变电站自动化控制的蓝牙解决方案

2019-11-04 20:26:02

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供稿：网友

　　引言
　　蓝牙技术是用微波无线通信技术取代数据电缆来完成点对点或点对多点短距离通信的一种新型无线通信技术。利用蓝牙，可以将需要数据和语音通信的各个设备之间连成一个PICONET网（即微微网），或将几个PICONET网进一步互连，组成一个更大的SCATTERNET网（即分布式网络）。
　　
　　在工业现场中，短程的无线连接有着广泛的应用需求，但一直没有一个很好的解决方案。红外无线连接，由于距离太短，且必须在同一直线上，中间不能有任何障碍物等不足，而限制了它的应用。将蓝牙技术应用于工业控制现场，用微波取代红外，既克服了红外缺点，又降低了施工的难度和建设成本，是一种有创造性的设想。下面我们就变电站自动化控制方面的现状，探讨引入蓝牙的可行性。
　　
　　在变电站现场中，最下层是进行测量、转换和控制的仪表。它们采集各个变压器的数据，返回上位机进行处理，或接收上位机发送来的控制命令和控制参数。目前这些数据通信是由串口（RS232或RS245接口）通信实现的。但其麻烦的走线以及反抗恶劣环境、电磁和无线电干扰所需要的物理保护和电磁屏蔽带来的诸多不便，使得工业环境中要求长时间、连续、可靠、完整地传送数据不能得到保证。对于这种多点对单点的数据通信网，完全可以用蓝牙PICONET网来替换。其优点表现在：
　　　变电站自动化控制的蓝牙解决方案（图一）

　　①取代了大量短程连接所用的电缆，尤其是电缆无法到达的地方，蓝牙具有更大的优势；
　　
　　②以前的应用程序可以不做任何或很小的修改，升级成本小；
　　
　　③降低变电站建造成本，这也是蓝牙技术的一个显著特点；
　　
　　④由于蓝牙设备本身的功耗十分小（最大不过100mW），因此蓝牙设备的射频不会对其它设备造成影响。
　　
　　1 BC01芯片和开发工具BLUELAB介绍
　　BC01(BlueCore01)是CSR（Cambridge Silicon Radio）公司设计的一款单片蓝牙产品。它集无线设备、微处理器及其带电路于一体，采用标准的0.35μm的CMOS工艺。通过外围的存有蓝牙协议的Flash ROM，可提供完全兼容的数据和语音通信。经过优化设计，所需的外部RF元件很少，答应主板的快速设计，因此能以最低的成本，实现最短的产品面市时间。
　　　变电站自动化控制的蓝牙解决方案（图二）

　　其主要特点如下：
　　
　　①符合BluetoothV1.1规范；
　　
　　②带有USB和UART主接口；
　　
　　③可编程的PCM接口，支持13-Bit 8kss -1双向串行的同步语音传输；
　　
　　④内含的数字转换器，可进行线性PCM（脉冲编码调制）、A律PCM、μ律PCM和CBSD（连续变化斜率增量调制）间的相互转换，编解符合高至HCI层的蓝牙控制协议；
　　
　　⑤采用3.15V单电源供电，支持PART、SNIFF、HOLD多种节电模式；
　　
　　⑥支持所有的包类型以及多达7个从设备的微微网（Piconet）；
　　
　　⑦芯片内含链路控制、链路治理、HCI以及可选的L2CAP、RFCOMM、SDP等多层软件协议栈，可以直接使用；
　　
　　⑧提供VM（Virtual Machine）机制。内嵌16位的RISC微处理器，运行协议栈的同时还可以运行下载到Flash ROM中的用户程序，实现真正意义上的单芯片。其结构框图如图1所示。
　　
　　Bluelab是专门针对BlueCore的仿真开发系统，它在PC上模拟BlueCore01的环境，从而方便开发基于BlueCore01上运行的应用程序。它包括了Compiler、Emulator/Debugger、Documentation以及一些源代码例子。Bluelab还提供了蓝牙协议栈BlueStack，支持SDP、L2CAP和RFCOMM等高层协议。用户可以通过UART/USB接口来调用BlueStack，也可以通过虚拟机（VM）来访问BlueStack。
　　　变电站自动化控制的蓝牙解决方案（图三）

　　2 系统方案设计
　　整个系统分为前端数据采集和PC端数据治理两大部分。
　　
　　前端数据采集框图如图2所示。
　　
　　由于BC01内部资源及引脚有限，因此前端的数据采集和控制由单片机80C196来完成，其串口与BC01的串口连接，BC01作为一个数据传送通道。这样做的优点是：不需要改动原来的程序，便于对基于RS232、RS245结构的老系统进行改造。变压器上的高电压大电流首先要转变成可供采集的安全电压（0～5V），经A/D变换后由16位的单片机80C196读入，进行相应的计算处理后，送入BC01。BC01将数据打包后，通过与MASTER建立的空中连接发送PC。同时，BC01也会接收PC发来的控制命令，送至单片机，由单片机分析后控制相应的闸刀做出动作。
　　
　　整体的系统结构如图3所示。
　　
　　连接PC的BC01作为主机，它会自动搜索其查询范围内的蓝牙设备，将所查询到的蓝牙设备作为从机加入PICONET网。因为每块从机都有唯一的BD_ADDR（Bluetooth Device address），因此，主机可以区分识别每一个从机并对其进行控制。
　　变电站自动化控制的蓝牙解决方案（图四）

　　3 软件结构
　　软件设计是基于L2CAP层进行开发的，从机功能是接受主机的查询、连接请求，或者询到已存在的PICONET后，将自己加入PICONET。从机的功能简单，全部程序代码可以放在BC01的Flash ROM中运行。主机由于要负责治理整个PICONET，并对各个从机进行控制和治理，这使BC01提供的资源已不能满足。因此将L2CAP协议层以上的软件放在PC上运行，并通过HCI接口与PC通信。软件结构如图4所示。
　　
　　结语
　　在变电站现场，中心控制室与各个变压器的距离100m以内。目前大功率的蓝牙芯片已经可以达到100m的覆盖范围，完全满足实际应用。此套方案的实验室联机调试已经完成，达到初步设计要求。下一步是将此套方案应用到实际的变电站现场，进行现场调试，对系统进一步完善。

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