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關(guān)鍵詞: MC35I; SMS; 開關(guān)磁阻電機(jī)控制器；遠(yuǎn)程控制
柴智淵（1983－）
男，北京交通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)與應(yīng)用、應(yīng)用電子技術(shù)。
1 引言
GSM網(wǎng)絡(luò)是目前國內(nèi)覆蓋范圍最廣，應(yīng)用最普遍的無線通信網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋面廣、可靠性高、延時(shí)短等特點(diǎn)。其中短消息業(yè)務(wù)(SMS)使用GSM網(wǎng)絡(luò)的公共控制信道傳輸用戶分組信息，短消息的傳送是通過短消息業(yè)務(wù)中心（SMSC）存儲(chǔ)和發(fā)送的，短消息業(yè)務(wù)在GSM網(wǎng)絡(luò)中以數(shù)據(jù)報(bào)的方式在移動(dòng)設(shè)備（MS）和短消息業(yè)務(wù)中心（SMSC）之間交換用戶數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障使用戶數(shù)據(jù)不能到達(dá)對(duì)端的移動(dòng)臺(tái)（MS）時(shí)，SMSC對(duì)短消息進(jìn)行存儲(chǔ)，在網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)短消息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶數(shù)據(jù)的保護(hù)。每個(gè)短消息的信息量最高為140個(gè)8位組，當(dāng)使用7-bit編碼時(shí)，可以最多發(fā)送160個(gè)字符，因此特別適用于單個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量不大、但數(shù)據(jù)控制點(diǎn)多的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。本文以油田抽油機(jī)為實(shí)際應(yīng)用背景，介紹了基于GSM短消息業(yè)務(wù)的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的架構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)的核心部分是微控制器AT89C51和GSM無線通信模塊MC35i。其中外圍電路用于開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作狀態(tài)采集，采用的是8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于控制信息的給定采用的是12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，同時(shí)擴(kuò)展了外部存儲(chǔ)器。具體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
2.1 開關(guān)磁阻電機(jī)
開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）是調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，為雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)，其定轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組可串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一對(duì)磁極，稱為“一相”。SRM可以設(shè)計(jì)成多相結(jié)構(gòu)，且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。相數(shù)多，步距角小，有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主開關(guān)器件多，成本高。因此電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)當(dāng)按使用的場合合理確定。
2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是控制開關(guān)磁阻電機(jī)的中樞,作用是綜合處理速度指令、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，同時(shí)檢測故障信號(hào)等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SRM運(yùn)行狀態(tài)的控制。主要由功率變換器、控制器、位置檢測器等部分構(gòu)成。
2.3 SRD工作狀態(tài)的采集過程
SRD工作狀態(tài)的采集過程負(fù)責(zé)對(duì)從電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)（SRD）中采集啟停信息、正反轉(zhuǎn)信息、轉(zhuǎn)速信息、過壓、過流信息等，對(duì)于信息的處理我們采用的芯片是8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器TI公司的4通道串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC0834，該芯片有可輸入配置的多通道多路器和串行輸入輸出的方式。由該芯片的工作時(shí)序可知，TLC0834在輸出以最高位（MSB）開頭的數(shù)據(jù)流后，由以最低位（LSB）開頭重輸入一遍前面的數(shù)據(jù)流。DI端只在多路器尋址時(shí)被檢測，而此時(shí)DO端仍為高阻狀態(tài)，經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期后，DO端才開始在時(shí)鐘上升沿時(shí)讀出數(shù)據(jù)，所以，在設(shè)計(jì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作狀態(tài)的信息采集電路時(shí)，為了節(jié)省I/O資源，采用單片機(jī)AT89C51的一個(gè)I/O口連接DO和DI來實(shí)現(xiàn)。
2.4 控制信息的給定過程
故障信息出現(xiàn)時(shí)，為了及時(shí)對(duì)電機(jī)的主控制器進(jìn)行調(diào)整，例如改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于轉(zhuǎn)速信號(hào)是電壓模擬量，因而選用MAXIM公司的12位串行D/A芯片MAX539，它具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，為MAX539提供基準(zhǔn)電壓的是MAX873，輸出電壓+2.5V，從而限定了MAX539的電壓輸出范圍是0~+2.5V，可外接一個(gè)比例運(yùn)算放大器用于準(zhǔn)確的調(diào)整轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信息的處理。
2.5 單片機(jī)與通信模塊通信過程：
(1) 通信模塊電源部分
給模塊提供供電電源，電壓范圍是3.3~4.8V，當(dāng)MC35i模塊啟動(dòng)后，經(jīng)過幾秒的延時(shí)，模塊開始搜索網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)需要超過2A的驅(qū)動(dòng)電流，如果驅(qū)動(dòng)不足，會(huì)引起模塊的突然掉電；因此這里選擇TI公司的穩(wěn)壓芯片LM2576，電壓穩(wěn)定在4V左右，最大提供電流為3A，可以避免當(dāng)模塊搜索網(wǎng)絡(luò)時(shí)驅(qū)動(dòng)電流不足的問題，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)仍會(huì)出現(xiàn)有時(shí)模塊掉電的現(xiàn)象，所以在電壓輸出端并聯(lián)一個(gè)大電容,起蓄流的作用,也能起到提高驅(qū)動(dòng)電流的作用，解決了這個(gè)問題。
(2) 單片機(jī)與通信模塊的通信過程
單片機(jī)與通信模塊是通過串口通信的方式進(jìn)行信息傳輸?shù)模鐖D2，通信模塊MC35i的16～23引腳數(shù)據(jù)輸入/輸出端的8個(gè)引腳分別為DSR0，RING0，RXD0，TXD0，CTS0，RTS0，DTR0，DCD0，它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗(yàn)位，波特率在300～115000bps之間可以選擇，為了和開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正常地進(jìn)行通信，這里選擇1200bps作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩布帐中盘?hào)用RTS/CTS，模塊串口支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。單片機(jī)的串口要和MC35i模塊串口相連，但由于MC35i 模塊的串口高電平是3.3V，單片機(jī)的串口高電平為5Ｖ，因此16～23腳不能直接和單片機(jī)相連，采用TI公司的電平轉(zhuǎn)換芯片LVC245可以解決上述問題。
模塊的24-29管腳為SIM卡引腳，分別為CCIN，CCRST，CCIO，CCCLK，CCVCC，CCGND，其中CCIN引腳用于檢測SIM卡插槽中SIM卡是否插入正常，如果正常插入，CCIN腳會(huì)輸出高電平，如果插入異常，CCIN引腳會(huì)維持低電平，模塊會(huì)在CCCLK的周期下定時(shí)檢測SIM卡，因此CCIN腳會(huì)定時(shí)出現(xiàn)一個(gè)跳變；CCVCC引腳是MC35i模塊為SIM卡提供的供電電源，3.3V左右。
為了簡化電路，可以把CCIN與CCVCC引腳始終相連，使CCIN引腳始終為高電平，這樣MC35i模塊就會(huì)默認(rèn)為SIM卡永遠(yuǎn)存在，避免了對(duì)SIM卡檢測的過程。
圖2 通信模塊外圍接口電路
３ 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
3.1 實(shí)現(xiàn)的功能流程
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)流程框圖如圖3所示：其中用戶端采用手機(jī)設(shè)備，利用中國無線通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的SIM卡建立數(shù)據(jù)聯(lián)系通道，向應(yīng)用于油田抽油機(jī)的開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)送控制信息，控制其啟動(dòng)停止、設(shè)定轉(zhuǎn)速等參數(shù)；同時(shí)又接受來自開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的。如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)流程
在本系統(tǒng)中，用戶主要通過短消息的方式來向遠(yuǎn)程電機(jī)發(fā)送信息，通過已經(jīng)設(shè)定好的特定信息內(nèi)容代表特定的指令，如用戶發(fā)送“1234500”，則代表起動(dòng)電機(jī)，如發(fā)送“12345110500”，則代表設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/min等。當(dāng)然信息內(nèi)容也可以設(shè)定為中文的內(nèi)容，如發(fā)送“起動(dòng)”代表起動(dòng)電機(jī)，更為直觀簡潔。本設(shè)計(jì)采用這種中文的方式來進(jìn)行控制。
收發(fā)短消息一共有三種模式，Block Mode，TEXT Mode，PDU Mode。Block Mode需要手機(jī)廠家提供驅(qū)動(dòng)支持，使用TEXT Mode收發(fā)短信代碼簡單，實(shí)現(xiàn)起來十分容易，但最大的缺點(diǎn)是不支持中文，目前PDU Mode已經(jīng)取代了Block Mode，并且支持中英文短信，因而相對(duì)于Block Mode和TEXT Mode有很大的優(yōu)勢，應(yīng)用也最廣泛。但三種模式的發(fā)送方式都是采用AT命令來實(shí)現(xiàn)。
賀氏公司是最早生產(chǎn)調(diào)制解調(diào)器的廠商，那時(shí)的調(diào)制解調(diào)器用到AT指令，后來的廠商生產(chǎn)的調(diào)制解調(diào)器都與賀氏公司兼容，所以發(fā)送命令給調(diào)制解調(diào)器時(shí)，必須用到AT指令，MC35i通信模塊其實(shí)也是調(diào)制解調(diào)器，單片機(jī)和MC35i模塊通信必須用到AT指令。AT命令的基本格式是：AT+命令字符及相關(guān)參數(shù)+回車符，AT是幀頭。
對(duì)于本系統(tǒng)用到AT指令主要有（如表１所示）：
表１ 系統(tǒng)所用ＡＴ指令
| AT+CMGS | 發(fā)送短消息 |
| AT +CMGW | 寫短消息并保存在存儲(chǔ)器中 |
| AT+CMGD | 刪除保存的短消息 |
| AT+CMGF | 選擇短消息的格式 |
| AT+CSCA | 提供短消息服務(wù)中心的號(hào)碼 |
| AT+CMGR | 讀取保存的短消息 |
| AT&F | 設(shè)置出廠默認(rèn)值 |
| ATE | 是否可見輸入字符 |
| AT+IPR | 設(shè)置數(shù)據(jù)終端設(shè)備速率 |
發(fā)送AT指令要以ASICII碼的形式，每一條AT指令之后，都要加回車符，串口返回的應(yīng)答信號(hào)也是ASICII碼的格式。比如‘A’的ASCII編碼為41H，‘T’的ASCII編碼為54H，數(shù)字‘0’的ASCII編碼為3OH等。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
軟件的設(shè)計(jì)主要采用節(jié)約單片機(jī)資源和實(shí)現(xiàn)功能的原則，進(jìn)行最小化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和信息的基本功能，同時(shí)又給其它信息處理留出了空間。
系統(tǒng)初始化是設(shè)置單片機(jī)的波特率為1200 bps（保證和開關(guān)磁阻電機(jī)控制器單片機(jī)正常通信），并設(shè)置工作方式為1，并設(shè)置7、8秒的延時(shí)以保證模塊正常的搜索到網(wǎng)絡(luò)，然后初始化模塊MC35i，設(shè)置通過發(fā)送AT命令來執(zhí)行。首先發(fā)送AT，若模塊返回“OK”，表明單片機(jī)和MC35i模塊連接正確，設(shè)置短消息中心發(fā)送AT+CSCA=“+8613800100500”（以北京為例）指令，然后發(fā)送“AT+CMGF=0”指令設(shè)置短消息的格式為PDU方式，在PDU模式下，可以采用三種編碼方式對(duì)發(fā)送的內(nèi)容進(jìn)行編碼，它們分別為7bit編碼，8bit編碼和UCS2編碼。7bit編碼用于發(fā)送普通的ASICII字符，它將一串7bit的字符（最高位為0）編碼成8bit的數(shù)據(jù)，每8個(gè)字符可壓縮成7個(gè)；8bit編碼常用于發(fā)送數(shù)據(jù)信息，如圖片和鈴聲等；而UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符；本系統(tǒng)中采用的是UCS2編碼方式，以用戶端發(fā)送中文“起動(dòng)”后，遠(yuǎn)程控制接受到編碼進(jìn)行處理，并發(fā)送“起動(dòng)成功”給用戶端為例，來說明該編碼的方式，則要發(fā)送的過程如下：
首先對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后發(fā)送“AT+CMGS=20”，等待從網(wǎng)絡(luò)接收到“<”，在后面緊跟編碼后的數(shù)據(jù)為：0891683108101005F011000B913164216959F10008A7088D7752A86210529F
編碼的含義如表2所示。
表2 編碼含義
| 編碼 | 含義 |
| 08 | 地址信息的長度 |
| 91 | 短信息中心號(hào)碼類型，91是TON/NPI遵守International/E.164標(biāo)準(zhǔn)，指在號(hào)碼前需加“+”號(hào) |
| 683108101005F0 | 短信息中心號(hào)碼。由于位置上略有處理，實(shí)際號(hào)碼應(yīng)為：8613800100500（北京為例） |
| 11 | 固定格式不動(dòng)代表PDU格式 |
| 00 | 信息類型，消息基準(zhǔn)值 |
| 0B | 被叫號(hào)碼長度 |
| 91 | 被叫號(hào)碼類型 |
| 3164216959F1 | 目的號(hào)碼（位置上作了處理） |
| 00 | 普通GSM類型，點(diǎn)到點(diǎn)方式 |
| 08 | 8位unicode編碼（中文必須用unicode編碼） |
| A7 | 此短消息在短消息中心存儲(chǔ)的時(shí)間是24小時(shí) |
| 08 | 有8個(gè)字節(jié)，后為信息的內(nèi)容 |
| 8D77 | “起”的unicode編碼 |
| 52A8 | “動(dòng)”的unicode編碼 |
| 6210 | “成”的unicode編碼 |
| 529F | “功”的unicode編碼 |
同時(shí)利用串口通訊，編程實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)控制器的控制信息給定和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的反饋，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的信息給定和采集。
本系統(tǒng)已經(jīng)建好試驗(yàn)平臺(tái)，功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并經(jīng)過系統(tǒng)的測試，確保了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，以減少在惡劣工作環(huán)境中的故障率。
4 結(jié)束語
利用GSM的短消息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的最大好處在于它的靈活性，可在移動(dòng)環(huán)境下、惡劣環(huán)境下使用，可使用普通手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的接收，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)到多點(diǎn)的雙向控制，成本低廉[5]，尤其是像油田抽油機(jī)的惡劣的工作環(huán)境，更能節(jié)省很大的人力及物力。不過，SMS也有其不足之處，就是發(fā)送的信息量有限，穩(wěn)定性受網(wǎng)絡(luò)信號(hào)影響很大，因此，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要，現(xiàn)在正考慮采用GPRS作為信息傳輸平臺(tái)，采用上位機(jī)界面的方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和信息采集。
參考文獻(xiàn)：
[1]程龍興，胡協(xié)和，馮冬芹，黃文君.基于短消息的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器，2005(1).
[2]TLC0834C,8位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，武漢力源電子股份有限公司.
[3] 栗霖，路勇.基于GSM通信模塊的遠(yuǎn)程控制.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，19(7):25-26，28.
[4] Siemens Inc,MC35i Hardware Interface Description,2001.
[5] 張貴明.gsm/sms實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與報(bào)警的研究與設(shè)計(jì)，四川師范大學(xué)學(xué)報(bào).2004，1.
作者信息：
柴智淵, 殷天明, 郭 淳(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 , 北京 100044)
殷天明（1962－）， 男，高級(jí)工程師，北京交通大學(xué)碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)控制技術(shù)，電力電子技術(shù)與應(yīng)用，應(yīng)用電子技術(shù)，發(fā)表論文十多篇；郭淳（1983-）， 男，云南，北京交通大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殚_關(guān)磁阻電機(jī)控制技術(shù)，電力電子技術(shù)與應(yīng)用，應(yīng)用電子技術(shù)。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)