基于現(xiàn)場總線的萬能式斷路器通信從站設(shè)計

　　1 引言  

　　萬能式斷路器除了本身具有高分?jǐn)嗄芰?、高短時耐受性能及良好的操作性能外,還必須裝配性能優(yōu)越的控制器?；谖⑻幚砥鞯闹悄芸刂破骶哂卸喾N檢測和通信功能, 利用總線功能實現(xiàn)電力質(zhì)量監(jiān)控是一種經(jīng)濟(jì)有效的方案。由于基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的驅(qū)動和執(zhí)行單元被大量開發(fā)和應(yīng)用, 因此針對原有萬能式斷路器的控制器系統(tǒng)進(jìn)行改造,結(jié)合現(xiàn)場總線的優(yōu)點,保留原有系統(tǒng)的投資, 設(shè)計了一種具有PROFIBUS 現(xiàn)場總線接口的新型控制系統(tǒng)。  

　　2 Profibus-DP 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的構(gòu)成  

　　Profibus 現(xiàn)場總線系統(tǒng)由主站和從站構(gòu)成,主站具有總線存取控制權(quán),從站是被動的站,沒有總線存取權(quán)。主站分為一類、二類。一類主站包括PLC、PC 等, 完成循環(huán)的總線通訊控制和管理。二類主站指操作員工作站(如PC 機加圖形監(jiān)控軟件)、編程器、組態(tài)設(shè)備,完成非循環(huán)數(shù)據(jù)的讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷、調(diào)試等。從站是進(jìn)行輸入輸出信息采集和發(fā)送的現(xiàn)場設(shè)備、包括輸入輸出I/O 設(shè)備、驅(qū)動器、執(zhí)行器等。總線系統(tǒng)根據(jù)主站設(shè)置的個數(shù)可以分為多主站系統(tǒng)和單主站總線系統(tǒng)。  

　　3 從站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計  

　　智能控制器系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括:溫度采集、處理控制、現(xiàn)場通信等,能單獨完成現(xiàn)場測量控制等功能,也可與多個從站和主站一起構(gòu)建一個大系統(tǒng),完成整體的測量控制任務(wù)。智能控制器由微處理器、信號采集電路、電源、鍵盤和液晶顯示電路、時鐘溫度檢測電路、執(zhí)行電路以及Profibus-DP 總線接口電路等部分組成,組成框圖如圖1 所示。  

　　3.1 信號采集系統(tǒng)  

　　本設(shè)計需要采集的信號是三路線電壓和四路相電流信號,所需的電壓和電流信號都是經(jīng)過互感器形成的二次側(cè)感應(yīng)電壓, 經(jīng)濾波隔離放大之后形成適合A/D 轉(zhuǎn)換的電壓范圍在3V以內(nèi)。由于LPC2114 本身具有A/D 轉(zhuǎn)換器,所以只需要接入一個多路選擇開關(guān),即可完成對多路信號的采集,因此選用了單八路模擬開關(guān)CD4051。  

　　CD4051 的特點是通道轉(zhuǎn)換頻率可10MHz, 而且控制簡單,量程達(dá)到10V,工作溫度范圍-55°C~ +125°C,很好的解決了量程的范圍和信號采集的實時性。CD4051 與LPC2114 的接口連接見圖2 所示。電壓電流互感器二次側(cè)感應(yīng)電壓信號經(jīng)分壓后分別送入CD4051 的X0—X7引腳。CD4051 的各通道選通的地址線引腳A、B、C 分別與LPC2114 的p0.21、p0.22、p0.23相連,開關(guān)接通彭磊: 助理實驗師在讀碩士哪一通道,由LPC2114 控制輸入的3 位地址碼來決定。LPC2114的A/D 轉(zhuǎn)換頻率最大可以達(dá)到4.5MHz,轉(zhuǎn)換精度為2-10,完全能夠滿足實時采集和高精度要求。CD4051 與LPC2114 的A/D初始化和轉(zhuǎn)換工作由主程序完成。設(shè)計采用定時中斷方式要求大約每0.3ms 就在3 路電壓和4 路電流信號上各采集一點,LPC2114 將采集所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲在ADDR (A/D 數(shù)據(jù)存儲器)中。  

　　3.2 溫度檢測與實時時鐘電路  

　　傳統(tǒng)的溫度檢測和實時時鐘是由各自獨立的芯片電路分別完成, 這樣分散處理往往降低了微處理器的處理效率而且也增加了電路的復(fù)雜性,所以本設(shè)計采用了SD2304FLP 高精度實時時鐘。  

　　SD2304FLP 是一種具有內(nèi)置晶振、兩線式串行接口的高精度實時時鐘芯片。該芯片可保證時鐘精度為±5ppm (在-10°C~50°C 下), 即年誤差小于2.5 分鐘; 該芯片內(nèi)置始終精度調(diào)整功能,通過內(nèi)置的數(shù)字溫度傳感器可設(shè)定適應(yīng)溫度變化的調(diào)整值,實現(xiàn)在寬溫度范圍內(nèi)高精度的計時功能; 內(nèi)置2K 串行E2PROM,用于存儲各溫度點的時鐘精度補償數(shù)據(jù)。正是由于內(nèi)置了I2C 總線的數(shù)字溫度傳感器,所以可以很方便地通過I2C 接口讀取溫度數(shù)據(jù)。SD2304FLP 的溫度補償應(yīng)用是應(yīng)用的關(guān)鍵,由于時鐘精度隨溫度變化的補償數(shù)據(jù)在出廠前已經(jīng)存儲在2K 容量的E2PROM 里, 所以只要通過讀取片內(nèi)數(shù)字溫度傳感器所檢測到溫度(TMP)的數(shù)值,確定當(dāng)前溫度值,根據(jù)溫度值的高八位確定存儲在E2PROM 補償數(shù)據(jù)地址, 讀出該補償數(shù)據(jù)并寫入時鐘調(diào)整寄存器。由于LPC2114 本身具有高速I2C 總線接口,硬件設(shè)計和程序編寫不需要很復(fù)雜。但需要注意的是I2C 總線的上拉電壓應(yīng)確保在總線需要工作的時始終存在, 并在系統(tǒng)中最先上電,最后掉電,所以根據(jù)實際情況,本電路設(shè)計的上拉電阻最好為4.7K。  

　　3.3 Profibus-DP 總線接口模塊 

　　在Profibus-DP 總線中,主站循環(huán)地讀取從站地輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。同時,數(shù)據(jù)的通信是由主站和從站上的監(jiān)控功能進(jìn)行監(jiān)控的。對于一個成功的現(xiàn)場總線系統(tǒng)來說,僅僅提供一個高數(shù)據(jù)傳輸能力是不夠的, 必須具有安裝和維護(hù)的簡易性, 良好的診斷能力和無差錯的傳輸。這是其他總線如Can、DeviceNet、Moudbus 所不能比擬的。 

　　設(shè)計Profibus-DP 智能從站有三種方案:方法一是直接用單片機實現(xiàn)。由于單片機上一般都安裝UART,使用單片機利用軟件來模擬Profibus 現(xiàn)場總線協(xié)議。方法二是使用Profibus 通信專用芯片。方法三采用現(xiàn)成的從站接口模塊,如IM183-1,可將第三方設(shè)備作為從站簡便的連接到Profibus-DP 上。IM183-1從站接口模塊主要由ASIC 芯片SPC3、單片機80C32、EPROM、RAM 和一個用于Profibus-DP 的RS-485 接口組成。SPC3 可獨立處理總線協(xié)議。這種方式的開發(fā)難度較小,但由于內(nèi)部電路不能改動,靈活性比較差,不能滿足復(fù)雜智能從站的要求,而且開發(fā)成本很高。 

　　本設(shè)計選用方法一, 是因為方法二和三是受這些專用的通信處理芯片的端口限制,對微處理器的兼容性有專門要求,而且至少還要占用10 個以上的微處理器引腳端口,因此很多高性能的微處理器無法與之兼容或者使很多具有特殊功能的端口受到限制。雖然直接用單片機實現(xiàn)會受到單片機波特率的限制,傳輸速率一般很低, 但是本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求選用了51 單片機LPC932A1 專門來實現(xiàn)Profibus 總線通信。LPC932A1 特點有:操作頻率的速度是普通標(biāo)準(zhǔn)8 0 C 51 器件的6 倍, 高速的指令執(zhí)行時間可只需167 ns;片內(nèi)實時時鐘(RTC)可以作為系統(tǒng)時鐘;增強型UART,具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢測,通用中斷功能; 傳輸速率可達(dá)到3Mb/s 的SPI 通信端口。由于LPC932A1 的增強型UART 波特率, 有較高的數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到500Kb/s,它允許高速度周期性的數(shù)據(jù)通信,適用于對時間要求苛刻的場合。 

　　3.3.1 接口模塊硬件設(shè)計 

　　Profibus-DP 接口模塊電路主要由四部分組成: 微控制器LPC2114,模擬總線協(xié)議處理微控制LPC932A1,RS485 收發(fā)器SP3485 和高速光電耦合器6N137。微控制器LPC2114 本身也有SPI 通信端口, 只要與LPC932A1 的SPI 通信端口相連接,通過簡單的軟件編程實現(xiàn)LPC2114 與LPC932A1 的SPI 通信,就能利用3Mb/s 的SPI 通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)的高效高速傳輸。在這Profibus-DP 接口模塊設(shè)計中只需占用LPC2114 中4 個引腳端口,大大節(jié)省LPC2114 的端口資源。為了增強Profibus-DP 總線節(jié)點的抗干擾能力,LPC932A1 的TXD 和RXD 并不是直接與RS-485 收發(fā)器SP3485 的TXD 和RXD 相連, 而是通過高速光電耦合器6N137 后與SP3485 相連, 這樣就很好的實現(xiàn)了總線上各Profibus-DP 節(jié)點間的電氣隔離。其中光耦部分電路所采用的2 個電源VCC 和VPP 必須完全隔離, 雖然增加了節(jié)點的復(fù)雜性, 但是卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。連接至SP3485 上A 引腳的上拉電阻和連接至B 引腳的下拉電阻用于保證無連接時的SP3485 芯片處于空閑狀態(tài), 提供網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù),以提高RS-485 節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)的可靠性。  [!--empirenews.page--]

　　3.3.2 接口模塊軟件設(shè)計 


　　Profibus 現(xiàn)場總線協(xié)議的基礎(chǔ)為ISO/OSI 的網(wǎng)絡(luò)參考模型。在Profibus-DP 中沒有第三層到第七層,只包了含第一層(物理層)和第二層(數(shù)據(jù)鍵路層)。Profibus 第二層的一個重要工作是保證數(shù)據(jù)的完整性,這是依靠所有的電文海明間距=4、按照國際標(biāo)準(zhǔn)IEC870-5-1 制定的使用特殊的起始和結(jié)束定界符、無間距的字節(jié)異步傳輸及每個字節(jié)的奇偶校驗保證的。Profibus-DP 第二層按照非連接的模式操作,它提供點一點及多點通信(廣播及有選擇地廣播)功能。上層協(xié)議通過第二層的SAPs(Serice AccessPoints,服務(wù)訪問點)調(diào)用服務(wù)功能。在Profibus-DP 中,將一定的功能賦予每一個第二層的SAP,例如DefaultSAP:數(shù)據(jù)交換(Data-Exch)、SAP55:改變從站地址(SSA)、SAP61:發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)(PRM)、SAP62:檢查配置數(shù)據(jù)(CFG)。為了能有效地處理總線協(xié)議, 調(diào)用不同的DP 功能, 因此在軟件設(shè)計中, 正確地處理Profibus-DP 報文格式以及為各個SAP 設(shè)置相應(yīng)的緩存區(qū)是設(shè)計的關(guān)鍵。

　　Profibus-DP 接口模塊的軟件設(shè)計主要包括3 個部分:LPC932A1 的緩存初始化、與主站通信的主程序、LPC2114 與LPC932A1 的SPI 通信。

　　4 從站設(shè)備簡單測試方案

　　由于Profibus-DP 從站設(shè)備的調(diào)試是一個復(fù)雜的過程,要求開發(fā)人員具有Profibus-DP 系統(tǒng)的工作經(jīng)驗,因此為了節(jié)省相關(guān)人員的開發(fā)時間和開發(fā)成本,這里提出一套簡單調(diào)試方案。

　　系統(tǒng)構(gòu)成:IPC 機、主站網(wǎng)卡(SIEMENS CP5611)、COMPROFIBUS軟件。系統(tǒng)的測控網(wǎng)絡(luò)采用線型拓?fù)涞膯沃髡窘Y(jié)構(gòu),將IPC 機作為上位監(jiān)控主站。如果在IPC 機上裝有WinCC 軟件,可以用來向用戶提供如動態(tài)數(shù)據(jù)畫面顯示的管理窗口。這個方案主要是調(diào)試設(shè)備基本協(xié)議的一致性,調(diào)試方便、簡單。

　　5 結(jié)束語

　　課題研究并實現(xiàn)了斷路器智能控制模塊的Profibus-DP 通信,并對斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有重要的現(xiàn)實意義。這種系統(tǒng)可以處理符合PROFIBUS 現(xiàn)場總線協(xié)議的智能儀表或分散到現(xiàn)場的輸入輸出設(shè)備, 在設(shè)計中采用的模塊化設(shè)計方案, 充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性。所提設(shè)計方法為智能斷路器的數(shù)據(jù)采集和通信提供了一種有效的實現(xiàn)途徑。
本文作者創(chuàng)新點: 該系統(tǒng)可處理符合PROFIBUS 總線協(xié)議的智能儀表或分散到現(xiàn)場的輸入輸出設(shè)備, 在設(shè)計中采用的模塊化設(shè)計方案,充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性。