基于现场总线的万能式断路器通信从站设计

　　1 引言  

　　万能式断路器除了本身具有高分断能力、高短时耐受性能及良好的操作性能外,还必须装配性能优越的控制器。基于微处理器的智能控制器具有多种检测和通信功能, 利用总线功能实现电力质量监控是一种经济有效的方案。由于基于Profibus-DP现场总线的驱动和执行单元被大量开发和应用, 因此针对原有万能式断路器的控制器系统进行改造,结合现场总线的优点,保留原有系统的投资, 设计了一种具有PROFIBUS 现场总线接口的新型控制系统。  

　　2 Profibus-DP 现场总线系统的构成  

　　Profibus 现场总线系统由主站和从站构成,主站具有总线存取控制权,从站是被动的站,没有总线存取权。主站分为一类、二类。一类主站包括PLC、PC 等, 完成循环的总线通讯控制和管理。二类主站指操作员工作站(如PC 机加图形监控软件)、编程器、组态设备,完成非循环数据的读写、系统配置、故障诊断、调试等。从站是进行输入输出信息采集和发送的现场设备、包括输入输出I/O 设备、驱动器、执行器等。总线系统根据主站设置的个数可以分为多主站系统和单主站总线系统。  

　　3 从站总体结构设计  

　　智能控制器系统实现的功能包括:温度采集、处理控制、现场通信等,能单独完成现场测量控制等功能,也可与多个从站和主站一起构建一个大系统,完成整体的测量控制任务。智能控制器由微处理器、信号采集电路、电源、键盘和液晶显示电路、时钟温度检测电路、执行电路以及Profibus-DP 总线接口电路等部分组成,组成框图如图1 所示。  

　　3.1 信号采集系统  

　　本设计需要采集的信号是三路线电压和四路相电流信号,所需的电压和电流信号都是经过互感器形成的二次侧感应电压, 经滤波隔离放大之后形成适合A/D 转换的电压范围在3V以内。由于LPC2114 本身具有A/D 转换器,所以只需要接入一个多路选择开关,即可完成对多路信号的采集,因此选用了单八路模拟开关CD4051。  

　　CD4051 的特点是通道转换频率可10MHz, 而且控制简单,量程达到10V,工作温度范围-55°C~ +125°C,很好的解决了量程的范围和信号采集的实时性。CD4051 与LPC2114 的接口连接见图2 所示。电压电流互感器二次侧感应电压信号经分压后分别送入CD4051 的X0—X7引脚。CD4051 的各通道选通的地址线引脚A、B、C 分别与LPC2114 的p0.21、p0.22、p0.23相连,开关接通彭磊: 助理实验师在读硕士哪一通道,由LPC2114 控制输入的3 位地址码来决定。LPC2114的A/D 转换频率最大可以达到4.5MHz,转换精度为2-10,完全能够满足实时采集和高精度要求。CD4051 与LPC2114 的A/D初始化和转换工作由主程序完成。设计采用定时中断方式要求大约每0.3ms 就在3 路电压和4 路电流信号上各采集一点,LPC2114 将采集所转换的数据存储在ADDR (A/D 数据存储器)中。  

　　3.2 温度检测与实时时钟电路  

　　传统的温度检测和实时时钟是由各自独立的芯片电路分别完成, 这样分散处理往往降低了微处理器的处理效率而且也增加了电路的复杂性,所以本设计采用了SD2304FLP 高精度实时时钟。  

　　SD2304FLP 是一种具有内置晶振、两线式串行接口的高精度实时时钟芯片。该芯片可保证时钟精度为±5ppm (在-10°C~50°C 下), 即年误差小于2.5 分钟; 该芯片内置始终精度调整功能,通过内置的数字温度传感器可设定适应温度变化的调整值,实现在宽温度范围内高精度的计时功能; 内置2K 串行E2PROM,用于存储各温度点的时钟精度补偿数据。正是由于内置了I2C 总线的数字温度传感器,所以可以很方便地通过I2C 接口读取温度数据。SD2304FLP 的温度补偿应用是应用的关键,由于时钟精度随温度变化的补偿数据在出厂前已经存储在2K 容量的E2PROM 里, 所以只要通过读取片内数字温度传感器所检测到温度(TMP)的数值,确定当前温度值,根据温度值的高八位确定存储在E2PROM 补偿数据地址, 读出该补偿数据并写入时钟调整寄存器。由于LPC2114 本身具有高速I2C 总线接口,硬件设计和程序编写不需要很复杂。但需要注意的是I2C 总线的上拉电压应确保在总线需要工作的时始终存在, 并在系统中最先上电,最后掉电,所以根据实际情况,本电路设计的上拉电阻最好为4.7K。  

　　3.3 Profibus-DP 总线接口模块 

　　在Profibus-DP 总线中,主站循环地读取从站地输入信息并周期地向从站发送输出信息。同时,数据的通信是由主站和从站上的监控功能进行监控的。对于一个成功的现场总线系统来说,仅仅提供一个高数据传输能力是不够的, 必须具有安装和维护的简易性, 良好的诊断能力和无差错的传输。这是其他总线如Can、DeviceNet、Moudbus 所不能比拟的。 

　　设计Profibus-DP 智能从站有三种方案:方法一是直接用单片机实现。由于单片机上一般都安装UART,使用单片机利用软件来模拟Profibus 现场总线协议。方法二是使用Profibus 通信专用芯片。方法三采用现成的从站接口模块,如IM183-1,可将第三方设备作为从站简便的连接到Profibus-DP 上。IM183-1从站接口模块主要由ASIC 芯片SPC3、单片机80C32、EPROM、RAM 和一个用于Profibus-DP 的RS-485 接口组成。SPC3 可独立处理总线协议。这种方式的开发难度较小,但由于内部电路不能改动,灵活性比较差,不能满足复杂智能从站的要求,而且开发成本很高。 

　　本设计选用方法一, 是因为方法二和三是受这些专用的通信处理芯片的端口限制,对微处理器的兼容性有专门要求,而且至少还要占用10 个以上的微处理器引脚端口,因此很多高性能的微处理器无法与之兼容或者使很多具有特殊功能的端口受到限制。虽然直接用单片机实现会受到单片机波特率的限制,传输速率一般很低, 但是本系统根据设计要求选用了51 单片机LPC932A1 专门来实现Profibus 总线通信。LPC932A1 特点有:操作频率的速度是普通标准8 0 C 51 器件的6 倍, 高速的指令执行时间可只需167 ns;片内实时时钟(RTC)可以作为系统时钟;增强型UART,具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测,通用中断功能; 传输速率可达到3Mb/s 的SPI 通信端口。由于LPC932A1 的增强型UART 波特率, 有较高的数据传输率可以达到500Kb/s,它允许高速度周期性的数据通信,适用于对时间要求苛刻的场合。 

　　3.3.1 接口模块硬件设计 

　　Profibus-DP 接口模块电路主要由四部分组成: 微控制器LPC2114,模拟总线协议处理微控制LPC932A1,RS485 收发器SP3485 和高速光电耦合器6N137。微控制器LPC2114 本身也有SPI 通信端口, 只要与LPC932A1 的SPI 通信端口相连接,通过简单的软件编程实现LPC2114 与LPC932A1 的SPI 通信,就能利用3Mb/s 的SPI 通信实现数据在系统内的高效高速传输。在这Profibus-DP 接口模块设计中只需占用LPC2114 中4 个引脚端口,大大节省LPC2114 的端口资源。为了增强Profibus-DP 总线节点的抗干扰能力,LPC932A1 的TXD 和RXD 并不是直接与RS-485 收发器SP3485 的TXD 和RXD 相连, 而是通过高速光电耦合器6N137 后与SP3485 相连, 这样就很好的实现了总线上各Profibus-DP 节点间的电气隔离。其中光耦部分电路所采用的2 个电源VCC 和VPP 必须完全隔离, 虽然增加了节点的复杂性, 但是却提高了节点的稳定性和安全性。连接至SP3485 上A 引脚的上拉电阻和连接至B 引脚的下拉电阻用于保证无连接时的SP3485 芯片处于空闲状态, 提供网络失效保护,以提高RS-485 节点与网络的可靠性。 

　　3.3.2 接口模块软件设计 


　　Profibus 现场总线协议的基础为ISO/OSI 的网络参考模型。在Profibus-DP 中没有第三层到第七层,只包了含第一层(物理层)和第二层(数据键路层)。Profibus 第二层的一个重要工作是保证数据的完整性,这是依靠所有的电文海明间距=4、按照国际标准IEC870-5-1 制定的使用特殊的起始和结束定界符、无间距的字节异步传输及每个字节的奇偶校验保证的。Profibus-DP 第二层按照非连接的模式操作,它提供点一点及多点通信(广播及有选择地广播)功能。上层协议通过第二层的SAPs(Serice AccessPoints,服务访问点)调用服务功能。在Profibus-DP 中,将一定的功能赋予每一个第二层的SAP,例如DefaultSAP:数据交换(Data-Exch)、SAP55:改变从站地址(SSA)、SAP61:发送参数设置数据(PRM)、SAP62:检查配置数据(CFG)。为了能有效地处理总线协议, 调用不同的DP 功能, 因此在软件设计中, 正确地处理Profibus-DP 报文格式以及为各个SAP 设置相应的缓存区是设计的关键。

　　Profibus-DP 接口模块的软件设计主要包括3 个部分:LPC932A1 的缓存初始化、与主站通信的主程序、LPC2114 与LPC932A1 的SPI 通信。

　　4 从站设备简单测试方案

　　由于Profibus-DP 从站设备的调试是一个复杂的过程,要求开发人员具有Profibus-DP 系统的工作经验,因此为了节省相关人员的开发时间和开发成本,这里提出一套简单调试方案。

　　系统构成:IPC 机、主站网卡(SIEMENS CP5611)、COMPROFIBUS软件。系统的测控网络采用线型拓扑的单主站结构,将IPC 机作为上位监控主站。如果在IPC 机上装有WinCC 软件,可以用来向用户提供如动态数据画面显示的管理窗口。这个方案主要是调试设备基本协议的一致性,调试方便、简单。

　　5 结束语

　　课题研究并实现了断路器智能控制模块的Profibus-DP 通信,并对断路器的远程监控具有重要的现实意义。这种系统可以处理符合PROFIBUS 现场总线协议的智能仪表或分散到现场的输入输出设备, 在设计中采用的模块化设计方案, 充分体现了系统的开放性。所提设计方法为智能断路器的数据采集和通信提供了一种有效的实现途径。
本文作者创新点: 该系统可处理符合PROFIBUS 总线协议的智能仪表或分散到现场的输入输出设备, 在设计中采用的模块化设计方案,充分体现了系统的开放性。