一種RTU控制器可擴展功能的軟硬件實現方法

黃兵¹ 郭月明² 謝華鋒³

(1.2.3北京中油瑞飛信息技術有限責任公司北京 100007)

摘要：針對油氣生產井場站對IO點量需求的增加及對無線智能儀表數據采集問題，提出了一種RTU控制器IO可擴展功能的軟硬件實現方法，主要研究討論了通過硬件CAN接口、用戶定義擴展實現IO擴展，利用Zigbee協議實現對無線智能儀表數據采集功能。

The hardwareand software principle of RTU extensible function

Huang Bing¹ Guo Yueming² Xie Huafeng³

(1.2.3 Beijing Richfit Information Technology Co., Ltd., Beijing 100007, China)

Abstract: This paper proposed a hardware and software principle of RTU extensiblefunction to solve the problem of an increased IO point demand in the well siteand data acquisition, mainly discussed on the realization of IO expansion withCAN interface and implement data collection functions of wirelesssmart meters by using Zigbee protocol.

關鍵詞：IO可擴展；RTU；CAN；Zigbee無線傳輸

Key words:IO expansion；RTU；CAN；Wireless transmission of Zigbee

1 引言

RTU（遠程測控終端）因其具有遙測、遙信、遙調及遙控功能^[1^] 廣泛應用于現代油氣生產領域。然而，油氣井場站控制需求的增加使得控制現場對IO點的需求也隨之增加，這就要求在不增加單體RTU的情況下提高對現場IO點量的采集能力。另外，無線智能儀表的廣泛應用要求RTU除對傳統有線儀表進行數據采集外，也能實現對無線智能儀表的數據采集。本文針對以上2點需求提出了一種RTU控制器的IO可擴展及對無線智能儀表數據采集的軟硬件實現方法。

2 RTU控制器的系統概述

RTU控制器由硬件、軟件驅動層、操作系統層、協議棧層，硬件驅動層為上層程序提供外部設備的操作接口，包括現場IO采集驅動、通用RS485通信口、RS232通信口、以及1路以太網通信口。為實現IO擴展功能設計CAN通信接口和Zigbee無線通信接口IO。采用嵌入式LINUX^[2-5^]操作系統；協議棧層包括MODBUS協議簇、CAN自定義 IO BUS協議和ZIGBEE^[6-7^]協議。

3 RTU控制器的硬件實現方法

可擴展的RTU控制器硬件由核心板和底板兩部分組成。CPU、內存等控制核心集中在核心板上，外部數據接口和通信接口集中在底板上，如圖1（a）、（b）所示。這種結構化設計實現了核心基礎電路與外圍接口電路分離，提高了核心電路的技術復用率，且便于產品生產和升級。

圖1 （a）核心板原理框圖圖1 （b）底板原理框圖

由圖1（a）可知，RTU控制器CPU采用ATMEL的32位ARM9工業級處理器、1GB NAND FLASH、32MB SDRAM、8MB的SPI FLASH；16KB FRAM保證系統在掉電情況下仍可保存數據；WATCH DOG用來防止程序跑飛。圖1（b）所示底板集成了除3路RS485通信口、2路RS232通信口及1路以太網通信口等現場通用通信接口外，還增加了為實現IO擴展2路CAN通信口及為實現無線儀表數據采集的1路Zigbee無線通信接口。電源采用獨立的DC/DC隔離電源模塊，隔離電壓可達2KVDC，支持反接保護和短路保護。

3.1 CAN總線接口電路

CAN總線接口電路主要包含控制器部分、收發器部分、隔離部分、外圍電路部分及供電電源5部分，如圖2所示。

圖2 CAN總線接口電路

CAN總線通信的核心是CAN總線控制器，本文采用CPU片上集成控制器實現CAN數據鏈路層、傳輸層功能，物理層功能通過CAN總線收發器芯片PCA82C250T實現，并能過光耦隔離方式實現CAN物理總線與內部系統的隔離。由于光耦合器輸入/輸出間互相隔離且電信號傳輸具有單向性特點，因而具有良好的電絕緣和抗干擾能力。另外，光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，具有很強的共模抑制能力，因此在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。

4 RTU控制器的軟件實現方法

可擴展的 RTU控制器的軟件實現方法包括自定義IO可擴展協議和優化的無線傳輸算法。

4.1 可擴展功能軟件實現

為實現RTU擴展模塊緊湊互連，結構上通過，采用35mm標準導軌，將RTU擴展模塊固定在一起，實現設計的緊湊和一體化。軟件過自定義IO可擴展協議（IOBUS協議）實現與擴展模塊通信。IOBUS總線協議基于CAN2.0B串行通信協議，采用應答傳輸機制。CAN協議涵蓋了ISO規定的OSI基本參照模型中的傳輸層、數據鏈路層及物理層，如圖3所示。

圖3 ISO/OSI基本參照模型和CAN協議

圖3所示的物理層定義了信號實際的發送方式、位時序、位的編碼方式及同步的步驟。數據鏈路層分為MAC子層和LLC子層，MAC子層是CAN協議的核心部分。數據鏈路層的功能是將物理層收到的信號組織成有意義的消息，并提供傳送錯誤控制等傳輸控制的流程。具體地說，就是消息的幀化、仲裁、應答、錯誤的檢測或報告。

CAN2.0 B協議數據幀由包括幀起始、仲裁段、控制段、數據段、CRC段、ACK段和幀結束7個段構成。幀起始表示數據幀開始的段；仲裁段表示數據的優先級；控制段由6位構成，表示數據段的字節數；數據段可包含0~8個字節的數據，從MSB（最高位）開始輸出；CRC段由15位的CRC順序和1位的CRC界定符構成，用于檢查幀的傳輸錯誤；ACK段用來確認是否正常接收，由ACK槽和ACK界定符2位構成；幀結束由7位隱性位構成，表示數據幀結束。我們在CAN2.0 B協議格式封裝上進行了擴展，形成了自定義的報文格式，如圖4所示。

圖4 IOBUS報文格式

圖4所示的報文格式中，SRR和IDE為1，RTR為0。協議的數據區為固定8字節長度，主從節點在發送數據時把DLC恒定設置為1000。另外，仲裁區包含方向標識、從節點號、協議號、總包號、包序號和板卡類型等信息。

4.2 優化的無線傳輸算法

設計了優化的無線傳輸算法來降低儀表功耗，延長儀表內置電池的壽命，算法流程如圖5所示，每一步操作的具體內容如下：

操作一：RTU初始化集成的無線Zigbee模塊；

操作二：是否有無線儀表在網；

操作三：RTU無線Zigbee模塊進入睡眠狀態；

操作四：無線儀表發送命令，RTU無線模塊回應，無線儀表獲取RTU系統時間并與之同步；

操作五：每隔25秒無線儀表向RTU端上報數據；

操作六：過整30min時，無線儀表再次申請與RTU時鐘同步；

操作七：無線儀表進入深度睡眠狀態。

圖5 優化的無線傳輸算法流程圖

5 RTU控制器的應用實例

油氣生產數字化系統利用RTU和智能儀表組成現場層數字化采集系統，完成站內計量、集輸、注水等主要生產運行參數的集中監測及優化控制。將可擴展的RTU控制器與其他數字、模擬等擴展模塊互連，對多個井口的數據進行采集和通信，以確保油氣生產處理持續、穩定、高效的運行。圖6為油氣生產現場數字采集系統連接圖，利用可擴展的RTU控制器和智能儀表的實現方法。

圖6油氣生產現場數字采集系統連接圖

6 結論

本文提出的可擴展RTU控制器結構上可通過35mm標準導軌與其他擴展模塊實現一體化連接，電氣上可通過IOBUS實現互連、數據傳輸；支持多種工控編程語言，方便工程上進行二次開發。另外，優化的無線傳輸算法和增強的硬件/軟件設計不僅降低了與RTU互連的無線智能儀表的功耗，而且保證RTU在極端環境下也能穩定、可靠地正常工作。