朱偉華， 宋 慧

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 吉林 132021)

基于S3C2410的工頻通信系統(tǒng)子站設(shè)計(jì)*

朱偉華， 宋 慧

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 吉林 132021)

應(yīng)用以ARM9為核心的處理器S3C2410設(shè)計(jì)了一種用于三相工頻電參數(shù)遠(yuǎn)程抄送和采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)三相電量和三相交流參數(shù)(電壓、電流、功率因數(shù))進(jìn)行采集和遠(yuǎn)程抄收功能。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)采用S3C2410的接口電路，實(shí)現(xiàn)了工頻通信的基本功能，并將子站設(shè)計(jì)為接收單元與調(diào)制單元分離的結(jié)構(gòu)，二者通過CAN總線作為數(shù)據(jù)傳輸通道，提高了子站的安裝適應(yīng)性。用以太網(wǎng)控制器RTL8019AS設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)接口電路，實(shí)現(xiàn)了子站與后臺(tái)間的網(wǎng)絡(luò)通信。通過移植實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II對所有任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理，同時(shí)在系統(tǒng)中使用了TCP/IP協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)連接，并采用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。

工頻通信；CAN總線；S3C2410

0 引言

在電力部門的日常生產(chǎn)中，電能計(jì)量、供電量考核、電費(fèi)核算的及時(shí)性和準(zhǔn)確性已成為供電企業(yè)的重要課題，而目前我國電能數(shù)據(jù)的采集基本上為手工抄表，需要抄表人員每月或每兩個(gè)月對每個(gè)臺(tái)區(qū)變壓器抄表一次，再通過微機(jī)或手工制作的報(bào)表輸出，存在錯(cuò)抄、漏抄、估抄等問題。此外配電臺(tái)區(qū)的負(fù)荷、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓、電流等交流參數(shù)信息也無法通過有效途徑得以實(shí)時(shí)監(jiān)控。工頻通信技術(shù)的出現(xiàn)，使電力部門實(shí)現(xiàn)真正意義上的配電臺(tái)區(qū)的自動(dòng)化管理成為可能，但工頻通信系統(tǒng)還存在諸如調(diào)制變壓器選擇受到調(diào)制電纜長度限制致使系統(tǒng)的安裝性不好、系統(tǒng)工作效率有待提高、采集處理的用電信息內(nèi)容有待擴(kuò)充、用電信息傳輸精度需要進(jìn)一步提高等問題。采用基于ARM9內(nèi)核的處理器所具有的優(yōu)良性能實(shí)現(xiàn)工頻通信技術(shù)[1-2]，能提高系統(tǒng)的工作效率，并研制結(jié)構(gòu)更合理、功能更完善的子站設(shè)備，可以滿足現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的要求。

1 系統(tǒng)硬件電路組成及實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用如圖1所示的電力線工頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖中子站部分為本文的主要研究內(nèi)容，具體包括：(1)CAN總線 ；(2)以太網(wǎng)絡(luò)接口。

子站接收單元需要完成對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的及時(shí)收發(fā)、CAN總線的通信控制、A/D采集、數(shù)據(jù)解碼等工作，對處理器的性能要求較高，在本設(shè)計(jì)中選擇由Samsung公司生產(chǎn)的基于ARM920T內(nèi)核的微處理器S3C2410[3-4]，以該處理器為核心的接收單元硬件結(jié)構(gòu)見圖2。本設(shè)計(jì)中重點(diǎn)設(shè)計(jì)CAN總線接口、多支路輸入切換控制、RAM、A/D采集電路接口、B相電流信號合成電路、以太網(wǎng)接口電路。

子站調(diào)制單元通過CAN總線接收采集單元發(fā)送的控制命令并調(diào)制下行信號，調(diào)制完成后，通過CAN總線將工作狀態(tài)傳遞回采集單元，使用普通的8051單片機(jī)就能滿足實(shí)際需要，因此選擇ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)作為調(diào)制單元的控制器，子站調(diào)制單元的硬件結(jié)構(gòu)見圖3。

圖1 電力線工頻通信系統(tǒng)示意圖

圖2 子站接收單元硬件結(jié)構(gòu)

圖3 子站調(diào)制單元硬件結(jié)構(gòu)

1.2 S3C2410的CAN總線接口設(shè)計(jì)

圖4為S3C2410 CAN總線接口電路，從圖中可以看出電路主要由四部分構(gòu)成：微處理器S3C2410、CAN總線收發(fā)器82C250[5-6]、高速光電耦合器6N137和電源隔離模塊。微處理器S3C2410負(fù)責(zé)內(nèi)部CAN控制器的初始化并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

要完成網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的正常處理，需要使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，在本系統(tǒng)中使用了嵌入式TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議相當(dāng)復(fù)雜，而且系統(tǒng)資源有限，沒有必要全部實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的使用要求，主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)鏈路層ARP協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層ICMP和IP協(xié)議、傳輸層UDP協(xié)議[7]，嵌入式TCP/IP的數(shù)據(jù)流見圖5。

(1) ARP代碼的第一部分把IP地址映射到物理地址上，即給定一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的IP地址，用軟件查詢ARP緩存是否有該IP的物理地址映射。該功能通過子程序void Arp_Request(uint8 *ip_address,uint8 num)來實(shí)現(xiàn)，其中ip_address即為要解析的IP地址，使用該子程序處理后，即可以獲得該IP的物理地址[8]。

(2) 網(wǎng)際協(xié)議(IP)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，它是TCP/IP協(xié)議棧中最為核心的協(xié)議。IP協(xié)議中定義了數(shù)據(jù)包，稱為IP數(shù)據(jù)報(bào)文，它是Internet上數(shù)據(jù)通信的基本單位。

(3) ICMP協(xié)議同樣位于網(wǎng)絡(luò)層，主要負(fù)責(zé)接收、解釋、發(fā)送ICMP報(bào)文。ICMP報(bào)文主要有兩種功能：報(bào)告出錯(cuò)信息、傳送控制信息。在本系統(tǒng)中選擇實(shí)現(xiàn)ICMP協(xié)議，主要是為了響應(yīng)對方主機(jī)使用Ping命令發(fā)出的回應(yīng)請求。通過Ping命令和響應(yīng)可以判斷網(wǎng)絡(luò)的連接是否可靠[9]。

2.2 以太網(wǎng)硬件接口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)程序主要包括芯片初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)包、接收數(shù)據(jù)包三部分，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)通信的物理層驅(qū)動(dòng)。

初始化程序主要完成以下功能：芯片復(fù)位、設(shè)置芯片的物理地址、設(shè)置接收緩沖區(qū)的起始地址和大小、設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)的起始地址和大小。

RTL8019AS數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖6。

在接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要判斷中斷狀態(tài)寄存器ISR的Bit4(OVW)，以查詢在RTL8019接收緩沖區(qū)里是否有新接收的數(shù)據(jù)包。當(dāng)OVW=1時(shí)有新數(shù)據(jù)包，這時(shí)該數(shù)據(jù)包存于以CURR寄存器值為首址的RAM中。此時(shí)啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA讀操作(通過寫CR寄存器值為0x0A實(shí)現(xiàn))，然后讀取接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，當(dāng)CURR=BNRY時(shí)，接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取完畢[10]。

圖4 S3C2410 CAN總線接口電路

圖5 嵌入式TCP/IP數(shù)據(jù)流圖

圖6 RTL8019AS數(shù)據(jù)發(fā)送流程

2.3 系統(tǒng)功能的多任務(wù)實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能時(shí)，共建立了三個(gè)任務(wù)：操作系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行的第一個(gè)任務(wù)(Task0)、Ping命令響應(yīng)處理任務(wù)(TaskB)、工頻通信處理任務(wù)(TaskD)。操作系統(tǒng)的主函數(shù)流程如圖7所示。

圖7 主函數(shù)流程圖

3 結(jié)束語

工頻通信系統(tǒng)子站的改進(jìn)采用基于ARM9內(nèi)核的S3C2410處理器和μC/OS-II操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)功能應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)子站功能。根據(jù)實(shí)際使用要求，設(shè)計(jì)子站為接收單元與調(diào)制單元分離的結(jié)構(gòu)，兩單元間使用CAN總線作為控制/數(shù)據(jù)線，設(shè)計(jì)了RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)控制芯片與S3C2410的接口電路，并根據(jù)使用需要嵌入相關(guān)的TCP/IP協(xié)議，使子站具備網(wǎng)絡(luò)通信的能力。

[1] 高紅玉, 徐建城, 曾成奇. 基于ARM的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2005,31(4):24-26.

[2] 胡友水, 李漢強(qiáng). 基于ARM的嵌入式TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2003,29(12):25-27.

[3] 段海龍, 彭輝俊, 程健. 基于ARM的嵌入式以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)械與電子， 2006(2):9-11.

[4] 朱偉華，索大翔，譚微. 4G技術(shù)應(yīng)用于電能質(zhì)量監(jiān)測的分析研究[J].電測與儀表，2015(52)6:44-47.

[5] 吳廣霖, 白瑞林. 基于μC/OS-II的μC/IP協(xié)議棧在ARM系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2005(18):99-102.

[6] 楊華, 陳明義, 胡暉, 等. 基于嵌入式的CAN總線智能數(shù)據(jù)采集器開發(fā)[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2005, 32(6):110-112.

[7] 張靜, 張凱. 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II在ARM7上移植的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2004(4):100-102.

[8] 賈衡天,管康,范錦輝,等.隨鉆井下32位信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(13):16-19,24.

[9] 李文進(jìn), 韓曉萍. ARM平臺(tái)在嵌入式遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 繼電器， 2006, 34(5):64-67.

[10] 王浩宇,王玨.一種節(jié)能型電子站牌硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(9):28-29,32.

Design of the frequency sub-station communication of TWACS based on S3C2410

Zhu Weihua， Song Hui

(Jilin Vocational Technology College of Electronic and Information, Jilin 132021, China)

A system which can be used for long range transform and collection aim at the data of three-phase power frequency electrical parameter is designed by using S3C2410 microcontroller which is based on ARM9 CPU. So it accomplishes the function which collect and long range transform the three-phase power and three-phase AC parameters(voltage，electric current，power factor).The circuits of LPC2294 interface are adopted in the system, and the TWACS function is accomplished. In order to improve system’s installability, the reception unit and modulation unit of sub-station, which are connected by CAN-Bus, are separated. The circuit of earthnet interface is designed by using the earthnet controller IC RTL8019AS, which accomplishes the sub-station communicate background through internet. All the tasks are attempered and managed by porting embedded real-time operating system μC/OS-II，and internet is established by using TCP/IP, and the apparatus designed in this work can transform data to Internet through UDP.

TWACS; CAN-Bus; S3C2410

吉林市科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015334004)

TN91

A

1674- 7720(2016)03- 0041- 03

朱偉華，宋慧. 基于S3C2410的工頻通信系統(tǒng)子站設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(3)：41- 43.

2015-10-15)

朱偉華(1976- )，通信作者，男，碩士研究生，副教授，主要研究方向:嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能網(wǎng)絡(luò)控制。E-mail:348938280@qq.com。

宋慧(1982-)，女，在讀博士生，副教授，主要研究方向：聲信號與聲場信息處理。