电力系统监控

湖南科技大学 信息与电气工程学院

《电力系统监控》

题 目： 远动系统中RTU的设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气三班 姓 名： 高婷 学 号： 1204010342 指导老师： 陈敏老师

远动系统中的RTU设计

【摘要】提出了一种面向工业现场信号采集和对现场设备控制的新型通用一体化RTU的设计方案。介绍了基于ARM9处理器并采用μC/OS_II实时操作系统的RTU系统设计方法，同时对数据传输采用的Modbus通信协议和硬件功能模块的设计进行了描述。硬件功能模块主要包括8路数字量输入、8路数字量输出、8路模拟量输入、RS232通信、RS485通信和以太网通信等模块。文中还提出了从站RTU的软件设计方法。与普通RTU相比，该方法具有更大的存储容量，更强的计算功能，更简便的编程与开发能力和强大的通信组网能力。设计了一套通用型的RTU，采用了可组态的，可采集多种类型信号、多种通信方式、配置灵活的远程测控终端以适应不同场合、不同用户的需求。本文对该RTU的功能、及硬件结构有详尽的描述。

【关键字】信号采集；现场控制；RTU；μC/OS_II；Modbus

【Abstract】 Abstract: A newly universal design scheme of RTU is introduced, which is applied to signal acquisition and equipment control on industrial scene. It introduces the design of RTU which is based on ARM9 processor and with real-time operating system μC/OS_II inside. The Modbus communication protocol in data transmitting and hardware function modules are also described. The hardware function modules mainly consist of eight digital input, eight digital output, eight analog input, RS232 communication, RS485 communication and Ethernet interface modules, etc. The design of slave RTU is also mentioned, which has much advantages in the capacity of storage, computing, programming, developing and networking over the ordinary ones.Designed a set of general type RTU, using a configurable aspects of various types, collecting and signal, various communication mode and flexible configuration of remote measurement and control terminals to adapt to different situations, the needs of different users. In this paper, the function, the RTU and hardware structure have detail

【key words】 signal acquisition; f ield control; RTU; μC/OS_II; Modbus

目 录

一、RTU 系统设计 ......................................... 4 1.1 主控制器的选择 ................................... 4 1.2 数字量输入输出模块设计 ........................... 4 1.3 模拟量输入模块 ................................... 6 1.4 通信模块 ......................................... 6 1.5 存储器模块和温度测量模块 ......................... 7 二、远程测控终端的硬件设计 ............................... 8 2.1数据采集电路的设计 ................................. 8 2.2模拟量采集电路 ..................................... 8 2.3开关量输入与输出电路的设计 ......................... 9 2.4通信接口的设计 ..................................... 9 三、结语 ................................................ 10 【参考文献】 ............................................ 10

远动系统中的RTU设计

RTU应该至少具备以下两种功能：数据采集及处理、数据传输(网络通信)。RTU具有多种通信方式(网络、电台、GPRS、电话线等)以及能够采集多种类型的信号大容量的现场存储功能等特点，所以在各行各业得到了广泛应用。

一、RTU 系统设计

基于ARM9 的新型 RTU 系统结构如图1所示。该系统以 S3C2440A为主控制器，主要包括数字量输入模块、数字输出模块、模拟量输入模块、RS232 通信模块、RS485 通信模块、以太网通信模块、存储器模块、E2PROM 和测温模块等等。软件采用μC/OS_II 实时多任务操作系统，数据传输采用 Modbus 通信协议，设计了 TCP\\IP、RS232、RS485 等多种通信方式。

1.1 主控制器的选择

RTU 的处理芯片采用 S3C2440A，S3C2440A 的内核为ARM920T，并且片内集成了 RS232、RS485、SPI、IIC、通用I/O 口等外围设备接口，并具有低价格、低功耗、高性能等特点，能够满足多种通信协议，如 Modbus 等通信协议。 1.2 数字量输入输出模块设计

该 RTU 具有 8 路数字量输入和 8 路数字量输出。数字量输入的直流有效电压为10 ～ 48 V，具有光耦隔离，隔离电压的有效值为 2 500 V。数字量输出的直流有效电压为10 ～36V，也具有光耦隔离，隔离电压的有效值为 2 500 V。

对于数字量输入，可在输入端加入适当的滤波电容、自恢复保险丝、压敏电阻、整流二极管和电阻等元件组成的电路，然后和光耦隔离器 PS2801串联。值

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得注意的是，和光耦隔离器串联的电阻 R3、并联的电阻 R4选取要恰当，通过调整其电阻值，可以得到合适的输入电压阈值。数字量输入电压通过光耦隔离之后，转换为合适的电压信号至 MCU。考虑到数字量输入可为开关量输入和脉冲信号输入，应选用 MCU 的外部中断功能引脚作为数字量输入管脚，这样 MCU 才能及时响应数字量输入。

对于数字量输出（电压输出），MCU 通过光耦隔离器PS2801 控制固态继电器 VN340ISP 的输出。数字量输出可分为开关量输出和脉冲输出。对于开关量输出，可以通过 MCU 的普通 GPIO 引脚来实现控制；对于脉冲输出，可以使用 MCU的 PWM 引脚来实现控制。

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1.3 模拟量输入模块

当 MCU 内部集成的 ADC 不能满足系统设计要求时，需要外加一个满足系统设计要求的 ADC，外部 ADC 采集的数据可以通过多种总线传输到 MCU（如 IIC、SPI 等）。

该 RTU 具有 8 路模拟量输入，模拟量输入原理图如图3 所示。模拟量输入范围为直流 4 ～ 20 mA 或 0 ～ 5 V，采用TI 公司的 ADS7952（采样频率为 1 MHz，12 位分辨率，20 MHz的 SPI 串行接口），在模拟量输入前端加入适当的调理电路（由滤波电容、自恢复保险丝、TVS 管、精密电阻、高速运放、稳压管等元件组成的电路），ADS7952 的数据传输采用 SPI 总线传输，在 ADC 和 MCU 的 SPI 总线上加上一个磁耦隔离器ADuM1401，注意磁耦隔离器的数据转换速率要大于 SPI 的传输波特率。

1.4 通信模块

新型 RTU 具有强大的通信组网能力，并且兼容多种通信方式，如 TCP/IP、RS232、RS485 通信等等。该 RTU 有 1个RS232 通信接口、1个 RS485 通信接口和 1个以太网接口。其中，RS232 通信接口还可以外接一个 ZigBee 模块，实现无线数据传输。

MCU 的 UART 端口通过磁耦隔离器 ADuM1402 分别与RS232 收发器 MAX3232E 和 RS485 收发器 SN65HVD-1176D相连。由于 RS232/RS485 通信均为有线通信，在恶劣的环境下，例如通信电缆受到雷击干扰，收发器可能由于过压

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而烧坏，甚至会影响 MCU 的正常工作，所以应该在收发器接线端子上加上合适的防雷保护电路。防雷保护电路可以分为三层保护：第一层用三个玻璃放电管组成一个三角形电路作为一级保护,可以把雷击电压降到数百伏；第二层用耐高压的 TVS 管，可以把传输线上的电压降到数十伏；第三层加上适当的电感或保险丝，用于进一步保护收发器。RS232/RS485 通信模块的结构原理图如图 4 所示。

1.5 存储器模块和温度测量模块

存储器包括 SDRAM、Norfl ash 和 Nandfl ash。SDRAM用来临时存放数据，确保程序能正常运行； Norfl ash 用于存储程序 ； Nandfl ash 用于存储数据，在 RTU 突然掉电或通信网络故障的情况下，Nandfl ash 能把重要的数据信息保存起来，待到 RTU 再次上电并且网络通畅时，再把数据提取出来发送出去。

E2PROM 可以用来存储 RTU 的初始配置信息， 包括RTU 设备基本属性、IP 地址信息、网络参数、串口参数、主从模式选择和 AD 采样配置等信息。RTU上电运行时，先从E2PROM 中读取配置信息，RTU 初始化各个模块之后才能正常工作。

测温模块可以用来测量 RTU 的工作温度，并实时地或定时地向上传输其温度值，实现温度监控。

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二、远程测控终端的硬件设计

远程测控终端采用ARM9内核的微处理器AT9lRM9200为主CPU．设汁合理可靠的硬件电路，包括：数据采集(包括模拟量、开_关量，数字信号)电路．开关量输}lj控制电路以及跟踪通信电路(包括以太网通信、RS232接口电路等)。数据采集电路采集现场的各种模拟量(4mA．20 mA。l V一5 V各种信号)、开关量以及RS485串行的数字信号。开关量输{}；电路用于控制现场设备如设备的扁停、开关的打开闭合等。通信电路通过以太网接口以及串口转换的modem、电台、GPRS等实现测控终端与监控中心的通信。 2.1数据采集电路的设计

根据各种现场需求的不同．系统的数据采集部分主要包括：对压力、流量、液位、温度等各种非电量的采集主要通过将非电量转换为4 mA一20 mA．I V一5 V和热电偶的毫伏信号等标准信号模拟量的采集．设备的运行状态等开关量信号的采集和具有数字接口如RS485的仪器仪表的数字信号的采集。 2.2模拟量采集电路

多路模拟信号的采集通过电子开关芯片ADG71l和模数转换器ADS7816转换．再通过SPI接口送到微处理器AT91RM9200处理。模拟量采集电路见下图：

具体的实现过程如下：首先通过AT91RM9200的PIO口线启动ADG71l选通相应的采样通道，再通过穿行外设接口的NPCS0引脚SPI启动ADS78 16来进行MD转换，转换结束后将数据读人SPI_RDR寄存器，然后进行相应的存储处理。采用

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ADS7816通过改变参考电压可以实现多种电压范围的测量，我们设计了多种测量范嗣的选择。l V。5 V(可以并联250Q精密电阻来实现4mA一20mA电流的测量)和0mV—100mV，0mV一200mV(可以采样多种热电偶的输出信号)、0mV~400mV测量其他类型的毫伏信号。 2.3开关量输入与输出电路的设计

开关量输入输出电路见右图。开关量输入信号包括：设备的状态．一些压力、流量、液位关等信号，手动，自动控制切换信号等。开关量输入信号是通过ACPL214光电耦合器件隔离输入的。可以隔离高电压防止对电路的损坏．CPU通过扫描PIO引脚的高低电平来判断开关量输入的开闭。开关量输

iI；信号是控制设备的启停和报警装置等的T作，CPU输H{高或低的控制信号来驱动ASSRl228光电耦合器隔离后驱动高电压控制电路。AT91RM9200并行I／O(PIO)控制器与作为通用数据的I／O复用外设输人／车寅j{{口线．以最大限度适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入变化中断、开漏能力及可编程上拉电阻。

2.4通信接口的设计

以太网作为一种比较成熟的网络已经广泛应用于各领域，其TCP／IP协议栈已成为互联网事实上的标准。协议远程测控终端采用以太网接口作为测控终端与远程监控中心的通信接口。以太网MAC是OSI参考模型物理层(PHY)与逻辑链路层(LLC)间MAC子层的硬件工具。它使用以太网IEEE 802．3u数据帧格式控制主机与PHY层问的数据交换。硬件上还设计有4个串行接口(包括3个RS232口和一个R5485接口)实现诸如modem、电台、GPRS等多种通信方式的实现。由于微控制器ATglRM9200具有10／100 Base—T型以太网卡接口和4个通用同步／异步接I附发送器(USART)。所以通信电路的设计比较简单。

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三、结语

本文主要介绍了一种基于ARM9 的 RTU 设计实现方法，对 RTU 硬件系统中的各个模块设计过程进行了详细的介绍，包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、RS232 通信模块、RS485 通信模块、以太网通信模块、存储器模块、E2PROM 和测温模块等等，同时提出了基于此硬件系统的 RTU从站软件设计方法。RTU从站采用μC/OS_II 实时操作系统，数据传输采用 Modbus/RTU 通信协议。该 RTU可以应用于市政、能源、通设施、环境、气象、地质、农业等有远程终端测控站点需求的行业。

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