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關鍵詞: MC35I; SMS; 開關磁阻電機控制器；遠程控制
柴智淵（1983－）
男，北京交通大學碩士研究生，研究方向為開關磁阻電機控制技術、電力電子技術與應用、應用電子技術。
1 引言
GSM網絡是目前國內覆蓋范圍最廣，應用最普遍的無線通信網絡，具有覆蓋面廣、可靠性高、延時短等特點。其中短消息業務(SMS)使用GSM網絡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務中心（SMSC）存儲和發送的，短消息業務在GSM網絡中以數據報的方式在移動設備（MS）和短消息業務中心（SMSC）之間交換用戶數據，當出現網絡故障使用戶數據不能到達對端的移動臺（MS）時，SMSC對短消息進行存儲，在網絡故障恢復時轉發短消息，實現了對用戶數據的保護。每個短消息的信息量最高為140個8位組，當使用7-bit編碼時，可以最多發送160個字符，因此特別適用于單個業務數據量不大、但數據控制點多的遠程控制系統。本文以油田抽油機為實際應用背景，介紹了基于GSM短消息業務的開關磁阻電機調速系統遠程控制的架構和具體實現。
2 系統結構
本系統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磁阻電機調速系統工作狀態采集，采用的是8位逐次逼近模數轉換器，用于控制信息的給定采用的是12位串行數模轉換器，同時擴展了外部存儲器。具體框圖如圖1所示。
圖1 系統框圖
2.1 開關磁阻電機
開關磁阻電機（SRM）是調速系統中實現機電能量轉換的部件，為雙凸極可變磁阻電動機，其定轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組可串聯或并聯構成一對磁極，稱為“一相”。SRM可以設計成多相結構，且定、轉子的極數有多種不同的搭配。相數多，步距角小，有利于減小轉矩脈動，但結構復雜，且主開關器件多，成本高。因此電機定、轉子的極數應當按使用的場合合理確定。
2.2 開關磁阻電機調速系統
開關磁阻電機調速系統是控制開關磁阻電機的中樞,作用是綜合處理速度指令、速度反饋信號及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關器件的工作狀態，同時檢測故障信號等，以實現對SRM運行狀態的控制。主要由功率變換器、控制器、位置檢測器等部分構成。
2.3 SRD工作狀態的采集過程
SRD工作狀態的采集過程負責對從電機的調速系統（SRD）中采集啟停信息、正反轉信息、轉速信息、過壓、過流信息等，對于信息的處理我們采用的芯片是8位逐次逼近模數轉換器TI公司的4通道串行A/D轉換芯片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。由該芯片的工作時序可知，TLC0834在輸出以最高位（MSB）開頭的數據流后，由以最低位（LSB）開頭重輸入一遍前面的數據流。DI端只在多路器尋址時被檢測，而此時DO端仍為高阻狀態，經過一個時鐘周期后，DO端才開始在時鐘上升沿時讀出數據，所以，在設計電機調速系統工作狀態的信息采集電路時，為了節省I/O資源，采用單片機AT89C51的一個I/O口連接DO和DI來實現。
2.4 控制信息的給定過程
故障信息出現時，為了及時對電機的主控制器進行調整，例如改變電機的轉速，由于轉速信號是電壓模擬量，因而選用MAXIM公司的12位串行D/A芯片MAX539，它具有低功耗的優點，為MAX539提供基準電壓的是MAX873，輸出電壓+2.5V，從而限定了MAX539的電壓輸出范圍是0~+2.5V，可外接一個比例運算放大器用于準確的調整轉速，實現對故障信息的處理。
2.5 單片機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MC35i模塊啟動后，經過幾秒的延時，模塊開始搜索網絡，這時需要超過2A的驅動電流，如果驅動不足，會引起模塊的突然掉電；因此這里選擇TI公司的穩壓芯片LM2576，電壓穩定在4V左右，最大提供電流為3A，可以避免當模塊搜索網絡時驅動電流不足的問題，但在實驗中發現仍會出現有時模塊掉電的現象，所以在電壓輸出端并聯一個大電容,起蓄流的作用,也能起到提高驅動電流的作用，解決了這個問題。
(2) 單片機與通信模塊的通信過程
單片機與通信模塊是通過串口通信的方式進行信息傳輸的，如圖2，通信模塊MC35i的16～23引腳數據輸入/輸出端的8個引腳分別為DSR0，RING0，RXD0，TXD0，CTS0，RTS0，DTR0，DCD0，它有固定的參數：8位數據位和1位停止位，無校驗位，波特率在300～115000bps之間可以選擇，為了和開關磁阻電機調速系統正常地進行通信，這里選擇1200bps作為數據傳輸的波特率，硬件握手信號用RTS/CTS，模塊串口支持標準的AT命令集。單片機的串口要和MC35i模塊串口相連，但由于MC35i 模塊的串口高電平是3.3V，單片機的串口高電平為5Ｖ，因此16～23腳不能直接和單片機相連，采用TI公司的電平轉換芯片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腳會輸出高電平，如果插入異常，CCIN引腳會維持低電平，模塊會在CCCLK的周期下定時檢測SIM卡，因此CCIN腳會定時出現一個跳變；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模塊就會默認為SIM卡永遠存在，避免了對SIM卡檢測的過程。
圖2 通信模塊外圍接口電路
３ 系統功能實現
3.1 實現的功能流程
本系統實現的設計流程框圖如圖3所示：其中用戶端采用手機設備，利用中國無線通信網絡和遠程控制系統的SIM卡建立數據聯系通道，向應用于油田抽油機的開關磁阻電機發送控制信息，控制其啟動停止、設定轉速等參數；同時又接受來自開關磁阻電機的運行狀態、故障信息等參數，實現遠程控制的目的。如圖3所示。
圖3 系統實現的設計流程
在本系統中，用戶主要通過短消息的方式來向遠程電機發送信息，通過已經設定好的特定信息內容代表特定的指令，如用戶發送“1234500”，則代表起動電機，如發送“12345110500”，則代表設定電機的轉速為500轉/min等。當然信息內容也可以設定為中文的內容，如發送“起動”代表起動電機，更為直觀簡潔。本設計采用這種中文的方式來進行控制。
收發短消息一共有三種模式，Block Mode，TEXT Mode，PDU Mode。Block Mode需要手機廠家提供驅動支持，使用TEXT Mode收發短信代碼簡單，實現起來十分容易，但最大的缺點是不支持中文，目前PDU Mode已經取代了Block Mode，并且支持中英文短信，因而相對于Block Mode和TEXT Mode有很大的優勢，應用也最廣泛。但三種模式的發送方式都是采用AT命令來實現。
賀氏公司是最早生產調制解調器的廠商，那時的調制解調器用到AT指令，后來的廠商生產的調制解調器都與賀氏公司兼容，所以發送命令給調制解調器時，必須用到AT指令，MC35i通信模塊其實也是調制解調器，單片機和MC35i模塊通信必須用到AT指令。AT命令的基本格式是：AT+命令字符及相關參數+回車符，AT是幀頭。
對于本系統用到AT指令主要有（如表１所示）：
表１ 系統所用ＡＴ指令
| AT+CMGS | 發送短消息 |
| AT +CMGW | 寫短消息并保存在存儲器中 |
| AT+CMGD | 刪除保存的短消息 |
| AT+CMGF | 選擇短消息的格式 |
| AT+CSCA | 提供短消息服務中心的號碼 |
| AT+CMGR | 讀取保存的短消息 |
| AT&F | 設置出廠默認值 |
| ATE | 是否可見輸入字符 |
| AT+IPR | 設置數據終端設備速率 |
發送AT指令要以ASICII碼的形式，每一條AT指令之后，都要加回車符，串口返回的應答信號也是ASICII碼的格式。比如‘A’的ASCII編碼為41H，‘T’的ASCII編碼為54H，數字‘0’的ASCII編碼為3OH等。
3.2 軟件設計
軟件的設計主要采用節約單片機資源和實現功能的原則，進行最小化的設計，實現遠程控制和信息的基本功能，同時又給其它信息處理留出了空間。
系統初始化是設置單片機的波特率為1200 bps（保證和開關磁阻電機控制器單片機正常通信），并設置工作方式為1，并設置7、8秒的延時以保證模塊正常的搜索到網絡，然后初始化模塊MC35i，設置通過發送AT命令來執行。首先發送AT，若模塊返回“OK”，表明單片機和MC35i模塊連接正確，設置短消息中心發送AT+CSCA=“+8613800100500”（以北京為例）指令，然后發送“AT+CMGF=0”指令設置短消息的格式為PDU方式，在PDU模式下，可以采用三種編碼方式對發送的內容進行編碼，它們分別為7bit編碼，8bit編碼和UCS2編碼。7bit編碼用于發送普通的ASICII字符，它將一串7bit的字符（最高位為0）編碼成8bit的數據，每8個字符可壓縮成7個；8bit編碼常用于發送數據信息，如圖片和鈴聲等；而UCS2編碼用于發送Unicode字符；本系統中采用的是UCS2編碼方式，以用戶端發送中文“起動”后，遠程控制接受到編碼進行處理，并發送“起動成功”給用戶端為例，來說明該編碼的方式，則要發送的過程如下：
首先對發送的數據進行編碼，然后發送“AT+CMGS=20”，等待從網絡接收到“<”，在后面緊跟編碼后的數據為：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 | 短信息中心號碼類型，91是TON/NPI遵守International/E.164標準，指在號碼前需加“+”號 |
| 683108101005F0 | 短信息中心號碼。由于位置上略有處理，實際號碼應為：8613800100500（北京為例） |
| 11 | 固定格式不動代表PDU格式 |
| 00 | 信息類型，消息基準值 |
| 0B | 被叫號碼長度 |
| 91 | 被叫號碼類型 |
| 3164216959F1 | 目的號碼（位置上作了處理） |
| 00 | 普通GSM類型，點到點方式 |
| 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的時間是24小時 |
| 08 | 有8個字節，后為信息的內容 |
| 8D77 | “起”的unicode編碼 |
| 52A8 | “動”的unicode編碼 |
| 6210 | “成”的unicode編碼 |
| 529F | “功”的unicode編碼 |
同時利用串口通訊，編程實現遠程控制系統和開關磁阻電機控制器的控制信息給定和電機運行狀態的反饋，實現遠程的信息給定和采集。
本系統已經建好試驗平臺，功能已經實現，并經過系統的測試，確保了系統的可靠性和穩定性，以減少在惡劣工作環境中的故障率。
4 結束語
利用GSM的短消息實現遠程控制的最大好處在于它的靈活性，可在移動環境下、惡劣環境下使用，可使用普通手機實現遠程控制和電機運行狀態的接收，可實現多點到多點的雙向控制，成本低廉[5]，尤其是像油田抽油機的惡劣的工作環境，更能節省很大的人力及物力。不過，SMS也有其不足之處，就是發送的信息量有限，穩定性受網絡信號影響很大，因此，根據實際的應用需要，現在正考慮采用GPRS作為信息傳輸平臺，采用上位機界面的方式來實現遠程控制和信息采集。
參考文獻：
[1]程龍興，胡協和，馮冬芹，黃文君.基于短消息的遠程數據采集系統.儀表技術與傳感器，2005(1).
[2]TLC0834C,8位串行控制模數轉換器，武漢力源電子股份有限公司.
[3] 栗霖，路勇.基于GSM通信模塊的遠程控制.工業控制計算機，2006，19(7):25-26，28.
[4] Siemens Inc,MC35i Hardware Interface Description,2001.
[5] 張貴明.gsm/sms實現遠程控制與報警的研究與設計，四川師范大學學報.2004，1.
作者信息：
柴智淵, 殷天明, 郭 淳(北京交通大學電氣工程學院 , 北京 100044)
殷天明（1962－）， 男，高級工程師，北京交通大學碩士生導師，研究方向為開關磁阻電機控制技術，電力電子技術與應用，應用電子技術，發表論文十多篇；郭淳（1983-）， 男，云南，北京交通大學碩士研究生，研究方向為開關磁阻電機控制技術，電力電子技術與應用，應用電子技術。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號