摘要：應用以ARM9為核心的處理器S3C2410設計了一種用于三相工頻電參數(shù)遠程抄送和采集系統(tǒng)。實現(xiàn)三相電量和三相交流參數(shù)(電壓、電流、功率因數(shù))進行采集和遠程抄收功能。系統(tǒng)硬件電路設計采用S3C2410的接口電路，實現(xiàn)了工頻通信的基本功能，并將子站設計為接收單元與調(diào)制單元分離的結構，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性。用以太網(wǎng)控制器RTL8019AS設計了網(wǎng)絡接口電路，實現(xiàn)了子站與后臺間的網(wǎng)絡通信。通過移植實時嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II對所有任務進行調(diào)度管理，同時在系統(tǒng)中使用了TCP/IP協(xié)議建立網(wǎng)絡連接，并采用UDP協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸。

　　關鍵詞：工頻通信；CAN總線；S3C2410

0引言

　　在電力部門的日常生產(chǎn)中，電能計量、供電量考核、電費核算的及時性和準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月對每個臺區(qū)變壓器抄表一次，再通過微機或手工制作的報表輸出，存在錯抄、漏抄、估抄等問題。此外配電臺區(qū)的負荷、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時監(jiān)控。工頻通信技術的出現(xiàn)，使電力部門實現(xiàn)真正意義上的配電臺區(qū)的自動化管理成為可能，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)容有待擴充、用電信息傳輸精度需要進一步提高等問題。采用基于ARM9內(nèi)核的處理器所具有的優(yōu)良性能實現(xiàn)工頻通信技術［12］，能提高系統(tǒng)的工作效率，并研制結構更合理、功能更完善的子站設備，可以滿足現(xiàn)場實際應用的要求。

1系統(tǒng)硬件電路組成及實現(xiàn)

　　1.1系統(tǒng)硬件結構設計

　　本設計使用如圖1所示的電力線工頻通信系統(tǒng)結構，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)絡接口。

　　子站接收單元需要完成對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的及時收發(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，在本設計中選擇由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構見圖2。本設計中重點設計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)送的控圖1電力線工頻通信系統(tǒng)示意圖

　　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單片機就能滿足實際需要，因此選擇ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機作為調(diào)制單元的控制器，子站調(diào)制單元的硬件結構見圖3。

　　1.2S3C2410的CAN總線接口設計

　　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負責內(nèi)部CAN控制器的初始化并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務。

2軟件設計與實現(xiàn)

　　2.1嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)

　　要完成網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)的正常處理，需要使用網(wǎng)絡通信協(xié)議，在本系統(tǒng)中使用了嵌入式TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議相當復雜，而且系統(tǒng)資源有限，沒有必要全部實現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的使用要求，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡接口驅動、數(shù)據(jù)鏈路層ARP協(xié)議、網(wǎng)絡層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，即給定一個目的節(jié)點的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)是一個網(wǎng)絡層協(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)絡層，主要負責接收、解釋、發(fā)送ICMP報文。ICMP報文主要有兩種功能：報告出錯信息、傳送控制信息。在本系統(tǒng)中選擇實現(xiàn)ICMP協(xié)議，主要是為了響應對方主機使用Ping命令發(fā)出的回應請求。通過Ping命令和響應可以判斷網(wǎng)絡的連接是否可靠［9］。

　　2.2以太網(wǎng)硬件接口驅動的實現(xiàn)

　　RTL8019AS的驅動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，實現(xiàn)以太網(wǎng)絡通信的物理層驅動。

　　初始化程序主要完成以下功能：芯片復位、設置芯片的物理地址、設置接收緩沖區(qū)的起始地址和大小、設置發(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，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OVW=1時有新數(shù)據(jù)包，這時該數(shù)據(jù)包存于以CURR寄存器值為首址的RAM中。此時啟動遠程DMA讀操作(通過寫CR寄存器值為0x0A實現(xiàn))，然后讀取接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，當CURR=BNRY時，接收緩沖區(qū)圖4S3C2410 CAN總線接口電路

　　中的數(shù)據(jù)讀取完畢［10］。

　　2.3系統(tǒng)功能的多任務實現(xiàn)

　　在實現(xiàn)系統(tǒng)功能時，共建立了三個任務：操作系統(tǒng)啟動運行的第一個任務(Task0)、Ping命令響應處理任務(TaskB)、工頻通信處理任務(TaskD)。操作系統(tǒng)的主函數(shù)流程如圖7所示?！?/p>

　　工頻通信系統(tǒng)子站的改進采用基于ARM9內(nèi)核的S3C2410處理器和μC/OSII操作系統(tǒng)，設計了系統(tǒng)功能應用程序，實現(xiàn)子站功能。根據(jù)實際使用要求，設計子站為接收單元與調(diào)制單元分離的結構，兩單元間使用CAN總線作為控制/數(shù)據(jù)線，設計了RTL8019AS網(wǎng)絡控制芯片與S3C2410的接口電路，并根據(jù)使用需要嵌入相關的TCP/IP協(xié)議，使子站具備網(wǎng)絡通信的能力。

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