（微电子学与固体电子学专业论文）电力蓝牙技术的研究与设计.pdf

摘要 摘要 在我国变电站自动化系统建设中，从传统模式到集中配屏模式以及最新的局 部分散模式，虽然技术在不断提高，新技术在不断出现，但是安装在户外端子箱 上的远方终端装置( r t l d 与主控室的连接上依然还是传统的电缆连接方式，通过 铺设专门的电缆沟引入主控室。不仅施工复杂，维护起来更是困难，然而一直没 有好的解决方案。 蓝牙技术的兴起为我们带来了新的曙光，它是一种短距离无线传输的电缆替 代技术，定位于现在通信网络的最后1 0 - - 1 0 0 米。它的初始目标在于通过短距无 线链路使得个人移动设备和其他设备( 个人的或公共的，小的或大的) 进行互连， 但蓝牙的应用范围将远远超过这一目标。 将蓝牙技术的这种优势引入变电站自动化系统中，即利用蓝牙网络来取代远 方终端装置( r t l d 与主控室之间的电缆连接，再配合智能化软件的管理，我们就 构建出了一种崭新的应用技术一一电力蓝牙技术。 具体的说，电力蓝牙技术是建立在蓝牙技术基础上的用于电力系统自动化的 嵌入式无线通信技术，其目的不仅仅是为了取代电力系统的变电站中的通信电缆， 还为变电站的自动化搡作、程序化运行，继电保护的发展等开拓了巨大的发展空 间。尤其是它与嵌入式系统芯片相结合，就可以为电力系统的一次、二次设备的 融合，带来极大的促进作用。 本论文首先对这一技术进行了描述，对它的价值进行了评估，对其发展前景 进行了预测。接着结合蓝牙技术的特点，分析电力蓝牙技术的可实施性，分析实 施过程中要解决的技术要点以及可能出现的困难。针对变电站实例，本论文设计 了一套系统解决方案，用来验证其可行性。对系统的描述分为软件部分和硬件部 分。硬件部分详细描述了实验平台的搭建软件部分则详细讨论了基于蓝牙 l 2 c a p 协议层组建蓝牙网络的方法和步骤，包括程序框架的构建和蓝牙协议栈的 使用最后对系统的进一步完善和发展提出了改进意见。 关键诃：蓝牙自动化无线数据 a b s t r a c t o nt h ec o n s t r u c to fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n f r o mt r a d i t i o n a lm o d et ol o c a l d i s t r i b u t e dm o d e ，t e c h n o l o g yi si m p r o v e da n du p d a t e dc o n t i n u o u s l y b u tt h e c o n n e c t i o nb e t w e e nr t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i oo u t d o o r sa n dt h ec e n t e rc o n t r o lr o o m i sa l s oc a b l ec o n n e c t i o n ，w h i c hi sc o m p l e xa n dd i f f i c u l ti nc o n s t r u c t i o na n d m a i n t e n a n c e t h e r eh a sn og o o di d e a b l u e t o o t hb r i n g sh o p et ou s i ti sc a b l e - r e p l a c e dt e c h n o l o g yb yas h o r t r a n g e w i r e l e s sc o n n e c t i o na b o u t1 0 - 1 0 0m e t e r s i ti n t e n d so r i g i n a l l yt om a k ep e r s o n a lm o b i l e e q u i p m e n te a s i l yi n t e r c o n n e c tw i t he a c ho t h e ra n dw i t ho t h e re q u i p m e n tu s i n ga s h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o n n e c t i o n b u tt h ea p p l i c a t i o n so fb l u e t o o t he x c e e dt h i sg o a l g r e a t l y b yi n t r o d u c i n gb l u e t o o t ht os u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，r e p l a c i n gt h ec a b l e c o n n e c t i o nb e t w e e nr t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) o u t d o o r sa n dt h ec e n t e rc o n t r 0 1r o o m ， m a n a g i n gw i t hi n t e l l i g e n t i z e ds o f t w a r e , an 聊a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yc a nb em a d e w h i c hi sb e p s 饵l u n t o o t hi ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m s ) i nd e t a i l ，b e p si se m b e d d e dt e c h n o l o g yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf o rp o w e r s y s t e mb a s e do nt h eb l u e t o o t h i t sp u r p o s ei sn o to n l yr e p l a c e m e n to fc o m m u n i c a t i o n c a b l eu s e di ns u b s t a t i o n ，b u ta l s og i v i n gt h eg r e a td e v e l o p m e n tf o ra u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n to fs u b s t a t i o no p e r a t i o n o n c ec o m b i n e d 谢t l le m b e di c i tc a ng r e a t l y a c c e l e r a t et h ei n c o r p o r a t eo fb a s a le q u i p m e n ta n ds u p e r v i s o r ye q u i p m e n ti np o w e r s y s t e m ad e s c r i p t i o no nb e p si sg i v e nf i r s t ，i n c l u d ei t sv a l u ee v a l u a t ea n df o r e g r o u n d f o r e c a s t as y s t e ms o l u t i o no fb e p si sd e v e l o p e da c c o r d i n gt h e a c t u a ls u b s t a t i o n s u b s e q u e n t l yt h em e t h o d sa n da p p r o a c h e so fs o , w a r em o d u l ea n dh a r d w a r em o d u l e h a v e b e e nd i s c u s s e di nd e t a i l a tl a s t ，m o r ei m p r o v e m e n t sh a v e b e e nb r o u g h tf o r w a r d k e y w o r d s ：b l u e t o o t ha u t o m a t i o nw i r e l e s sd a t a 第一章绪论 第一章绪论 1 1 蓝牙简介 1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、m 和英特尔等五家世界著名大公 司联合宣布了一项叫做“蓝牙”( b l u e t o o t h ) 的计划，并创建了蓝牙特殊利益集 团。他们力图制订一个开放的工业标准，并据以建立应用于移动和商业市场的可 替代电缆的短距离无线通信技术。这项计划公布后，迅速得到包括摩托罗拉、朗 讯、康柏、西门子、高通、3 c o m 、t d k 等大公司在内的许多厂商的支持。1 9 9 9 年 1 2 月1 日，微软、朗讯、3 c o m 和摩托罗拉四家公司加人到创始者行列，使得蓝 牙特殊利益集团成为由9 家公司共同领导。到2 0 0 1 年4 月2 4 日，s i g 成员总数 达到2 4 9 1 个。 2 0 0 1 年3 月，蓝牙特殊利益集团发布了“蓝牙标准的最新版，即1 1 版。 “蓝牙”标准主要定义的是底层协议，同时为保证和其它协议的兼容性，也定义 了一些高层协议和相关接口。最新版还对各种无线通信方式的技术规格做了详尽 的描述，确保不同厂家产品的互连接性。目前，s i g 正在制订蓝牙的高速版本( 2 0 ) ， 速率将达到2 1 0 m b s ，预期在2 0 0 4 年开始发布。2 m b s 规范对于3 g 和音频视 频的应用很重要，1 0 m b s 规范加宽了蓝牙的应用范围。 具体说来，? “蓝牙”是一种短距离的无线连接技术标准的代称，蓝牙的实质 内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准。“蓝牙”计划 主要面向网络中备类数据及语音设备，如p c 机、笔记本电脑、打印机、传真机、 数码相机、移动电话、家电设备等，使用无线微波的方式将它们连成一个微微网， 多个微微网之间也可以互连，从而方便快速地实现各类设备之间的数据和语音通 信。 蓝牙作为一个全球公开的无线应用标准，通过把各种语音和数据设备用无线 链路连接起来，使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。无疑，它将在人 们的日常生活和工作中扮演重要的角色，其市场潜力巨大，正成为2 l 世纪的投资 热点。 电力蓝牙技术的研究0 设计 1 2 电力蓝牙技术的提出 在我国变电站自动化系统建设中，从传统模式到集中配屏模式以及最新的局 部分散模式，虽然技术在不断提高，新技术不断出现，但是安装在户外端子箱上 的远方终端装置( r t u ) 与主控室的连接上依然还是传统的电缆连接方式，通过铺设 专门的电缆沟引入主控室。不仅施工复杂，维护起来更是困难，然而一直没有好 的解决方案。 蓝牙技术的兴起为我们带来了新的曙光，其定位于现在通信网络的最后l o 一 1 0 0 米，像一种无处不在的、数字化的神经末梢一样，把现有的所有网络终端设备 和各种信息化设备在近距离内联系在一起。将蓝牙技术的这种优势引入变电站自 动化系统中，即利用蓝牙网络来取代远方终端装置( r t u ) 与主控室之间的电缆连 接，再配合智能化软件的管理，我们就构建出了一种崭新的应用技术一一电力蓝 牙技术。 电力蓝牙技术是建立在蓝牙技术基础上的用于电力系统自动化的嵌入式无线 通信技术，其目的不仅仅是为了取代电力系统的变电站中的通信电缆，还为变电 站的自动化操作、程序化运行，继电保护的发展等开拓了巨大的发展空间。尤其 是它与嵌入式系统芯片相结合，就可以为电力系统的一次、二次设备的融合，带 来极大的促进，甚至是革命性的发展。 1 3 1 研究意义 1 3 本论文的研究意义和任务目标 目前，电力系统的进一步发展的趋势主要为以下两个方面：第一是电力网络 与通讯网络的进一步融合，电力系统的网络参数更大的依靠通信网络的传递和搜 集，以便中央集控单元依据电力的规则作出决策，在这种传递信息的瓶颈出现时 就发展分布式的决策网络；第二是电力系统的一次系统设备与二次系统设备的进 一步融合。作为电力系统神经网络的二次系统，只有有机的融入一次系统中，作 为神经反应才能更灵敏，更快捷，更好的发挥作用。 蓝牙技术的出现为电力系统的短距离信息传递开辟了新天地，尤其在电力系 统信息交换的核心一一变电站中，电力蓝牙技术的出现又将带来一次信息传递技 术的大变革，它将在微机保护，安全网络等诸多方面带来新的冲击。不仅可以取 代电力系统的变电站中通信电缆，节省变电站建设投资，而且可组成分柿式微机 第一章绪论 保护单元，引入网络式安全防护，使电力系统各设备的信息彼此可以快速沟通， 对事故快速作出反应。 基于蓝牙技术的变电站综合自动化的优点在于：无线化，减少电站复杂度和 连线隐患：资源使用合理，一个p i c o n e t 网最多可有7 个活动单元，暂时不需要的 从单元可设置为休眠状态，保证了资源的合理使用：智能化，各蓝牙设备间自动 建立连接，可自动查询设备身份和获得服务信息。 我们完全有理由相信，电力蓝牙技术一定会有巨大的辉煌。 1 3 2 任务目标 本课题的研究内容有： 对蓝牙技术特点进行分析，对目前我国的变电站自动化系统的结构进行研究， 考察蓝牙技术应用于变电站自动化系统的可行性，分析实施过程中要解决的技术 要点以及可能遇到的困难。 结合市场上现有的蓝牙芯片产品，针对变电站实例，提出一套系统总体设计 方案，设计中要考虑到与原有系统的兼容性，方便原有系统的升级改造。 对实现该方案的硬件平台进行设计制作，然后在该平台上搭建出系统的实验 室模型，完成系统中的软件设计，初步实现蓝牙网络中数据的基本通信功能。 与端子箱内的前端数据采集控制板连结起来进行联机调试。检验整个系统的 兼容性和稳定性。 第二章电力蓝牙技术 第二章电力蓝牙技术 2 1 蓝牙技术 蓝牙是一种个人连接技术，它的初始目标在于通过短距无线链路使得个人移 动设备和其他设备( 个人的或公共的，小的或大的) 进行互连，但蓝牙的应用范 围将远远超过这一目标。 2 1 1 蓝牙技术特点 1 无线频段和抗干扰 蓝牙技术采用2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 的i s m ( 工业、科学和医学) 频段，因为该 频段向公众开放，无须特许，而且在全球范围内有效，从而满足蓝牙协议的最大 通用性。 此时，抗干扰问题便变得非常重要。因为2 4 5 g h zi s m 频段为开放频段，使 用其中的任何频段都会遇到不可预测的干扰源( 如某些家用电器、无绳电话和汽 车开门器等) 。此外，对外部和其它蓝牙用户的干扰源也应作充分估计。 蓝牙系统采用快速调频技术、短数据包、纠错技术来抑制干扰。系统的最大 跳频速率为1 6 0 0 跳，秒，在2 4 0 2 g h z 到2 4 8 0 g h z 之间，采用7 9 个i m h z 带宽 的频点。一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，也可扩展到5 个时隙。从时间域看每个时隙长度是6 2 5l is ，每个时隙从7 9 个信道中选择一个。 蓝牙系统的纠错机制分为f e c 和包重发。f e c 支持l 3 率和2 3 率f e c 码。1 3 率仅用3 b i t 重复编码，大部分在接收端判决，既可用于数据包头，也可 用于s c o 连接的包负载。2 3 率码使用一种缩短的汉明码，误码捕捉用于解码， 它既可用于s c o 连接的同步包负载，也可用于a c l 连接的异步包负载。使用f e c 码，编解码过程变得简单迅速，这对r x 和t x 间的有限处理时间非常重要。 在a c l 连接中，采用a r q 结构。在这种结构中，若接收方没有响应，则发端将 包重发。蓝牙执行的是一种快a r q 结构：发送端在t x 时隙重发包，在r x 时 隙提示包接收情况。在返回包的包头里，生成a c k n a c k 域，同时，接收包包 头的a c k n a c k 域可表明前面的负载是否正确接收，决定是否需要重发或发送 下一个包。 乜力蓝牙技术的研究j 设计 2 媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 微微网信道由一主单元标识( 提供跳频序列) 和系统时钟( 提供跳频相位) 定义，其它为从单元。每一蓝牙无线系统有一本地时钟，没有通常的定时参考。 当一微微网建立后，从单元进行时钟补偿，使之与主单元同步，微微网释放后， 补偿亦取消，但可存储起来以便再用。不同信道有不同的主单元，因而存在不同 的跳频序列和相位。一条普通信道的单元数量为8 ( 1 主7 从) ，可保证单元间 有效寻址和大容量通信。蓝牙系统建立在对等通信基础上，主从任务仅在微微网 生存期内有效，当微微网取消后，主从任务随即取消。每一单元皆可为主从单 元，可定义建立微微网的单元为主单元。除定义微微网外，主单元还控制微微网 的信息流量，并管理接入。接入为非自由竞争，6 2 5 u s 的驻留时间仅允许发送一个 数据包。在蓝牙系统中，实行主单元集中控制，通信仅存在于主单元与一个或多 个从单元之间。主从单元间通信时，时隙交替使用。在进行主单元传输时，主单 元确定一个欲通信的从单元地址，为了防止信道中从单元发送冲突，采用轮流检 测技术，即对每个从到主时隙，由主单元决定允许哪个从单元进行发送。这一判 定是以前一时隙发送的信息为基础实施的，且仅有恰为前一主到从被选中的从地 址可进行发送。若主单元向一具体从单元发送了信息，则此从单元被检测，可发 送信息。若主单元末发送信息，它将发送一检测包来标明从单元的检测情况。 3 分组结构 每个分组由3 部分组成，即接入码( a c c e s s c o d e ) 、头( h e a d e r ) 、负载( p a y l o a d ) 。 其中接入码和头字段为固定长度，分别为7 2 比特和5 4 比特；负载是可变长度， 从0 2 7 4 5 比特。一个分组可以仅包含接入码字段( 此时为缩短的6 8 比特) ，或 者包含接入码与头字段，或者包含全部3 个字段。 接入码有三种类型：c h a n n e la c c e s sc o d e ( c a c ) 、d e v i c ea c c e s sc o d e ( d a c ) 和i n q u i r y a c c e s sc o d e ( i a c ) 。c a c 用于标识一个p i c o n e t ，所有在该p i c o n e t 中 传送的分组都包含c a c ；d a c 用于特殊的信令过程，如寻呼和响应寻呼；i a c 又 分为g e n e r a l ( g n c ) 和d e d i c a t e d ( d i a c ) 两类：g i a c 对该区域内所有设备 都是一样的，用于发现其它的蓝牙单元；d i a c 用于根据某种特性划分特定用户群。 分组头包含链路控审信息，由6 个字段组成：3 比特的a m - - a d d r 、4 比 特的t y p e 、1 比特的f l o w 、1 比特的a r q n 、1 比特的s e q n 、8 比特的h e c ， 一共1 8 个比特：再加速率为l 3 的f e c ，编码保护后一共是5 4 比特。在主节 点与从节点通信时，需要区分不同的从节点，用a m - - a d d r 来表示激活的从节 点地址。全“o ”地址用于广播，显然3 比特的编码最多可以支持的激活从节点数 为7 ( 扣除全0 ) 。4 比特的t y p e 字段可以区分1 6 种不同类型的分组。f l o w 字 第二章电力蓝牙技术 段用于a c l 链路上的流量控制： 如果接收端缓存满，则f l o w = 0 指示发端停止发送数据；如果缓存清空， 则f l o w = i 指示发端继续发送。a r q n = 0 时表示n a k ；a r q n = l 时表示a c k ， 用于对负载传送正确性的确认。s e q n 比特在每发送一个新的分组时翻转一次， 因为蓝牙采用无编号a r q 机制，所以s e q n 对于重传是必需的，这样可以避免 由于a c k 的去失而造成分组重复接收。分组头用8 比特的校验码以检查分组头 的正确性。 4 物理连接类型 蓝牙技术支持同步业务( 如话音信息) 和异步业务( 如突发数据流) ，定义 了两种物理连接类型：同步面向连接的连接( s c o ) 和异步无连接的连接( a c l ) 。 s c o 为主单元与从单元的点对点连接，通过在常规时间间隔内预留双工时隙建立 起来。a c l 是微微网中主单元到所有从单元的点到多点连接，可使用s c o 连接 末用的所有空余时隙，由主单元安排a c l 连接的流量。微微网的时隙结构允许有 效地混合利用异步和同步连接。 目前，异步连接对有无2 3 率f e c 编码方式的负载都支持，还可进行单时隙、 3 时隙、5 时隙的数据包。异步连接最大用户速率为7 2 3 2 k b s ，这时，反向连接 速率可达到5 7 6 k b s 。通过交换包长度和依赖于连接条件的f e c 编码，自适应 连接可用于异步链，依赖有效的用户数据，负载长度可变。然而，最大长度受限 于r x 和t x 之间最少交换时间( 为2 0 0 p s ) 。对于同步连接，仅定义了单时隙数 据包传输，负载长度固定，可以有l 3 率、2 3 率或无f e c 同步连接支持全双 工，用户速率双向均为6 4 k b s 。 5 功率管理 在蓝牙系统的设计中，需要特别注意减少电流消耗。在空闲模式下，在t 从 1 2 8 3 8 4 s 区间内，单元仅扫描1 0 m s ，有效循环低于l 。在p a r k 模式下，有 效循环可减少更多，但p a r k 模式仅在微微网建立之后使用，从单元可停下工作， 即以非常低的有效循环来侦听信道。从单元仅需侦听接入码和包头来重新使时钟 同步，决定是否可重新进入休眠状态。因为在时间和频率上都已确定( 不工作的 从单元被锁定到主单元，与无线和蜂窝电话被锁定到基站类似) ，所以可达到非 常低的有效循环。在连接中，另一非功耗模式是s n i f f 模式，在这种模式下，从 单元不是每一主一从时隙内部扫描，因此扫描之间有较大的间隔。 在连接状态下，数据仅在有效时发送，使电流消耗最小，且可防止干扰。若 仅有连接控制信息要传送( a c k 蛇k ) ，则将发送一没有负载的空包。因为 乜力蓝牙技术的研究与设计 n a c k 为省缺设置，n a c k 的空包不一定要发送。在p a r k 模式下，主单元隔一 定时间在信道上重发一个数据包，使所有从单元对其时钟重新同步，对时间漂移 进行补偿。在连续的t x r x 操作中，一单元开始扫描始于r x 时隙的接入码， 若未找到该接入码的某窗口，则该单元返回休眠状态，直到下一个t x 时隙( 对 主单元) 或r x 时隙( 对从单元) ：若接入码被接收( 即接收信号与要求的接入 码匹配) ，包头被解码。若3 b i t s 从单元地址与接收到的不匹配，进一步的接收将 停止，包头用于表示包的类型和包的持续时间，由此，非接收方可决定休眠时间。 6 微微网间通信 蓝牙系统可优化到在同一区域中有数十个微微网运行，而没有明显的性能下 降( 在同一区域的多个微微网称为分散网) 。蓝牙时隙连接采用基于包的通信， 使不同微微网可互联。欲连接单元可加入到不同微微网中，但因无线信号只能调 制到单一跳频载波上，任一时刻单元只能在一微微网中通信。通过调整微微网信 道参数( 即主单元标志和主单元时钟) ，单元可从一微微网跳到另一微微网中， 并可改变任务。例如，某一时刻在一微微网中的主单元，另一时刻在另一微微网 中为从单元。主单元参数标示了微微网的f i - i 信道，因此一单元不可能在不同的 微微网中都为主单元。跳频选择机制应设计成允许微微网间可相互通信，通过改 变标志和时钟输入到选择机制，新微微网可立即选择新的跳频。为了使不同微微 网间的跳额可行，数据流体系中设有保护时间，以防止不同微微网的时隙差异。 在蓝牙系统中，引入了h o l d 模式，允许一单元临时离开一微微网而访问另一微 微网( h o l d 也可在离开后无新的微微网访问期间作为一附加低功率模式) 。 2 1 2 蓝牙协议体系结构 蓝牙1 1 协议标准由两个文件组成。一个是核心部分( f o u n d a t i o n c o r e ) ，它 规定的是设计标准。另一个叫协议子集部分( f o u n d a t i o n p r o f i l e ) ，它规定的是运 作性准则【l l 。 蓝牙协议可以分为4 层，即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层 和采纳的其它协议层。 蓝牙的核心协议包括基带( b a s e b a n d ) 、链路管理( l m p ) 、逻辑链路控制与 适应协议( s d p ) 等四部分。 链路管理( l m p ) 负责蓝牙组件间连接的建立。通过连接的发起、交换、核 实，进行身份鉴权和加密等安全方面的任务；通过协商确定基带数据分组大小： 它还控制无线单元的电源模式和工作周期，以及微微网内蓝牙组件的连接状态。 逻辑链路控制与适应协议( l 2 c a p ) 位于基带协议层之上，属于数据链路层， 第二章电力蓝牙技术 是一个为高层传输和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。其完成数据的拆装、 基带与高协议间的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务 和分类提取，它允许高层协议和应用接收或发送长过6 4 k 字节的l 2 c a p 数据包。 业务搜寻协议( s d p ) 是极其重要的部分，它是所使用模式的基础。通过s d h ， 可以查询设备信息、业务及业务特征，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间 的连接。s d p 支持3 种查询方式：按业务类别搜寻、按业务属性搜寻和业务浏览。 2 1 3l 2 c a p 协议层分析 1 蓝牙基本术语 ( 1 ) 微微网( p i c o n e t ) ：是由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网络。微 微网的建立是由两台设备( 如便携式电脑和蜂窝电话) 的连接开始，最多由8 台 设备构成。所有的蓝牙设备都是对等的，以同样的方式工作。然而，当一个微微 网建立时，只有一台为主设备，其他均为从设备，而且在一个微微网存在期间将 一直维持这一状况。 ( 2 ) 分布式网络( s c a t t e r n e t ) ；是由多个独立、非同步的微微网形成的。 ( 3 ) 主设备( m a s t e r u n i t ) ：在微微网中。如果某台设备的时钟和跳频序列用于 同步其他设备，则称它为主设备。 ( 4 ) 从设各( s l a v eu n i t ) ：非主设备的设备均为从设备。 ( 5 ) m a c 地址( m a ca d d r e s s ) ：用3 比特表示的地址。用于区分微微网中的设 备。 ( 6 ) 休眠设备( p a r k e d u n i t s ) ：在微微网中只参与同步，但没有m a c 地址的 设备。 ( 7 ) 监听及保持方式( s n i f fa n dh o l dm o d e ) ：指微微网中从设备的两种低功 耗工作方式。 2 l 2 c a p 协议层体系结构 l 2 c a p 协议是蓝牙系统中的核心协议，它是基带的高层协议，可以认为它与 l m p 并行工作。二者的区别在于：当业务数据不经过l m p 时，l 2 c a p 为高层提 供数据服务，允许高层和应用层协议收发大小为6 4 k b 的l 2 c a p 数据包。l 2 c a p 只支持基带面向无连接的异步传输( a c l ) ，不支持面向连接的同步传输( s c o ) ，因 为s c o 链路主要用预留的带宽进行实时语音传输。l 2 c a p 采用了多路技术、分割 和重组技术、组提取技术。从图2 1 可以看出，l 2 c a p 层与上下协议层之间的操 作：本地高层对本地l 2 c a p 层发出请求；本地l 2 c a p 层对本地低层发出请求； 乜力蓝牙技术的研究j 致计 远端低层向远端l 2 c a p 层发出指示：远端l 2 c a p 层向远端高层发出指示：远端 高层向远端l 2 c a p 层发出应答；远端l 2 c a p 层向远端低层发出应答；本地低层 向本地l 2 c a p 层发出确认：本地l 2 c a p 层向高层发出确认。 水地 远端 高层 a 求圻f 确认应答j 圻- 示 l 2 c a p 层 晴圻f 确认应圻沁 底层 奉奉 匹亚圜 ( 1 ) 单时隙分组 匹亚亚巫 ( 2 ) 多时隙分组 图2 1l 2 c a p 体系结构图2 2a c l 有效载荷格式 a c l 有效载荷的格式如图2 2 所示。二者的唯一差别是长度段的大小，分组 类型用于区分单时隙分组和多时隙分组。基带根据2 位的l _ c h ( l o g i c a lc h a n n e l ) 标志来区分l 2 c a p 或l m p 包。l m p 包的lc h 为1 l ，而l 2 c a p 包的lc h 为 0 1 ( 起始包) 、1 0 ( 后续包) 。1 位的流标志由链路控制器( l c ) 管理。该标志位缺省值 为1 ，表示正常传输：如果该标志位为0 ，则意味着不再有l 2 c a p 包会在该a c l 链路上传输。 l 2 c a p 主要提供以下功能： ( 1 ) 协议复用。多个高层协议共享一个公共的物理连接，从逻辑上看每个协议都 有自己的通道，但由于基带协议不能识别任何高层协议，所以l 2 c a p 必须支 持高层协议复用，它应能区别诸如s d p ，r f c ，t c s 等高层协议，并正 确地收发相应的包。 ( 2 ) 分段和重组。与其他有线的物理连接相比，蓝牙基带包的大小有一定的限制， 最大的基带包只能传输3 4 1 字节的信息，雨这限制了高层协议有效地利用带 宽以传输更大的包。l 2 c a p 允许高层和应用层协议收发大小为6 4 k b 的 l 2 c a p 包，所以l 2 c a p 必须在传往基带前将该包进行分段，以适应基带的 要求。同样在接收方，l 2 c a p 必须能将多个基带包重组为一个l 2 c a p 包传 往高层。 f 3 ) 认证服务质量。在l 2 c a p 的建立连接过程中允许交换有关两蓝牙单元之间服 务质量的信息。每个l 2 c a p 设备必须监视由协议使用的资源并保证服务质量 ( q o s ) 的完整实现。 ( 4 ) 组管理。很多协议支持组地址的概念，蓝牙的基带协议支持微微网，即一组 设备使用同一时钟同步跳频。l 2 c a p 的组提取功能可以有效地将协议的组映 第二章电力蓝牙技术 射为基带的微微网，以避免高层协议为了有效地管理组而必须与基带协议直 接联系。 值得注意的是，l 2 c a p 只是利用基带的机制来提供可靠的信道，其本身不提 供任何重传和校验功能，它能正确地传送包也是建立在基带能有序地传送同一包 的不同分组基础上的 3 l 2 c a p 协议层机制转移状态 l 2 c a p 协议层状态转移如图2 3 所示。 ( c l o d e n ) n o r m a la c c e p t o rp a t h 图2 3l 2 c a p 协议层机制转移状态 l 2 c a p 协议层机制转移状态分别为l 习： 1 关闭状态( c l o s e ) 。在这种状态下，该信道标识符c i d 没有连接任何信道， 意味着不存在链路级的连接。当链路连接断掉后，不论当前c i d 处于什 么状态，都必须转入c l o s e 状态。 2 等待同层连接响应状态( w 4 _ l 2 c a p _ c o n n e c t _ r s p ) 。该状态表示该c i d 已经发出了一个请求连接的包，正等待对方的响应。 l 毡力蓝牙技术的研究与设计 3 等待高层连接响应状态( w 4l 2 c a _ c o n n e c tr s p ) 。该状态表示远端 c i d 已经存在，本地c i d 已经收到连接请求，并且向高层发出了连接请 示，f 在等待高层的回复，高层可能需要安全性检查才能决定是否接受连 接。 4 配置参数状态( c o n f i g ) 。该状态表示逻辑信道已经建立，但还需要对信 道传输参数进行协商配置。值得注意的是，信道转入传输状态( o p e n ) f i i j ， 需对两个方向的信道参数进行配置，必须两个方向都达成协议刁。能进行数 据传输。另外，即使在o p e n 状态时，也可要求对信道参数进行重新配罨。 5 传输状态( o p e n ) 。该状态意味着可以进行数据传输，信道已经建立并配 置成功。 6 等待同层断链响应状态( w 4 _ l 2 c a pd i s c o n n e c t _ r s p ) 。该状态表示连 接被终止，请求断链的包已经发出，正在等待对方的响应。 7 等待高层断链响应状态( w 4l 2 c ad i s c o n n e c t _ r s p ) ，该状态表示远 端c i d 已经被终止，向高层发出远端断链请示，高层将作出反应，并发 包给对方。 4 l 2 c a p 协议层实现流程 l 2 c a p 的服务原语向高层提供了一个调用服务的接口，它规定了服务的种类 和参数，并且不依赖于任何低层设备。 m a s t e rs l a v e ( c l o s e d ) ( w 4 _ l 2 c a p _ c o n n e c t r s p ) ( c l o d e d ) 幽2 4 l 2 c a p 层建立链路的原语对话流科 ( w 4 l 2 c a _ c o n n e c t r s p ) ( c l o d e d ) 第二章电力蓝牙技术 图2 4 列出了l 2 c a 协议层建立一个a c l 链路的原语对话顺序。图中假设发 起方和目标方的起始状态均为c l o s e d 状态。接受到高层的连接请求后，l 2 c a p 协议层向低层申请建立链路，l p m 层命令会被调用建立一个物理信道连接，在此 基础上进行l 2 c a p 层原语对话。 2 1 4 蓝牙与其他技术比较 工作在2 4 g h z 频段上的无线网络通信技术还有i e e e s 0 2 1 1 、h o m e r f 等。本 节通过对比分析这三种技术，阐述了蓝牙技术在竞争激烈的无线领域中的定位。 1 i e e e8 0 2 1 1 在1 9 9 7 年，i e e e 发布了第一个无线局域网标准8 0 2 1 1 ；与其他的i e e e8 0 2 标准一样。8 0 2 1 1 标准集中在i s 0 互联参考模型的物理层和数据链路层上。任何 局域网应用、网络操作系统和协议，如t c p i p 、n o v e l ln e t w a r e 在遵守i e e e8 0 2 1 1 标准的局域网上运行时，会像它们在以太网上运行一样容易。 i e e e 8 0 2 1 l b 是对i e e e 8 0 2 1 l 的修改和补充，其中最重要的改进就是在 i e e e 8 0 2 1 1 所谓基础上增加了两种更高的通信速率5 5 m b p s 和1 1 m b p s 。要做到这 一点，就必须选择d s s s 作为该标准的唯一物理层技术。因为，在不违反规定的前 提下采用调频技术无法支持更高的速率。为了提高数据传输速率，i e e e 8 0 2 1 l b 采 用了补充编码键控( c c k ) 编码方式。c c k 由6 4 个8 位的码字组成。作为一个整体， 这些码字具有自己独特的数据特征，即使在出现噪声和多路干扰的情况下，接受 方也可以正确区别。 为了支持强噪声环境以及扩展覆盖范围，i e e e 8 0 2 1 1 b 采用动态速率漂移，允 许数据传输速率自动调整以适应无线通信条件的变化。理想情况下用户能够获得 1 1 m b p s 的全速率连接。然而，当设备移动到覆盖范围之外，或者出现较强的干扰 时，i e e e 8 0 2 1 1 b 设备会以较低的速率进行发射。这时，速率会回落到5 5 m b p s 、 2 m b p s 或1 m b p s 。类似的，如果无线设备从低速率环境进入高速率环境，数据速率 会自动提高。 2 h o m e r f h o m e r f 工作组( h r f w g ) 成立于1 9 9 8 年3 月，她的主旨是使来自不同厂商的 消费类电子产品以及p c 之间可以随时随地相互通信。h r f w g 提出的通信标准是共 享无线访问协议( s w a p ) 。它致力于在室内及周围建立无线局域网，使得p c 、各 种外设、无绳电话和其他消费类电子产品之间能够进行话音和数据通信，并可以 接入p s t n 。 4 乜力蓝牙技术的研究与设计 其数据通信采用简经的i e e e8 0 2 1 l 协议标准，沿用的是以太网的带有冲突检 测的载波监听多址技术c s - - m a c d ，经过适当改造后，将其应用于无线访问环 境，在进行语音通信时它采用的是d e c t 标准，使用t d m a 的时分多址技术。 3 技术对比 通过上面的分析，不难发现蓝牙技术与i e e e8 0 2 1 1 、h o m e r f 的一个显著不 同是i e e e8 0 2 1 l 、h o m e r f 都是定义在数据链路层以下的标准，二者都可以直接 支持t c p i p 网络协议。h o m e r f 是在i e e e8 0 2 1 l 的基础上，增加了对语音的支持。 不同的标准都是为了适应不同的应用场合，根据不同的用户需求而定制的。 有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。局部最优并不 等于全局最优。不同的技术都应在无线应用领域找到自己的契合点，而不是全线 出击。 蓝牙技术调频快，功耗小、灵活性强，因而在移动设备互连方面更具有优势， 在新兴的个人局域网( p a n ) 领域也更具有吸引力。 h o m e r f 技术比较适合家居环境的通信。因为这种环境的活动半径大于蓝牙技 术规定的活动范围，而且一般又小于无线局域网的半径。 i e e e8 0 2 1 1 传输距离长，速度快，相对而言其研发与生产成本的速度也比较 快，比较适合于商业环境下的无线网络。 2 1 5 蓝牙技术特点归纳 蓝牙在技术上的特点可归纳为以下几点： 1 全球可操作性。蓝牙使用2 4 g h z 的i s m 频段，该频段在全球各个国家 都是有效的，没有被任何一个组织或行业单独占有，可自由使用。 2 1 0 1 0 0 米的有效无线通讯距离。发射功率为i m w ( o d b m ) 时的有效通讯 距离为小于等于1 0 米，这种情况适合于短距设备，如鼠标、键盘、耳 机等；在发射功率为1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) 时的有效通讯距离为小于等于1 0 0 米，这种情况适合于设备经常变动的环境，如移动电话，访问接入点，笔 记本电脑等。 3 1 m b p s 的数据传输率。今后的版本将支持2 m b p s 的数据传输率。 4 同时支持语音和数据传输。 5 小尺寸，低功耗和低价格。蓝牙为了节省设备的耗电量采用了许多措施。 6 非常可靠的数据和语音传输能力。 7 可靠的，可扩充的安全技术。蓝牙在三个层次上提供系统安全：首先是每 第二章电力蓝牙技术 个蓝牙单元拥有一个全球唯一的4 8 位物理地址，数据只能由对应的蓝牙 单元接收： 8 蓝牙提供了基于8 1 2 8 位的密钥的数据加密机制，保证数据传输的可 靠性。 2 2 变电站自动化系统 变电站自动化是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。国外在 八十年代已有分散式变电站自动化系统问世，我国的变电站自动化工作起步较晚， 大约从九十年代开始，初始阶段主要研制和生产集中式的变电站自动化系统，九 十年代中期开始研制分散式变电站自动化系统，与国外先进水平相比，大约有十 年的差距。许多高校、科研单位、制造厂家以及规划设计、基建和运行部门在学 习和借鉴国外先进技术的同时，正结合我国的实际情况共同努力继续开发更加符 合我国国情的变电站自动化系统。可以预计，今后其发展和推广的速度会越来越 快，与国外的差距会逐步缩小。 2 2 1 变电站分类 变电站按电压等级可分为特高压、超高压、高压及中低压四种类型。特高压 变电站：1 0 0 0 k v ，7 5 0 k v ：超高压变电站：5 5 0 k v ，3 3 0 k v ；高压变电站：2 2 0 k v ， 1 l o k v ，3 5 k v ；中低压变电站( 又称配电站) ：l o k v 及以下电压等级。 变电站按在电网中的地位可分为枢纽站、终端站和中转站三种类型。枢纽站： 在电网中无论是网架结构还是负荷水平都处于举足轻重的位置；终端站：只有高 压进线，位于电网的线路末端；中转站：有2 路高压进线，位于线路中间。 变电站按控制方式可分为集控站( 又称基地站) 和受控站( 又称子站) 。前者受调 度中心控制，并对其周围子站负有调度操作任务：后者与终端站类似，但有可能 处于环形电网之中，受集控站控制。 变电站控运行模式划分为有人值班：这是目前最常见的运行模式；无人值班： 没有固定的运行值班人员，仅保留个别守卫人员，负责站内的安全保卫工作及事 故异常情况的紧急处理；无人值守：真正意义上的无人站，在一些发达的西方国 家，如美国、加拿大等较常见【”】。 电力蓝牙技术的研究与设计 2 2 2 变电站自动化系统模式 1 传统模式 这种模式就是目前国内应用最普遍的远方终端装置( r t u ) 加上当地监控( 监视) 系统( 又称当地功能) ，再配上变送器、遥信转接、遥控执行、u p s 等屏柜( 见图2 5 ) 。 当采用交流采样r t u 时，可省去变送器屏柜。站内保护装置的信息可通过遥信输 入回路( 即硬件方法) 进入r t u ，亦可通过串行口按约定的规约通信( 即软件方法) 进 入r t u