變電站自動化控制的藍牙解決方案

   摘要：將藍牙技術(shù)應(yīng)用工業(yè)控制的現(xiàn)場，是一種比較大膽的設(shè)想。本文就藍牙在變電站自動化控制方面的應(yīng)用作一探討，并簡要介紹CSR公司單片藍牙產(chǎn)品BlueCore01。

    關(guān)鍵詞：藍牙 無線通信 數(shù)據(jù) 變電站 自動化

引言

藍牙技術(shù)是用微波無線通信技術(shù)取代數(shù)據(jù)電纜來完成點對點或點對多點短距離通信的一種新型無線通信技術(shù)。利用藍牙，可以將需要數(shù)據(jù)和語音通信的各個設(shè)備之間連成一個PICONET網(wǎng)（即微微網(wǎng)），或?qū)讉€PICONET網(wǎng)進一步互連，組成一個更大的SCATTERNET網(wǎng)（即分布式網(wǎng)絡(luò)）。

在工業(yè)現(xiàn)場中，短程的無線連接有著廣泛的應(yīng)用需求，但一直沒有一個很好的解決方案。紅外無線連接，由于距離太短，且必須在同一直線上，中間不能有任何障礙物等不足，而限制了它的應(yīng)用。將藍牙技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場，用微波取代紅外，既克服了紅外缺點，又降低了施工的難度和建設(shè)成本，是一種有創(chuàng)造性的設(shè)想。下面我們就變電站自動化控制方面的現(xiàn)狀，探討引入藍牙的可行性。

在變電站現(xiàn)場中，最下層是進行測量、轉(zhuǎn)換和控制的儀表。它們采集各個變壓器的數(shù)據(jù)，返回上位機進行處理，或接收上位機發(fā)送來的控制命令和控制參數(shù)。目前這些數(shù)據(jù)通信是由串口（RS232或RS245接口）通信實現(xiàn)的。但其麻煩的走線以及抵抗惡劣環(huán)境、電磁和無線電干擾所需要的物理保護和電磁屏蔽帶來的諸多不便，使得工業(yè)環(huán)境中要求長時間、連續(xù)、可靠、完整地傳送數(shù)據(jù)不能得到保證。對于這種多點對單點的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，完全可以用藍牙PICONET網(wǎng)來替換。其優(yōu)點表現(xiàn)在：

①取代了大量短程連接所用的電纜，尤其是電纜無法到達的地方，藍牙具有更大的優(yōu)勢；

②以前的應(yīng)用程序可以不做任何或很小的修改，升級成本?。?/P>

③降低變電站建造成本，這也是藍牙技術(shù)的一個顯著特點；

④由于藍牙設(shè)備本身的功耗十分小（最大不過100mW），因此藍牙設(shè)備的射頻不會對其它設(shè)備造成影響。

1 BC01芯片和開發(fā)工具BLUELAB介紹

BC01(BlueCore01)是CSR（Cambridge Silicon Radio）公司設(shè)計的一款單片藍牙產(chǎn)品。它集無線設(shè)備、微處理器及其帶電路于一體，采用標(biāo)準(zhǔn)的0.35μm的CMOS工藝。通過外圍的存有藍牙協(xié)議的Flash ROM，可提供完全兼容的數(shù)據(jù)和語音通信。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，所需的外部RF元件很少，允許主板的快速設(shè)計，因此能以最低的成本，實現(xiàn)最短的產(chǎn)品面市時間。

其主要特點如下：

①符合BluetoothV1.1規(guī)范；

②帶有USB和UART主接口；

③可編程的PCM接口，支持13-Bit 8kss -1雙向串行的同步語音傳輸；

④內(nèi)含的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可進行線性PCM（脈沖編碼調(diào)制）、A律PCM、μ律PCM和CBSD（連續(xù)變化斜率增量調(diào)制）間的相互轉(zhuǎn)換，編解符合高至HCI層的藍牙控制協(xié)議；

⑤采用3.15V單電源供電，支持PART、SNIFF、HOLD多種節(jié)電模式；

⑥支持所有的包類型以及多達7個從設(shè)備的微微網(wǎng)（Piconet）；

⑦芯片內(nèi)含鏈路控制、鏈路管理、HCI以及可選的L2CAP、RFCOMM、SDP等多層軟件協(xié)議棧，可以直接使用；

⑧提供VM（Virtual Machine）機制。內(nèi)嵌16位的RISC微處理器，運行協(xié)議棧的同時還可以運行下載到Flash ROM中的用戶程序，實現(xiàn)真正意義上的單芯片。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

Bluelab是專門針對BlueCore的仿真開發(fā)系統(tǒng)，它在PC上模擬BlueCore01的環(huán)境，從而方便開發(fā)基于BlueCore01上運行的應(yīng)用程序。它包括了Compiler、Emulator/Debugger、Documentation以及一些源代碼例子。Bluelab還提供了藍牙協(xié)議棧BlueStack，支持SDP、L2CAP和RFCOMM等高層協(xié)議。用戶可以通過UART/USB接口來調(diào)用BlueStack，也可以通過虛擬機（VM）來訪問BlueStack。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

整個系統(tǒng)分為前端數(shù)據(jù)采集和PC端數(shù)據(jù)管理兩大部分。

前端數(shù)據(jù)采集框圖如圖2所示。

由于BC01內(nèi)部資源及引腳有限，因此前端的數(shù)據(jù)采集和控制由單片機80C196來完成，其串口與BC01的串口連接，BC01作為一個數(shù)據(jù)傳送通道。這樣做的優(yōu)點是：不需要改動原來的程序，便于對基于RS232、RS245結(jié)構(gòu)的老系統(tǒng)進行改造。變壓器上的高電壓大電流首先要轉(zhuǎn)變成可供采集的安全電壓（0～5V），經(jīng)A/D變換后由16位的單片機80C196讀入，進行相應(yīng)的計算處理后，送入BC01。BC01將數(shù)據(jù)打包后，通過與MASTER建立的空中連接發(fā)送PC。同時，BC01也會接收PC發(fā)來的控制命令，送至單片機，由單片機分析后控制相應(yīng)的閘刀做出動作。

整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

連接PC的BC01作為主機，它會自動搜索其查詢范圍內(nèi)的藍牙設(shè)備，將所查詢到的藍牙設(shè)備作為從機加入PICONET網(wǎng)。因為每塊從機都有唯一的BD_ADDR（Bluetooth Device address），因此，主機可以區(qū)分識別每一個從機并對其進行控制。

3 軟件結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計是基于L2CAP層進行開發(fā)的，從機功能是接受主機的查詢、連接請求，或者詢到已存在的PICONET后，將自己加入PICONET。從機的功能簡單，全部程序代碼可以放在BC01的Flash ROM中運行。主機由于要負(fù)責(zé)管理整個PICONET，并對各個從機進行控制和管理，這使BC01提供的資源已不能滿足。因此將L2CAP協(xié)議層以上的軟件放在PC上運行，并通過HCI接口與PC通信。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

結(jié)語

在變電站現(xiàn)場，中心控制室與各個變壓器的距離100m以內(nèi)。目前大功率的藍牙芯片已經(jīng)可以達到100m的覆蓋范圍，完全滿足實際應(yīng)用。此套方案的實驗室聯(lián)機調(diào)試已經(jīng)完成，達到初步設(shè)計要求。下一步是將此套方案應(yīng)用到實際的變電站現(xiàn)場，進行現(xiàn)場調(diào)試，對系統(tǒng)進一步完善。