一種能現場無線調試的FTU 設計

俞千慧 邢 慧 張夢圓 司文璐 朱玉婷 朱沿任

（南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京 211167）

1 FTU 簡介及其特點

FTU（Feeder Terminal Unit）的全稱為饋線遠方終端單元，是一種測量、監控與保護配電網系統中的設備。FTU 主要用于與配網自動化主站進行通信，完成對配網系統的信息采集，將測量和監控到的信息反饋于主站。配網主站可以對FTU 進行遠方調節與控制，實現對配電系統中的設備保護。FTU 在正常運行狀態下可靠性較強，不僅抗干擾能力強，而且測量精度高，采集到的信息準確可靠。

本次設計采用STM32F407 開發板實現對FTU 的設計，其不僅能符合上述功能要求，還具備了其獨特的通信模式，具體分為兩種不同的運行模式，“正常運行以太網模式”及“現場調試無線通信模式”[1]。

在正常運行的模式下，FTU 以Ethernet 以太網模式進行工作。在該模式下，配網主站與FTU 設備通過以太網端口連接。此模式使用10/100Mbit/s 的以太網MAC 內核進行數據的傳輸，可以快速實現FTU 設備的信息采集、繼電保護、人機交互、命令執行等功能。以太網通信任務是基于LWIP 協議棧設計，該協議棧下兼容嵌入式操作系統的編程接口NETCONN API 設計TCP服務器，創建TCP 連接，實現數據的收發等功能。

在進行現場的調試時，FTU 以無線通信模式進行工作。在該模式下，FTU 設備利用STM32F407 開發板的NRF24L01 無線模塊與配網主站進行無線連接。最大空中速率可達2Mbps，可以實現數據信息的快速收發。無線通信任務是實現FTU 與配網主站之間的IEC60870-5-104 等規約進行報文傳送，通信流程中涉及的報文按照幀結構進行了設計，包括首次握手、總召喚、對時、SOE 信息上傳、遙控、整定值下發等報文。

2 FTU 硬件設計

本次設計基于探索者STM32F407 開發板，采用電源模塊、液晶屏顯示模塊、A/D 轉換電路、無線通信模塊等硬件設備，外圍電路包括交流采樣電路以及繼電器驅動電路，實現FTU 與配網主站的連接與采集任務等。本次設計的結構框圖如圖1 所示。

3 無線通信模塊介紹

本次設計采用NRF24L01 無線模塊，將其芯片NRF24L01安裝在STM32F407 開發板，實現FTU 與配網主站的連接。NRF24L01 芯片主要具有如下特點：

（1）2.4G 全球開放的ISM 頻段，免許可證使用。

（2）最高工作速率2Mbps，高校的GFSK 調制，抗干擾能力強。

（3）125 個可選的頻道，滿足多點通信和調頻通信的需要。

（4）內置CRC 檢錯和點對多點的通信地址控制。

（5）低工作電壓（1.9-3.6V）。

（6）可設置自動應答，確保數據可靠傳輸。

（7）該芯片通過SPI 與外部MCU 通信，最大的SPI 速度可以達到10Mhz。

該模塊的外形和引腳圖如圖2 所示。

開機的時候開發板會自動先檢測NRF24L01 模塊是否存在，在檢測到NRF24L01 模塊可以正常工作之后，才會根據工作模式不停的發送或接受數據。NRF24L01 模塊與STM32F407 開發板的連接關系如圖3 所示。

圖3 NRF24L01 模塊接口與STM32F4 連接原理圖

NRF24L01 是使用的SPI1，和W25Q128 共用一個SPI 接口，所以在使用的時候，它們分時復用SPI1。本次設計需要把W25Q128 的片選信號置高，以防止這個器件對NRF24L01 的通信造成干擾[2]。

4 FTU 軟件設計

本次設計的FTU 裝置采用雙通信方式的模式，即以太網通信模式和無線通信模式。兩種模式通過一個開關控制：當開關指向1 的位置時，FTU 進入以太網通信模式；當開關指向0 的位置時，FTU 進入無線通信模式。當FTU 處于不同的通信模式時，其運行模式與其所包含的軟件設計也不相同。軟件系統的結構框圖如圖4 所示。

圖4 FTU 軟件結構框圖

在以太網通信模式下，FTU 以正常情況運行，該運行模式采用嵌入式操作系統，以搶占的方式，將多任務按照優先級進行處理。FTU 將嵌入式操作系統中的多任務在液晶顯示屏上呈現出來，通過ST emWin 開發出友好的人機交互界面，實現采集數據和實時報文的顯示。實時操作系統是將并發的各任務按照其實時性賦予其不同的優先級，實時性要求高的任務擁有高優先級，優先享有CPU 使用權。處理高優先級任務時，低優先級任務被掛起，待高優先級任務處理完成后，低優先級任務繼續執行。ST emWin 設計用于提供高效且獨立于處理器和顯示控制器的圖形用戶界面，用于任何使用圖形顯示進行操作的應用。它與單任務和多任務環境、專用操作系統或實時操作系統兼容，ST emWin 的形式為C 語言源代碼。它可適用于任何尺寸的、具有任何顯示控制器和CPU 的物理和虛擬顯示器[3]。

在無線通信模式下，FTU 進入現場調試的模式。該運行模式不采用操作系統，以循環的方式，將各任務優先級按照先后順序進行處理。FTU 將各任務得到的內容在LCD 液晶顯示屏上呈現，包括遙測量采集、遙信量采集、遙控量輸出、實時時鐘區以及按照IEC60870-5-104 規約的遙測、遙信、遙控報文。無線通信模式下的FTU 可以完成“三遙”功能、繼電保護、SOE 事件順序記錄等SCADA 系統的基本功能。FTU 通過無線通信方式與配網主站連接后，可上傳A/D 轉換電路采集的電壓、電流量，繼電器驅動電路采集的開關狀態量，并接受配網主站發送的遙控命令，進行相應的遙控返校和執行操作，控制繼電器進行分合閘。同時，FTU 可接收配網主站的對時命令，實現與配網主站的時鐘同步。

4.1 uc/os-III 實時操作系統

uc/os-III 是一個完整的、可移植、可固化、可剪裁的基于優先級調度的搶占式實時多任務操作系統；它能夠在外界事件或數據產生時，能夠接收并以足夠快的速度響應，其處理的結果又能夠在規定的時間內輸出，并控制所有實時任務協調、一致運行。它包含了基本的任務調度、時間管理、內存管理以及任務之間的通信和同步等功能[4]。

以太網通信模式下，將uc/os-III 實時操作系統移植到STM32F407 開發板上，獲得較高的使用性能，并且將復雜的控制系統變得簡單易懂。

4.2 emWin 圖像管理系統

emWin 是德國Segger 公司研發的圖形界面庫（GUI），它主要用于上位機的圖片界面設計，通過LCD 顯示屏來實現人機交互，在emWin 中提供了很多控件，可以通過使用這些控件來完成一些復雜的界面設計。emWin 既可以獨立運行，也可以運行在uc/os-III 實時操作系統之上。以太網通信模式下移植的emWin 可以支持操作系統[5]。

4.3 104 規約的通信流程

本次設計按照IEC60870-5-104 規約的設定兩個客戶端，即配網主站（顯示屏上報文以HOST 字符呈現），一個服務器端，即配網終端FTU（顯示屏上報文以FTU 字符呈現）。在以太網通信模式下，選用PC 機作為客戶端；而在無線通信模式下，選用手持式調試儀作為客戶端，此模式下的FTU 為本次設計的重點部分。FTU 作為配網終端時刻監視著客戶端的信息。下面介紹本次設計104 規約的通信步驟。具體流程如圖5 所示。

圖5 104 規約下的通信流程

（1） 配網終端FTU 與配網主站的首次握手（First Handshake）。配網主站發送激活傳輸啟動報文（U 幀），FTU 收到后回復確認激活傳輸啟動報文（U 幀）；

（2）總召喚（General Call）。配網主站發送總召喚報文，FTU收到后回復總召喚確認報文，并向配網主站發送YX 報文（YX Message）和YC 報文（YC Message）。報文內容取決于FTU 采集到的電流量和開關量；

（3）時間校準（Time）。在配網主站收到FTU 發送的總召喚確認報文后，配網主站發送對時報文，下達時間校準命令。FTU收到對時報文后修改本機時間，與配網主站進行時間的校準工作；

（4）遙控與事件記錄。配網主站啟動遙控。首先配網主站下達遙控預置命令，發送遙控選擇報文（YK Choose），FTU 收到后回復遙控返校報文，之后配網主站開始對FTU 進行遙控操作，并發送遙控執行報文（YK Start），FTU 收到后按照配網主站下達的命令對繼電器進行分合閘動作，并在動作后FTU 回復遙控確認報文（YK Confirm），完成遙控操作。在每次繼電器進行分合閘動作后以及在正常運行狀態下增加負載模擬短路故障后FTU 都會產生一條SOE 報文并發送給配網主站，以方便配網主站進行事件記錄。

4.4 FTU 各任務軟件程序介紹

在圖4 無線通信模式的軟件系統中，介紹下（1）FTU 開啟無線通信。（2）FTU 在無線通信模式下進行的各個任務：遙測量采集、遙信量采集、遙控量輸出、實時時鐘區，FTU 將采集到的各類數據和信息顯示至LCD 顯示屏上。下面簡介FTU 開啟無線通信的程序：

FTU 與手持式調試儀通過STM32F407 開發板板載的NRF24L01 無線模塊建立無線連接。首先對無線通信進行程序初始化，其次FTU 對無線模塊是否存在進行檢測，當檢測到無線模塊后，FTU 則與配網主站成功建立無線連接，表明可以開始進行數據和信息的收發；若無法檢測到無線模塊，LCD 顯示屏上會出現NRF24L01 Error 字符，同時表明FTU 與配網主站無線連接失敗，FTU 需復位后重新檢測，直到無線連接成功。開啟無線通信的部分代碼如下。

FTU 與配網主站成功無線連接后，FTU 裝置上的通信指示燈（紅燈）會亮起，表明無線通信成功。通信指示燈的部分代碼如下。

上述代碼表明通信指示燈的遙信量采集端口為PB6，且當PB6 引腳為高電平的時候通信指示燈亮起。

5 結論

本文設計了一個具有雙通信模式的FTU 裝置，該裝置能夠配合手持式配電終端調試儀，實現數據采集、計算及存儲（遙測、遙信）、遠方控制（遙控）、事件順序記錄SOE 等SCADA 系統的基本功能。軟件部分采用Keil 平臺開發設計，硬件部分采用STM32F407 開發平臺。通過軟硬件相結合連接測試，采用嵌入式ARM 芯片控制（包括顯示部分、電源部分、無線通信部分），并能按通信規約如IEC60870-5-104 規約實現通信，實現FTU作為配電開關監控終端的遙信、遙測、遙控以及對時等其他調試功能，對智能電網信息工程的研究具有實際意義。