基于80C196KB的遠(yuǎn)程測(cè)控終端的設(shè)計(jì)

1 引 言

　　RTU（Remote Terminal Unit）即遠(yuǎn)程測(cè)控終端，是監(jiān)測(cè)、監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)的終端測(cè)控單元。SCADA系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號(hào)報(bào)警等功能，可以廣泛應(yīng)用于電力、水利、石油、化工、市政等行業(yè)中，用于地理環(huán)境惡劣無(wú)人值守的環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。整個(gè)SCADA系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干分散分布在各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)上的遠(yuǎn)程測(cè)控終端（RTU）和通信介質(zhì)三部分組成。RTU作為系統(tǒng)的獨(dú)立工作站點(diǎn)，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信，具有易擴(kuò)展性和易維護(hù)性的特點(diǎn)，而且自成體系，當(dāng)遠(yuǎn)程通信中斷時(shí)能獨(dú)立運(yùn)行，不影響對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控功能。

　　2 RTU的主要配置

　　RTU主要有兩種工作方式，自動(dòng)方式和手動(dòng)方式。自動(dòng)方式時(shí)，RTU的所有工作參數(shù)都由監(jiān)控中心定時(shí)或隨時(shí)設(shè)置，現(xiàn)場(chǎng)只能查詢(xún)不能修改；手動(dòng)方式時(shí)，RTU的所有工作參數(shù)都可以現(xiàn)場(chǎng)查詢(xún)和修改。一般來(lái)說(shuō)，手動(dòng)方式只是在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、檢修和系統(tǒng)通信長(zhǎng)時(shí)間中斷的情況下采用。無(wú)論是工作在自動(dòng)方式還是手動(dòng)方式，工作參數(shù)一經(jīng)設(shè)置，RTU就會(huì)自動(dòng)按照規(guī)定的流程和模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理、現(xiàn)場(chǎng)控制以及通信響應(yīng)。

　　RTU的主要配置有CPU板4鍵盤(pán)顯示板、I/O板、串行通信接口單元3以及通信設(shè)備、電源、機(jī)箱等。CPU板一般采用單片機(jī)、DSP等作為控制核心，CPU板所固化的程序決定了RTU的全部工作流程，包括現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集及處理方法、控制模式及功能、故障處理方式、遠(yuǎn)程通信協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)等，更新程序就可以使RTU滿(mǎn)足多種現(xiàn)場(chǎng)流程的要求。鍵盤(pán)顯示板用于實(shí)現(xiàn)RTU的人機(jī)對(duì)話功能，支持對(duì)RTU的現(xiàn)場(chǎng)操作控制，以保證RTU在系統(tǒng)通信中斷時(shí)能夠繼續(xù)監(jiān)控工作。為防止誤操作，鍵盤(pán)須加鎖或密碼管理，限定操作員級(jí)別。為適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況，顯示器件可以選擇采用LED數(shù)碼管或LCD液晶顯示器模塊等實(shí)現(xiàn)，I/O板上的I/O通道是RTU與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的接口，在
符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該具有多種結(jié)構(gòu)形式，以適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)類(lèi)型，如開(kāi)關(guān)量I/O通道、脈沖量I/O通道、模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道等。RTU串行通信接口單元一般至少要有兩個(gè)通信端口，以支持RTU與監(jiān)控中心、RTU與下級(jí)設(shè)備或RTU之間的通信。RTU的通信介質(zhì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及對(duì)象的要求，可以選擇為有線或無(wú)線。有線方式如電力線載波、RS-485總線、公共電話線網(wǎng)等，無(wú)線方式如VHF/UHF無(wú)線電臺(tái)、移動(dòng)電話網(wǎng)等。RTU支持的通信方式有監(jiān)控中心觸發(fā)的通信和RTU觸發(fā)的通信，監(jiān)控中心觸發(fā)的通信包括：（1）站點(diǎn)查詢(xún)。監(jiān)控中心周期性的、以一定的時(shí)間間隔、在一定的時(shí)限內(nèi)，對(duì)所有的RTU依次下達(dá)查詢(xún)命令，收集各站點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和信息。（2）站點(diǎn)控制。由監(jiān)控中心定時(shí)或隨機(jī)地向所有RTU（群控）或某個(gè)RTU（單控）下傳工作參數(shù)或控制命令，如RTU工作參數(shù)設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)/關(guān)控制等。（3）校對(duì)時(shí)間。監(jiān)控中心定期對(duì)所有RTU校對(duì)系統(tǒng)時(shí)間%以保證系統(tǒng)動(dòng)作的一致性。監(jiān)控中心觸發(fā)的通信具有較高的優(yōu)先響應(yīng)權(quán)。RTU觸發(fā)的通信包括：（1）響應(yīng)監(jiān)控中心的命令。根據(jù)監(jiān)控中心的命令格式上傳現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)和信息，或接收監(jiān)控中心下傳的工作參數(shù)和命令m并執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。（2）故障報(bào)警。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工作出現(xiàn)異常或故障時(shí)，由RTU主動(dòng)呼叫監(jiān)控中心，上傳現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息和故障信息。對(duì)于監(jiān)控中心來(lái)說(shuō)，對(duì)RTU的故障報(bào)警應(yīng)優(yōu)先響應(yīng)。（3）響應(yīng)下級(jí)設(shè)備或RTU的呼叫，接收它們的上傳信息，并進(jìn)行處理。（4）對(duì)下級(jí)設(shè)備或RTU下傳參數(shù)或命令。在SCADA系統(tǒng)中，RTU站點(diǎn)比較分散、站點(diǎn)多，與監(jiān)控中心的距離較遠(yuǎn)，通信的可靠性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要另外，RTU還應(yīng)具備一定的現(xiàn)場(chǎng)故障定位及其安全保護(hù)功能。

　　RTU的CPU板與其它功能板之間的連接可以采用總線板槽或扁平線接插件等方式，這樣的連接方式易于各模板的維修-更換和擴(kuò)展。下面結(jié)合RTU在城市路燈自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹它的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。

　　3 RTU的硬件電路設(shè)計(jì)

　　3.1 RTU在城市路燈自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　城市路燈自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)是微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)組成的主從式微機(jī)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中，以單片機(jī)為核心的測(cè)控終端（RTU）分布在各個(gè)街區(qū)的分控站點(diǎn)，直接對(duì)路燈進(jìn)行開(kāi)、關(guān)控制，控制方法靈活多樣，有整夜燈、半夜燈、回開(kāi)燈和自設(shè)燈等，既可以根據(jù)日出日落時(shí)間曲線自動(dòng)控制路燈開(kāi)/關(guān)，根據(jù)光照度和城市的特殊需要等隨時(shí)設(shè)置和修改任一支路的開(kāi)/關(guān)燈時(shí)間，還可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制開(kāi)/關(guān)燈控制，即不考慮各支路的開(kāi)/關(guān)燈時(shí)間設(shè)置，由監(jiān)控中心直接下達(dá)命令強(qiáng)制打開(kāi)或關(guān)閉全部站點(diǎn)或某一站點(diǎn)的全部或某一支路。同時(shí)，RTU還自動(dòng)定時(shí)檢測(cè)各路燈支路的工作電壓、電流，并通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊上報(bào)監(jiān)控中心，計(jì)算亮燈率，隨時(shí)掌握路燈的工作狀況，若路燈支路出現(xiàn)異常或故障，如電壓越限、電流越限、異常開(kāi)燈、支路開(kāi)關(guān)跳閘等，RTU不僅能及時(shí)檢測(cè)并向監(jiān)控中心報(bào)警，還可以根據(jù)故障類(lèi)型自動(dòng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，保證路燈支路安全、可靠地工作，監(jiān)控中心以工控計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)主機(jī)，能夠根據(jù)城市所在的經(jīng)緯度自動(dòng)生成每日的開(kāi)/關(guān)燈時(shí)間曲線，定時(shí)（自動(dòng)）或隨機(jī)（手動(dòng)）對(duì)各路點(diǎn)的路燈控制方式、燈控時(shí)間等工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，提取各支路的電壓/電流值、故障、燈態(tài)等信息，并進(jìn)行存儲(chǔ)、匯總、計(jì)算、報(bào)警和打印等處理，城市路燈自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1 城市路燈自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖3.2 RTU硬件電路設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，RTU主要由80C196KB單片機(jī)、程序存儲(chǔ)器（EPROM）、非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（NVRAM）、日歷時(shí)鐘、鍵盤(pán)顯示電路、看門(mén)狗及復(fù)位電路、RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口、繼電器控制電路、電壓/電流信號(hào)采集電路、無(wú)線數(shù)傳模塊、天線等組成，能同時(shí)對(duì)8條路燈支路進(jìn)行控制，另外，RTU還具有4路開(kāi)關(guān)量和2路脈沖量輸入通道，以備系統(tǒng)擴(kuò)展。

　　圖2 RTU組成原理框圖

　　RTU采用單片機(jī)為控制核心，配以32K程序存儲(chǔ)器。80C196KB是16位單片機(jī)，內(nèi)帶8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（具有采樣/保持電路），A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端與8位并行數(shù)字輸入口P0共享引腳。在RTU的硬件電路中，選擇AD0通道作為模擬輸入，其余的7條口線作為數(shù)字輸入口線，用于擴(kuò)展開(kāi)關(guān)量輸入通道。

　　日歷時(shí)鐘采用DS12C887提供精確的時(shí)鐘信號(hào)，包括年、月、日，能產(chǎn)生秒或分定時(shí)中斷，以判斷是否到開(kāi)燈或關(guān)燈時(shí)間，從而保證準(zhǔn)確地按照開(kāi)/關(guān)燈時(shí)間曲線對(duì)路燈進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制。為了使整個(gè)路燈系統(tǒng)同步動(dòng)作，監(jiān)控中心定時(shí)對(duì)所有站點(diǎn)的RTU進(jìn)行GPS校時(shí)。

　　非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)存放RTU的所有工作參數(shù)、實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)狀態(tài)和故障信息，以保障系統(tǒng)在掉電或通信中斷的情況下信息不丟失，并在電源恢復(fù)正常后能繼續(xù)正常工作。

　　鍵盤(pán)顯示電路包括一個(gè)4×4鍵盤(pán)和一個(gè)4行16字符的圖形液晶顯示器。以?xún)杉?jí)菜單、全漢化的方式實(shí)現(xiàn)RTU工作參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等的在線修改與查詢(xún)。

　　電壓/電流信號(hào)采集電路由3路電壓互感器、8路電流互感器和信號(hào)調(diào)理電路等組成，實(shí)現(xiàn)3相交流電壓、8條支路電流的實(shí)時(shí)采集。互感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后，轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號(hào)，經(jīng)多路開(kāi)關(guān)切換后，依次送單片機(jī)的AD0通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

　　繼電器控制電路主要由8路繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。經(jīng)8位并行端口與單片機(jī)連接，接收控制信號(hào)，通過(guò)交流接觸器控制路燈的開(kāi)、關(guān)動(dòng)作。

　　RTU與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程通信采用了VHF/UHF無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)通信的方式。無(wú)線數(shù)傳模塊通過(guò)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口與單片機(jī)相連，配以定向天線，發(fā)射功率和天線高度根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)覆蓋范圍要求及其環(huán)境條件選擇。4 RTU軟件設(shè)計(jì)

　　80C196KB單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器在采用8MHz晶體時(shí)，轉(zhuǎn)換周期約22μs，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)控制和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，都是通過(guò)寄存器操作完成，轉(zhuǎn)換結(jié)束判斷選擇采用查詢(xún)方式。RTU對(duì)所有支路采集一次電壓/電流的時(shí)間周期可以用軟件設(shè)置，默認(rèn)為3min。

　　RTU現(xiàn)場(chǎng)采集的是交流信號(hào)，路燈支路的工作電壓和電流，只有有效值測(cè)量才具有實(shí)際意義。因此，采用了交流采樣的方法"即在交流信號(hào)的一周期內(nèi)，等間隔采樣N個(gè)瞬時(shí)值，用軟件計(jì)算電壓/電流的有效值。電壓/電流的有效值計(jì)算公式如下：

　　系統(tǒng)中，RTU分布在全市的各分控點(diǎn)上，環(huán)境條件比較復(fù)雜，存在著各種各樣的干擾，為了提高數(shù)據(jù)采集的可靠性和精確度，在軟件設(shè)計(jì)上采用了數(shù)字濾波的方法，連續(xù)采集5個(gè)周期的數(shù)據(jù)，計(jì)算出5個(gè)有效值，然后進(jìn)行平滑濾波處理，即去掉最大值和最小值，對(duì)其余數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，作為實(shí)時(shí)有效值。

　　RTU的無(wú)線數(shù)傳模塊傳送速率為1200bps，工作在半雙工方式，除了響應(yīng)監(jiān)控中心的命令上傳數(shù)據(jù)或故障報(bào)警時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)外，其它時(shí)間都處于接收狀態(tài)，準(zhǔn)備接收監(jiān)控中心的命令。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，數(shù)傳模塊由發(fā)送到接收狀態(tài)的可靠轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以，編程時(shí)在最后字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后應(yīng)先執(zhí)行一段延時(shí)程序，然后再切換到接收狀態(tài)，否則最后字節(jié)數(shù)據(jù)無(wú)法正常傳輸，延時(shí)時(shí)間可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

　　為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，一方面在數(shù)據(jù)傳送前，監(jiān)控中心和通信站點(diǎn)RTU之間先進(jìn)行呼叫聯(lián)絡(luò)，聯(lián)絡(luò)成功則傳送后續(xù)命令或參數(shù)。否則，若5s內(nèi)無(wú)正確回應(yīng)，重新呼叫，若連續(xù)3次聯(lián)絡(luò)失敗，就認(rèn)為通信暫時(shí)失敗，記錄信息。另一方面，由于數(shù)據(jù)傳送命令類(lèi)型多、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不定，在傳送過(guò)程中，信息采用如下幀格式。

　　標(biāo)識(shí)碼，表示信息幀的開(kāi)始。

　　RTU地址及其反碼，用于RTU地址校驗(yàn)及目標(biāo)站點(diǎn)識(shí)別。

　　數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及其反碼，用于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度校驗(yàn)，后續(xù)命令和參數(shù)按照長(zhǎng)度字節(jié)來(lái)接收。

　　校驗(yàn)碼，是對(duì)應(yīng)于命令碼和參數(shù)字節(jié)的校驗(yàn)，系統(tǒng)中采用了累加和的校驗(yàn)方法。為了避免累加和字節(jié)與標(biāo)識(shí)碼字節(jié)沖突，發(fā)送和接收時(shí)規(guī)定，當(dāng)累加和字節(jié)等于標(biāo)識(shí)碼時(shí)，累加和取其反碼，否則累加和字節(jié)正常傳送。

　　在數(shù)據(jù)尾加入的10字節(jié)數(shù)據(jù)“00H”無(wú)實(shí)際意義。它的作用在于避免通信過(guò)程中由于數(shù)據(jù)丟失致使RTU處于“長(zhǎng)收”狀態(tài)。

　　RTU在接收數(shù)據(jù)過(guò)程中，三部分經(jīng)校驗(yàn)均無(wú)誤后，向監(jiān)控中心回送接收正確聯(lián)絡(luò)碼，否則，認(rèn)為此次數(shù)據(jù)無(wú)效，回送接收錯(cuò)誤聯(lián)絡(luò)碼，要求監(jiān)控中心重發(fā)，三次傳送均失敗后，認(rèn)為該站點(diǎn)通信失敗，監(jiān)控中心暫停與該站點(diǎn)的通信。

　　9 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程測(cè)控終端（RTU），采用80C196系列單片機(jī)作為控制核心，充分利用了單片機(jī)的資源，運(yùn)行速度快A集成度高，集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理、現(xiàn)場(chǎng)控制與工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程通信于一體，可靠性強(qiáng)，適合于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。該RTU還可以應(yīng)用于電力、石油、水利等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與控制，應(yīng)用前景廣闊。