远程抄表系统的体系结构
基于Web的远程抄表系统的体系结构如图1所示(以电表为例)。
图1 基于Web的选程秒表系统的体系结构
它由三个部分组成，分别是抄表客户端程序、数据集中器以及分布在各家各户的电表。抄表流程如下：首先由抄表人员使用抄表客户端程序向数据集中器以HTTP协议的形式发送抄表请求，该请求通过因特网到达数据集中器后，会首先被一个嵌入式Web服务器进行处理。嵌入式Web服务器将返回一个HTML文件给客户端，要求用户输入命令类型(例如，是抄数据还是执行相关控制操作)、电表编号以及附加数据。当用户填完表单后，这些数据将依照HTTPPOST协议发送给数据集中器中的嵌入式Web服务器。随后，相关的命令和数据参数抽取出来，送给数据集中器的控制模块。控制模块将对命令参数进行判断和安全性检查，然后生成相应的命令元组，以便控制和读取数据。电表通信模块完成与电表之间的通信任务，负责将命令元组发送给电表，并读取执行结果。当执行抄表操作时，数据将被电表通信模块以数据元组的方式返回给控制模块，然后按照固定格式被组装为一个字符串，并交给嵌入式Web服务器。嵌入式Web服务器将这些数据插入到预先设计好的HTML文件模板中，随后将其通过因特网返回给客户端的抄表程序。
硬件设计
从图1中可以看出，数据集中器是系统中的关键部分，一方面它需要按照《DL/T64521997：多功能电能表通信规约》通过RS485总线从电表处采集数据，并执行各种控制任务；另一方面它必须能够解释以HTTP形式发送过来的控制命令，并将执行结果以HTML文件的形式返回给抄表客户端。
本文在进行硬件设计的时候采用了基于IP核的设计方法，并将数据集中器的大部分功能在单个FPGA芯片上予以实现。设计电路原理图之前，必须根据系统需求选择合适的IP核。所谓IP核，是指那些以硬件形式(硅片版图)或者软件形式(用Verilog、VHDL描述的RTL或者门级模型)存在的、具有特定功能的硬件电路。IP核通常分为硬核、固核与软核三种。根据系统的硬件开发环境以及性能需求，本文选择了Altera公司开发的一系列软核产品，它们是用Verilog语言所描述的硬件模块，允许用户根据需要对各种参数进行配置，如数据通路带宽、优先进行速度优化还是资源优化等，因而应用非常灵活。系统所用到的软IP核产品有Nios CPU、ROM、RAM、定时器、通用异步收发器UART，以及用于外部功能扩展的Avalon总线模块，并将Nios CPU配置为32位字长模式，拥有256个通用寄存器，工作频率33MHz；UART配置为14400bPs的波特率，8位数据位，2位停止位，无奇偶校验。在确定了IP核并进行相应设置后，需要设计系统的电路原理图。图2表示了由各个IP模块组成的数据集中器内部硬件结构，其中的ROM用于存放用户程序，RAM作为程序运行时的存储空间，定时器为实时操作系统提供时钟中断功能，外部总线接口和UART负责与系统外部进行通信。它们将通过一条内部总线与Nios CPU相连，这样就构成了一个完整的嵌入式硬件系统。设计电路图后的下一步工作是选择合适的实现载体。基于IP核的设计方法通常使用FPGA芯片或者直接在硅片上实现。本文采用的是Altera公司APEX20KE系列FPGA芯片，能提供8000个左右的逻辑块资源和多达400Kb左右的ROM和RAM存储空间。由于FPGA芯片具有可反复更改的特性，因此有助于硬件系统的改进和不断升级。另外，通过对通信接口进行重构，例如将UART改为CAN总线控制器，可以使系统能与更多的硬件环境兼容。