基于80C196KB的远程测控终端的设计

liyf

1 引 言
　　RTU（Remote Terminal Unit）即远程测控终端，是监测、监控及数据采集（SCADA）系统的终端测控单元。SCADA系统以计算机为基础，能实现远程数据采集、设备控制、测量、参数调节以及信号报警等功能，可以广泛应用于电力、水利、石油、化工、市政等行业中，用于地理环境恶劣无人值守的环境下进行远程监控。整个SCADA系统由监控中心、若干分散分布在各个监控点上的远程测控终端（RTU）和通信介质三部分组成。RTU作为系统的独立工作站点，完成现场数据的采集与处理、现场执行机构的控制以及与监控中心的远程通信，具有易扩展性和易维护性的特点，而且自成体系，当远程通信中断时能独立运行，不影响对现场的监控功能。
　　2 RTU的主要配置
　　RTU主要有两种工作方式，自动方式和手动方式。自动方式时，RTU的所有工作参数都由监控中心定时或随时设置，现场只能查询不能修改；手动方式时，RTU的所有工作参数都可以现场查询和修改。一般来说，手动方式只是在现场调试、检修和系统通信长时间中断的情况下采用。无论是工作在自动方式还是手动方式，工作参数一经设置，RTU就会自动按照规定的流程和模式进行数据采集和处理、现场控制以及通信响应。
　　RTU的主要配置有CPU板4键盘显示板、I/O板、串行通信接口单元3以及通信设备、电源、机箱等。CPU板一般采用单片机、DSP等作为控制核心，CPU板所固化的程序决定了RTU的全部工作流程，包括现场的数据采集及处理方法、控制模式及功能、故障处理方式、远程通信协议及其实现等，更新程序就可以使RTU满足多种现场流程的要求。键盘显示板用于实现RTU的人机对话功能，支持对RTU的现场操作控制，以保证RTU在系统通信中断时能够继续监控工作。为防止误操作，键盘须加锁或密码管理，限定操作员级别。为适应不同的现场环境状况，显示器件可以选择采用LED数码管或LCD液晶显示器模块等实现，I/O板上的I/O通道是RTU与现场信号的接口，在
符合工业标准的基础上，还应该具有多种结构形式，以适应不同的现场信号类型，如开关量I/O通道、脉冲量I/O通道、模拟量I/O通道、数字量I/O通道等。RTU串行通信接口单元一般至少要有两个通信端口，以支持RTU与监控中心、RTU与下级设备或RTU之间的通信。RTU的通信介质根据现场环境及对象的要求，可以选择为有线或无线。有线方式如电力线载波、RS-485总线、公共电话线网等，无线方式如VHF/UHF无线电台、移动电话网等。RTU支持的通信方式有监控中心触发的通信和RTU触发的通信，监控中心触发的通信包括：（1）站点查询。监控中心周期性的、以一定的时间间隔、在一定的时限内，对所有的RTU依次下达查询命令，收集各站点的现场数据和信息。（2）站点控制。由监控中心定时或随机地向所有RTU（群控）或某个RTU（单控）下传工作参数或控制命令，如RTU工作参数设置、现场设备的开/关控制等。（3）校对时间。监控中心定期对所有RTU校对系统时间%以保证系统动作的一致性。监控中心触发的通信具有较高的优先响应权。RTU触发的通信包括：（1）响应监控中心的命令。根据监控中心的命令格式上传现场参数和信息，或接收监控中心下传的工作参数和命令m并执行相应的控制操作。（2）故障报警。当现场工作出现异常或故障时，由RTU主动呼叫监控中心，上传现场状态信息和故障信息。对于监控中心来说，对RTU的故障报警应优先响应。（3）响应下级设备或RTU的呼叫，接收它们的上传信息，并进行处理。（4）对下级设备或RTU下传参数或命令。在SCADA系统中，RTU站点比较分散、站点多，与监控中心的距离较远，通信的可靠性对于整个系统的正常运行至关重要另外，RTU还应具备一定的现场故障定位及其安全保护功能。
　　RTU的CPU板与其它功能板之间的连接可以采用总线板槽或扁平线接插件等方式，这样的连接方式易于各模板的维修-更换和扩展。下面结合RTU在城市路灯自动监控系统中的应用，介绍它的硬件和软件实现。
　　3 RTU的硬件电路设计
　　3.1 RTU在城市路灯自动监控系统中的应用
　　城市路灯自动监控系统是微型计算机和单片机组成的主从式微机网络。系统中，以单片机为核心的测控终端（RTU）分布在各个街区的分控站点，直接对路灯进行开、关控制，控制方法灵活多样，有整夜灯、半夜灯、回开灯和自设灯等，既可以根据日出日落时间曲线自动控制路灯开/关，根据光照度和城市的特殊需要等随时设置和修改任一支路的开/关灯时间，还可以实现强制开/关灯控制，即不考虑各支路的开/关灯时间设置，由监控中心直接下达命令强制打开或关闭全部站点或某一站点的全部或某一支路。同时，RTU还自动定时检测各路灯支路的工作电压、电流，并通过无线数传模块上报监控中心，计算亮灯率，随时掌握路灯的工作状况，若路灯支路出现异常或故障，如电压越限、电流越限、异常开灯、支路开关跳闸等，RTU不仅能及时检测并向监控中心报警，还可以根据故障类型自动采取相应的保护措施，保证路灯支路安全、可靠地工作，监控中心以工控计算机为系统主机，能够根据城市所在的经纬度自动生成每日的开/关灯时间曲线，定时（自动）或随机（手动）对各路点的路灯控制方式、灯控时间等工作参数进行设置，提取各支路的电压/电流值、故障、灯态等信息，并进行存储、汇总、计算、报警和打印等处理，城市路灯自动监控系统的整体结构框图如图1所示。
?
?
?


　　图1 城市路灯自动监控系统整体结构框图
                          
                       
                          
                                3.2 RTU硬件电路设计
　　如图2所示，RTU主要由80C196KB单片机、程序存储器（EPROM）、非易失数据存储器（NVRAM）、日历时钟、键盘显示电路、看门狗及复位电路、RS-232C标准串行接口、继电器控制电路、电压/电流信号采集电路、无线数传模块、天线等组成，能同时对8条路灯支路进行控制，另外，RTU还具有4路开关量和2路脉冲量输入通道，以备系统扩展。
?
?
?


　　图2 RTU组成原理框图
　　RTU采用单片机为控制核心，配以32K程序存储器。80C196KB是16位单片机，内带8通道10位A/D转换器（具有采样/保持电路），A/D转换器的模拟输入端与8位并行数字输入口P0共享引脚。在RTU的硬件电路中，选择AD0通道作为模拟输入，其余的7条口线作为数字输入口线，用于扩展开关量输入通道。
　　日历时钟采用DS12C887提供精确的时钟信号，包括年、月、日，能产生秒或分定时中断，以判断是否到开灯或关灯时间，从而保证准确地按照开/关灯时间曲线对路灯进行开/关控制。为了使整个路灯系统同步动作，监控中心定时对所有站点的RTU进行GPS校时。
　　非易失的数据存储器用来存放RTU的所有工作参数、实时测量数据、实时状态和故障信息，以保障系统在掉电或通信中断的情况下信息不丢失，并在电源恢复正常后能继续正常工作。
　　键盘显示电路包括一个4×4键盘和一个4行16字符的图形液晶显示器。以两级菜单、全汉化的方式实现RTU工作参数、测量数据、状态信息等的在线修改与查询。
　　电压/电流信号采集电路由3路电压互感器、8路电流互感器和信号调理电路等组成，实现3相交流电压、8条支路电流的实时采集。互感器输出信号经过信号调理后，转换为0～5V的电压信号，经多路开关切换后，依次送单片机的AD0通道转换为数字量。
　　继电器控制电路主要由8路继电器及其驱动电路构成。经8位并行端口与单片机连接，接收控制信号，通过交流接触器控制路灯的开、关动作。
　　RTU与监控中心的远程通信采用了VHF/UHF无线数传电台通信的方式。无线数传模块通过RS-232C标准串行接口与单片机相连，配以定向天线，发射功率和天线高度根据实际系统覆盖范围要求及其环境条件选择。
                          
                       
                          
                                4 RTU软件设计
　　80C196KB单片机内部的A/D转换器在采用8MHz晶体时，转换周期约22μs，对A/D转换器的启动控制和转换结果的读取，都是通过寄存器操作完成，转换结束判断选择采用查询方式。RTU对所有支路采集一次电压/电流的时间周期可以用软件设置，默认为3min。
　　RTU现场采集的是交流信号，路灯支路的工作电压和电流，只有有效值测量才具有实际意义。因此，采用了交流采样的方法"即在交流信号的一周期内，等间隔采样N个瞬时值，用软件计算电压/电流的有效值。电压/电流的有效值计算公式如下：
?
?


?
　　系统中，RTU分布在全市的各分控点上，环境条件比较复杂，存在着各种各样的干扰，为了提高数据采集的可靠性和精确度，在软件设计上采用了数字滤波的方法，连续采集5个周期的数据，计算出5个有效值，然后进行平滑滤波处理，即去掉最大值和最小值，对其余数据取算术平均值，作为实时有效值。
　　RTU的无线数传模块传送速率为1200bps，工作在半双工方式，除了响应监控中心的命令上传数据或故障报警时处于发送状态外，其它时间都处于接收状态，准备接收监控中心的命令。实验发现，数传模块由发送到接收状态的可靠转换需要一定的时间，所以，编程时在最后字节数据发送完毕后应先执行一段延时程序，然后再切换到接收状态，否则最后字节数据无法正常传输，延时时间可以通过实验确定。
　　为了提高数据传输的可靠性和准确性，一方面在数据传送前，监控中心和通信站点RTU之间先进行呼叫联络，联络成功则传送后续命令或参数。否则，若5s内无正确回应，重新呼叫，若连续3次联络失败，就认为通信暂时失败，记录信息。另一方面，由于数据传送命令类型多、数据长度不定，在传送过程中，信息采用如下帧格式。
?
?


?
　　标识码，表示信息帧的开始。
　　RTU地址及其反码，用于RTU地址校验及目标站点识别。
　　数据长度及其反码，用于数据长度校验，后续命令和参数按照长度字节来接收。
　　校验码，是对应于命令码和参数字节的校验，系统中采用了累加和的校验方法。为了避免累加和字节与标识码字节冲突，发送和接收时规定，当累加和字节等于标识码时，累加和取其反码，否则累加和字节正常传送。
　　在数据尾加入的10字节数据“00H”无实际意义。它的作用在于避免通信过程中由于数据丢失致使RTU处于“长收”状态。
　　RTU在接收数据过程中，三部分经校验均无误后，向监控中心回送接收正确联络码，否则，认为此次数据无效，回送接收错误联络码，要求监控中心重发，三次传送均失败后，认为该站点通信失败，监控中心暂停与该站点的通信。
　　9 结束语
　　本文设计的远程测控终端（RTU），采用80C196系列单片机作为控制核心，充分利用了单片机的资源，运行速度快A集成度高，集现场数据采集与处理、现场控制与工作状态监测、远程通信于一体，可靠性强，适合于现场运行。该RTU还可以应用于电力、石油、水利等领域的数据采集与控制，应用前景广阔。
?