基于S3C2410的工頻通信系統子站設計*

朱偉華， 宋 慧

(吉林電子信息職業技術學院， 吉林 吉林 132021)

基于S3C2410的工頻通信系統子站設計*

朱偉華， 宋 慧

(吉林電子信息職業技術學院， 吉林 吉林 132021)

應用以ARM9為核心的處理器S3C2410設計了一種用于三相工頻電參數遠程抄送和采集系統。實現三相電量和三相交流參數(電壓、電流、功率因數)進行采集和遠程抄收功能。系統硬件電路設計采用S3C2410的接口電路，實現了工頻通信的基本功能，并將子站設計為接收單元與調制單元分離的結構，二者通過CAN總線作為數據傳輸通道，提高了子站的安裝適應性。用以太網控制器RTL8019AS設計了網絡接口電路，實現了子站與后臺間的網絡通信。通過移植實時嵌入式操作系統μC/OS-II對所有任務進行調度管理，同時在系統中使用了TCP/IP協議建立網絡連接，并采用UDP協議實現了網絡數據的傳輸。

工頻通信；CAN總線；S3C2410

0 引言

在電力部門的日常生產中，電能計量、供電量考核、電費核算的及時性和準確性已成為供電企業的重要課題，而目前我國電能數據的采集基本上為手工抄表，需要抄表人員每月或每兩個月對每個臺區變壓器抄表一次，再通過微機或手工制作的報表輸出，存在錯抄、漏抄、估抄等問題。此外配電臺區的負荷、有功功率、無功功率、功率因數、電壓、電流等交流參數信息也無法通過有效途徑得以實時監控。工頻通信技術的出現，使電力部門實現真正意義上的配電臺區的自動化管理成為可能，但工頻通信系統還存在諸如調制變壓器選擇受到調制電纜長度限制致使系統的安裝性不好、系統工作效率有待提高、采集處理的用電信息內容有待擴充、用電信息傳輸精度需要進一步提高等問題。采用基于ARM9內核的處理器所具有的優良性能實現工頻通信技術[1-2]，能提高系統的工作效率，并研制結構更合理、功能更完善的子站設備，可以滿足現場實際應用的要求。

1 系統硬件電路組成及實現

1.1 系統硬件結構設計

本設計使用如圖1所示的電力線工頻通信系統結構，圖中子站部分為本文的主要研究內容，具體包括：(1)CAN總線 ；(2)以太網絡接口。

子站接收單元需要完成對以太網數據的及時收發、CAN總線的通信控制、A/D采集、數據解碼等工作，對處理器的性能要求較高，在本設計中選擇由Samsung公司生產的基于ARM920T內核的微處理器S3C2410[3-4]，以該處理器為核心的接收單元硬件結構見圖2。本設計中重點設計CAN總線接口、多支路輸入切換控制、RAM、A/D采集電路接口、B相電流信號合成電路、以太網接口電路。

子站調制單元通過CAN總線接收采集單元發送的控制命令并調制下行信號，調制完成后，通過CAN總線將工作狀態傳遞回采集單元，使用普通的8051單片機就能滿足實際需要，因此選擇ATMEL公司生產的AT89C52單片機作為調制單元的控制器，子站調制單元的硬件結構見圖3。

圖1 電力線工頻通信系統示意圖

圖2 子站接收單元硬件結構

圖3 子站調制單元硬件結構

1.2 S3C2410的CAN總線接口設計

圖4為S3C2410 CAN總線接口電路，從圖中可以看出電路主要由四部分構成：微處理器S3C2410、CAN總線收發器82C250[5-6]、高速光電耦合器6N137和電源隔離模塊。微處理器S3C2410負責內部CAN控制器的初始化并實現數據的接收和發送等通信任務。

2 軟件設計與實現

2.1 嵌入式TCP/IP協議棧的實現

要完成網絡通信數據的正常處理，需要使用網絡通信協議，在本系統中使用了嵌入式TCP/IP協議。TCP/IP協議相當復雜，而且系統資源有限，沒有必要全部實現，根據系統的使用要求，主要實現網絡接口驅動、數據鏈路層ARP協議、網絡層ICMP和IP協議、傳輸層UDP協議[7]，嵌入式TCP/IP的數據流見圖5。

(1) ARP代碼的第一部分把IP地址映射到物理地址上，即給定一個目的節點的IP地址，用軟件查詢ARP緩存是否有該IP的物理地址映射。該功能通過子程序void Arp_Request(uint8 *ip_address,uint8 num)來實現，其中ip_address即為要解析的IP地址，使用該子程序處理后，即可以獲得該IP的物理地址[8]。

(2) 網際協議(IP)是一個網絡層協議，它是TCP/IP協議棧中最為核心的協議。IP協議中定義了數據包，稱為IP數據報文，它是Internet上數據通信的基本單位。

(3) ICMP協議同樣位于網絡層，主要負責接收、解釋、發送ICMP報文。ICMP報文主要有兩種功能：報告出錯信息、傳送控制信息。在本系統中選擇實現ICMP協議，主要是為了響應對方主機使用Ping命令發出的回應請求。通過Ping命令和響應可以判斷網絡的連接是否可靠[9]。

2.2 以太網硬件接口驅動的實現

RTL8019AS的驅動程序主要包括芯片初始化、發送數據包、接收數據包三部分，實現以太網絡通信的物理層驅動。

初始化程序主要完成以下功能：芯片復位、設置芯片的物理地址、設置接收緩沖區的起始地址和大小、設置發送緩沖區的起始地址和大小。

RTL8019AS數據發送流程如圖6。

在接收數據時，需要判斷中斷狀態寄存器ISR的Bit4(OVW)，以查詢在RTL8019接收緩沖區里是否有新接收的數據包。當OVW=1時有新數據包，這時該數據包存于以CURR寄存器值為首址的RAM中。此時啟動遠程DMA讀操作(通過寫CR寄存器值為0x0A實現)，然后讀取接收緩沖區中的數據，當CURR=BNRY時，接收緩沖區中的數據讀取完畢[10]。

圖4 S3C2410 CAN總線接口電路

圖5 嵌入式TCP/IP數據流圖

圖6 RTL8019AS數據發送流程

2.3 系統功能的多任務實現

在實現系統功能時，共建立了三個任務：操作系統啟動運行的第一個任務(Task0)、Ping命令響應處理任務(TaskB)、工頻通信處理任務(TaskD)。操作系統的主函數流程如圖7所示。

圖7 主函數流程圖

3 結束語

工頻通信系統子站的改進采用基于ARM9內核的S3C2410處理器和μC/OS-II操作系統，設計了系統功能應用程序，實現子站功能。根據實際使用要求，設計子站為接收單元與調制單元分離的結構，兩單元間使用CAN總線作為控制/數據線，設計了RTL8019AS網絡控制芯片與S3C2410的接口電路，并根據使用需要嵌入相關的TCP/IP協議，使子站具備網絡通信的能力。

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Design of the frequency sub-station communication of TWACS based on S3C2410

Zhu Weihua， Song Hui

(Jilin Vocational Technology College of Electronic and Information, Jilin 132021, China)

A system which can be used for long range transform and collection aim at the data of three-phase power frequency electrical parameter is designed by using S3C2410 microcontroller which is based on ARM9 CPU. So it accomplishes the function which collect and long range transform the three-phase power and three-phase AC parameters(voltage，electric current，power factor).The circuits of LPC2294 interface are adopted in the system, and the TWACS function is accomplished. In order to improve system’s installability, the reception unit and modulation unit of sub-station, which are connected by CAN-Bus, are separated. The circuit of earthnet interface is designed by using the earthnet controller IC RTL8019AS, which accomplishes the sub-station communicate background through internet. All the tasks are attempered and managed by porting embedded real-time operating system μC/OS-II，and internet is established by using TCP/IP, and the apparatus designed in this work can transform data to Internet through UDP.

TWACS; CAN-Bus; S3C2410

吉林市科技發展計劃資助項目(2015334004)

TN91

A

1674- 7720(2016)03- 0041- 03

朱偉華，宋慧. 基于S3C2410的工頻通信系統子站設計[J].微型機與應用，2016,35(3)：41- 43.

2015-10-15)

朱偉華(1976- )，通信作者，男，碩士研究生，副教授，主要研究方向:嵌入式系統設計與智能網絡控制。E-mail:348938280@qq.com。

宋慧(1982-)，女，在讀博士生，副教授，主要研究方向：聲信號與聲場信息處理。