立工作的片上系統。所有模擬和數字外設均可由用戶固件使能／禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051固件。

片內JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。

每個MCU都可在工業溫度范圍（-45～+85℃）內用2.7～3.6 V的電壓工作。端口I／O，和JTAG引腳都容許5 V的輸入信號電壓。

1.5 外部存儲電路

外部存儲電路選用非易失性存儲器（掉電保存數據），主要是用于存儲終端參數和歷史數據。存儲芯片可根據數據的容量和更新周期進行選型，在保存數據量小，更新頻率的應用中可選用E2PROM（理論擦除次數10 000次），而在大容量和更新頻率高的應用中選用FRAM（鐵電存儲器，理論擦除次數100億次）較合適。典型應用電路圖如圖5所示。

圖5 E2PROM存儲器與MCU的連接

1.6 終端日歷時鐘的設計方案

終端時鐘是系統設計的一個重要部分，終端的諸多操作均以該時鐘為基準，包括狀態信息的記錄、歷史數據查詢和遠程控制等，要求設計一個可靠且實用的時間基準。

本終端采用Xicor公司的X1226RTC芯片來設計終端日歷，X1226是一個帶有時鐘日歷兩路報警512×8位的E2PROM振蕩器補償和電池切換的實時時鐘，它以秒、分、時、日、星期、月和年為單位跟蹤時間，具有閏年校正和對2000年問題及小于31天的月自動調整的功能。在備用電池供電下，可保證主電源掉電后時鐘芯片的RTC仍可正常工作。它采用標準的I2C接口方式，非常方便與帶I2C接口MCU進行通信，其獨特的軟件校準功能不僅節省硬件成本，消除了硬件方式校準中因校準元器件老化因素帶來的時間誤差，極大程度上提高了RTC的準確性和可靠性。

X1226采用標準的I2C接口，C8051F02X也配置了標準的I2C接口，因此X1226可以直接與C8051F02X連接。X1226與MCU的連接如圖6所示。

圖6 X1226封閉圖與MCU的接口電路

1.7 GPRS通信電路

GRPS通信電路主要由電源電路、GPRS模塊、SIM接口電路和串行接口電路部分構成。其核心部分是GPRS模塊，比較成熟的有Wavecom的Q24系列與SIMCOM的SIM300系列模塊，它們均支持GSM和GPRS兩種模式。模塊的主要電路如圖7所示。

圖7 GRPS模塊的外圍接口電路

2 系統的軟件設計

軟件系統由底層驅動以及應用軟件組成。監控終端系統軟件系統具有數據量采集、處理和存儲，遠程通信和系統管理等功能，能實現現場各種數據的現場處理與遠程傳輸應用。另外，還可以利用GPRS通道實現系統應用系統的遠程更新等擴展功能。具體包括以下功能模塊：數據采集模塊（A／D）；開關量輸入數據采集模塊；開關量輸出模塊；數據庫管理模塊（包括數據查詢和RTC管理）；通信模塊；系統升級模塊（擴展功能，需MCU的支持）。

3 結論

遠程監控技術在工業控制領域中的應用非常廣泛，本文對遠程監控系統的硬件電路組成做了詳細的介紹，提出了基于GPRS遠程監控系統的總體設計方案，在電力系統、石油勘測、水利、交通運輸等領域有著非常重要的作用，采用GPRS技術使得無線監控系統的實時性、可靠性有了很大的提高，進一步促進了工業監控系統的智能化和信息化。