基于80C196KB的遠程測控終端的設(shè)計 - 全文

1 引 言

　　RTU（Remote Terminal Unit）即遠程測控終端，是監(jiān)測、監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)的終端測控單元。SCADA系統(tǒng)以計算機為基礎(chǔ)，能實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警等功能，可以廣泛應用于電力、水利、石油、化工、市政等行業(yè)中，用于地理環(huán)境惡劣無人值守的環(huán)境下進行遠程監(jiān)控。整個SCADA系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干分散分布在各個監(jiān)控點上的遠程測控終端（RTU）和通信介質(zhì)三部分組成。RTU作為系統(tǒng)的獨立工作站點，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的控制以及與監(jiān)控中心的遠程通信，具有易擴展性和易維護性的特點，而且自成體系，當遠程通信中斷時能獨立運行，不影響對現(xiàn)場的監(jiān)控功能。

　　2 RTU的主要配置

　　RTU主要有兩種工作方式，自動方式和手動方式。自動方式時，RTU的所有工作參數(shù)都由監(jiān)控中心定時或隨時設(shè)置，現(xiàn)場只能查詢不能修改；手動方式時，RTU的所有工作參數(shù)都可以現(xiàn)場查詢和修改。一般來說，手動方式只是在現(xiàn)場調(diào)試、檢修和系統(tǒng)通信長時間中斷的情況下采用。無論是工作在自動方式還是手動方式，工作參數(shù)一經(jīng)設(shè)置，RTU就會自動按照規(guī)定的流程和模式進行數(shù)據(jù)采集和處理、現(xiàn)場控制以及通信響應。

　　RTU的主要配置有CPU板4鍵盤顯示板、I/O板、串行通信接口單元3以及通信設(shè)備、電源、機箱等。CPU板一般采用單片機、DSP等作為控制核心，CPU板所固化的程序決定了RTU的全部工作流程，包括現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及處理方法、控制模式及功能、故障處理方式、遠程通信協(xié)議及其實現(xiàn)等，更新程序就可以使RTU滿足多種現(xiàn)場流程的要求。鍵盤顯示板用于實現(xiàn)RTU的人機對話功能，支持對RTU的現(xiàn)場操作控制，以保證RTU在系統(tǒng)通信中斷時能夠繼續(xù)監(jiān)控工作。為防止誤操作，鍵盤須加鎖或密碼管理，限定操作員級別。為適應不同的現(xiàn)場環(huán)境狀況，顯示器件可以選擇采用LED數(shù)碼管或LCD液晶顯示器模塊等實現(xiàn)，I/O板上的I/O通道是RTU與現(xiàn)場信號的接口，在符合工業(yè)標準的基礎(chǔ)上，還應該具有多種結(jié)構(gòu)形式，以適應不同的現(xiàn)場信號類型，如開關(guān)量I/O通道、脈沖量I/O通道、模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道等。RTU串行通信接口單元一般至少要有兩個通信端口，以支持RTU與監(jiān)控中心、RTU與下級設(shè)備或RTU之間的通信。RTU的通信介質(zhì)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境及對象的要求，可以選擇為有線或無線。有線方式如電力線載波、RS-485總線、公共電話線網(wǎng)等，無線方式如VHF/UHF無線電臺、移動電話網(wǎng)等。RTU支持的通信方式有監(jiān)控中心觸發(fā)的通信和RTU觸發(fā)的通信，監(jiān)控中心觸發(fā)的通信包括：（1）站點查詢。監(jiān)控中心周期性的、以一定的時間間隔、在一定的時限內(nèi)，對所有的RTU依次下達查詢命令，收集各站點的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和信息。（2）站點控制。由監(jiān)控中心定時或隨機地向所有RTU（群控）或某個RTU（單控）下傳工作參數(shù)或控制命令，如RTU工作參數(shù)設(shè)置、現(xiàn)場設(shè)備的開/關(guān)控制等。（3）校對時間。監(jiān)控中心定期對所有RTU校對系統(tǒng)時間%以保證系統(tǒng)動作的一致性。監(jiān)控中心觸發(fā)的通信具有較高的優(yōu)先響應權(quán)。RTU觸發(fā)的通信包括：（1）響應監(jiān)控中心的命令。根據(jù)監(jiān)控中心的命令格式上傳現(xiàn)場參數(shù)和信息，或接收監(jiān)控中心下傳的工作參數(shù)和命令m并執(zhí)行相應的控制操作。（2）故障報警。當現(xiàn)場工作出現(xiàn)異?；蚬收蠒r，由RTU主動呼叫監(jiān)控中心，上傳現(xiàn)場狀態(tài)信息和故障信息。對于監(jiān)控中心來說，對RTU的故障報警應優(yōu)先響應。（3）響應下級設(shè)備或RTU的呼叫，接收它們的上傳信息，并進行處理。（4）對下級設(shè)備或RTU下傳參數(shù)或命令。在SCADA系統(tǒng)中，RTU站點比較分散、站點多，與監(jiān)控中心的距離較遠，通信的可靠性對于整個系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要另外，RTU還應具備一定的現(xiàn)場故障定位及其安全保護功能。

　　RTU的CPU板與其它功能板之間的連接可以采用總線板槽或扁平線接插件等方式，這樣的連接方式易于各模板的維修-更換和擴展。下面結(jié)合RTU在城市路燈自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，介紹它的硬件和軟件實現(xiàn)。

　　3 RTU的硬件電路設(shè)計

　　3.1 RTU在城市路燈自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

　　城市路燈自動監(jiān)控系統(tǒng)是微型計算機和單片機組成的主從式微機網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中，以單片機為核心的測控終端（RTU）分布在各個街區(qū)的分控站點，直接對路燈進行開、關(guān)控制，控制方法靈活多樣，有整夜燈、半夜燈、回開燈和自設(shè)燈等，既可以根據(jù)日出日落時間曲線自動控制路燈開/關(guān)，根據(jù)光照度和城市的特殊需要等隨時設(shè)置和修改任一支路的開/關(guān)燈時間，還可以實現(xiàn)強制開/關(guān)燈控制，即不考慮各支路的開/關(guān)燈時間設(shè)置，由監(jiān)控中心直接下達命令強制打開或關(guān)閉全部站點或某一站點的全部或某一支路。同時，RTU還自動定時檢測各路燈支路的工作電壓、電流，并通過無線數(shù)傳模塊上報監(jiān)控中心，計算亮燈率，隨時掌握路燈的工作狀況，若路燈支路出現(xiàn)異?；蚬收希珉妷涸较?、電流越限、異常開燈、支路開關(guān)跳閘等，RTU不僅能及時檢測并向監(jiān)控中心報警，還可以根據(jù)故障類型自動采取相應的保護措施，保證路燈支路安全、可靠地工作，監(jiān)控中心以工控計算機為系統(tǒng)主機，能夠根據(jù)城市所在的經(jīng)緯度自動生成每日的開/關(guān)燈時間曲線，定時（自動）或隨機（手動）對各路點的路燈控制方式、燈控時間等工作參數(shù)進行設(shè)置，提取各支路的電壓/電流值、故障、燈態(tài)等信息，并進行存儲、匯總、計算、報警和打印等處理，城市路燈自動監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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　　圖1 城市路燈自動監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

　　3.2 RTU硬件電路設(shè)計

　　如圖2所示，RTU主要由80C196KB單片機、程序存儲器（EPROM）、非易失數(shù)據(jù)存儲器（NVRAM）、日歷時鐘、鍵盤顯示電路、看門狗及復位電路、RS-232C標準串行接口、繼電器控制電路、電壓/電流信號采集電路、無線數(shù)傳模塊、天線等組成，能同時對8條路燈支路進行控制，另外，RTU還具有4路開關(guān)量和2路脈沖量輸入通道，以備系統(tǒng)擴展。

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　　圖2 RTU組成原理框圖

　　RTU采用單片機為控制核心，配以32K程序存儲器。80C196KB是16位單片機，內(nèi)帶8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（具有采樣/保持電路），A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端與8位并行數(shù)字輸入口P0共享引腳。在RTU的硬件電路中，選擇AD0通道作為模擬輸入，其余的7條口線作為數(shù)字輸入口線，用于擴展開關(guān)量輸入通道。

　　日歷時鐘采用DS12C887提供精確的時鐘信號，包括年、月、日，能產(chǎn)生秒或分定時中斷，以判斷是否到開燈或關(guān)燈時間，從而保證準確地按照開/關(guān)燈時間曲線對路燈進行開/關(guān)控制。為了使整個路燈系統(tǒng)同步動作，監(jiān)控中心定時對所有站點的RTU進行GPS校時。

　　非易失的數(shù)據(jù)存儲器用來存放RTU的所有工作參數(shù)、實時測量數(shù)據(jù)、實時狀態(tài)和故障信息，以保障系統(tǒng)在掉電或通信中斷的情況下信息不丟失，并在電源恢復正常后能繼續(xù)正常工作。

　　鍵盤顯示電路包括一個4×4鍵盤和一個4行16字符的圖形液晶顯示器。以兩級菜單、全漢化的方式實現(xiàn)RTU工作參數(shù)、測量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等的在線修改與查詢。

　　電壓/電流信號采集電路由3路電壓互感器、8路電流互感器和信號調(diào)理電路等組成，實現(xiàn)3相交流電壓、8條支路電流的實時采集。互感器輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理后，轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓信號，經(jīng)多路開關(guān)切換后，依次送單片機的AD0通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

　　繼電器控制電路主要由8路繼電器及其驅(qū)動電路構(gòu)成。經(jīng)8位并行端口與單片機連接，接收控制信號，通過交流接觸器控制路燈的開、關(guān)動作。

　　RTU與監(jiān)控中心的遠程通信采用了VHF/UHF無線數(shù)傳電臺通信的方式。無線數(shù)傳模塊通過RS-232C標準串行接口與單片機相連，配以定向天線，發(fā)射功率和天線高度根據(jù)實際系統(tǒng)覆蓋范圍要求及其環(huán)境條件選擇。

　　4 RTU軟件設(shè)計

　　80C196KB單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器在采用8MHz晶體時，轉(zhuǎn)換周期約22μs，對A/D轉(zhuǎn)換器的啟動控制和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，都是通過寄存器操作完成，轉(zhuǎn)換結(jié)束判斷選擇采用查詢方式。RTU對所有支路采集一次電壓/電流的時間周期可以用軟件設(shè)置，默認為3min。

　　RTU現(xiàn)場采集的是交流信號，路燈支路的工作電壓和電流，只有有效值測量才具有實際意義。因此，采用了交流采樣的方法"即在交流信號的一周期內(nèi)，等間隔采樣N個瞬時值，用軟件計算電壓/電流的有效值。電壓/電流的有效值計算公式如下：

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　　系統(tǒng)中，RTU分布在全市的各分控點上，環(huán)境條件比較復雜，存在著各種各樣的干擾，為了提高數(shù)據(jù)采集的可靠性和精確度，在軟件設(shè)計上采用了數(shù)字濾波的方法，連續(xù)采集5個周期的數(shù)據(jù)，計算出5個有效值，然后進行平滑濾波處理，即去掉最大值和最小值，對其余數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值，作為實時有效值。

　　RTU的無線數(shù)傳模塊傳送速率為1200bps，工作在半雙工方式，除了響應監(jiān)控中心的命令上傳數(shù)據(jù)或故障報警時處于發(fā)送狀態(tài)外，其它時間都處于接收狀態(tài)，準備接收監(jiān)控中心的命令。實驗發(fā)現(xiàn)，數(shù)傳模塊由發(fā)送到接收狀態(tài)的可靠轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以，編程時在最后字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后應先執(zhí)行一段延時程序，然后再切換到接收狀態(tài)，否則最后字節(jié)數(shù)據(jù)無法正常傳輸，延時時間可以通過實驗確定。

　　為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏蚀_性，一方面在數(shù)據(jù)傳送前，監(jiān)控中心和通信站點RTU之間先進行呼叫聯(lián)絡(luò)，聯(lián)絡(luò)成功則傳送后續(xù)命令或參數(shù)。否則，若5s內(nèi)無正確回應，重新呼叫，若連續(xù)3次聯(lián)絡(luò)失敗，就認為通信暫時失敗，記錄信息。另一方面，由于數(shù)據(jù)傳送命令類型多、數(shù)據(jù)長度不定，在傳送過程中，信息采用如下幀格式。

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　　標識碼，表示信息幀的開始。

　　RTU地址及其反碼，用于RTU地址校驗及目標站點識別。

　　數(shù)據(jù)長度及其反碼，用于數(shù)據(jù)長度校驗，后續(xù)命令和參數(shù)按照長度字節(jié)來接收。

　　校驗碼，是對應于命令碼和參數(shù)字節(jié)的校驗，系統(tǒng)中采用了累加和的校驗方法。為了避免累加和字節(jié)與標識碼字節(jié)沖突，發(fā)送和接收時規(guī)定，當累加和字節(jié)等于標識碼時，累加和取其反碼，否則累加和字節(jié)正常傳送。

　　在數(shù)據(jù)尾加入的10字節(jié)數(shù)據(jù)“00H”無實際意義。它的作用在于避免通信過程中由于數(shù)據(jù)丟失致使RTU處于“長收”狀態(tài)。

　　RTU在接收數(shù)據(jù)過程中，三部分經(jīng)校驗均無誤后，向監(jiān)控中心回送接收正確聯(lián)絡(luò)碼，否則，認為此次數(shù)據(jù)無效，回送接收錯誤聯(lián)絡(luò)碼，要求監(jiān)控中心重發(fā)，三次傳送均失敗后，認為該站點通信失敗，監(jiān)控中心暫停與該站點的通信。

　　9 結(jié)束語

　　本文設(shè)計的遠程測控終端（RTU），采用80C196系列單片機作為控制核心，充分利用了單片機的資源，運行速度快A集成度高，集現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與處理、現(xiàn)場控制與工作狀態(tài)監(jiān)測、遠程通信于一體，可靠性強，適合于現(xiàn)場運行。該RTU還可以應用于電力、石油、水利等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與控制，應用前景廣闊。
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