1 引言
隨著數據采集及其應用技術的發展和廣泛應用，稱重數據采集系統也趨于高精度、高速度、穩定可靠和集成化方向發展。目前，大多數稱重系統都是獨立的，只能用于現場數據采集和存儲，這對使用儀表較多的企業不利于集中化管理。因此，迫切需要網絡遠程管理和監控。這里提出了一種基于GPRS的遠程稱重數據采集系統，該系統利用稱重儀表嵌入的GPRS通信模塊，將儀表采集的重量數據通過無線方式接入Interact，實現遠程監控。該系統非常適用于工礦企業稱重設備的集中化管理和維護。
2 系統整體方案
通用無線分組業務(General Packet Radio Service，簡稱GPRS)是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，可為GSM用戶提供分組形式的數據業務。其理論帶寬可達1712 Kbit，實際應用帶寬約40～100 Kbit，信道可以提供TCP／IP連接，用于Interact連接和數據傳輸。GPRS永遠在線，按流量計費，可提供一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用于間斷的、突發性、頻繁的、點多分散、中小流量的數據傳輸。通過中國移動的GPRS網絡系統將現場儀表(采集單元)的數據實時傳遞到監控中心，實現對現場設備的統一監控和分布式管理。
GPRS無線網絡數據傳輸系統結構如圖l所示，帶GPRS功能的稱重儀表將數據整理，經協議封裝后，通過RS232串口發送到嵌入式GPRS模塊，GPRS模塊對數據TCP／IP打包，再將數據發送到中國移動的GPRS數據網絡，再通過GPRS數據網絡將數據傳送至Interact，監控中心計算機還原數據包所需的數據結果，實現儀表數據和監控中心系統的實時在線連接。
在GPRS無線通訊中，作為用戶數據傳輸目的地的數據中心計算機在Intemet需要使用固定IP，由于國內固定IP數量有限，所以多數使用動態域名作為數據中心計算機的IP地址。對于動態域名，需要通過域名服務器將動態域名解析成數據中心計算機的IP地址。因此，如果沒有固定IP地址，則必須用動態域名解析計算機IP地址的方法來實現。
3 硬件電路設計
圖2為系統設計的硬件電路結構圖。將GPRS模塊(帶有SIM卡)固定在儀表內，并與單片機相連，單片機使用AT命令通過RS232接口與GPRS模塊通信。其工作原理：通過RS232接口接收單片機串口數據，然后將數據打包成IP包，由GPRS模塊接入GPRS網絡，由各種網關和路由將數據發送到數據管理中心。
3．1 微處理器
3．2 外部信號采集和看門狗電路
由于稱重儀表需具有高精度，這里采用外接A/D轉換器采集電路，選用CS5532器件。該器件是一款具有極低噪音、多通道型A/D轉換器。CS5532采用電荷平衡技術和極低噪聲的可編程增益斬波穩定測量放大器，可得到高達24位分辨率的輸出結果，精度高，動態特性寬，是其他同類A/D轉換器所無法比擬的。外部信號采集電路如圖3所示。
為了提高儀表的抗干擾能力，增強儀表的穩定性，采用外部看門狗復位電路，故選用FN33256，該器件具有電源及看門狗低有效復位輸出；可編程低電壓復位門限；手動復位輸入；可編程看門狗計數器；256 K字節的非易失性存儲器用于存儲儀表參數；電池供電。看門狗復位電路如圖4所示。
3．3 GPRS無線模塊
GPRS無線模塊選用SIEMENS公司的MC55，該器件主要特點：尺寸緊湊(35 mmx32．5 mmx2．95 mm)，僅重5．5 g；雙三頻工作模式：900 MHz，1 800 MHz和1 900 MHz(MC55)；850MHz，l 800 MHz和1 900 MHz(MC56)；語音和數據傳輸功能；GPRS標準．支持PBCCH；勾嵌TCP／IP協議棧。該模塊性能穩定、可靠、操作方便，其電路如圖5所示。
整個系統首先必須讓MC55上電，上電是由MC55的IGT引腳電平控制．其輸出電平由軟件設置。IGT引腳接單片機的P1．0口，EMERGOFF引腳PO．0。需要注意的是：單片機上電引腳輸出高電平，MC55的EMERGOFF引腳被拉低，導致無法上電，所以上電后需設置P0．0引腳輸出低電平。
為了接通MC55，IGT引腳信號保持低電平至少100 ms，且比VDD引腳的下降沿延遲至少10 ms如圖6。這樣開漏驅動可避免電流流人該引腳。如果配置固定波特率，MC55發送SYNC以指示模塊上電完畢。而當配置在自動波特率時，則無該指示。MC55上電步驟如下：IGT引腳當UBATT+超過3 V時才操作；IGT引腳要比VDD的下降沿至少延遲10 ms后才開始操作；URATT+超過3 V并保持10 ms后，IGT變為低電平，且下降沿的持續時間不能超過l ms；啟動模塊還需額外100 ms；確保驅動IGT時UBATT+不低于3 V；如果VDDLP引腳是外部電源供電，IGT引腳在UBATT+的上升沿之前已是HiZ。
4 系統軟件設計
4．1 RTX51及部分程序
當處理、調度多個任務，選用嵌入式實時操作系統是最佳方案。因此該系統采用RTX51 Tiny操作系統。它是一種小型多任務實時操作系統(RTOS)，運行速度快，對硬件的要求不高，使用方便靈活。該操作系統最多可支持16個任務，完全可以在沒有外部存儲器的8051系統中運行。
RTX51 Tiny的程序采用標準的C語言構造，由Keil C51編譯器編譯。用戶可以容易定義任務函數，而無需配置復雜的棧和變量結構，只需配置一個包含指定的頭文件即可。部分程序代碼如下所示：
4．2 終端軟件實現
系統上電后首先初始化單片機，設置串行口的波特率和定時器；然后初始化CS5532、FM33256看門狗等外部器件；接著執行MC55上電，然后初始化MC55。系統程序流程如圖7所示。
該系統的主要任務為采集傳感器的信號，完成稱重任務。A／D采集信號采用中斷方式，數據采集完成后產生中斷，然后啟動重量計算任務。串口0與MC55相連，通過AT命令與MC55通訊，使之附著在GPRS網上，檢查諸如SIM卡情況，GPRS網絡信號強度，獲得網絡運營商動態分配給GPRS終端的IP地址，并與控制中心或服務中心建立連接。
主程序采用中斷加輪詢方式，采用中斷觸發方式接收被控設備發送的數據，并設置接收緩存區來暫存數據。當中斷觸發接收完數據后，啟動數據處理任務。根據接收的命令回復服務器，其命令形式主要分為讀數據命令和儀表維護命令。
5 試驗數據
表1是稱重儀表在有無GPRS通訊情況下的幾組試驗記錄。該試驗用于檢測在儀表的標定和調零過程中，GPRS通訊是否影響設備精度，從試驗數據分析，該系統能正常運行。經過大量的試驗，該系統工作穩定可靠，遠程無線傳輸速度快且具有極低的誤碼率，數據訪問延遲時間一般情況約為6 s。由于采取了外部電源監視和看門狗電路，系統能夠有效地抗擊外部干擾信號。
6 結語
該系統是以C8051F單片機為核心，采用高精度A／D轉換器和外部看門狗電路，通過控制MC55實現GPRS業務的數據傳輸功能，提高數據傳輸的實時性、可靠性。該系統設計適用于工礦企業稱重設備的聯網，具有很好的應用前景。
微處理器是系統設計的核心，其性能的好壞直接決定稱重系統的準確性，穩定性和可靠性。根據該系統設計對精度和實時性的要求，故選用C805lF02l型單片機。它具有64KB的片內Flash和4 KB的片內RAM，考慮到存儲的數據量需擴展一個外部存儲器。該器件還具有32個數字I／O接口，12位分辨率的A／D轉換器，3個16位的計數器／定時器，兩個全雙工的UART接口，串口0與GPRS模塊的連接實現通訊，串口1與RS485連接，實現與其他串行控制終端的通訊，從而增強稱重儀表功能。