一种能现场无线调试的FTU 设计

俞千慧 邢 慧 张梦圆 司文璐 朱玉婷 朱沿任

（南京工程学院电力工程学院，江苏 南京 211167）

1 FTU 简介及其特点

FTU（Feeder Terminal Unit）的全称为馈线远方终端单元，是一种测量、监控与保护配电网系统中的设备。FTU 主要用于与配网自动化主站进行通信，完成对配网系统的信息采集，将测量和监控到的信息反馈于主站。配网主站可以对FTU 进行远方调节与控制，实现对配电系统中的设备保护。FTU 在正常运行状态下可靠性较强，不仅抗干扰能力强，而且测量精度高，采集到的信息准确可靠。

本次设计采用STM32F407 开发板实现对FTU 的设计，其不仅能符合上述功能要求，还具备了其独特的通信模式，具体分为两种不同的运行模式，“正常运行以太网模式”及“现场调试无线通信模式”[1]。

在正常运行的模式下，FTU 以Ethernet 以太网模式进行工作。在该模式下，配网主站与FTU 设备通过以太网端口连接。此模式使用10/100Mbit/s 的以太网MAC 内核进行数据的传输，可以快速实现FTU 设备的信息采集、继电保护、人机交互、命令执行等功能。以太网通信任务是基于LWIP 协议栈设计，该协议栈下兼容嵌入式操作系统的编程接口NETCONN API 设计TCP服务器，创建TCP 连接，实现数据的收发等功能。

在进行现场的调试时，FTU 以无线通信模式进行工作。在该模式下，FTU 设备利用STM32F407 开发板的NRF24L01 无线模块与配网主站进行无线连接。最大空中速率可达2Mbps，可以实现数据信息的快速收发。无线通信任务是实现FTU 与配网主站之间的IEC60870-5-104 等规约进行报文传送，通信流程中涉及的报文按照帧结构进行了设计，包括首次握手、总召唤、对时、SOE 信息上传、遥控、整定值下发等报文。

2 FTU 硬件设计

本次设计基于探索者STM32F407 开发板，采用电源模块、液晶屏显示模块、A/D 转换电路、无线通信模块等硬件设备，外围电路包括交流采样电路以及继电器驱动电路，实现FTU 与配网主站的连接与采集任务等。本次设计的结构框图如图1 所示。

3 无线通信模块介绍

本次设计采用NRF24L01 无线模块，将其芯片NRF24L01安装在STM32F407 开发板，实现FTU 与配网主站的连接。NRF24L01 芯片主要具有如下特点：

（1）2.4G 全球开放的ISM 频段，免许可证使用。

（2）最高工作速率2Mbps，高校的GFSK 调制，抗干扰能力强。

（3）125 个可选的频道，满足多点通信和调频通信的需要。

（4）内置CRC 检错和点对多点的通信地址控制。

（5）低工作电压（1.9-3.6V）。

（6）可设置自动应答，确保数据可靠传输。

（7）该芯片通过SPI 与外部MCU 通信，最大的SPI 速度可以达到10Mhz。

该模块的外形和引脚图如图2 所示。

开机的时候开发板会自动先检测NRF24L01 模块是否存在，在检测到NRF24L01 模块可以正常工作之后，才会根据工作模式不停的发送或接受数据。NRF24L01 模块与STM32F407 开发板的连接关系如图3 所示。

图3 NRF24L01 模块接口与STM32F4 连接原理图

NRF24L01 是使用的SPI1，和W25Q128 共用一个SPI 接口，所以在使用的时候，它们分时复用SPI1。本次设计需要把W25Q128 的片选信号置高，以防止这个器件对NRF24L01 的通信造成干扰[2]。

4 FTU 软件设计

本次设计的FTU 装置采用双通信方式的模式，即以太网通信模式和无线通信模式。两种模式通过一个开关控制：当开关指向1 的位置时，FTU 进入以太网通信模式；当开关指向0 的位置时，FTU 进入无线通信模式。当FTU 处于不同的通信模式时，其运行模式与其所包含的软件设计也不相同。软件系统的结构框图如图4 所示。

图4 FTU 软件结构框图

在以太网通信模式下，FTU 以正常情况运行，该运行模式采用嵌入式操作系统，以抢占的方式，将多任务按照优先级进行处理。FTU 将嵌入式操作系统中的多任务在液晶显示屏上呈现出来，通过ST emWin 开发出友好的人机交互界面，实现采集数据和实时报文的显示。实时操作系统是将并发的各任务按照其实时性赋予其不同的优先级，实时性要求高的任务拥有高优先级，优先享有CPU 使用权。处理高优先级任务时，低优先级任务被挂起，待高优先级任务处理完成后，低优先级任务继续执行。ST emWin 设计用于提供高效且独立于处理器和显示控制器的图形用户界面，用于任何使用图形显示进行操作的应用。它与单任务和多任务环境、专用操作系统或实时操作系统兼容，ST emWin 的形式为C 语言源代码。它可适用于任何尺寸的、具有任何显示控制器和CPU 的物理和虚拟显示器[3]。

在无线通信模式下，FTU 进入现场调试的模式。该运行模式不采用操作系统，以循环的方式，将各任务优先级按照先后顺序进行处理。FTU 将各任务得到的内容在LCD 液晶显示屏上呈现，包括遥测量采集、遥信量采集、遥控量输出、实时时钟区以及按照IEC60870-5-104 规约的遥测、遥信、遥控报文。无线通信模式下的FTU 可以完成“三遥”功能、继电保护、SOE 事件顺序记录等SCADA 系统的基本功能。FTU 通过无线通信方式与配网主站连接后，可上传A/D 转换电路采集的电压、电流量，继电器驱动电路采集的开关状态量，并接受配网主站发送的遥控命令，进行相应的遥控返校和执行操作，控制继电器进行分合闸。同时，FTU 可接收配网主站的对时命令，实现与配网主站的时钟同步。

4.1 uc/os-III 实时操作系统

uc/os-III 是一个完整的、可移植、可固化、可剪裁的基于优先级调度的抢占式实时多任务操作系统；它能够在外界事件或数据产生时，能够接收并以足够快的速度响应，其处理的结果又能够在规定的时间内输出，并控制所有实时任务协调、一致运行。它包含了基本的任务调度、时间管理、内存管理以及任务之间的通信和同步等功能[4]。

以太网通信模式下，将uc/os-III 实时操作系统移植到STM32F407 开发板上，获得较高的使用性能，并且将复杂的控制系统变得简单易懂。

4.2 emWin 图像管理系统

emWin 是德国Segger 公司研发的图形界面库（GUI），它主要用于上位机的图片界面设计，通过LCD 显示屏来实现人机交互，在emWin 中提供了很多控件，可以通过使用这些控件来完成一些复杂的界面设计。emWin 既可以独立运行，也可以运行在uc/os-III 实时操作系统之上。以太网通信模式下移植的emWin 可以支持操作系统[5]。

4.3 104 规约的通信流程

本次设计按照IEC60870-5-104 规约的设定两个客户端，即配网主站（显示屏上报文以HOST 字符呈现），一个服务器端，即配网终端FTU（显示屏上报文以FTU 字符呈现）。在以太网通信模式下，选用PC 机作为客户端；而在无线通信模式下，选用手持式调试仪作为客户端，此模式下的FTU 为本次设计的重点部分。FTU 作为配网终端时刻监视着客户端的信息。下面介绍本次设计104 规约的通信步骤。具体流程如图5 所示。

图5 104 规约下的通信流程

（1） 配网终端FTU 与配网主站的首次握手（First Handshake）。配网主站发送激活传输启动报文（U 帧），FTU 收到后回复确认激活传输启动报文（U 帧）；

（2）总召唤（General Call）。配网主站发送总召唤报文，FTU收到后回复总召唤确认报文，并向配网主站发送YX 报文（YX Message）和YC 报文（YC Message）。报文内容取决于FTU 采集到的电流量和开关量；

（3）时间校准（Time）。在配网主站收到FTU 发送的总召唤确认报文后，配网主站发送对时报文，下达时间校准命令。FTU收到对时报文后修改本机时间，与配网主站进行时间的校准工作；

（4）遥控与事件记录。配网主站启动遥控。首先配网主站下达遥控预置命令，发送遥控选择报文（YK Choose），FTU 收到后回复遥控返校报文，之后配网主站开始对FTU 进行遥控操作，并发送遥控执行报文（YK Start），FTU 收到后按照配网主站下达的命令对继电器进行分合闸动作，并在动作后FTU 回复遥控确认报文（YK Confirm），完成遥控操作。在每次继电器进行分合闸动作后以及在正常运行状态下增加负载模拟短路故障后FTU 都会产生一条SOE 报文并发送给配网主站，以方便配网主站进行事件记录。

4.4 FTU 各任务软件程序介绍

在图4 无线通信模式的软件系统中，介绍下（1）FTU 开启无线通信。（2）FTU 在无线通信模式下进行的各个任务：遥测量采集、遥信量采集、遥控量输出、实时时钟区，FTU 将采集到的各类数据和信息显示至LCD 显示屏上。下面简介FTU 开启无线通信的程序：

FTU 与手持式调试仪通过STM32F407 开发板板载的NRF24L01 无线模块建立无线连接。首先对无线通信进行程序初始化，其次FTU 对无线模块是否存在进行检测，当检测到无线模块后，FTU 则与配网主站成功建立无线连接，表明可以开始进行数据和信息的收发；若无法检测到无线模块，LCD 显示屏上会出现NRF24L01 Error 字符，同时表明FTU 与配网主站无线连接失败，FTU 需复位后重新检测，直到无线连接成功。开启无线通信的部分代码如下。

FTU 与配网主站成功无线连接后，FTU 装置上的通信指示灯（红灯）会亮起，表明无线通信成功。通信指示灯的部分代码如下。

上述代码表明通信指示灯的遥信量采集端口为PB6，且当PB6 引脚为高电平的时候通信指示灯亮起。

5 结论

本文设计了一个具有双通信模式的FTU 装置，该装置能够配合手持式配电终端调试仪，实现数据采集、计算及存储（遥测、遥信）、远方控制（遥控）、事件顺序记录SOE 等SCADA 系统的基本功能。软件部分采用Keil 平台开发设计，硬件部分采用STM32F407 开发平台。通过软硬件相结合连接测试，采用嵌入式ARM 芯片控制（包括显示部分、电源部分、无线通信部分），并能按通信规约如IEC60870-5-104 规约实现通信，实现FTU作为配电开关监控终端的遥信、遥测、遥控以及对时等其他调试功能，对智能电网信息工程的研究具有实际意义。