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高压断路器控制器中无线通讯功能模块的设计与实现
该论文发表于《微计算机信息》2006年第4-2期（中旬期）
国内统一刊号：ISSN 1008-0570/CN 14-1128/TP
资助项目：重庆市科委重大项目专项
项目编号：（CSTC.2004AA2001-8277-9）
高压断路器控制器中无线通讯功能模块的设计与实现
张光建 黄贤英 杨武 刘政
摘 要：为了方便对断路器进行遥测和遥控,采用蓝牙技术设计实现了断路器控制器的无线通讯模块.硬件部分采用基于ARM的LPC2138
CPU、金瓯蓝牙串口模块和蓝牙PDA来实现:软件部分采用类似MODBUS协议的通讯协议,实现了进行数据的组帧、发送、接收、校验、纠错和解帧六个功能.实践表明,该无线通讯模块可靠、界面友好、操作简便,适宜在电力行业中进行推广应用.
关键词：断路器;无线通讯;蓝牙串口;LPC2138
分类号：TP273+.5
文献标识码：A
文章编号：1008-0570(2006)04-2-0096-03
The Design and Implementation of
Wireless Communication Function Module in Control
System of High Voltage Breakers
Zhang,Guangjian Huang,XianYing Yang,Wu Liu,Zheng
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引言
高压断路器是重要的电力传输和控制设备，用于分合负荷电流、过载电流及短路电流。威力对高压断路器进行可靠操作以及保护人身安全，有必要开发一种能够对高压断路器进行遥测和遥控的数字控制器。利用该控制器可以在本地PDA或远程计算机上设定断路器的过载电流、分合闸线路电流以及遥测功率和频率等电参数。本文阐述该控制器中近距离无线通讯功能模块的设计方法。
2 ?控制器功能及组成
控制器的主要功能是控制断路器的同断，为电力部门提供电压、电流、有功功率、频率等基本参数，另外，还可以通过该装置的相互联网，对整个区域电力系统的电能质量进行检测，判断电网的整体可靠性、安全性和稳定性是否在指定的指标内，为电力部门对电网的检测提供有力的支持。
该控制器由供电子系统、电参数变换子系统、CPU核心子系统、操作机构驱动子系统和人机交互子系统组成，组成结构如图1所示。
供电子系统为整个控制系统和断路器的操动机构提供电源：电参数变换子系统将线路上的高电压和大电流变换成可供CPU采集的0~3的DC信号；cPu核心子系统是控制器的核心，它采集电参数变换子系统变换后的信号。计算频率和功率进行过流检测、输出分合闸控制命令以及无线方式和载波有线方式同外界通讯；操作机构驱动子系统接收核心子系统输出的分合闸控制命令信号来驱动操作机构进行分合闸；人机交互子系统是人与控制器进行交互的接口．该接口与核心子系统之间的通讯包括本地无线方式和远程载波方式，通过人机交互子系统，操作人员可以在离控制器10米远的位置以无线方式或在电力控制中心以载波方式设定过载电流、遥测电参数和遥控断路器。
3无线通讯模块的硬件设计
蓝牙技术是一种短距离无线通讯技术，它可以支持计算机、移动电话以及其他的移动设备之间相互通信，在本控制器中采用蓝牙技术来设计无线通讯功能
模块。无线通讯模块的硬件原理图如图2所示。
该通讯模块包括上位机和下位机两部分，上位机处于人机交互子系统，下位机处于CPU核心子系统。上位机采用蓝牙PDA。下位机采用基于ARM的LPC2138CPU芯片与重庆金瓯科技发展有限责任公司提供的串口和蓝牙进行相互转换的模块，带标准UART异步串口。LPC2138CPU芯片具有两个UART异步串行口，在该通讯模块中使用LPC2138的UART1与金瓯串口蓝牙模块进行接口。
4无线通讯模块的软件设计
尽管上位机与下位机之间是以蓝牙无线方式进行数据传输，但作为上位机的蓝牙PDA提供了模拟串口，下位机可以在串口和蓝牙之间进行转换，因此在上位机和下位机中用于无线通讯的程序都可以只对串口编程。上位机和下位机中通讯软件的设计与一般的串口通讯程序一样，首先设计通讯协议，其次是按协议的要求进行数据的组帧。
（1）通讯协议
上下位机采用类似MODBUS的通讯协议，数据帧格式如表1所示。
起始字符是"："，结束字符是0x0d和0x0a。除起始位和结束符外，帧中的所有字符都是ASCII字符"0"~"9"、"A"、~"F"。
设备地址是下位机和上位机的标识，用一个"0"~"9"、"A"、~"F"的ASCII字符表示。在本系统中可以实现1个下位机和7个蓝牙PDA之间联网，分别为他们标识"0"~"7"。对于下位机，固定"0"号地址机器其地址不一样。
功能码指示数据帧的类型，用两个"0"~"9"、"A"、~"F"的ASCII字符表示。在本系统中有8个类型的数据帧，分别是：线路状态信息帧，功能码为"01"；断路器状态信息帧，功能码为"04"；报警信息帧，功能没腌为"07"；为闸控制命令帧，功能码为"14"；和闸控制命令帧，功能码为"15"；获取参数命令帧，功能码为"16"；参数帧，功能码为"IE"；应答帧，功能码为"2D"。
对设备地址、功能码、数据数量和数据进行LRC校验得到数据帧的LRC校验码。LRC校验的程序代码如下：
static unsigned char LRC(unsigned chat *auchMsg,
unsigned short usDataLen)
／／auchMsg一要进行计算的消息
／／usDataLen一要处理的字节的数量
／／返回值-auchMsg消息的LRc校验码
{
unsigned char uchLRC=0：
while(usDataLen--)
uChLRC+=*auchMsg++；／／累加
return((unsigned char)(一((char)uchLRC)))
}
（2）组帧
数据的发送方在发送前要按协议所规定的帧格式组帧。为了组帧，系统定义了两个数组TxFrame和Data,其中TxFrame是用语存放帧数据的数组，数据类型为无符号字符型；Data是暂存待发数据的数组，数据类型为无符号长整型。在组帧前，将需要发送的数据暂存在数组Data中，用变量DataNum记录需要发送数据的个数。组帧的过程如图3多示。
（3）帧的发送和接收
组帧完成后，将帧中的信息一个一个字节发送出去。在接收方的数据中查找帧起始符，将起始符的数据拷贝到一个数组中，用于帧校验。
（4）帧校验
数据帧的接收方调用LRC成寻对接收到的数据帧求LRC校验码，如果求到的LRC校验码与帧中的LRC校验码一致，表明受到的帧正确，反之表示收到的是一个不正确的帧。
（5）差错控制
数据接收方收到正确数据帧时，它要向发送方传送应答帧。数据的发送方在一定的时间内检查发送出去的帧是否有影响，如果没有响应，将自动重发此帧，如果经过规定次数重发后还未收到应答帧，则提示通讯出错。
（6）解帧
接收方收正确的数据帧后，从帧中还原出设备地址、功能码、数据数量和数据，这个过程称为解帧。设备地址、功能码、数据数量及数据的解帧方法略有差别。
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对于设备地址，帧中的地址码就是有效地址；
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对于功能码，首先驱除表示功能码的来年感个ASCII码字符，然后拼成功能码字符串。
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对于数据数量，首先驱除表示数据数量的两个ASCII码字符，然后将ASCII码转换成数值，最后将高位左移4位与低位相加就得到数据数量。如TxFrame[4]=0x31，TxFrame[5]=0x33，可以得到数据数量为：（0x31-0x33）*16+（0x45-0x37）=0x1E，也就是有30个数据。
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对于数据，以6个字符为单位取出ASCII码字符，用与获取数据个数相同的方法计算发送方发送的数据。
5结束语
将蓝牙串口技术应用于高压断路器测控系统中，硬件设计简单易行，同时由于上位机和下位机中运行的应用软件不涉及蓝牙协议，使得通讯软件的设计可以采用传统的串行通讯软件设计方法。采用这种方法设计的近距离无线通讯系统数据传输速率高、可以传诵
的数据量大，优于传统的红外线方式，在类似的工控系统可以广泛应用。
本论文的创新观点：将蓝牙技术与嵌入式技术相结合，实现了远程控制高压断路器材。硬件采用LPC2138芯片+金瓯蓝牙串口模块共同实现，详细介绍了软硬件设计的关键技术。
参考文献：
[1]张灿辉，朱劲、蒋平。高压线路介质损耗在线测量设计与实现[j]微计算机信息，2005.8：82-84
[2]刘锋，基于嵌入式系统的智能UPS系统[j]，重庆：电工技术，2005
[3]胥静，嵌入式系统设计与开发实例详解[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2005
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