基于DSP和CAN總線的RTU的設(shè)計(jì)

     摘要：介紹了基于DSP 和CAN 現(xiàn)場總線的分布式新型變電站RTU 的設(shè)計(jì)方案。該RTU 分為通信主控模塊和信號測控模塊， 介紹了這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法及CPLD 技術(shù)在這兩個(gè)模塊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)RTU 軟件時(shí)，采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)方法。

　　遠(yuǎn)程測控終端（RTU） 作為體現(xiàn)“ 測控分散、管理集中” 思路的產(chǎn)品從20 世紀(jì)80 年代起介紹到中國并迅速得到廣泛應(yīng)用， 應(yīng)用在變電站上的RTU 主要是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場電力參數(shù)的遠(yuǎn)程采集與控制命令的遠(yuǎn)程發(fā)布， 并將信息或結(jié)果組裝成報(bào)文， 上送到控制中心或調(diào)度端?？v觀國內(nèi)外的RTU 產(chǎn)品， 逐步從集中式控制結(jié)構(gòu)向模塊化、分散式、開放性的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)發(fā)展。由于變電站的數(shù)據(jù)量和信息量大， 實(shí)時(shí)性要求高， 因此將具有強(qiáng)大、高效的運(yùn)算能力和豐富外圍接口電路的DSP 應(yīng)用于RTU 的設(shè)計(jì)方案； 同時(shí)引入了開放性結(jié)構(gòu)的CAN 現(xiàn)場總線引入， 運(yùn)用于變電站現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信并由它組成了一個(gè)開放、可靠和實(shí)時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　RTU 系統(tǒng)采用以DSP 為微處理器、CAN 為現(xiàn)場通信總線的分布式模塊化結(jié)構(gòu)。由于分布式模塊化結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)功能分解， 能根據(jù)需要進(jìn)行集中組拼和分散安裝，因而系統(tǒng)具有很好的靈活性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　RTU 可以分為通信主控模塊和信號測控模塊。CAN總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的通信。信號測控模塊一方面監(jiān)測遠(yuǎn)方變電站斷路器（ 開關(guān)） 位置、刀閘位置、有載調(diào)壓變壓器分接頭的位置、事故變位信號、告警信號等（ 遙信） ，同時(shí)監(jiān)測主變、線路的有功功率、無功功率、電壓、電流、功率因數(shù)、有功電度、無功電度、主頻等（ 遙測） 并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電參量； 另一方面把上位機(jī)或調(diào)度中心下達(dá)的命令通過信號測控模塊的控制信號輸出端口用以控制斷路器的分、合位置， 有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置（ 遙控和遙調(diào)） 。

　　考慮到RTU 的通用性和靈活性， 通信主控模塊設(shè)有多種通信端口模式：

　?。?）CAN 總線， 與下位信號測控模塊相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的請求與命令發(fā)布；（2）RS232 端口， 實(shí)現(xiàn)與PC 的通信， 將RTU 處理后的數(shù)據(jù)交與PC 機(jī)作進(jìn)一步處理或由PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與控制；（3） 遠(yuǎn)方通信端口， 用來與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行通信；（4）RS485 端口， 用來實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的RTU 設(shè)備或其他下位智能儀表接口相兼容。

　　2 通信主控模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

　　采用內(nèi)置CAN 控制器的TMS320LF2407A （ 簡稱LF2407A） 作為通信主控模塊的處理核心， 用ALTERA 公司的MAX7000S 系列的EPM7128STC100-7 CPLD 集成了處理器外圍數(shù)字電路， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。從功能上通信主控模塊分為三個(gè)部分：CAN 總線接口部分； 并串轉(zhuǎn)換部分； 鍵盤顯示部分和掉電數(shù)據(jù)保存部分。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　由于LF2407A 內(nèi)部集成CAN 總線控制器， 因此不必外加CAN 控制器來實(shí)現(xiàn)CAN 總線的底層協(xié)議， 只需在CAN 輸出端子和物理通道之間加上抗干擾的光隔和CAN 總線收發(fā)器即可。光隔采用TI 的8 腳雙通道高速光隔HCPL2631 ，CAN 收發(fā)器選用PHILIPS 公司的具有多種保護(hù)和抗干擾能力的PCA82C250 差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器作為總線接口， 為了更好的解決射頻干擾問題， 通信介質(zhì)采用屏蔽電纜， 為了克服長線效應(yīng)， 減小通信介質(zhì)中信號的反射， 在傳輸線兩端并聯(lián)2 個(gè)120 Ω 的匹配電阻。

　　該通信主控模塊系統(tǒng)有多個(gè)串行口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， 通信實(shí)時(shí)性要求也較高， 利用通用的I/O 口線來構(gòu)成串口在這里不適用， 選用具有四個(gè)異步通信單元的TL16C554A 芯片實(shí)現(xiàn)并-串轉(zhuǎn)換。由于PC、遠(yuǎn)方通信端口都是RS232 端口， 同時(shí)為了能夠與傳統(tǒng)的485 設(shè)備兼容， 因此采用MAX232 芯片，MAX 1482 芯片將TL16C554A 串口輸出信號的TTL 電平轉(zhuǎn)化成RS232、RS485 電平。

　　為了保持通信主控模塊在功能上具有一定的獨(dú)立性， 選擇自帶T6963C 控制器漢字液晶顯示器模塊和4個(gè)按鍵一起構(gòu)成人機(jī)接口界面。顯示器對系統(tǒng)的通信狀態(tài)進(jìn)行顯示，4 個(gè)按鍵完成用戶功能的設(shè)定， 包括模塊的地址、各種通信端口的波特率等。X5045 是為了在系統(tǒng)掉電時(shí)將一些系統(tǒng)參數(shù)保存起來， 當(dāng)系統(tǒng)再次起動(dòng)時(shí)就可以重新調(diào)入這些數(shù)據(jù)。擴(kuò)展的高速靜態(tài)RAM 作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和調(diào)試程序存儲(chǔ)空間。

　　3 信號測控模塊的電路設(shè)計(jì)

　　信號測控模塊的主要采集對象有： 經(jīng)過外部電壓和電流互感器轉(zhuǎn)化后的0~100 V 標(biāo)準(zhǔn)三相交流電壓和0~5 A 三相相電流； 反映變電站線路狀態(tài)及保護(hù)運(yùn)行的開關(guān)量； 功率表脈沖量。按照信號的分類， 分別對應(yīng)于模擬量、開關(guān)量和脈沖量。信號測控模塊的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 信號測控模塊的結(jié)構(gòu)原理圖

　　為了保證模擬量測量的精度和實(shí)時(shí)性， 對于模擬量的測量采用交流采樣和硬件電路同步的方法。硬件同步和頻率采樣電路主要由遲滯電壓比較電路、高速光藕、鎖相倍頻電路和脈沖整形電路組成。遲滯比較電路將交流正弦波輸入信號變?yōu)? ~5 V 的同頻率方波信號， 高速光耦6N137 將模擬部分和數(shù)字部分電路隔離開，鎖相倍頻電路由鎖相環(huán)電路CD4046 和三片可編程計(jì)數(shù)器芯片MC14522 構(gòu)成128 倍頻器，使輸出信號頻率為正弦輸入信號頻率的128 倍，并且跟隨輸入同步變化。MC14522 輸出的同步信號經(jīng)分壓后， 被送入TMS320LF2407A 的捕獲模塊CAP1、CAP2 用于頻率的測量。CD4046 輸出的同步倍頻信號經(jīng)脈寬整形后得到合適的脈沖信號，接A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864 的/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC, 選擇輸入的多路開關(guān)并且啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換。ADS7864 是一塊高速（2 μs）、低功耗（50 mW）、單電源（+5 V）工作的雙12 位A/D轉(zhuǎn)換器。它能以500 kHz 的采樣速率同時(shí)進(jìn)行6 通道信號采樣， 特別適用于電力監(jiān)控系統(tǒng)。ADS7864 的6 路輸入通道可分成3 對， 測量電力監(jiān)控應(yīng)用的三相， 并將模擬信號轉(zhuǎn)換成LF2407A 所需的數(shù)字信號， 存放在片內(nèi)6 個(gè)FIFO 寄存器中。為了提高系統(tǒng)的效率， 將ADS7864 的//BUSY信號接至CPLD， 由其判斷ADS7864 產(chǎn)生三個(gè)/BUSY 信號后產(chǎn)生一個(gè)中斷， 通知LF2407A 一次性讀走ADS7864 的FIFO 中6個(gè)轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。另外，ADS7864采用雙極性（±5 V） 的輸入， 由于輸入的交流電壓信號為0~100 V， 電流信號為0~5 A， 因而需要加上信號調(diào)理和電平轉(zhuǎn)換電路。

　　開關(guān)量和脈沖量的輸入電平為12 V。采用HCPL2631 高速光隔進(jìn)行隔離， 實(shí)現(xiàn)電平匹配和隔離抗干擾， 隔離后的開關(guān)量和脈沖量信號分別經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖單元即變?yōu)長F2407A 外部I/O 輸入端信號，LF2407A通過定時(shí)訪問相應(yīng)的I/O 端口來實(shí)現(xiàn)對開關(guān)量和脈沖量的采集。當(dāng)信號測控模塊檢測到其中一個(gè)開關(guān)量的變位， 產(chǎn)生相應(yīng)的一個(gè)事件順序記錄信息。對于分析電網(wǎng)故障原因具有重要作用。

　　利用了CPLD 的集成性和可編程性將處理外圍數(shù)字電路集成到一塊芯片上， 實(shí)現(xiàn)對其他芯片、液晶顯示器和鍵盤等的地址譯碼、讀寫、控制和信號緩沖功能。

　　4 系統(tǒng)軟件介紹

　　根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)， 在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)可將RTU 分為通信主控和信號測控兩個(gè)獨(dú)立的模塊， 對兩者進(jìn)行單獨(dú)的考慮和設(shè)計(jì)。在這里，采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法來設(shè)計(jì)模塊的整體軟件。從軟件的功能上講，通信主控模塊主要包括各種通信端口的通信程序和人機(jī)接口程序設(shè)計(jì)，信號測控模塊軟件部分則包括現(xiàn)場信號的采集和處理、各種電力參數(shù)的計(jì)算和分析以及與上位模塊的通信程序等。在實(shí)際應(yīng)用中，通信主控模塊和信號測控模塊多個(gè)任務(wù)之間往往是互相交叉的，因此通過硬件中斷來響應(yīng)不同任務(wù)請求，提高處理器的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

　　5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　利用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件， 為了驗(yàn)證硬件A/D 采樣系統(tǒng)的好壞， 對低壓380 V/220 V 電網(wǎng)進(jìn)行測量， 采樣128個(gè)點(diǎn)與示波器波形相比如圖4 所示。可以看出， 對模擬量的采樣是精確可行的。

圖4 采樣128個(gè)點(diǎn)與示波器波形比較

表1 采樣運(yùn)算得15 次諧波峰值

　　在此基礎(chǔ)之上， 進(jìn)行了諧波分析。本次試驗(yàn)采用電網(wǎng)電壓經(jīng)分壓變換后電壓有效值在1.7 V 左右（ 普通萬用表測） 進(jìn)行試驗(yàn)。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)符號擴(kuò)展后直接進(jìn)行FFT 變換， 對應(yīng)得到15 次諧波峰值如表1 所示， 從表中數(shù)據(jù)可以看出偶次諧波很小， 幾乎為零； 而奇次諧波逐漸遞減。