變電站自動(dòng)化控制的藍(lán)牙解決方案

2019-11-04 20:26:02

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供稿：網(wǎng)友

　　引言
　　藍(lán)牙技術(shù)是用微波無(wú)線通信技術(shù)取代數(shù)據(jù)電纜來(lái)完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)短距離通信的一種新型無(wú)線通信技術(shù)。利用藍(lán)牙，可以將需要數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信的各個(gè)設(shè)備之間連成一個(gè)PICONET網(wǎng)（即微微網(wǎng)），或?qū)讉€(gè)PICONET網(wǎng)進(jìn)一步互連，組成一個(gè)更大的SCATTERNET網(wǎng)（即分布式網(wǎng)絡(luò)）。
　　
　　在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，短程的無(wú)線連接有著廣泛的應(yīng)用需求，但一直沒(méi)有一個(gè)很好的解決方案。紅外無(wú)線連接，由于距離太短，且必須在同一直線上，中間不能有任何障礙物等不足，而限制了它的應(yīng)用。將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，用微波取代紅外，既克服了紅外缺點(diǎn)，又降低了施工的難度和建設(shè)成本，是一種有創(chuàng)造性的設(shè)想。下面我們就變電站自動(dòng)化控制方面的現(xiàn)狀，探討引入藍(lán)牙的可行性。
　　
　　在變電站現(xiàn)場(chǎng)中，最下層是進(jìn)行測(cè)量、轉(zhuǎn)換和控制的儀表。它們采集各個(gè)變壓器的數(shù)據(jù)，返回上位機(jī)進(jìn)行處理，或接收上位機(jī)發(fā)送來(lái)的控制命令和控制參數(shù)。目前這些數(shù)據(jù)通信是由串口（RS232或RS245接口）通信實(shí)現(xiàn)的。但其麻煩的走線以及反抗惡劣環(huán)境、電磁和無(wú)線電干擾所需要的物理保護(hù)和電磁屏蔽帶來(lái)的諸多不便，使得工業(yè)環(huán)境中要求長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)、可靠、完整地傳送數(shù)據(jù)不能得到保證。對(duì)于這種多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，完全可以用藍(lán)牙PICONET網(wǎng)來(lái)替換。其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：
　　　變電站自動(dòng)化控制的藍(lán)牙解決方案（圖一）

　　①取代了大量短程連接所用的電纜，尤其是電纜無(wú)法到達(dá)的地方，藍(lán)牙具有更大的優(yōu)勢(shì)；
　　
　　②以前的應(yīng)用程序可以不做任何或很小的修改，升級(jí)成本小；
　　
　　③降低變電站建造成本，這也是藍(lán)牙技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)；
　　
　　④由于藍(lán)牙設(shè)備本身的功耗十分小（最大不過(guò)100mW），因此藍(lán)牙設(shè)備的射頻不會(huì)對(duì)其它設(shè)備造成影響。
　　
　　1 BC01芯片和開(kāi)發(fā)工具BLUELAB介紹
　　BC01(BlueCore01)是CSR（Cambridge Silicon Radio）公司設(shè)計(jì)的一款單片藍(lán)牙產(chǎn)品。它集無(wú)線設(shè)備、微處理器及其帶電路于一體，采用標(biāo)準(zhǔn)的0.35μm的CMOS工藝。通過(guò)外圍的存有藍(lán)牙協(xié)議的Flash ROM，可提供完全兼容的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，所需的外部RF元件很少，答應(yīng)主板的快速設(shè)計(jì)，因此能以最低的成本，實(shí)現(xiàn)最短的產(chǎn)品面市時(shí)間。
　　　變電站自動(dòng)化控制的藍(lán)牙解決方案（圖二）

　　其主要特點(diǎn)如下：
　　
　　①符合BluetoothV1.1規(guī)范；
　　
　　②帶有USB和UART主接口；
　　
　　③可編程的PCM接口，支持13-Bit 8kss -1雙向串行的同步語(yǔ)音傳輸；
　　
　　④內(nèi)含的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可進(jìn)行線性PCM（脈沖編碼調(diào)制）、A律PCM、μ律PCM和CBSD（連續(xù)變化斜率增量調(diào)制）間的相互轉(zhuǎn)換，編解符合高至HCI層的藍(lán)牙控制協(xié)議；
　　
　　⑤采用3.15V單電源供電，支持PART、SNIFF、HOLD多種節(jié)電模式；
　　
　　⑥支持所有的包類型以及多達(dá)7個(gè)從設(shè)備的微微網(wǎng)（Piconet）；
　　
　　⑦芯片內(nèi)含鏈路控制、鏈路治理、HCI以及可選的L2CAP、RFCOMM、SDP等多層軟件協(xié)議棧，可以直接使用；
　　
　　⑧提供VM（Virtual Machine）機(jī)制。內(nèi)嵌16位的RISC微處理器，運(yùn)行協(xié)議棧的同時(shí)還可以運(yùn)行下載到Flash ROM中的用戶程序，實(shí)現(xiàn)真正意義上的單芯片。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
　　
　　Bluelab是專門針對(duì)BlueCore的仿真開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它在PC上模擬BlueCore01的環(huán)境，從而方便開(kāi)發(fā)基于BlueCore01上運(yùn)行的應(yīng)用程序。它包括了Compiler、Emulator/Debugger、Documentation以及一些源代碼例子。Bluelab還提供了藍(lán)牙協(xié)議棧BlueStack，支持SDP、L2CAP和RFCOMM等高層協(xié)議。用戶可以通過(guò)UART/USB接口來(lái)調(diào)用BlueStack，也可以通過(guò)虛擬機(jī)（VM）來(lái)訪問(wèn)BlueStack。
　　　變電站自動(dòng)化控制的藍(lán)牙解決方案（圖三）

　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
　　整個(gè)系統(tǒng)分為前端數(shù)據(jù)采集和PC端數(shù)據(jù)治理兩大部分。
　　
　　前端數(shù)據(jù)采集框圖如圖2所示。
　　
　　由于BC01內(nèi)部資源及引腳有限，因此前端的數(shù)據(jù)采集和控制由單片機(jī)80C196來(lái)完成，其串口與BC01的串口連接，BC01作為一個(gè)數(shù)據(jù)傳送通道。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：不需要改動(dòng)原來(lái)的程序，便于對(duì)基于RS232、RS245結(jié)構(gòu)的老系統(tǒng)進(jìn)行改造。變壓器上的高電壓大電流首先要轉(zhuǎn)變成可供采集的安全電壓（0～5V），經(jīng)A/D變換后由16位的單片機(jī)80C196讀入，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理后，送入BC01。BC01將數(shù)據(jù)打包后，通過(guò)與MASTER建立的空中連接發(fā)送PC。同時(shí)，BC01也會(huì)接收PC發(fā)來(lái)的控制命令，送至單片機(jī)，由單片機(jī)分析后控制相應(yīng)的閘刀做出動(dòng)作。
　　
　　整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　
　　連接PC的BC01作為主機(jī)，它會(huì)自動(dòng)搜索其查詢范圍內(nèi)的藍(lán)牙設(shè)備，將所查詢到的藍(lán)牙設(shè)備作為從機(jī)加入PICONET網(wǎng)。因?yàn)槊繅K從機(jī)都有唯一的BD_ADDR（Bluetooth Device address），因此，主機(jī)可以區(qū)分識(shí)別每一個(gè)從機(jī)并對(duì)其進(jìn)行控制。
　　變電站自動(dòng)化控制的藍(lán)牙解決方案（圖四）

　　3 軟件結(jié)構(gòu)
　　軟件設(shè)計(jì)是基于L2CAP層進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，從機(jī)功能是接受主機(jī)的查詢、連接請(qǐng)求，或者詢到已存在的PICONET后，將自己加入PICONET。從機(jī)的功能簡(jiǎn)單，全部程序代碼可以放在BC01的Flash ROM中運(yùn)行。主機(jī)由于要負(fù)責(zé)治理整個(gè)PICONET，并對(duì)各個(gè)從機(jī)進(jìn)行控制和治理，這使BC01提供的資源已不能滿足。因此將L2CAP協(xié)議層以上的軟件放在PC上運(yùn)行，并通過(guò)HCI接口與PC通信。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
　　
　　結(jié)語(yǔ)
　　在變電站現(xiàn)場(chǎng)，中心控制室與各個(gè)變壓器的距離100m以內(nèi)。目前大功率的藍(lán)牙芯片已經(jīng)可以達(dá)到100m的覆蓋范圍，完全滿足實(shí)際應(yīng)用。此套方案的實(shí)驗(yàn)室聯(lián)機(jī)調(diào)試已經(jīng)完成，達(dá)到初步設(shè)計(jì)要求。下一步是將此套方案應(yīng)用到實(shí)際的變電站現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步完善。

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