（交通信息工程及控制专业论文）基于IEC870—5—101规约无线数传测控模块的研制.pdf

摘要 基于ie c 8 7 0 _ 5 10 1 规约无线数传测控模块的研制 摘要 随着计算机技术的发展，无线技术也得到了广泛的应用。无线数传技术也日渐 成熟。目前国内的工业微机测控网络多为有线通信方式，有线通信的优点是数据传输 可靠性较高，但需铺设较多明线，而有些生产领域由于条件所限，难以铺设线路，这 时就需要无线技术来解决问题。 为了解决由于生产领域条件限制、铺设线路难的问题，以及实现对一些小型的、 分散的被控装置进行低成本的、有效地测量和集中控制。通过利用单片机和无线数传 芯片设计开发一套无线数传测控模块。实现以下功能：现场数据采集、处理，通过无 线数传模块完成中距离数据传输，实现主从之间点对点、点对多的数据交互，并在现 场将接收到的主控信号进行处理，完成现场开关等动作的操作。 本文分析了基于一体化无线收发芯片n r f 4 0 1 的无线传输模块在远动系统远方终 端单元( r t u ) 中的应用。研究了无线数传模块的数据传输格式，分析了系统的组成 和功能，阐述了调度端和被控端的硬件和软件设计思想。系统的无线通信部分结构上 采用的就是远动系统中的主从星型结构，子站由监测控制器组成，主站是设在调度中 心的监控计算机，通过地址查询的方式实现主站与子站之间的数据交互，并完成相应 的控制操作。在该系统中，除了阐明主要完成的无线数传模块硬件和所需匹配的通信 协议的设计思路和实现方法，在具体功能实现的方面完全遵循i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 通信 协议。 在无线通信系统中，由于供电、空间噪声及传输路径等因素的影响，倘若直接发 送数据，很容易受到干扰，同时不同远动系统都有其默认的传输协议需要遵守。本文 当中，是基于最普遍的i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 传输协议，从而保证在这种不可靠的物理链 路上建立起可靠的数据传输，系统的无线通讯协议主要工作在数据链路层，通过该协 议进行必要的检错编码。差错控制技术保证数据传输的正确性和可靠性。通在实验室 中连续通电7 2 小时后，再对终端做试验，结果遥信、遥控功能正常。证明该无线传 输系统工作可靠稳定。附录图i 、i i 为具体实物。 关键词： i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 协议，r t o ，n r f 4 0 1 ，无线数传，数据采集 a b s t r a c t wir e l e s sd a t at r a n s mlt t e rd e v e l o p m e n tb a s e d0 n ie c 8 7 0 - 5 - 10 1 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , t h ew i r e l e s sd a t at r a n s p o r t a t i o nh a sb e e nu s e d r a p i d l y w ec a nu s ew i r e l e s st oi n s t e a do f w i r et ot r a n s m i td a t ai ns o m ep l a c et h a td i f f i c u l t t 0i l l s t a l lw i r e t h i sp a p e rp r e s e n t sat y p eo f w i r e l e s sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nm o d e lb a s e do nn r f 4 0 1 i si n 仃o d u c e d w h i c hi su s c di nr 1 uo f s c a d a d a t at r a n s m i s s i o nf o r m a to f w i r e l e s sd a t a 仃a n s m i t t e ri sa n a l y z e da n dc o m m u n i c a t i o nf o r m a tb e t w e e nc o n t r o l l i n ga n dc o n t r o l l e dp o r t s i sp u tf o r w a r d 硼1 ep a p e ri n t r o d u c e sc o n s t i t u t e sa n df u n c t i o no ft h es y s t e ma n de x p a t i a t e s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni d e ao fc o n t r o l l i n ga n dc o n t r o l l e dp o r t s b e s i d e st h e i m p o r t a n td e p i c t u r eo fd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e ，t h i sp a p e rb r i e f l y d e s c r i b e st h e i e c 8 7 0 5 1 0 1p r o t o c o li n c l u d i n gat r a n s m i s s i o np r o t o c o lf o rp o w e rs y s t e mt e l e c o n t r o l ，i n t e r m so ff r a m ef o r m a t , l i n kl a y e ra p p l i c a t i o nl a y e r , e t c i nt h ec o m p u t e rs i m u l i n k ，t h e w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l ec a l lw o r kc r e d i b l ya n ds t a b l y t h em o d u l eo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nu s e st h em a s t e r - s l a v es t r u c t u r e w h i c h i sn o r m a l l ya p p l i c a t e di nt e l e c o n t r o ls y s t e m t h es l a v es t a t i o nc o m p o s e so fm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l l e r , w h i l et h em a i ns t a t i o ni st h em a i nc o m p u t e ri nt h ed i s p a t c h i n gc e n t e r d i f f e r e n ts l a v es t a t i o n ss e n dd a t at ot h em a i ns t a t i o nf r o ml i n kl a y e ro fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n a sw ek n o w , t h e ys h a r et h es a l n ep a t ht o g e t h e r , s o ，w em a k et h er e g u l a rt h a to n l yo n e s t a t i o nt r a n s f e r sd a t aa tt h es a m et i m e ，i no r d e rt oa v o i dt h ec o n f u s i o no f d i f f e r e n td a t a t h e c h o o s eo f t h es l a v e rs t a t i o ni sd e e i d e db yt h eo r d e rf r o mt h em a i ns t a t i o n i nw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ed a t aw o u l db ed i s t u r b e de a s i l yb yt h e e f f e e t i o no fp o w e r , t h ea i rn o i s ea n dt r a n s m i s s i o np a t h o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r ea r e d i f f e r e n te o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 w h i c hs h o u l db ef o l l o w e di nd i f f e r e n tt e l e c o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r , t h er u l eo f d a t ac o m m u n i c a t i o na c c o r d st h ep o p u l a ri e c 8 7 0 5 1 0 1p r o t o c 0 1 w o r d s ：i e c 8 7 0 - 5 1 0 1 ，r t u ，w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n , n r f 4 0 1 n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为 获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 本人签名盘皇! 关于论文使用授权的说明 日期如彩厶膨 本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 保密的论文在解密后遵守此规定，本论文保密期 年。 本人签名蕴曼2 互 导师签名巧自主 日期 蕊，l 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机技术的发展，无线技术也得到了广泛的应用。无线r t u ( 远动终端 装置) 的技术也日渐成熟，目前国内的工业微机测控网络多为有线通信方式，有线通 信的优点是数据传输可靠性较高，但需铺设较多明线，而有些生产领域由于条件所限， 难以铺设线路，这时就需要无线技术来解决问题。 为了解决由于生产领域条件限制、铺设线路难的问题，以及实现对一些小型的、 分散的被控装置进行低成本的、有效地测量和集中控制。本文主要研究基于 i e c 8 7 0 5 1 0 1 规约，利用单片机和无线数传芯片设计开发一套无线数传测控模块，大 概实现以下功能：现场数据采集、处理，通过无线数传模块完成远距离数据传输，实 现主从之间点对点、点对多的数据交互，并在现场将接收到的主控信号进行处理，完 成现场开关等动作的操作。 1 1 无线数传简介 在v h f u h f 超短波无线通信领域，除了对讲机、车载电台、手机等早已为老百 姓习以为常的无线通信终端产品外，还有一个相对而占比较专业、不为大部分人所知 的特殊的通信设备，那就是超短波无线数传电台( 以下简称数传电台) 。顾名思义， 数传电台，就足用于数掘传输的电台，与常舰的用于话音通信的电台的区别在于：数 传电台主要的功能是利用现有的超短波无线信邋实现远程数掘传输，当然，很大一部 分数传电台同时也保留了通话功能，可以数、话兼容。由于一般被用于工业远程控制 与测量系统，即我们常说的遥控遥测系统( 或s c a d a 系统) ，使用环境可能会十分 恶劣，因此数传电台在技术指标及可靠性方面要求比语音电台更严格。 数传电台的工作原理简述如下：大家知道，由于数据信号是一种脉冲信号，而脉 冲信号所占用的频谱十分丰富。如果脉冲信号象话音信号一样直接送去窄带超短波电 台的发射机调制，那么由于电台发射机及接收机的带宽的限制，脉冲信号在传输过程 中频谱会大量丢失，产生很大的失真、衰落，从而导致数据传输误码甚至完全失败。 尤其是传输速率在1 2 0 0 b p s 以上时，这种直接调制的方式就完全不可驭了。为了实现 在无线信道上的可靠、高速的数掘传输，就必须在常规的超短波凋频电台内部植入一 个调制解调器( m o d e m ) ，发送数据时通过该m o d e m 的调制器把脉冲信号( 即数 据信号) 转换成模拟信号，接收时则正好经历一个相反的过程，通过m o d e m 的解 调器把接收到的模拟信号还原成脉冲信号。 从原理上看，数传电台并不复杂，无非是在传统的调频电台的基础上加上了一个 m o d e m 。但实际上，数传电台无论在技术发展层面还是在市场推广层面，已经走过 一段相对漫长而且复杂的历史，现状如何? 又何去何从? 也许是众多业界同仁十分关 第一章绪论 心的i 口j 题。 我们现在所说的数传电台，在欧荚日等西方发达因家起步较早。早在上世纪六，七 十年代，以m o t o r o l a 为代表的通信厂商开始涉足无线数掘通信领域，超短波数 据通信只是其中的一个分支。当时在西方发达国家，调频对讲枫已经丌始酱及，同时 由于对工业自动化程度的要求也越束越高，越柬越多的领域需要建立遥控、遥测系统， 取代昂贵的、效率低下的人工作业，于是无线数据传输业务就应运而尘。不过由于当 时的频率合成等技术还没有成熟，同时要传输的数据量也不大，因此那时的数传电台 实际上比较“简陋”，只足在原有的调频对讲机或车载电台的基础上加装了一个低速率 的调制解调芯片，所以严格来说只是一款话音电台的“改装机”，还不是真萨意义上的 专业的数传电台。当时较为典型的m o d e m 芯片之一就是m o t o r o l a 的 m c l 4 5 4 4 2 。这也是最早采用f s k ( 频移键控) 制式的m o d e m 芯片之一，与常规的 话音电台配合后可以在超短波窄带信道上实现最高3 0 0 b p s 的传输速率。以后发展起 束的m s k 、f f s k 、g m s k 、q p s k 、c p f s k 等等，五花八门的调制解调技术，以及 a m 7 9 1 0 、m 7 5 1 2 b 、t c 3 1 0 5 、f x 6 0 4 、f x 4 6 9 、f x 9 0 9 、f x 5 8 9 等一系列从低速向 高速发腱的m o d e m 芯片，直至现在常用的利用数字信号处理器( d s p ) 设计的软 件m o d e m ，都足在早期的f s k 原理技术的基础上，随着集成电路及软件技术的进 步，经过不断改良而发展起束的，万变不离其宗。即便是m c l 4 5 4 4 2 这样的低速芯片， 直至今天，仍然还行人在使用它。 我同在无线数据通信技术方面，与欧、美、日等发达围家相比，起步较晚，至少 落后了2 0 年尼右，但发展较快。无线数传电台概念在我困的形成，应陔是在改革丌 放后的8 0 年代初期，但在整个8 0 年代，由于我国的软件及硬件技术还比较落后，系 统集成水准还比较低，因此数传电台也只是在水利、电力、自来水等极少数的几个领 域进彳j ：一些试验性的、小范围的、小批量的应用。看到无线数据逶信的发展前景，当 时的困家无线电管理委员会还号门辟出了2 2 3 2 3 5 m h z 豹无线数掘通信专用频段，避 免了与当时的1 5 0 m h z 、4 5 0 m h z 等语音通信设备争夺有限的频率资源，这一有远见 的做法为同后数传电台及遥控遥测系统的快速发展奠定了良好的政策麟础。 进入9 0 年代仞期，随着改革歼放的深入，以电力、水利、自束水、石油、环保、 热嘲等为代表的囡民经济的薰要行业发展迅速，对自动化程度的要求也日益提高。我 凼的遥控遥测系统市场由此由实验阶段逐渐进入了高速发展阶段，从民用到军用，应 用领域也越束越广泛，需求量也越来越大。数传电台于足进入了一个蓬勃发展期。最 常见、最典璎的遥控遥测系统有：电力负荷监控系统、配网自动化系统、水文水情测 报系统( 即流域防汛监测系统) 、自来水管网监测系统、城市路灯监控系统、铁路信 号监控系统、热嘲j 监控系统、输油供气管网监测系统、g p s 定位系统、集中抄表系统、 地震测报系统、无线电子称重系统( 主要用于港口码头豹装卸作业) 、自动报靶系统、 无人飞机控制系统、防火防盗系统、环境监测系统等等自动化系统。 2 第一章绪论 1 2 远动系统”1 远动系统为调度控制中心采集实时数据，实现对远方设备的监视和控制，因此它 是s c a d a 系统调度自动化的基础。s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 即数据采集与监视控制系统，它是以计算机为核心，综合利用计算机技术、通信技术、 控制技术等技术以完成遥控、遥测、遥信、遥调一种控制系统。s c a d a 系统远动的 主要任务是；将表征生产过程运行状态和有关实时信息采集到调度控制中心，把调度 控制中心的命令发往生产现场，从而对设备进行控制和调节。 远动系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、电气化铁道系统、给水系统、 石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。 1 2 1 电力远动系统及其信息传输方式的发展状况 1 2 1 1 电力远动系统概述 远动的含义是：利用远程通信技术进行信息传输，实现对远方运行设备的监视和 控制。电力远动系统是指对广阔地区的电力生产过程进行监视和控制的系统，它是调 度自动化系统的重要组成部分，是实现调度自动化的基础。 1 2 1 2 电力远动系统构成及配置 传统电力远动系统的设备包括厂站端远动装置，调度端远动装置和远动信道。调 度中心和厂站分别称为“主站”和“子站”，主站也称控制站，子站也称受控站。安 装在主站和子站的远动装置分别被称为前置机和远动终端装置( r e m o t e t e r m i n a l u n i t ， 缩写为r t u ) 其中，前置机接收r t u 送来的实时远动信息，经译码后还原出被测量的 实际大小值或被监视对象的实际状态进行显示或打印输出，并将调度员输入的遥控或 遥调命令组装成信息字向r t u 传送；r t u 将直流电压进行a d 转换成二进制数值并对 脉冲输入记数，还把状态蚤输入转换成逻辑电平“0 ”或“1 ”，再将上述各种数字信 息按规约编码成遥测或遥调信息字向前置机传送，接收前置机送来的遥控或遥调信息 字，经译码后还原出遥控对象号和控制状态，遥调对象号和设定值，经返送校核正确 后( 对遥控) 输出执行。 远动系统的配置指主站与若干子站以及连接这些站的传输链路的组合体，传统的 远动配置模式为：点对点配置、多路点对点配置、多点星形配置、多点共线配置和多 点环形配置其中多点共线配置可以节省通信链路，但只能采用问答传输模式多点环 形配置中主站和子站之间有两条通信链路，可靠性有所提高。 1 2 1 3 远动信息类型及传输信道 电力系统远动的主要功能为遥测、遥信、遥控和遥调，其中调度中心通过遥测和 遥信功能来监视员方运行设备的实时运行状况；通过遥控和遥调功能完成对远方设备 3 第一章绪论 的控制，因此远动系统为实现这些功能而进行传送的主要信息为对应的“四遥”信息， 它们分别为： ( 1 ) 遥测信息：传送发电厂、变电站的各种运行参数，分为电量和非电量两类： ( 2 ) 遥信信息：包括发电厂、变电站中断路器和隔离开关的合闸或分闸状态，主要设 备的保护继电器动作状态，自动装置的动作状态以及一些运行信号等，这些信息只有 两种状态，用一位二进制数”0 ”或“l ”来表示； ( 3 ) 遥控信息：传送改变运行设备状态的命令，如发电机组的启停命令、断路器的分 合命令、并联电容器和电抗器的投合命令等； ( 4 ) 遥调信息：传送改变运行设备参数的命令，如改变发电机有功出力和励磁电流的 设定值。改变变压器分接头的位置等我国常用的传输远动信号的远动信道有专用有 线信道、复用电力线载波信道、微波信道、光纤信道、无线电信道以及卫星通信等， 信道的好坏直接影响信号传输的可靠性。 1 2 2 电力远动技术的现状 2 0 世纪末到2 1 世纪初，随着半导体芯片技术、计算机技术及通信技术的飞速发展， 分层分布式的自动化系统结构被采用到电力系统厂站端来远动技术融入到厂站自动 化技术中，远动从而在概念和内涵上有了本质变化，传统上各自独立的远动和继电保 护统一到一起，由此而诞生的厂站自动化系统不仅包含传统的远动( 监控) 系统，也包 含继电保护装置与系统及若干附属设备，目前还在继续发展之中。 厂站自动化技术的主要特点1 有：以国际电工委员会( i e c ) 关于变电站的结构 规范为准，真正以分层分布式结构取代传统集中式结构；厂站分为变电站层、问隔 层和过程层3 个层次：厂站层主单元采用嵌入式系统，以高档3 2 位工业级模件作为 核心，配有大容最内存、闪存以及电子固态盘和嵌人式软件；智能电子装置如继电 保护装置、自动装置、电源、五防、电子电能表等在厂站自动化系统中广泛应用；现 场总线和光纤通信应用于分布式的系统，尤其是基于t c p i p 的以太网，在厂站自动化 系统中广泛应用，采用的通信协议也更为国际标准化。 1 2 3 开放体系的自动化技术删 下一代变电站自动化技术发展的主要特征是分层、分布、开放的系统，预期的发 展方向为高级分布式自动化，a d a 是e p r i 的电力革新协会与2 0 0 2 年制定的长远规划。 a d a 中的分布能量资源开放通信体系结构是该计划的主要组成部分。该部分的基本 目标是：以i e c 6 1 8 5 0 为基础，开发d e r 对象模型和( 信息交换模板) ，为标准的对象模型 开发建立方法论；和i e c ，i e e e 等合作，制定相应标准。同时智能电子设备广泛应用、 开放通信体系进入工业自动化领域、行业统一建模方法的实施等必将引起下一代电力 远动系统的革命。 4 第一章绪论 1 2 4 远动通信规约的发展与无缝通信体系卅 电力远动通信系统的基础是所采用的通信协议，c d t 、p o l l i n g 规约是曾经广 泛使用的远动通信规约，随着网络技术的发展，陆续出现了一系列新规约如 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ，i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 4 ，i e c 6 1 8 5 0 等，但目前还没有哪个规约能以绝对优势 在电力行业中普及，下面介绍电力远动规约及相关标准的发展过程。 1 2 4 1g o t 、p o l l l n g 规约 循环式远动规约c d t ( c y e l i c di g i t a i tr a n s m i 0 对循环式远动的功能、帧结构、信 息字结构和传输规则等作了具体规定。规约支持可变帧长度、多种帧类别循环传送、 变位遥信信息优先传送、缩短重要遥测量更新时间、循环量的区分、随机量和插入量 采用不同形式传送等功能，可传输遥信、遥测、事件顺序记录( s o e ) ，电能脉冲计数值、 遥控命令、设定命令、对时、广播命令、复位命令、子站工作状态等信息，适用于采 用点对点的远动通道结构、以循环字节同步方式传送的远动设备与系统。该规约的主 要优点为：不需主站干预：只需单向信道；传输过程中的差错可利用下一次的循环数据 来补救。缺点为：传送时延与一次循环中信息量有关，信息量越大，传送时延就越长： 当用户数据无变化时也照样传颂，使得正常情况下信道的有效利用率不高且数据流的 下行困难：奇偶校验检错能力差( 偶数位同时出错时认为正确) 。问答式的远动规约 p o l l i n g 规约是一种主从远动规约，采用异步通信方式，由调度端不断地发出召唤 代码发动通信，变电站只有在在响应后才上送本站信息。传送的报文以八位字节为单 位，附加起始停止位，但不带奇偶位。该规约的主要优点为：主站可以要求被控站发 送某一远动信息，也可以要求发送某些类型的信息等等，工作方式灵活。其缺点是： 通信仅限于多从站和单主站之间的数据传输：询问回答的方式使得系统响应时间慢：当 被控子站有紧急信息时难以及时上传给主站；轮流问答的时间太长；数据流的下行难； 校验和检错能力不够。以上的通信规约都是采用传统的串行工作方式，为低速网络设 计，并且采用点到点的电路交换方式进行数据传输，独占通信信道，已经不能满足现 代电力自动化系统的通信要求。 1 2 4 2 远动通信协议体系l e c8 0 8 7 0 - 5 系列规约 i e c6 0 8 7 0 5 通信协议体系是国际电工委员会第5 7 技术委员会第3 - i - 作组于1 9 9 0 年制订的用于变电站远动通信的协议体系，即“远动设备和系统”的第5 部分：传输规 约。它借鉴了网络通信协议的分层技术，将协议分为物理层、链路层和应用层三层， 其中i e c6 0 8 7 0 5 - l ( 对应g b t 1 8 6 5 7 12 0 0 2 ) ，i e c6 0 8 7 0 - 5 2 ( 对应g b t 1 8 6 5 7 2 2 0 0 2 ) 描述7 链路层传输帧格式和传输规则，i e c6 0 8 7 0 5 3 ( 对应g b t 1 8 6 5 7 3 2 0 0 2 ) 。 i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 4 ( 对应g b t 18 6 5 7 42 0 0 2 ) ，i e c6 0 8 7 0 5 5 ( 对应g b t 1 8 6 5 7 52 0 0 2 ) 分别 描述了应用层数据的一般结构、信息元素的定义和编码以及基本应用功能，应用层直 接映射到链路层。i e c 根据应用领域的不同要求在i e c 6 0 8 7 0 5 系列标准基础上制定了 第一章绪论 一系列配套标准，它们分别为：基本远动任务配套标准i e c 6 0 8 7 0 5 - 1 0 1 ( 对应 d l t 6 3 4 1 9 9 7 。d l t 6 3 4 5 1 0 1 2 0 0 2 ) 、电力系统电能累计量传输配套标准1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 f 对应d l t 7 1 9 2 0 0 0 1 和继电保护设备信息接口配套标准 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 ( 对应d l f r 7 1 9 2 0 0 0 ) 。i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 远动规约提供了在主站和远动 r t u 之间发送基本远动报文的通信文件集，适用的网络拓扑结构为点对点、多个点对 点、多点共线、多点环形和多点星形网络配置的远动系统中。为了充分利用以太网资 源，i e ct c 5 7w g 0 3 于1 9 9 8 年8 月制定了i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 标准( 对应为d l f r 6 3 4 5 1 0 4 2 0 0 2 ) 。此协议将i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 的应用层与t c p i p 提供的网络传输功能相组合，使 得i e c6 0 8 7 0 5 - 1 0 1 在t c p i p 内各种网络类型都可使用，包括x 2 5 、帧中继( f t a m e r e l a y ) 、异步转移模式a t m 和综合业务数据网i s d n ，欧美一些国家调度主站与变电 站r t u 的通信主要采用此标准。 i e c6 0 8 7 0 5 协议体系及其配套标准在国内得到了一定程度的推广，对于规范变 电站自动化系统的通信体系起了一定作用。由于它没有对变电站自动化系统内部各种 实际对象进行建模和描述，各个厂商按照各自不同的理解进行设计，使得不同系统之 日j 互操作性t e 较差。许多国外学术团体和组织正积极开展研究工作来突破i e c 6 0 8 7 0 5 系列的局限，尝试采用新技术和新方法建立新的通信协议体系来解决互操作 性问题。 1 2 4 3 变电站计算机通信网络和系统i e c6 1 8 5 0 规约 为适应变电站自动化技术的迅速发展，需要制定一个更为通用、全面的标准来覆 盖整个变电站的通信网络和系统，为此i e ct c 5 7 成立了三个新的工作组w g1 0 ，w g l l 和w g l 2 来负责制定i e c6 1 8 5 0 标准。三个工作组有明确的分工：第l o 工作组负责变电 站通信协议的整体描述和总体功能要求的定义；第l lt 作组负责站级数据通信总线的 定义：第1 2 工作组过程级数据通信协议的定义。同时，为避免与u c a 2 0 形成两个标准 的冲突而不利于制造厂家和企业的互操作，1 9 9 8 年i e ct c 5 7 。e p r i 和i e e e 达成共识： 为了电力工业的总体利益，避免出现关于变电站自动化不同的标准，i e e e 以北美的 i e e e 标准草案u c a 2 0 为基础来制定i e c6 1 8 5 0 一变电站通信网络和系统标准在i e c 6 1 8 5 0 标准制定过程中，在美国、德国、荷兰等国都设立了示范工程，用以验证标准， 通过实践来进一步促进标准的完善。e p r l 制定了变电站通信论证初步计划，该计划 按照u c a 2 0 标准至少实现1 2 个站，用于验证u c a 标准的正确性并将结果反馈回来以 便修改标准。 目前，国外若千生产变电站自动化设备的厂商如s i e m e n t s ，a b b 等1 3 家公司己推 出了符合i e c6 1 8 5 0 的变电站自动化系统的产品，国内电力行业主管部门对i e c 6 1 8 5 0 标准也极为重视，专门成立了由国内各大厂商和研究所专家组成的中国工作组，负责 分析研究i e c6 1 8 5 0 规约，并将其存在的问题向i e c 相关工作组提出建议。据称我国几 个大公司也有d e m o 版本，但这些主要是难c6 1 8 5 0 在变电站内的应用，未见在变电 6 第一章绪论 站到控制中心的应用报道。 1 2 4 4i e c 无缝连接系统体系 i e ct c 5 7 己经制定的众多通信协议中，远距离非网络化串行通信协议有：i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 和i e c6 0 8 7 0 - 5 1 0 2 ，通过网络传输的协议有：i e c6 0 8 7 0 1 0 4 ，i e c6 0 8 7 0 6 t a s e 1 和1 e c60 8 7 0 6 ta s e 2 。变电站内有：i e c6 0 8 7 0 1 0 3 和i e c6 1 8 5 0 ，调度中心之间 有：i e c6 1 9 7 0 等，这些协议不能兼容或者不能完全兼容；变电站内的协议i e c6 1 8 5 0 目 前采用的特定通信服务映射( s c s m ) 是映射到t c p ，i p 和制造报文规范( m m s ) ，虽然和 i e c6 0 8 7 0 6 t a s e 2 一样采用m m s ，但二者的应用场合不同，前者用于变电站自动化 系统，后者用于调度所间计算机之间的通信，二者的服务对象、传输的内容不同，所 采取的技术手段也不同，也不能兼容。在网络技术迅猛发展的今天，这种状况很难适 应形势发展的需要，因此有必要从变电站的过程到调度中心采用统一的通信协议、数 据对象建模，并和i e c6 1 9 7 0 的c i m 协调一致，建立各个控制层的公共对象建模工具， 建立全局性的对象模型和对象字典，形成无缝的远动通信体系结构。该结构有四个特 点：i ) i e c6 0 8 7 0 6 t a s e 2 用于控制中心之间通过网络进行通信；2 ) 变电站内的网络采 用i e c6 1 8 5 0 ；3 ) 控制中心和变电站之间通过网络采用i e c6 1 8 5 0 + 进行通信，这样从 控制中心到变电站的过程层可以采用统一的通信协议；4 ) 变电站和控制中心的配置、 事故追忆、特殊应用计算机之间采用i e c6 1 8 5 0 + 。 建立无缝通信体系的标准并非一朝一夕所能完成的，在工程上实现无缝通信体系 更需要经过多年的努力才有可能。目前，i e c6 1 8 5 0 + 还在修订之中，近年i e ct c 5 7 要花大力气协调它与高级应用程序接i a ( a p i ) 系列标准l e c6 1 9 7 0 的数据模型。 i e ct c 5 7 提出的远动无缝通信体系结构方案如图1 1 所示 图i - 1i e c 远动无缝通信体系结构 f i g l 一1 i e ci n t a c tf r a m eo f c o m m u n i c a t i o n 7 第一章绪论 1 3 开发研制无线数传测控模块目的和意义 现下无线数传模块、r t u 种类很多，主要都是用于s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n 数据采集与监控) 、遥测、遥信、遥控领域的专用通信设备，适用于 定点、定向、长距离、小容量数据的传输应用。 按发射频率划分大致有：4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 、2 4 g h z 等 按发射功率划分大致有：微功率、中功率等 按处理器芯片分大致有：d s p 、单片机等 它们大多都是利用单片机或d s p 芯片作为处理器，将采集处理的现场信号、数据， 然后通过无线数传模块将信号或数据通过制定好的通信协议，主从之间以点对点、点 对多的方式进行传输。 开发研制无线数传测控模块目的： 为了解决由于生产领域条件限制、铺设线路难等问题，以及实现对一些小型的、 分散的被控装置进行低成本的、有效地测量和集中控制。我们计划利用单片机和无线 数传芯片设计开发一套无线数传测控模块。大概实现以下功能：现场数据采集、处理， 通过无线数传模块完成远距离数据传输，实现主从之间点对点、点对多的数据交互， 并在现场将接收到的主控信号进行处理，完成现场开关等动作的操作。 丌发研制无线数传测控模块意义： 考虑到现有的无线数传产品的价格比较高，而且实现的功能与我们要求的也不完 全一样。考虑到经济性、易用性以及可扩展性等方面，结合现场存在的问题，利用无 线数传芯片进行有针对性的开发是很有必要的。 1 4 无线数传测控模块系统构成 无线数传测控模块整个系统主要由主站部分和子站部分两部分构成。其中主子 站部分主要由无线通讯模块、数据采集与处理模块( 帧解析、命令比较和动作处理等) 、 上行任务管理模块( 事件纪录) 、下行任务管理模块( 报文打包) 和同步时钟模块等 组成。主要结构如：图1 - 2 所示。其基本工作原理如下：当子站现场设备需要动作时， 主站将相应的帧打包，通过通讯模块按照相应子站的地址发送到子站，子站接收数据 比较地址是否是自己，不是则舍弃，是则比较命令参数进入相应任务的处理。处理完 成返回主站确认帧，处理过程结束。若子站有误动作，则子站将记录事件向主站报警， 主站进行相应处理。本文的目的是要实现基于i e c 8 7 0 5 1 0 1 传输规约的测控模块软 硬件设计，以及无线数传测控模块的远距离数据传输。 主站子站 第一章绪论 上行任务管理模块 - - 4 无 线 下行任务管理模块 数 l j 传 数据采集与处理模块 。模 块 同步时钟模块 j 上行任务管理模块 下行任务管理模块 数据采集与处理模块 同步时钟模块 图1 - 2 无线数传测控模块系统构成 f l g l - 2 w a r e l e s sd a t at r a n s m i t t e rf r a m eo f c o m m u m c a t i o n 1 。5 本论文研究的主要内容以及章节安排 第一章主要介绍简单论述课题的现状、发展情况和本文完成的工作和论文的结 构。 第二章本章主要介绍有关i e c 8 7 0 - 5 1 0 1 规约的帧格式、报文传输顺序以及在传 输中需要注意的部分。为后面章节的软硬件设计及实现提供理论依据。 第三章介绍基于i e c 8 7 0 - 5 1 0 1 传输规约的无线数传测控模块软件、硬件的设计。 主要阐述了无线数传测控模块的设计要求，具体构架以及基于1 0 1 协议的通 讯设计和同步时钟的设计思想。 第四章详细介绍无线数传测控模块软件、硬件实现。通过软件和硬件两个方面 对基于1 0 1 通信规约的无线数传测控模块的系统实现进行了详细的阐述。实 现了硬件电路的构架和实现了主站与子站之间的通讯、数据采集和动作执行 以及事件记录等软件功能，达到系统所需基本要求，完成系统设计目的。通 过在通讯和事件记录中加入同步时钟的概念，更加增强了系统的实时性和可 控性。 第五章在软件和硬件两方面，分析了如何提高系统的抗干扰能力，并研究了与系 统抗干扰相关的软件和硬件设计。 第六章通过实验室调试和试验，证明应用无线数传模块设计无线测控模块是可 行的。应用无线数传技术研究与设计的远动终端，实现了远动终端的基本功 能，达到了预期的目的。 第七章结论与展望。 9 第二章i e c 8 7 0 5 1 0 1 规约 第二章ie c 8 7 0 - 5 - 10 1 规约 在整个无线数传测控模块的通讯过程和处理其他的功能方面，我们遵循的是 i e c 8 7 0 5 1 0 1 规约。本章主要介绍有关i e c 8 7 0 5 1 0 1 规约的帧格式、报文传输顺序 以及在传输中需要注意的部分。为后面章节的软硬件设计及实现提供理论依据。 2 1ie c 8 7 0 - 5 - 1 0 1 介绍 本标准规定了电网数据采集和监视控制系统( s c a d a ) 中主站和子站( 远动终 端) 之间的问答方式进行数据传输的帧格式、链路层的传输规约，服务原语、应用数 据结构、应用数据编码、应用功能和报文格式。 本标准适用于网络拓扑结构为点对点、多个点对点、多点共线、多点环形和多点 星型网络配置的远动系统中。适用于电网数据采集和监视控制系统以及调度所间以问 答式规约转发实时远动信息的系统。 2 2 帧格式 标准中采用的帧格式为f t i 2 异步式字节传输帧格式 1 f t i 2 可变帧长帧格式( 如图2 1 ) d 7 d 6 d 5 d 4 d 3 d 2 d 1 d o 启动字符( 6 8 h ) 诫 l 扫 鞋 创 l 业 埘 启动字符( 6 8 h ) 匦 、 控制域( c ) 链路地址域( a ) 囊 捌 链路用户数据( 可变长度) 捌 帧校验和( c s ) - | 结束字符( 1 6 h ) 、 图2 - 1f t l 2 可变帧长帧格式 f 1 9 2 1 f t l 2f o r m a to f c h a n g e df r a m e 在线路上传输顺序如图2 2 + 1 l1 09876 543 2l 1 0 第二章i e c 8 7 0 - 5 - 1 0 1 规约 1llo11 o 1oo o o 2l p lo 3 l p l 0 4llo11oloo o o 5 l p 控制域( c ) o 6l p 链路地址域( a ) o l 链路用户数据 l l i # 1 p 帧校验和( c s ) o nllo 0ol0llo o 图2 - 2 在线路上传输顺序 f i 9 2 - 2s e q u e n c eo f t r a n s m i t 各个字符在线路上按l 、2 、3 n 顺序依次出现，即低位先发送，数据传输从 低到高。 传输规定： 线路空闲状态为l 。在无线电通道或断载频方式时，需利用r s 2 3 2 的信号r t s 和c t s 发送若干个1 的载频后才能发送报文，以使调制解调器稳定。 每个字符有1 个启动位( - - 进制o ) ，8 位信息码、l 位偶校验位、i 位停止位( 二 进制1 ) 。 每个字符间无需线路空闲间隔。 两帧之间的线路空闲间隔最少需3 3 位。 长度l 包括控制域、地址域、用户数据区的8 位位组的个数，为二进制数。 帧校验和是控制、地址、用户数据区8 位位组的算术和( 不考虑溢出位即2 5 6 模和) 。 接收校验： 1 ) 每个字符的启动位、停止位、偶校验位。 2 ) 校验两个启动字符、两个l 值应一致，接收字符数为l + 6 、帧校验和、结束字符 若无差错，则数据有效。若检出一个差错时，则校验线路空闲间隔。 3 ) 在校验中，若检出一个差错，则舍弃此帧数据。 2 f t i 2 固定帧长帧格式 f t l 2 固定帧长帧格式如图：2 - 3 d 7 d 6 d 5 d 4 d 3 d 2 d 1d o l启动字符( 1 唧 i控制域( c ) 第二章i e c 8 7 0 5 1 0 1 规约 链路地址域( a ) 帧校验和( c s ) 结束字符( 1 6 h ) 图2 - 3f t l 2 固定帧长帧格式 f i 9 2 1 f t l 2f o r m a to f n o - c h a n g e df m n m 在线路上传输顺序与f t l 2 可变帧长帧格式一致。 f t l 2 可变帧长帧格式用于有主站向子站传输数据，或由子站向主站传数据。 f t l 2 固定帧长帧格式用于子站回答主站的确认报文，或主站向子站的询问报文。 下面我们介绍一下控制域( c ) 、地址域( a ) 和传输超时时间。 2 3 控制域( c ) 、地址域( a ) 和超时时间 控制域( c ) 的定义见图2 4 d 7d 6d 5d 4d 3d 2 d 1d o 0 ( 主站t o 子站) 1 帧计数位帧计数有效位 d 己p r m f c bf c v 功能码 传输方向位 启动报文 要求访问位数据流控制位 l (