串口网关设计 - 图文

石家庄铁道大学毕业设计

多串口转换网关设计

Design Multi-serial Port Conversion Gateway

2011 届 电气与电子工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学 号 20072164 学生姓名 高冠南 指导教师 高蒙

完成日期 2011 年6 月 1 日

毕业设计成绩单

学生姓名 高冠南 学号 20072164 班级 电0701-1班 专业 电气工程及其 自动化 毕业设计题目 指导教师姓名 指导教师职称 多串口转换网关设计 高蒙 教授 评 定 成 绩 指导教师 评阅人 答辩小组组长 成绩： 得分 得分 得分 院长签字： 年 月 日

毕业设计任务书

题 目 学生姓名 高冠南 承担指导任务单位 一、 主要内容 通过stm32f107开发板的设计改造，使之成为可以适用智能网关，等管理人员可通过网关web页面方式来控制网关发出相应的指令以实现对学生宿舍用电量的控制和管理，同时对突发状况，网关会自动向管理人员发出警报信息。 二、基本要求 1．能够对金牛stm32f107开发板的各个硬件熟练地认知及软件的功能。。 2．能够对设计中需要的软件及程序熟练掌握，能够实现用C语言编写程序。 3．能够对设计的总体结构有一定的框图。 三、主要技术指标 1．方案设计要具有合理性、先进性和可实施性。 2．能够充分实现能源的合理利用 3．能够对校园节能实现可行性。 四、应收集的资料及参考文献 [1] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M ].北京: 北京航空航天大学出版社,2005. [2] 吕昌泰,罗永刚. 嵌入式以太网接口的研究与设计[J] 微计算机信息, 2006 [3] 王军波,邹继军.USB总线与协议转换器设计[J]. 东华理工学院学报，2006 五、进度计划 第1周到第4周 导师讲述我们毕业设计所要完成的任务及设计目标，初步学习设计中软硬件知识，对设计中所需要的硬件功能及组成部分有所了解，熟悉软件中的编程，为以后工作做好铺垫，并完成开题报告。 第5周到第8周 进一步熟悉stm32f107开发板及硬件部分，对每一部分的功能及组成有更深的认识，能够很清楚每一块的组成，练习编写软件中用到的程序，设计整篇论文总体框架。准备开始。 第9周到第13周 通过前几周的努力，将所有资料整理编写，并作适度修改，在老师的指导下完成毕业设计的初稿，并将论文内容检查，准备进一步完善。 第14周到第15周 在导师的指点与建议下，再次修改论文中不适之处，将一些不必要的文字及图片删除，完善完成论文，最终定稿，准备毕业论文答辩。 教研室主任签字 时 间 2011 年 2 月 21 日 学号 20072164 多串口转换网关设计 班级 电0701-1 高 蒙 专业 电气工程及其自动化 导师 职称 教授 电气与电子工程学 导师 院 姓名

毕业设计开题报告

题 目 学生姓名 高冠南 学号 20072164 一、研究背景 随着社会的发展，智能网关越来越重要，它被人们应用到了生活、生产的方方面面。然而目前我国所用的大多都是人工监控与操作，使我国人力资源浪费。如何实现智能化，既节省了人员的浪费，有提高了管理与控制水平，根据国家倡导，全国多所院校展开了大规模的电能节能改造活动。其中智能网关是整个节能控制系统的核心部件，因此，研究智能网关就成了开展高校节能的主要环节。近几年来国内许多高校和一些知名企业对研制的智能网关系统的深感兴趣。 二、发展现状 近年来，随着节能环保意识在人民群众之间引起了广泛关注。智能供电技术在国内也广泛得到推广，国内外许多机构都在大力发展智能供电技术的研制工作。在国外许多发达国家已把智能供电广泛应用于生活生产之中，以达到节约电能，注重环保的目的。在国内，虽然我国对智能技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。对智能供电在我国已经经过了研究探讨、工程试点和工程应用的过程，智能供电技术正在逐步成熟。 三、研究内容 利用stm32f107开发板与仿真器等硬件实现一个智能网关的设计，该网关可以通过tcp/ip协议与pc机实现信息交换的功能，并通过串口rs485对基层发送各种命令，达到所需要的操作,还可以将基层发送到的信息传送给pc,从而实现双向信息的传递。 四、研究方法 前期阶段在老师指导下我们参与了学校网关设计过程，在这个过程中了解并掌握了网关的基本构造，老师给我们讲解了整个网关的结构构造及软件组成，进一步理解学习了整个系统，掌握了这一模块的流程。有学习了所需一些编程，对网关的功能实现有了新的认识。 在这个基础上，查了大量相关的资料，按照整个系统框架一步步进行设计。将这段时间的学习内容与经历完成了本篇论文。 五、预期结果 通过对stm32f107开发板的改造设计，能够实现校园节能，由上位机经以太网传送命令到智能网关，智能网关再通过rs485通信协议控制底层多功能电表，从而实现管理自动化、智能化，对校园内每一宿舍进行监控与管理。 多串口转换网关设计 班级 电0701-1 专业 电气工程及其自动化 指导教师签字 时 间 2011年3月 12日

摘 要

智能网关是校园供电系统的核心部分，它可以通过tcp/ip协议与上位机通信，并在接收上位机的命令后通过rs485总线协议控制底层各个部分的工作，如控制宿舍电灯开关，宿舍欠费及使用违章电器时自动断电等。当某个宿舍出现用电异常时，网关可向控制中心自动发出警报。管理人员可通过访问网关web页面的方式来控制网关发出相应的指令，实现对学生宿舍用电的控制和管理。

本论文研究的网关做为整个系统的核心控制部件，其主要硬件设备包括stm32f107核心板和外围接口电路。核心板主要承担数据采集与转换任务，将来自宿舍多功能电表的数据进行协议转换后接入校园节能监管网络，传输至校园节能监管中心。外围接口电路包括以太网接口、485通信接口、SPI接口等，主要实现与外围设备的连接。

关键词：智能网关 TCP/IP rs485 协议转换

Abstract

Smart Gateway is the core of the campus power supply system, it can communicate with the host computer by TCP/IP and receive commands from host computer to control each part of the work by rs485 bus protocol, such as the control light switch dormitories, dormitories arrears and the use of illegal electrical power, etc. automatically. When a dormitory appear electricity anomalies, the gateway can automatically alert to the control center. Managers can make use of the web pages to control the gateway and issue appropriate instructions, to realize the student dormitories power control and management.

In this study, the gateway is the core of the system control unit, the main hardware devices is included in stm32f107 core board and peripheral interface circuits. The core board is mainly responsible for data collection and conversion tasks, and will make protocol conversion from dormitories multimeter data and input campus energy-saving supervision network. Peripheral interface is included in Ethernet interfaces, 485 communication interface, SPI interface, It mainly realizes to link peripherals.

Key words: smart gateway TCP/IP rs485 protocol conversion

目 录

第1章 绪论 ....................................................................................................................... 1

1.1 课题研究的目的和意义 ....................................................................................... 1 1.2 智能网关发展历史及现状 ................................................................................... 1 第2章 开发平台介绍 ....................................................................................................... 4

2.1 硬件平台概述 ....................................................................................................... 4

2.1.1 stm32f107微处理器简介 .............................................................................................. 4 2.1.2 stm32f107开发板简介.................................................................................................. 4 2.1.3 JTAG仿真器 ................................................................................................................. 6 2.2 软件平台概述 ....................................................................................................... 8

2.2.1 uc-osⅡ操作系统简介 ................................................................................................... 8 2.2.2 LWIP简介 ..................................................................................................................... 8 2.3 本章小结 ............................................................................................................... 9 3.1 供电系统介绍 ..................................................................................................... 10

3.1.1 智能供电系统架构 ...................................................................................................... 10 3.1.2 智能供电系统特点 ...................................................................................................... 11

3.2 智能网关系统结构 ............................................................................................. 12 3.3 智能网关硬件设计 ............................................................................................. 13

3.3.1 最小系统电路 ................................................................................................................ 14 3.3.2 JTAG调试接口 ........................................................................................................... 14 3.3.3 USART通信接口........................................................................................................ 15 3.3.4 SPI_SD卡接口 ........................................................................................................ 16 3.3.5 以太网接口 .................................................................................................................. 16 3.3.6 电源电路图 .................................................................................................................. 17 3.3.7 硬件电路的抗干扰设计 .............................................................................................. 17

3.4 本章小结 ............................................................................................................. 18 第4章 系统软件设计 ..................................................................................................... 19 4.1 智能网关软件设计 ............................................................................................. 19 4.2 开发板各部分通信介绍 ..................................................................................... 20

4.2.1 多功能电能表通信规约 .............................................................................................. 20 4.2.2 串口程序的编写 .......................................................................................................... 23 4.2.3 以太网通信 .................................................................................................................. 26 4.2.4 SPI_SD卡读写 ............................................................................................................ 30 4.2.5 仿真调试...................................................................................................................... 34 4.2.6 软件的抗干扰设计 ...................................................................................................... 36

4.3 本章小结 ............................................................................................................. 37 第5章 结论 ..................................................................................................................... 38 参考文献 ............................................................................................................................. 39 致 谢 ................................................................................................................................. 40

附 录 ................................................................................................................................. 41

附录A 外文翻译 ...................................................................................................... 41 附录B 智能网关电路原理图 .................................................................................. 58

石家庄铁道大学毕业设计 第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

随着社会的发展，人工操作已越来越不能满足当今社会的快速发展的需要。智能这个词引起了人们的高度重视，尤其是在电能方面，单独人工操作不仅容易引起错误，也造成大量人力资源浪费。电能作为一种重要的能源，被人们应用到了生活、生产的方方面面。因为电能资源有限且不可再生，所以如何在现生产生活中实现高效自动节能成为当今社会普遍关注的问题。

学校作为用电的主要用户之一，其建筑规模庞大、类型繁多，生活用电和科研用电巨大，加之很多院校对电能的使用又采用粗放型，没有加强科学管理，造成了电能大量浪费。同时学校的用电状况也出现恶化，由于有些学生和老师用电不当造成火灾或供电设备损坏的情况时有发生，严重影响学校生活秩序。因此学校的节能和用电安全工作也逐渐受到各大高校后勤管理部门的重视。智能网关是目前我高校正在研制并初步运用的有效手段之一。

智能网关是学校节能控制中心与多功能电表互通信息的桥梁。智能网关将控制中心PC发送的命令传递给多功能电表，从而实现控制中心对多功能电表的管理。智能网关做为校园节能系统的核心，是要实现学校能耗数据化、管理动态化、数据可视化、节能指标化的关键。

本论文针对我校用电节能和用电安全改造项目的要求进行设计。通过智能网关的建设，实现对我校电能管理系统的改造，实现电能管理自动化，减少电能及人力资源的浪费，保障学校用电安全。

1.2 智能网关发展历史及现状

网关又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。可以说，网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI7层协议的顶层—应用层。目前

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石家庄铁道大学毕业设计 我们较为常见的网关分为以下三种类型：协议网关、应用网关、安全网关。 一、协议网关

协议网关通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。这一转换过程可以发生在OSI参考模型的第2层、第3层或2、3层之间。 但是有两种协议网关不提供转换的功能：安全网关和管道。由于两个互连的网络区域的逻辑差异， 安全网关是两个技术上相似的网络区域间的必要中介。如私有广域网和公有的因特网。 二、应用网关

应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。典型的应用网关接收一种格式的输入，将之翻译， 然后以新的格式发送。输入和输出接口可以是分立的也可以使用同一网络连接。应用网关也可以用于将局域网客户机与外部数据源相连，这种网关为本地主机提供了与远程交互式应用的连接。 将应用的逻辑和执行代码置于局域网中客户端避免了低带宽、高延迟的广域网的缺点，这就使得客户端的响应时间更短。 应用网关将请求发送给相应的计算机，获取数据，如果需要就把数据格式转换成客户机所要求的格式。 三、安全网关

安全网关是各种技术有趣的融合，具有重要且独特的保护作用，其范围从协议级过滤到十分复杂的应用级过滤。

一个智能网关可以看成是一个信息处理系统，组成系统的各单元就是连接在网络各节点的设备。控制平台一方面辅助不具备信息化条件的设备实现信息化，即提供信息处理的能力;另一方面又提供统一的信息交换接口及控制规则，从而实现从网关与pc信息的互通。现在我所研究的是一种:浏览器+WEB Server+CGI技术，以浏览器+WEB Server+CGI为主的技术手段能获取单个宿舍中的节点信息。有助于实现对宿舍用电情况的监控，目前国内外智能供电系统现有的通信方式主要有:

(1)电话网线通信。利用电话网通信，只需在数据集中器和管理中心主机各加装调制解调器即可，其通信速率可达2.4 kbps、9.6 kbps 甚至56 kbps，主机对集中器的呼叫可以通过拨号由交换机自动完成。但当集中器数目N 较多时，租用电话线路多，其租用费用也很可观，因此不适合大容量系统。

(2)电力线载波通信。电能信号经过调制后通过电力线传输，其优点是不需另外布线，安装方便。但传输距离远时需额外安装中继器以补偿信号的衰减，且信号易受到干扰，传输质量差。

(3)无线通信。系统采用较成熟的无线通信技术，如红外线通信，使用维护比较方便，但成本高，信道易受到干扰。

(4)基于RS-485 总线通信。该方式因具有结构简单、成本低、布线容易等特点而

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石家庄铁道大学毕业设计 被广泛使用，特别在国内具有很强的影响力。目前许多厂家生产的设备大多提供RS485 接口，并以此为标准。RS485 与应用普遍且为计算机标准配置的RS232 接口的转换器或设备十分常见和通用，这更增加了RS485 总线的应用广泛性。RS485 总线技术实现成本低廉，传输距离较远，通讯可靠，抗干扰能力强，可实现多点通讯(现在的通用技术己可以带到256 个节点)。另外，RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议，因此较其它标准更具有灵活性。凭借其成熟的技术和通用性，RS485 总线应该是当前国内网络抄表行业一个最好的选择。

智能供电系统是计算机、通信技术在低压配电网上的应用，是一种很先进的方式，它的高度自动化为企业减员增效提供了条件，同时也降低了劳动强度，而且还提高了抄表的准确性和及时性，避免了电能不必要的浪费。综合考虑，集中智能联网供电系统本地通信方式选用RS-485 异步串行通信，硬件成本低、软件实现简单、运行可靠并且具有很好的发展前景。

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石家庄铁道大学毕业设计 第2章 开发平台介绍

2.1 硬件平台概述

本块开发板采用STM32F107VC处理器，是意法半导体推出全新STM32 互连型系列微控制器中的一款性能较强产品，由一块核心板和一块子版构成，如下图2-1：

图2-1 金牛开发板

2.1.1 stm32f107微处理器简介

Stm32f107 采用ARM32-bit Cortex-M3处理器，最高72Hz主频256Kb Flash 64Kb SRAM USB 2.0全速 设备/主控器/OTG 片内 PHY 10/100以太网并使用专用的DMA及SRAM 12通道DMA控制器 正交编码器 16-bit 电机控制器 PWM。

2.1.2 stm32f107开发板简介

金牛嵌入式开发板采用STM32F107VC，是意法半导体推出全新STM32 互连型（Connectivity）系列微控制器中的一款性能较强产品，此芯片集成了各种高性能

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石家庄铁道大学毕业设计 工业标准接口，且STM32 不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用。新STM32 的标准外设包括10 个定时器、两个12 位1-Msample/s AD(模数转换器) (快速交替模式下2M sample/s)、两个12 位DA(数模转换器)、两个I2C 接口、五个USART 接口和三个SPI 端口和高质量数字音频接口IIS, 另外STM32F107 拥有全速USB（OTG）接口,两路CAN2.0B 接口,以及以太网10/100 MAC 模块.此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场多种产品需求。

开发板集成了大量功能元件的硬件配置: STM32F107VC 32 位RISC 性能处理器 32 位ARM Cortex-M3 结构优化 72 MHz 运行频率，1.25 DMIPS/MHz 硬件除法和单周期乘法

快速可嵌套中断，6-12 个时钟周期 具有 MPU 保护设定访问规则

高达 256KB Flash, 高达64KB 的SRAM 网络通信功能

一个 RJ45 网络接口，支持10M/100M 自适应网络 一个 RS485 网络通讯接口 两个 CAN BUS 网络通讯接口 人机交互接口

一个 3.2 寸或2.8 寸大屏幕320*240，26 万色TFT-LCD， 支持8/16 位总线接口，镜面屏，超高高度

电阻式触摸屏，含专业高精度触摸屏控制芯片（RSM1843） 四个 LED 发光管指示，一个电源发光管指示 两个 GPIO 按键 一个 RESET 按键

两个 RS232 串行通信接口(DB9)

串口 1 用于通信，需设置跳线选择连接串口1 串口 2 用于通信支持ISP，需设置跳线选择连接串口2

一个mini AB 型USB 插座,支持最新USB OTG 技术,配备USB 主机转接线，从机转接线

USB OTG 功能，支持外接优盘

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石家庄铁道大学毕业设计 SPI 接口

一路连接 DATAFLASH（AT45DB161D）

一路连接到 TFT 模块的触摸驱动芯片（RSM1843） IIC 接口

IIC 接口外接EEPROM（24LC02）

一个 SD 卡座SPI 操作方式(不含SD 卡)，提供文件系统（FATFS） 外接两路独立的 ADC 输入通道 外接两路独立的 DAC 输出通道 一路电位器输入模拟信号

一个标准 JTAG/SWD 调试接口(20pin)

供电方式： 5V 电源适配器或USB 供电，通过跳线选择 引出芯片所有 IO，方便二次开发

2.1.3 JTAG仿真器

J-link是SEGGER公司为支持仿真器arm内核芯片推出的JTAG仿真器。配合IAR EWARM,ADS,KEIL,WINARM,REALVIEW等集成开发环境支持所有内核芯片的仿真，通过RDI接口和个开发环境之间无缝连接，操作简便。

图2-2 仿真器外观图

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石家庄铁道大学毕业设计

图2-3 仿真器外部电路板

使用仿真器时一定要注意安全操作，在保证电路设计正确、仿真器接口符合要求的前提下，还应注意以下三点：

(1)要求安装仿真器的计算机的地和主控板的地必须可靠连接。

(2)不应带电插拔仿真器插头，特别是计算机正处于仿真调试状态时，更不能将仿真头从电路板上取下。

(3)电路板断电前，应先退出仿真器软件窗口。 J-LINK ARM 主要特点 1 USB 接口符合 USB2.0 规范 2 标准 20 芯JTAG 接口

3 支持全系列 ARM 7/9/11，Cortex_M0/M1/M3 ARM 核，包括Thumb 模式 4 IAR EWARM 集成开发环境无缝连接的 JTAG 仿真器 5 USB 接口供电，无需外接电源

6 J-LINK 支持对目标板 5V（300mA），3.3V(400mA)供电 7 带 USB 连接线和20芯扁平电缆

8 支持RDI接口，J-LINK 可用于具有RDI接口的开发环境,支持主流的开发环境ADS,IAR,KEIL,WINARM,REALVIEW 等.

9 下载速度高达 ARM7:600kB/s，ARM9:550kB/s，通过DCC最高可达 800 kB/s

10 目标板电压范围 1.2V - 3.3V 11 自动速度识别功能

12 监测所有JTAG 信号和目标板电压 13 完全即插即用支持多JTAG器件串行连接

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石家庄铁道大学毕业设计 2.2 软件平台概述

网关基于uc_osⅡ嵌入式操作系统平台。使用lwip协议栈，后台CGI脚本使用C语言编写，前台Web 页面则使用HTML、Javascript和CSS 编写，利用Ajax 技术实现前台与后台之间的数据通讯。

2.2.1 uc-osⅡ操作系统简介

μC/OS-II是一种简单、高效的嵌入式实时操作系统内核,支持 x86、ARM、PowerPC、MIPS 等众多体系结构. uC/OS-II内核具有可抢占的实时多任务调度功能.提供了许多系统服务，如信号量、消息队列、邮箱、内存管理、时间函数等，实时多任务操作系统内核。它被广泛应用于微处理器、微控制器和数字信号处理器，μC/OS-II 的前身是μC/OS，μC/OS 和μC/OS-II 是专门为计算机的嵌入式应用设计的， 绝大部分代码是用C语言编写的。CPU 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU 上。用户只要有标准的ANSI 的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将μC/OS-II嵌人到开发的产品中。μC/OS-II 具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，

2.2.2 LWIP简介

lwIP 是瑞士计算机科学院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码 TCP/IP协议栈, TCP/IP 以其高效、可靠、实用的特点和得天独厚的因特网背景，在计算机网络中广泛应用，Lwip 既可以移植到操作系统上, 又可以在无操作系统的情况下独立运行. 支持多网络接口下的IP 转发支持ICMP 协议包括实验性扩展的的UDP包括阻塞控制，RTT 估算和快速恢复和快速转发的TCP 提供专门的内部回调接口（Raw API ）用于提高应用程序性能可选择的Berkeley 接口API。

2.2.3 RealView MDK 4.0简介

RealView 工具集是ARM公司最新推出的专业嵌入式开发工具，在从概念设计到产品实现的整个嵌入式开发过程中，都能提供强有力的支持，其中每个工具的研发都与ARM IP 核的设计紧密结合，使用这些开发工具能够最大程度的发掘IP 核的性能。

RealView 工具集中包含两个集成开发工具：Microcontroller Development Kit和

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石家庄铁道大学毕业设计 RealView Development Suite，它们分别为不同的开发目标平台提供不同的最优化开发方案，其中，MDK 是为满足基于MCU 进行嵌入式软件开发的需优化的RTOS 库。MDK 适合不同层次的开发者使用，包括专业的应用程序开发工程师和嵌入式软件开发者，并能满足要求较高的微控制器应用。

2.3 本章小结

通过以上的分析与设计，本章软硬件的开发平台基本已介绍完善，对开发板与仿真器有了新的认识，并明白了今后内容的重点，充实自己的软件开发平台的知识，进一步学习软件，为今后几章具体硬件与软件系统的设计做好了的准备。

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石家庄铁道大学毕业设计 第3章 系统硬件介绍

3.1 供电系统介绍

智能供电系统是一新型智能化用电管理系统，针对公寓和集体宿舍 开发的集电能计量、负载识别、用电实时检测、违章用电查处与状态实时显示 为一体的多功能用电管理系统。该系统采用计算机分级控制方式， 按照各个不同单位管理中心设定的用电负荷标准，既能自动进行加权的用电量统 计、自动计费并根据各用户预缴电费的情况对各用户进行自动供电、告警甚至强制断电，还能自动对各种不满足用电规定或发生供电故障的用电电 器设备进行送电控制和进行永久性记录，从而最大限度地保障正常供电及 用户安全，杜绝大功率阻性负载造成的火险及违章用电，可进一步提升学校、公寓小区用电管理的水平。

3.1.1 智能供电系统架构

图3-1 供电系统示意图

本系统由一台主控计算机和多台控制柜组成，每台控制柜作为一个测控站，通过模块化控制的方式，对每台控制柜的多个用户进行用电的控制管理；控制柜和控制单元采用RS485 通信，远程通信采用校园往或局域网，只需一台主控计算机通过所连接的多台控制柜，就可以控制多栋公寓的数千个房间，从而形成一个计算机集

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石家庄铁道大学毕业设计 散测控系统，组成测控网络，对公寓小区和宿舍的用电实行遥测控制，方便管理。根据不同的用户要求形成不同级别的多用户智能供电计算机测控联网信息系统，对规模较小的简单用户可由部分子系统构成小规模管理系统。

(1)最小系统。每台控制柜作为统一网络系统中的一个节点，形成一个测控站，即最小系统。该最小系统通过下位机模块化控制的方式，对其管辖下的45个用户进行用电控制管理，每一个用户对应一个控制单元，该测控站可以在脱网和无上位机的情况下独立运行，并完成负载自动识别控制、计量显示等主要功能，从而满足小规模用户群的需要。

(2)网络化管理子系统(二级微机系统)。多个控制柜及一台主控微机利用RS485 总线可以构成一个控制子系统，可管理许多栋楼或大厦。

(3)集中智能供电计算机测控联网信息系统。利用校园网或局域网技术，可将这些子系统联接成一个综合性的用电管理系统，使整个系统成为三级微机结构，可同时管理几个校区或许多栋楼或大厦。该种结构特别适合集体宿舍的集团化管理。

3.1.2 智能供电系统特点

智能供电计算机测控联网信息系统具备以下主要特点：

(1)数据安全性。数据(特别是原始计量数据)无论在任何情况下均无法改动，以保证数据的权威性。储存的数据(除系统提供的途径外)无法进行查询、删改和复制，同时，正常的系统操作均留有痕迹。

(2)通讯可靠性。采用包括以太网、RS232、RS485 等多种通讯方式，利用数据打包、编码、校验纠错及数据加密等技术手段来保证通讯过程的可靠性。 (3)负载识别能力。能分辨负载的类型及大小，并能以此为依据，根据各用户单位的不同要求制定相应的管理策略。

(4)灵活的管理方式。根据应用需求，建立一种新的控制模式，及在高层管理系统与物理控制终端间建立一个逻辑层，使管理过程与物理线路无关，从而给管理者提供最灵活的管理手段。

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石家庄铁道大学毕业设计 3.2 智能网关系统结构

S Rj45 插头 网卡芯片网络隔离 变压器 T M 32 F 107 Rs485 Rs485 Rs485

图3-2 智能网关系统结构图

智能网关的工作原理：智能网关的主要作用是把串口数据流转换成以太网数据流，它能连接多个RS485串口设备，并将串口数据进行选择和处理，把RS485接口的数据转换成以太网数据流，实现串行数据的网络化。

多串口网关的串行接口的波特率是可调的，它主要负责来自学校宿舍的串口数据帧和以太网数据帧之间的互相转换与发送，例如，处理器接收到以太网数据包，首先，先按某种排队规则(例如FIFO对)数据包排队，数据按一定顺序放在缓冲区中，当到达一定限度时，内部的数据处理芯片开始处理数据帧，然后以串口数据帧的形式发送出去。反之，当有串口数据到达时，转换器把串口数据帧转化为以太网数据帧，其处理过程是类似的，两个处理过程互为逆过程。在每一个控制循环中，发送的数据包个数是不变的，因此，当处理器的处理频率固定时，其单位时间内处理的数据量是恒定的。而网关是以一个数据包为单位进行处理的，因此，串口转换器处理数据包的时间是随着数据包的长度增加而增加的单调连续函数。此外，当发送以太网数据帧时，多串口网关可以通过两种软件通讯协议：TCP／IP、UDP／IP与外界进行 ，如下图所示

以太网数据 帧 缓冲区 数据帧处理 串口数据帧 图3-3 串口设备联网服务器工作原理

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石家庄铁道大学毕业设计 出端与信息接收并输出端是带电绝缘的，从而对差模干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰的能力，且速度高，价格低，接口简单，因而得到广泛应用。

3.4 本章小结

本章通过对系统硬件的介绍，详细的说明了硬件中各个部分的详细构造及功能与作用，对开发板的的各个部分有了更详细的了解，通过以上的分析与设计，本系统的硬件结构已基本完善。Stm32f107开发板芯片集成了大量的外设和I/O 口资源，在设计应用系统时，只需使用少量的外围芯片便可完成所需的功能，简化了硬件电路设计，节省了电路板空间。通过串行口完成开发板与PC之间的通信，具有硬件接口简单、数据传送距离远以及开发周期短、成本低的特点,有较高的性能价格比亦成为本设计的首选。并对下一步软件系统的设计做好了的准备。

在上一章中，已经基本完成了智能供电系统的设计方案，并且设计了相关的电路，这样就为进一步进行供电系统的研究和开发提供了硬件的保证，但是只有硬件是不够的，为了更好的实现试验和研究，必须有软件的支持。在下一章中将主要进行相关的软件设计，从而是整个系统满足试验研究的要求。

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石家庄铁道大学毕业设计 第4章 系统软件设计

4.1 智能网关软件设计

智能网关系统是一个三层系统，不同层次协同工作，各层之间通过不同的协议进行信息交互。为了适应复杂的网络环境，以浏览器+WEB Server+CGI技术体系。该3层系统中子系统用来运行提供接口和前端处理的应用程序（即浏览器和监控软件）。中间层子系统的宿主即是智能网关，它包括应用服务器和Web服务器用于发布信息和数据及指令的传达， 本论文的三层软件体系结构中，发出数据库查询的应用可以驻留在数据库以外的任何机器上，子系统不论处于何地，只要能够通过网络与数据库服务器进行通讯，就可以发出查询并检索结果。如果在内部进行查询，仅仅从本地数据库中进行检索并返回结果即可。当管理者发出控制指令时，控制指令可以通过不同的网络协议可靠地到达被控对象并完成相应的操作，最后把执行结果（成功或者失败）返回给指令的发出者。

下面就将进入网关开发的重点——应用程序的设计与实现。这里所指的“应用程序”当然包括后台的CGI 脚本和前台的由HTML、和CSS 文件构成的Web 页面。 智能网关软件流程图

ARM的嵌入式网关是可组态的串口网关，可根据硬件实现不同的配置，不同的串行设备与以太网之间的协议转换，再通过相应的硬件开关配置后，us-os操作系统开始初始化，在初始化结束时进入任务等待状态，由调度器管理不同优先级的任务，具体软件流程如如下：

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石家庄铁道大学毕业设计 硬件开发配置 uc-os操作系统初始化 调度器 出错管理 缓冲管理 TCP/IP收发管理 串口管理 时间管理 TCP/IP接收进程 TCP/IP收发进程 串口接收进程 串口发送进程

图4-1 智能网关软件流程图

多串口的并发操作原理

由于通信过程有许多等待操作，而且发送和接收的操作过程相对于CPU运行速度非常慢．因此，发送和接收操作应该在中断中进行．按这样的方式，程序中只要建立1个内存变量与智能设备寄存器的映射关系表，后台(中断驱动)的协议通信流程负责 操纵通信程序并不断刷新内存变量或把内存变量数 据下载到智能设备中即可．这样，对智能设备的读写就变成程序中对这些内存变量的读写，解决了实时性问题。

4.2 开发板各部分通信介绍

4.2.1 多功能电能表通信规约

链路层

本协议为主-从结构的半双工通信方式。手持单元或其它数据终端为主站，费率装置为从站。每个费率装置均有各自的地址编码。通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制。每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符等7个部分组成。每部分由若干字节组成。

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石家庄铁道大学毕业设计 字节格式

图4-2 字节传输序列

图4-3 帧格式

每字节含8 位二进制码，传输时加上一个起始位(0)、一个偶校验位和一个停止位(1)，共11 位。其传输序列如图7。D0 是字节的最低有效位，D7 是字节的最高有效位。先传低位，后传高位。 帧格式

帧是传送信息的基本单元。帧格式如图8 所示。 帧起始符68H：标识一帧信息的开始，其值为68H=01101000B。地址域A0～A5：地址域由6 个字节构成，每字节2 位BCD 码。地址长度可达12位十进制数，可以为表号、资产号、用户号、设备号等。具体使用可由用户自行决定。当使用的地址码长度不足6 字节时，用十六进制AAH 补足6 字节。低地址位在先，高地址位在后当地址为999999999999H 时，为广播地址。控制码C：控制码的格式如下所示。

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图4-4 控制码格式图

D7=0：由主站发出的命令帧 D7=1：由从站发出的应答帧 D6=0：从站正确应答

D6=1：从站对异常信息的应答 D5=0：无后续数据帧 D5=1：有后续数据帧 D4～D0：请求及应答功能码 00000：保留 00001：读数据 00010：读后续数据 00011：重读数据 00100：写数据 01000：广播校时 01010：写设备地址 01100：更改通信速率 01111：修改密码 10000：最大需量清零

数据域DATA：数据域包括数据标识和数据、密码等，其结构随控制码的功能而改变。

传输时发送方按字节进行加33H 处理，接收方按字节进行减33H 处理。

图4-5 传输次序图

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石家庄铁道大学毕业设计 4.2.2 串口程序的编写

串口的功能：主要实现网关与基层多功能电表数据传输，收发多功能电表的数据，其程序如下 串口初始化程序

void USART_Configuration(void) {

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; USART_InitTypeDef USART_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_USART1 |

RCC_APB2Periph_AFIO ,ENABLE);//使能时钟

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1,ENABLE); //使能引脚复用功能 /* *

USART1_TX -> PB6 , USART1_RX -> PB7//设置串口1 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //设置引脚PB6为推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //设置引脚PB7为输入

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;//波特率为115200

USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//数据位为8位

USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一位停止位 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Even;//偶校验 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl USART_HardwareFlowControl_None;//没有流控制

USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发模式

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RCC_APB2Periph_GPIOB |

石家庄铁道大学毕业设计 USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口

USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_TC);//清除发送结束标志位TC USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//使能接收中断 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, ENABLE);//使能发送中断 USART_Cmd(USART1, ENABLE);//使能串口 }

串口收发数据源程序 int main(void) {

USART_Configuration();//配置串口

printf(\

**\\r\\n\

printf(\ *\\r\\n\

printf(\ Thank you for using HY-GoldBull V3.0 Development Board ！^_^ printf(\ printf(\*\\r\\n\*\\r\\n\

printf(\ /* Infinite loop */ while (1){

/* Loop until RXNE = 1 */

(USART_GetFlagStatus(USART1,

USART_FLAG_RXNE)

==

while

RESET);//等待接收数据

USART_SendData(USART1,USART_ReceiveData(USART1));//将接受到的

数据发送出去 } }

串口中断配置程序 void IT_Configuration(void) {

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

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石家庄铁道大学毕业设计 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);//选择相应的中断分组 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =USART1_IRQn;//选择相应的中断通道（这就是要开的中断也就决定断函数写在哪）

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;//响应式中断的中断优先级设置

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能中断

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化 } 中断程序

void USART1_IRQHandler(void) {

//接收中断

if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) //获取接收中断标志位

/* Clear the USART1 Receive interrupt */

{

USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);//清中断标志 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, ENABLE); //使能发送中断

}

//发送中断

if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TXE) != RESET)//获取发送中断标志

{ //发送字节结束

USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_TXE);//清中断标志 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, DISABLE);//关发送中断 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TC, ENABLE);//使能发送结束中断 }

//发送完成中断

if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TC) != RESET)//获取发送结束中断标志 {

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石家庄铁道大学毕业设计 }

USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_TC);//清中断标志 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TC, DISABLE);//关发送结束中断

}

4.2.3 以太网通信

以太网的功能：当控制中心需要访问多功能电表时，通过以太网向多功能电表发送命令。

以太网通信中Tcp服务器程序编写如下 static void uctsk_LWIP(void *pdata)

{ struct netconn *__pstConn,*__pstNewConn; //定义网络连接的结构指针 Ethernet_Initialize(); //以太网初始化 Init_lwIP(); //lwip初始化

ADC_Configuration(); //ADC初始化

__pstConn = netconn_new(NETCONN_TCP); //建立TCP连接 建立通信的TCP控制(pcb)

netconn_bind(__pstConn, NULL,80); // 绑定本地IP地址和端口号 netconn_listen(__pstConn); // 进入监听状态 for(;;)

{ __pstNewConn = netconn_accept(__pstConn);// 当处于监听的连接与一个新来的连接连接上后， 该函数指定的回调函数将被调用

if(__pstNewConn != NULL)//返回值非空连接已经建立调用回调函数处理内部 {

事务

tcp_accepted(__pstNewConn); // 这是一个回调函数，当一个连接已经接受 while(netconn_delete(__pstNewConn) != ERR_OK)//等待删除连接释放资源

{

OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 10);//延时10ms }

时会被调用，接收数据

}

}

}//netconn_accept(__pstConn)指定的回调函数为tcp_accepted(__pstNewConn)

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/********************************************************************* Function Name : tcp_accepted * Description : 接收处理

* Input : - pstConn: 指向struct netconn结构的指针 * Output : None * Return : None * Attention

: None

static void tcp_accepted(struct netconn *pstConn)//接收数据 {

struct netbuf INT8S u16_t

*__pstNetbuf; //包缓冲区指针 *__pbData; //数据指针 __s32Len;//数据长度

__pstNetbuf = netconn_recv(pstConn); //接收来自连接的数据，放入缓冲区

if(__pstNetbuf != NULL) {

// 获取缓冲区的指向数据指针的指针和数据长度

//当应用程序接收到数据的时候该函数必须被调用，用于获取接收到的数据的长度

netbuf_data (__pstNetbuf, (void *)&__pbData, &__s32Len );

//作用是找出str2字符串在str1字符串中第一次出现的位置（不包括str2的串结束符）

if( strstr( (void *)__pbData, \ {tcp_recved(pstConn);} }

/****************************************************************** * Function Name : tcp_recved * Description : 处理数据

* Input : - pstConn: 指向struct netconn结构的指针 * Output : None * Return : None

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}

netbuf_delete(__pstNetbuf); //释放由netbuf_new()分配的缓冲区 netconn_close(pstConn); // 关闭一个TCP连接而不是删除它

石家庄铁道大学毕业设计 * Attention : None

*************************************************************************/static tcp_recved(struct netconn *pstConn) {

static unsigned char TCP_date[]=\定义一个数组

netconn_write(pstConn, TCP_date, sizeof(TCP_date), NETCONN_NOCOPY);//发送数组数据 }

网页内容：

智能网关

石家庄铁道大学节能监管系统

网关参数:

网关IP地址:192.168.212.254 采集方式:每秒一次 工作方式:主动上报 电能表ID:66 电能表计量值:

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图4-6 通信成功调试图

4.2.4 SPI_SD卡读写

SD卡的功能：SD卡储存多功能电表发送过来的数据，等控制中心需要访问时，再将数据通过以太网传送到控制中心，本程序段实现了SD卡读写数据的功能 int main(void) {

int i;

unsigned char buf[512];//定义一个512字节的缓冲区 USART_Configuration(); ;

printf(\ *\\r\\n\

printf(\ Thank you for using HY-GoldBull V3.0 Development Board ！ printf(\ *\\r\\n\*\\r\\n\

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//串口初始化

printf(\

石家庄铁道大学毕业设计 printf(\

printf(\ Set_System();

SD_Info();

USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_TC); // 需要清除一下USART的标志位，防止第1帧数据会丢失 据

printf(\else

printf(\

if(!MSD_ReadSingleBlock(0xff000000, buf))//从SD卡的0xff000000读出buf[512]{

printf(\for(i=0;i<512;i++)

printf(\用串口显示512个数据 } else

printf(\

if(!MSD_WriteSingleBlock(0xff000000, fat))//向SD卡的0xff000000写入fat[512]数

数据

/* Infinite loop */ while(1) }

void SD_Info(void) {

{ }

printf(\ //SD卡的类型 switch(CDIF.CardType) {

case 0:printf(\case 1: printf(\

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石家庄铁道大学毕业设计 }

}

case 2: printf(\case 4:printf(\

int MSD_ReadSingleBlock(uint32_t sector, uint8_t *buffer)//读一个数据块 {

uint8_t r1;

/* if ver = SD2.0 HC, sector need <<9 */ if(CardInfo.CardType != CARDTYPE_SDV2HC) { } { }

/* Start read and return the result */

r1 = _read_buffer(buffer, MSD_BLOCKSIZE, RELEASE); /* Send stop data transmit command - CMD12 */ _send_command(CMD12, 0, 0); return r1; }

int MSD_WriteSingleBlock(uint32_t sector, uc8 *buffer)//写一个数据块 {

uint8_t r1; uint16_t i; uint32_t retry;

/* if ver = SD2.0 HC, sector need <<9 */ if(CardInfo.CardType != CARDTYPE_SDV2HC) {

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sector = sector<<9;

/* Send CMD17 : Read single block command */

r1 = _send_command(CMD17, sector, 0); if(r1 != 0x00)

return 1;

石家庄铁道大学毕业设计 } { }

sector = sector<<9;

/* Send CMD24 : Write single block command */

r1 = _send_command(CMD24, sector, 0); if(r1 != 0x00)

return 1;

/* Card enable, Prepare to write */ _card_enable();

_spi_read_write(DUMMY_BYTE); _spi_read_write(DUMMY_BYTE); _spi_read_write(DUMMY_BYTE); /* Start data write token: 0xFE */ _spi_read_write(0xFE); {

_spi_read_write(*buffer++); }

/* 2Bytes dummy CRC */

_spi_read_write(DUMMY_BYTE); _spi_read_write(DUMMY_BYTE);

/* MSD card accept the data */ r1 = _spi_read_write(DUMMY_BYTE); if((r1&0x1F) != 0x05) {

_card_disable(); return 2; }

/* Wait all the data programm finished */ retry = 0;

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/* Start single block write the data buffer */

for(i=0; i

石家庄铁道大学毕业设计 while(_spi_read_write(DUMMY_BYTE) == 0x00) { }

/* chip disable and dummy byte */ _card_disable();

_spi_read_write(DUMMY_BYTE); }

return 0;

/* Timeout return */ if(retry++ == 0x40000) {

_card_disable(); return 3; }

4.2.5 仿真调试

uVision 4所提供的工程管理，使得基于ARM处理器的应用程序设计开发变得越

来越方便，使用uVision 4 创建一个新的工程需要以下几步：选择工具集，创建工程并选择处理器，配置对应启动代码，配置硬件选项，创建源文件及文件组，最后编译连接生成HEX 文件。

仿真器调试：先选择Project New Project 菜单项，打开一个标准对话框，输入希望建立的工程名字。对于大部分处理器设备，系统会自动提示用户是否加入相关启动代码，开发工具提供默认的启动代码，uVision 3系统可根据目标硬件的实际情况对工程进行配置。通过选择目标工具栏图标制定设备片内组的相关参数。

创建工程后，就可编写程序，打开一个空的编辑窗口，输入源程序，完成后选择保存源程序，之后，右击弹出的快捷菜单，打开一个标准的对话框，将已建好的晚间加入到工程中。

编译连接工程时，单击工具栏中的Build Target 图标可编译连接工程文件，如果语法错误，会自动弹出警告信息，在编译链接完成后，可使用uVision 4的调试进行调试

以下为仿真调试中的过程

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图4-7 处理器的选择

图4-8 调试工具的选择

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图4-9 程序编译成功

图4-10 程序下载调试

4.2.6 软件的抗干扰设计

为了提高测控系统的可靠性，仅靠硬件抗干扰措施是不够的，还需采用适当的

软件抗干扰技术。如能正确地采用软件抗干扰措施，与硬件抗 干扰措施构成双重抑制，将大大地提高系统的可靠性。本系统中主要采用 了以下几种软件抗干扰措施，增强了系统及程序运行的可靠性。

(1)数字滤波技术。在模拟输入信号的采集过程中，由于存在随机性 干扰，使得采集信号的误差增大，采样信号在某一数值范围附近上下波，针对这种情况采用算术平均滤波法，即连续采样6次，然后求算术平均。这种滤波法使得既节约时间，滤

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石家庄铁道大学毕业设计 波效果又好。

(2)数据冗余保护。工程实践表明，干扰仅破坏 RAM 中的个别数据， 而不会冲毁整个 RAM 区，因此，可以将系统中的重要数据进行备份。当 软件系统程序复位或自动回复时利用备份数据进行自我检查，若发现数 据被破坏就进行数据的恢复，从而保护了 RAM中的原有数据。通常可以根据RAM中的资源情况和重要性对数据进行二重、三重或更多重的 数据冗余保护。

(3)利用看门狗(Watchdog) 。利用看门狗电路及编写相应程序，使程序 死循环或跑飞时能可靠的复位．

4.3 本章小结

通过本章，我们已经掌握了网关前后台软件开发的基本流程和所需的所有基本技能。并且也实际做成了一个比较典型、整的网关应用实例的开发。网关的硬件及软件设计都已进行成功，理论上可以实现了一个智能网关，从本章中也学习了大量的编程知识，对以后的工作也有了新的帮助，理解了多功能电能表的通信规约，对网关的认识更加深刻。

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石家庄铁道大学毕业设计 第5章 结论

智能网关现在已经深入到生活的方方面面，智能网关给人们带来了方便，也带来了巨大的飞跃。本论文设计的多串口智能网关进行了智能改造设计。通过把stm32f107金牛开发板进行改造，使之成为校园电力监管中心的智能网关，能够对每一个房间的电量进行计量和控制，通过超标收费制度，通过以太网来控制智能网关，智能网关通过rs485通信来控制多功能电表，进而控制每个宿舍。

通过这次智能网关设计的改造，学习了电气很多内容。其中主要包括TCP/IP协议、RS485通信协议、多功能调表通信规约、stm32f107开发板的各个硬件功能及组成、软件开发平台、程序的编程语言等等，尤其对软硬件的设计有详细的介绍，因此三四章对此次设计来说比较重要。主要介绍了智能网关的软硬件设计。 在硬件设计中，通过开发板原有的功能并进行设计改造，使之成为智能网关，智能网关供电是一种未来供电系统的发展趋势，其前景非常可观。通过智能供电可以节约电能、合理的利用电能，又能节省人力资源。设计中的智能供电主要是通过我校自主研制的智能配电柜和校园网来管理电能。通过集中管理，进行通电、断电的控制，最后再把数据通过校园网传输到我校的校园监管平台中心，实行远程监控、统一的计量智能化管理，从而达到只能供电。

通过此次设计把很多知识重新复习了一遍，对知识的掌握更加深刻，此次设计我遇到很多困难，但同时也克服了很多困难。这次设计就是要用实践的东西来考察我们的知识运用能，也为以后更好的工作做好了铺垫。

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石家庄铁道大学毕业设计 参考文献

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[6] 王军波,邹继军 USB总线与CAN总线协议转换器设计 [J]. 华理工学院学报, .2006 9 29 [7] 贾天宝,王彦,李俊德.CAN总线技术在远程监测系统中的应用[J].遥测遥控,2002,7: 51~54 [8] 李峰,陈向益.TCP/IP协议分析与应用编程[M].北京:人民邮电出版社2008

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Internet, IEEEJ.Selected Areasin Comm. 13,1465 1480.

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tiple TCPRenoconnections,Proc.IEEEInt.Symp. Circuitsand Systems , pp.1429¨C1432

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石家庄铁道大学毕业设计 致 谢

经过这次毕业设计，我非常感谢我的指导老师高蒙教授，在我遇到困难时高老师都耐心给我讲解，由于经验的匮乏，如果没有高蒙老师的耐心指导和帮助，想要完成这个设计是很困难的，在此我由衷的对高蒙教授表示感谢。

高老师工作非常敬业，但他总会在每周的百忙之中抽出时间，来询问我们工作的进展情况，帮助我们解决了这次设计中的很多难题。高蒙教授学识渊博、治学严谨、平易近人，不管对工作还是对我们学习都非常用心。高蒙教授很关爱我们这些学生，为了让我们能够真正学有所成，他愿把他一生的知识和经验倾囊传授给我们，我能顺利的完成这次毕业设计，全靠高老师的鼎力相助。

其次，我还要感谢在大学中所有老师和同学，如果没有大学四年来所有老师的悉心教导以及同学们的帮助，也不可能如此顺利的完成毕业论文，真心的感谢高老师及大学中所有帮助我的人。

通过这次毕业设计我不仅学会了很多书本上的知识，也学会了动手能力，使理论与实践结合，更重要的是明白了任何事情都需要团队，一个人力量再大也不可能独自完成，没有高老师及其他人的帮助，我不能如此顺利，在这里，在此衷心感谢高老师及帮助我的人。

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石家庄铁道大学毕业设计 附 录

附录A 外文翻译

A real-time residential gateway operating system

1. Introduction

The Full Service Access Networks (FSAN) International Initiative was started in 1995 by a group of telecommunication operators and manufacturers to work towards a consensus on the systems required in the local access network to deliver a full set of telecommunications services, both narrowband and broadband. The initiative aims to enable the large-scale introduction of broadband access networks through the definition of a basic set of common requirements. Since then, several working groups have been developing standards and system specifications in order to achieve a cost-effective system. Information on the FSAN development can be found on the FSAN homepage at http://www.labs.bt.com/profsoc/access/. In the meantime, researchers in the area have begun to study the problems encountered in the system development. One of the potential problem areas, which have been identified by the FSAN Customer Network Specification Group, is the network termination at the entry-level. In the current general architecture of Fiber To The Curb or Fiber To The Home network, an ATM switch is used as the Network Terminator.

A full function Network Terminator in an FSAN is also referred to as a Residential Gateway (RG) which is generally considered as an effective way of bridging the home network with the broadband public access network In 1996 and 1997, Clifford Holiday published three articles discussing the role of RGs in future fiber networks, the design considerations, and the social impact of RGs. In a recent paper, David Waring et al. examined the trends in home networking and discussed the importance of RGs from business and technical points of view .

So far, research and development of RGs are based on ATM access networks. Except for the general home network architecture proposed by the FSAN initiative group, three

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石家庄铁道大学毕业设计 RG models have been proposed and they are all in research stages. These RG models can be classified as: (1) an ATM switch with a control unit; (2) a ring home network with an ATM terminator; and (3) a general-purpose computer with an ATM interface and a real-time RG operating system. Each of these models has its advantages and drawbacks. While the ATM switch-based RG and the ring home network approach have the potential for high bandwidth capacity, the general-purpose computer-based RG enjoys the advantages of being cost-effective and user-friendly.

A RG model using an ATM switch and a control unit has been studied by Ryan et al. of Bell Labs. In this architecture, the RG operating system is running on the controller. The hardware interfaces are responsible for assembling the payload of ATM cells and sending the signals to home devices. Each interface card serves a specific device. The advantages of this architecture are high bandwidth capacity and in-house wiring flexibility. It also takes the advantage of the availability of commercial ATM switches. The disadvantage of this architecture is that it may not be cost effective, considering the hardware and software involvements in the system.

If we consider home devices, such as TVs, telephones, and computers, as the hosts in a Local Area Network, what we need is a gateway used in LANs in order to connect to the outside world. Then, a “slim-down” version of an ATM LAN can be implemented as a residential network. A research on applying this architecture in a ring configuration called HANS which is short for Home ATM Network System, has been reported by Lee. This architecture provides in-house wiring flexibility and high bandwidth capacity. There are many design issues that have the need to be studied in this architecture, such as bandwidth sharing inside the home network and the HANS controlling mechanism. The disadvantages are potentially high cost and complexity in system management.

By adding the required software, an IP-router can be used as an RG, with or without hardware modifications. Without any hardware modification, the bandwidth capacity is limited, and it may or may not be able to serve as a full functional broadband RG, depending on the bandwidth of the FSAN. Elias et al. proposed to use a PCI-bus based IP-Router plus commercially available PCI interface components as the hardware of a RG。

The above-discussed RG models employ mostly existing hardware components. This leads to potentially low cost in the development phase. However, it is not known if these models will cost less than a totally new specialized RG architecture in a long term. Although a specialized RG design, such as a Java gateway machine, costs more in the

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/aiy8.html