配電網(wǎng)自動化通信規(guī)約轉換器的設計

黃世遠 楊如輝 郭謀發(fā) 楊耿杰 高 偉

(1.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350002；2.福建省漳浦縣供電有限公司，福建 漳浦 363200)

1 引言

配電自動化系統(tǒng)是對配電網(wǎng)上的設備進行遠方實時監(jiān)視、協(xié)調和控制的一個集成系統(tǒng)。配電自動化要借助可靠的通信手段，將配電現(xiàn)場終端設備所采集的各種信息上傳至監(jiān)測中心，同時將監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)下發(fā)到現(xiàn)場終端設備，但由于通信規(guī)約互不兼容，彼此間無法互聯(lián)，阻礙了通信的順利進行。規(guī)約轉換器是實現(xiàn)通信規(guī)約互聯(lián)的關鍵，其核心技術就是規(guī)約轉換的實現(xiàn)[1-3]。

所設計的配電網(wǎng)通信規(guī)約轉換器可應用于小區(qū)集中抄表、大用戶抄表、線路狀態(tài)監(jiān)測等各種配電自動化系統(tǒng)，作為接口設備提供多種物理通道用于數(shù)據(jù)傳輸，如通過ZigBee無線網(wǎng)絡[4-6]或RS-485接口接收現(xiàn)場終端設備采集上傳的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)解析判斷后，按照《Q/GDW 130－2005電力負荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》[7-8]（簡稱負控規(guī)約）通過GPRS網(wǎng)絡與主站進行數(shù)據(jù)交換[9-11]，實現(xiàn)不同通信規(guī)約間的互換。

2 通信規(guī)約轉換器硬件設計

通信規(guī)約轉換器是基于 RCM 5700模塊的嵌入式系統(tǒng)，硬件結構如圖1，分為系統(tǒng)和接口兩部分。系統(tǒng)部分為核心部件，采用 RCM 5700模塊，內含CPU、存儲器和復位等電路。接口部分實現(xiàn)規(guī)約轉換器的專門功能，根據(jù)應用場合特點進行專門設計。

圖1 硬件結構框圖

圖1中，128K SRAM、1M Flash和4M Serial Flash均為RCM 5700模塊板載存儲器，分別為程序運行主內存、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；MAXIM 485E芯片實現(xiàn) TTL電平的 UART到 RS-485接口的轉換；SP3232實現(xiàn)TTL電平的UART到RS-232接口的轉換，作為調試接口，為增加可用的RS-485接口，調試成功后即轉為RS-485接口，復用串口A；ME3000 GPRS為GPRS模塊；XBee RF模塊為ZigBee模塊；撥碼開關控制RS-485接口功能的開啟或關閉；串口狀態(tài)指示燈指示處于工作狀態(tài)的RS-485接口。

2.1 系統(tǒng)部分

系統(tǒng)部分是規(guī)約轉換器的核心硬件，主要包括CPU、存儲器、復位等電路。以下主要介紹CPU和存儲器的選擇與設計。

（1）中央處理器

配電網(wǎng)通信規(guī)約轉換器要求 CPU能處理大量數(shù)據(jù)，具有較多串口、較高工作穩(wěn)定性和較強的抗干擾能力。

RCM 5700模塊采用Rabbit5000微處理器，工作頻率可達50MHz，6個高速CMOS兼容串口均可配置為異步串口，時鐘擴展頻譜可減少EM I，且內置存儲芯片、時鐘芯片等，適合于規(guī)約轉換器這種多串口多任務的嵌入式系統(tǒng)。此外，模塊生產(chǎn)商為用戶提供了廣泛的驅動函數(shù)庫和例程、免費的TCP/IP源代碼，專用的編程開發(fā)系統(tǒng)Dynam ic C也已移植好μC/OS-II，相比單片機、ARM等易于開發(fā)和實施嵌入式系統(tǒng)。基于以上優(yōu)點，采用 RCM 5700作為主控制器。

（2）存儲系統(tǒng)

RCM 5700模塊已內置存儲芯片，在滿足性能要求條件下，優(yōu)先考慮使用這些存儲器。RCM 5700模塊的存儲系統(tǒng)硬件包括3部分：Rabbit 5000微處理器內置的128KB SRAM、RCM 5700模塊板載的1MB Flash S29AL008D和4MB Serial Flash AT45DB041B。

通常程序的運行空間采用RAM，由于在規(guī)約轉換過程中涉及到大量的數(shù)據(jù)處理，且考慮到以后新規(guī)約的加入，RAM容量應盡量大，Rabbit 5000微處理器內置的 SRAM容量達128KB可滿足要求；程序存儲器通常采用 Flash，RCM 5700模塊板載的1MB Flash S29AL008D也足以滿足要求；數(shù)據(jù)存儲器存儲內容包括：歷史故障信息、全部通信規(guī)約和通信接口的設置參數(shù)，這些設置參數(shù)控制系統(tǒng)的運行，系統(tǒng)啟動時，加載到 RAM 中進行參數(shù)配置，參數(shù)更新時保存其最新狀態(tài)到 Flash中，并在系統(tǒng)啟動時再次載入到 RAM。存儲的數(shù)據(jù)量較大，RCM 5700模塊板載的Serial Flash AT45DB041B容量達4MB，滿足存儲要求。

2.2 接口部分

規(guī)約轉換器的接口電路包括RS-232/485接口、GPRS模塊、ZigBee模塊等。

（1）GPRS模塊接口電路

GPRS通信模塊使用中興公司的ME3000，模塊通過UART與RCM 5700模塊接口，通信波特率為115200 bps，電路如圖2所示。CARD_RST、CARD_DAT、CARD_CLK、V_CARD是GPRS模塊與SIM卡的接口線；/RESET是模塊復位引腳，低電平有效，低脈沖持續(xù)時間超過20ms時模塊正常復位；/RTS、/DTR為模塊的UART控制信號，因設計中直接使用TXE和RXE與RCM 5700模塊通信，故將/RTS和/DTR直接拉低；ON/OFF為模塊的上/下電控制引腳，低電平有效，低脈沖持續(xù)時間超過1.5s時模塊開啟，低脈沖持續(xù)時間超過2s時模塊關閉。

圖2 GPRS模塊與RCM 5700模塊接口電路

GPRS模塊的外圍電路包括模塊供電與SIM卡。需注意的是，GPRS模塊在工作時需較大電流，如ME3000瞬時最大電流達1.5A以上并要求電壓基本恒定（3.7V），而供電電流不足常是導致GPRS模塊工作不穩(wěn)定的主要原因之一，因此設計時最好應使用專用供電芯片，如 M IC29302等，保證供電質量可靠。

（2）ZigBee無線接口電路

ZigBee通信模塊采用Digi公司的XBee RF模塊，模塊具有性價比高、功耗低、接收器靈敏度高等特點。模塊分成XBee和XBee PRO兩種，XBee模塊一般作為網(wǎng)絡中的終端通信模塊，XBee PRO作為路由通信模塊或者協(xié)調者通信模塊。規(guī)約轉換器采用XBee PRO模塊，配置為網(wǎng)絡協(xié)調者，負責網(wǎng)絡的建立與維護。ZigBee模塊通過 UART與RCM 5700模塊接口，電路如圖3所示。

圖3 ZigBee模塊與RCM 5700模塊接口電路

規(guī)約轉換器作為接口設備，也承擔數(shù)據(jù)匯總的任務，需從眾多的終端ZigBee模塊接收數(shù)據(jù)包，設計采用API操作模式，配合多對一路由方式，可有效提高ZigBee網(wǎng)絡的路由效率，保證ZigBee網(wǎng)絡暢通。

XBee PRO模塊作為網(wǎng)絡協(xié)調者，使用前需對網(wǎng)絡地址（PAN ID）、掃描信道（Scan Channel）、目的地址、串口通信參數(shù)、睡眠模式、網(wǎng)絡安全和I/O口等進行合理設置，保證模塊運行可靠。

（3）RS-485接口電路

規(guī)約轉換器設計了四路RS-485接口，其中串口A可復用為RS-232接口，作為調試口，調試成功后便可切換回 RS-485接口。由MAXIM 485E轉換芯片實現(xiàn)TTL電平UART到RS-485的轉換，因四路電路相同，文中僅列舉一路，如圖 4所示。UART擴展RS-485包括接收、發(fā)送、流向控制3根線，光耦OP1、OP2、OP3使RS-485總線通信驅動電路與儀表內部工作電路隔離，保證儀表內部工作不受通信總線上噪聲信號的干擾，提高通信可靠性。通信波特率可達115200 bps以上。

3 通信規(guī)約轉換器軟件設計

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ

圖4 RS-485接口電路

通信規(guī)約轉換器完成的功能較為復雜，包括數(shù)據(jù)采集、存儲、規(guī)約轉換和傳輸，單任務系統(tǒng)難以滿足功能要求，需采用嵌入式實時操作系統(tǒng)。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有 uLinux、windowsCE、μC/OS-Ⅱ等[12-14]。

μC/OS-Ⅱ是針對嵌入式系統(tǒng)設計的實時操作系統(tǒng)，具有搶占式實時內核，采用用戶自定優(yōu)先級方式管理任務，最多可管理64個任務，任務間的調度、切換速度快，實時性高，且編譯軟件Dynam ic C已移植好μC/OS-Ⅱ，開發(fā)中無需移植，減少了軟件設計的工作量，基于以上優(yōu)點，采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，設計多任務并行執(zhí)行的軟件。

3.2 應用的實現(xiàn)

基于μC/OS-Ⅱ的應用設計，首先按照接口功能劃分任務，并根據(jù)任務的實時性要求分配任務優(yōu)先級，數(shù)字越小，優(yōu)先級越高，此外還需按照各個任務所處理數(shù)據(jù)量的大小，給每個任務分配大小合適的?？臻g。

經(jīng)分析，通信規(guī)約轉換器的主要任務可分為ZigBee通信任務、RS-485通信任務、GPRS通信任務和負控規(guī)約解析任務，實現(xiàn)DL/T 645抄表規(guī)約[15]和自定義配電網(wǎng)規(guī)約與負控規(guī)約的相互轉換。負控規(guī)約解析任務作為核心任務，實現(xiàn)對各個通道數(shù)據(jù)的解析、轉換，要求實時性最高，故優(yōu)先級設為最高；其余通信任務按照實時性要求，設置GPRS通信任務優(yōu)先級第二高，ZigBee通信任務優(yōu)先級次于GPRS通信任務，RS-485通信任務優(yōu)先級最低。創(chuàng)建任務的函數(shù)段如下：

OSTaskCreate(TaskFukong，(void*)0，TASKFukong_STK_SIZE，12);//創(chuàng)建負控規(guī)約解析任務，優(yōu)先級12

OSTaskCreate(TaskGPRS，(void*)0，TASKGPRS_STK_SIZE，13);//創(chuàng)建GPRS通信任務，優(yōu)先級13

OSTaskCreate(TaskZigBee，(void*)0，TASKZigBee_STK_SIZE，14); //創(chuàng)建ZigBee通信任務，優(yōu)先級14

OSTaskCreate(Task485，(void*)0，TASK485_STK_SIZE，15);//創(chuàng)建RS-485通信任務，優(yōu)先級15

任務間相對獨立但可通過全局變量、信號量、郵箱等機制通信。各個任務分別編寫，能夠提高軟件開發(fā)效率，有助于軟件的升級維護。軟件升級可根據(jù)不同應用場合所需規(guī)約的特點，修改接口功能，并編寫相應任務，擴展設計產(chǎn)品的應用范圍。設計的程序流程結構如圖5所示。

圖5 應用程序結構

任務操作對象為緩沖區(qū)，緩沖區(qū)開辟在系統(tǒng)RAM中，可分為一級緩沖區(qū)和二級緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)均包括接收和發(fā)送兩個子緩沖區(qū)，圖5中顯示的均為二級緩沖區(qū)。一級緩沖區(qū)是用戶為使用Dynam ic C提供的讀寫串口的庫函數(shù)，依據(jù)需求為各個串口開辟一定容量的輸入輸出緩沖區(qū)。圖5各任務中的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，便是調用串口讀寫庫函數(shù)，對相應的一級緩沖區(qū)進行讀寫操作。緩沖區(qū)被多個任務操作時，可通過信號量進行同步，或通過緩沖區(qū)自身結構的設計避免同步問題。此外需注意 Dynam ic C中默認的 μC/OS-Ⅱ時鐘節(jié)拍為64Hz，為方便計算時鐘周期，將其設為50Hz，即一個時鐘周期為20ms。下面主要介紹各任務的設計與規(guī)約轉換的實現(xiàn)。

（1）ZigBee通信任務

串口F提供ZigBee通道，采用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)無線傳輸。

1）ZigBee網(wǎng)絡通信規(guī)約

ZigBee采用API操作模式，API包結構如表1所示。數(shù)據(jù)幀結構由幀類型決定，當幀類型為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸請求時，數(shù)據(jù)幀結構如表2所示。ZigBee網(wǎng)絡中的每個設備都有一個16位網(wǎng)絡地址和一個64位地址。64位地址是模塊在生產(chǎn)期間分配的唯一設備地址，可直接獲取。16位網(wǎng)絡地址是模塊在加入網(wǎng)絡后獲得的，除網(wǎng)絡協(xié)調者的地址為固定的0x0000，其余模塊（包括路由模塊和終端模塊）地址均是任意的，且在某些情況下還是可變的，故16位網(wǎng)絡地址不可預知，傳輸時通常設16位目標地址為0xFFFE，表示16位目標網(wǎng)絡地址未知，需搜索16位網(wǎng)絡地址。

表1 API包結構

表2 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)域存放要發(fā)送給目標節(jié)點的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式可由用戶依實際需要制定。設計的用戶數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)格式采用自定義配電網(wǎng)規(guī)約，格式為一字節(jié)功能碼+可變字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由功能碼和傳輸方向共同決定。

2）ZigBee通信任務的執(zhí)行

按照任務設計思路，將圖5中所有ZigBee操作模塊封裝為一個任務，即任務包含接收、發(fā)送及解析三部分，任務采用查詢方式無限循環(huán)執(zhí)行，接收到一個有效幀后，依據(jù)自定義規(guī)約解析出用戶數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)，對需要上傳的數(shù)據(jù)，打包后放入ZigBee數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，并將相應接收緩沖區(qū)標志位置位，等待負控規(guī)約解析任務對其進行處理（轉換成負控規(guī)約結構幀）；當發(fā)現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，則將其打包發(fā)送。

（2）RS-485通信任務

串口A～串口D均提供RS-485接口，依據(jù)DL/T 645規(guī)約實現(xiàn)抄表功能。

1）DL/T 645規(guī)約

DL/T 645規(guī)約是用于多功能電能表的數(shù)據(jù)采集規(guī)約，定義了3層結構，分為物理層、鏈路層和應用層。

物理層提供3種接口:接觸式光學接口、調制型紅外接口和RS-485接口。其中RS-485接口通信速率較高，可達100kbps。

鏈路層規(guī)定通信幀格式。包括幀結構、字節(jié)結構、傳送順序、傳送間隔。幀格式如表3所示。

表3 DL/T 645規(guī)約幀格式

應用層定義通信雙方行為的集合，控制碼C表示具體通信行為，決定了長度L及數(shù)據(jù)域DATA。

2）RS-485通信任務的執(zhí)行

如圖5所示，將所有RS-485操作模塊封裝為一個任務。撥碼開關控制4個RS-485接口的開啟，并將開啟串口的對應標志位置位。任務無限循環(huán)執(zhí)行，每次執(zhí)行均先查詢各串口標志位，確定開啟的串口，任務依次對開啟的串口進行操作，且只操作開啟的串口。抄表過程為問答方式，即轉換器提出數(shù)據(jù)請求，電能表響應數(shù)據(jù)。每個開啟串口的處理流程均相同，一次處理流程為：發(fā)送詢問幀、等待應答、按 DL/T 645規(guī)約解析數(shù)據(jù)并將需要上傳數(shù)據(jù)置入RS-485數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)、將相應接收緩沖區(qū)標志位置位等待負控規(guī)約解析任務對其進行處理。

（3）GPRS通信任務

1）GPRS通信設計

ME3000模塊提供AT指令接口，可方便ME3000模塊與RCM 5700模塊進行通信。所提供AT指令集不僅涵蓋了標準的GSM語音和短信應用，還包含為方便用戶使用而提供的 ZTE 專有指令。

通信規(guī)約轉換器對GPRS模塊的操作可分為兩部分，一是實現(xiàn)GPRS基本通信所用到的操作，包括上/下電控制、復位、打開GPRS數(shù)據(jù)連接，建立TCP服務器鏈接、數(shù)據(jù)收發(fā)等；二是為保證 GPRS通信可靠所采取的必要狀態(tài)監(jiān)測，包括信號強度查詢、SIM卡狀態(tài)查詢、網(wǎng)絡注冊查詢、當前TCP連接狀態(tài)查詢等。

因 GPRS模塊上電后需較長時間保證網(wǎng)絡注冊、準備好接收指令，故不應通信失敗就重啟GPRS模塊。依據(jù)狀態(tài)監(jiān)測結果，采用合理的操作及合適的操作節(jié)奏可較快排除GPRS通信故障，保證GPRS通信可靠。如發(fā)現(xiàn)連接TCP服務器失敗后，不應立即重啟GPRS模塊，應延時一段時間后再嘗試連接TCP服務器，若連續(xù)3次連接TCP服務器均失敗，則返回到上級操作，即 GPRS數(shù)據(jù)連接，若連續(xù) 3次GPRS數(shù)據(jù)連接也失敗，則重啟GPRS模塊。整個GPRS操作流程如圖6所示。

2）GPRS通信任務的執(zhí)行

圖5中全部GPRS操作模塊封裝成一個任務，完成GPRS數(shù)據(jù)鏈路維護、數(shù)據(jù)收發(fā)。任務采用查詢方式無限循環(huán)執(zhí)行，接收到一個有效幀后，即存入GPRS數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，并將相應接收緩沖區(qū)標志位置位，等待負控規(guī)約解析任務對其進行處理；當發(fā)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，即將數(shù)據(jù)上傳到上位機。

圖6 GPRS模塊處理流程圖

（4）負控規(guī)約解析任務

1）負控規(guī)約

負控規(guī)約采用3層增強型結構，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層，采用GB/T18657.1的6.2.4FT1.2異步式傳輸幀格式。定義如表4所示。

表4 GB/T18657.1的6.2.4FT1.2異步式傳輸幀格式

為適應現(xiàn)代通信技術發(fā)展，負控規(guī)約提供了多種可選物理通道。其中一般串口和紅外通道可作為測試使用，TCP/UDP可作為主站與終端的通道，短消息可用于通知用戶緊急事件。

2）負控規(guī)約解析的執(zhí)行

按照任務設計思路，將全部的負控規(guī)約解析模塊封裝成一個任務，即解析任務，它是規(guī)約轉換器軟件中最復雜的部分，封裝了絕大部分的負控規(guī)約功能，是實現(xiàn)規(guī)約轉換的核心。解析任務與各個全局數(shù)據(jù)區(qū)（包括數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和全局標志位系統(tǒng)）接口，以獲取構建規(guī)約幀所需的數(shù)據(jù)，并且無限循環(huán)執(zhí)行，執(zhí)行方式為查詢觸發(fā)式，即任務輪詢全局標志位系統(tǒng)中表示各接收緩沖區(qū)的標志位，一旦發(fā)現(xiàn)某個接收緩沖區(qū)有需要處理的數(shù)據(jù)則立刻將其按照負控規(guī)約構造數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)規(guī)約的轉換，然后清此標志位，繼續(xù)查詢其余接收緩沖區(qū)標志位，直到所有接收緩沖區(qū)標志位均清零，一次循環(huán)過程結束。一次循環(huán)流程可歸納為：輪詢檢查、發(fā)現(xiàn)待處理數(shù)據(jù)、鎖定執(zhí)行（讀寫數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、Flash數(shù)據(jù)存儲區(qū)，構造數(shù)據(jù)幀）、輸出結果（將構造幀填入各個數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，將事件存入Flash數(shù)據(jù)存儲區(qū)）。

（5）規(guī)約轉換實現(xiàn)

依據(jù)上述各任務的設計原理，下面以設計的通信規(guī)約轉換器用于線路狀態(tài)監(jiān)測并通過 ZigBee無線網(wǎng)絡接收現(xiàn)場采集器依自定義規(guī)約發(fā)送的數(shù)據(jù)為例，說明規(guī)約轉換的實現(xiàn)過程。

某次 ZigBee通信任務接收到一個采集器發(fā)送的有效幀，經(jīng)自定義規(guī)約解析后得到需要上傳的表示線路狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為功能碼（11H）+采集器地址+狀態(tài)碼1+狀態(tài)碼2+狀態(tài)碼3，數(shù)據(jù)打包后放入ZigBee接收緩沖區(qū)，負控規(guī)約解析任務發(fā)現(xiàn)ZigBee接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)等待處理，即讀取Flash中的負控規(guī)約設置參數(shù)，按負控規(guī)約要求構造數(shù)據(jù)幀，實現(xiàn)自定義規(guī)約向負控規(guī)約的轉換，所得數(shù)據(jù)幀格式如表5所示。

表5 負控規(guī)約構造幀格式

4 結論

從硬件和軟件兩方面系統(tǒng)地介紹了通信規(guī)約轉換器的設計。硬件設計在滿足功能、性能要求的同時突出可擴展性，將硬件分為系統(tǒng)部分和接口部分。軟件部分側重介紹μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)、應用程序結構、ZigBee通信、RS-485通信、GPRS通信及自定義規(guī)約和DL/T 645規(guī)約與負控規(guī)約的相互轉換。所設計的通信規(guī)約轉換器具有多串口，擴展性強，可靠性高等特點。

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