基于LonTalk协议网络电力仪的研制

摘 要：介绍了LonWorks控制网络的LonTalk协议及电能表专用芯片CS5460A的特点、控制方法，利用该芯片与智能通信控制器FT3150设计了具有LonTalk协议的网络电力仪.

关键词：LonTalk协议；LonWorks；CS5460A；网络电力仪

1. 引言

现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网，发展迅速，取代传统的集中式控制系统是必然趋势。LonWorks现场总线是Echelon公司90年代推出的现场控制网络；以其优秀的分布处理能力、开放性、互操作性、多媒介适应能力、网络拓扑结构自由和Internet无缝连接等特性适应了控制网络对未来发展的应用要求，成为众多现场总线佼佼者。目前采用Lonworks 技术的产品广泛应用在工业、能源、楼宇、家庭、交通等自动化领域。国内LonWorks技术也正在应用到变电站综合自动化和配电网自动化等电力自动化系统。而网络电力仪正在逐步取代变送器，对传统的监控系统进行革命性的冲击。这类仪表内部有嵌入式单片机，通过高性能A/D进行交流采样来测量电流、电压、功率、功率因数、电能等参数。由于交流电的特殊性，实现电量的精确计量有一定技术难度。首先，由于电网的干扰采集的信号有较大的噪声，须经过数字信号处理；其次，电功率等参数是通过电压、电流间接测量得到的，对单片机处理速度、A/D采样速率及分辨率要求较高。如采用DSP+高性能A/D能达到好的效果，但常规测量成本太高。笔者结合电能表专用芯片CS5460A的特点研制了基于现场总线LonWorks技术的低成本，满足一般测量要求的综合网络电力仪。

2. LonTalk协议

LonWorks通信协议也即是LonTalk协议。LonTalk协议是ISO组织制定的OSI开放系统互连参考模型的七层协议的一个子集，它包含了LON总线的所有网络通信功能,。能够直接面向对象通信，具体实现就是采用网络变量这一形式，网络变量使节点之间的通信实现通过网络变量的互连完成。同时包含了一个功能强大的网络操作系统，通过所提供的网络开发工具生成固件，可使通信数据在各种通信介质可靠传输；LonTalk协议的设计符合控制系统的特定要求, 是一个分层的以数据包为基础的对等通信协议。数据包由可变的字节构成，长度不定，且包含应用层的信息及寻址和其他信息.；LonTalk协议提供4种基本类型的报文服务：确认（Acknowledged）、请求/响应(Request/Response)、非确认重复(Unacknowledged Repeated)、非确认(Unacknowledged)，以确保控制网络提供的通信服务在效率、响应时间、安全性及可靠性之间有一些折中方案。使用独有的冲突避免算法称为可预测（Predictive）P —坚持（Persistent）CSMA（载波监听多路访问），它保留了CSMA的优点但克服了在控制应用上的缺点。所有LonWorks节点根据网络积压参数等待时间片来随机访问通信介质，通过预测信道积压的工作动态调整随机时间片的数量，有效避免了网络的频繁碰撞，保证了高网络负荷情况下保持网络性能。同时有选择地提供优先机制以提高对重要数据包的响应时间；LonTalk协议支持多种通信介质包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线、红外线。

3. CS5460A简介

CS5460A是CRYSTAL公司推出的具有两个D-S模/数转换器（ADC）、带双向串行接口、具有高速电能计量专用集成电路芯片。具有瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、功率有效值测量及电能计量功能；双向串行接口与内部寄存器阵列可以方便地与微处理器相连接；具有片内看门狗定时器（Watch Dog Timer）与内部电源监视器；提供了外部复位引脚；外部时钟最高频率可达20MHz； 具有功率方向输出指示。这些增加的功能更加便于与微处理器（MPU）接口，并能方便地实现电压、电流、功率的测量和用电量累积等功能。

4. 网络电力仪综合设计

研制的网络电力仪是用来实时检测变电站、配电站、电动机等设备的三相电压、电流、有功功率、功率因数、电能等参数的仪表，不仅具备本地显示，还易于组成控制网络实现远程配置与监控。由智能通信控制器FT3150、电能专用芯片CS5460A、显示、通信接口等组成，完成数据采集、运算、显示和通信，总体设计如图1所示。

4.1交流电压、电流输入电路

CS5460A优化了电流、电压通道测量的接口，电流通道可与低功耗的分流器或互感器连接；电压通道可与阻性分压器或互感器连接。为适应不同测量电压范围，电流通道增益可设为10´或50´，对应的满量程是±250mV和±50mV；电压通道对应的满量程是±250mV。实际上测量交流电压有效值是250mV/ sqrt(2)»176.78 mV，为保证有一定的过范围测量，取有效值150mV的交流信号。由于CS5460A采用过采样原理对高频噪声有很强的抑制作用，输入无须复杂滤波电路。图2是三相交流电压采用PT变比1:1电流型精密电压互感器，三相交流电流采用CT变比为2000:1精密电流互感器。电流、电压均采用差分输入方式，为实现最佳差分输入，Ri1和Ri2、Ru1和Ru2采用温度系数小、阻值严格匹配电阻串联而成，Ri、Ru阻值由被测信号最大值决定。Ri+/Ri-、Rv+/Rv-电阻有两个目的，一是低通滤波；二是输入保护。决定Ri+/Ri-、Rv+/Rv-、Cvdiff/Cidiff的值需要考虑以下几个问题：1）满足低通截止频率，一般截止频率不应低于内部电流/电压通道滤波截止频率的10倍。2）为防止功率、电能计算偏差，电流、电压通道网络时间常数应当相等或至少接近。3）由于电流通道阻抗不象电压通道阻抗那样高，在设计电流通道截止频率计算Ri+/Ri-时应考虑到电压降的影响。4）滤波电容同时起到衰减高频RFI作用，布线时尽量使滤波电容靠近其输入引脚。

4.2 FT3150与CS5460A接口及控制

网络电力仪采用Echelon最近推出的智能控制器FT3150，它集成一个20M的LonWorks核心技术—神经元芯片（Neuron Chip）3150 、0.5KB EEPROM、2KB RAM和自由拓扑双绞线收发器，结合高性能的通信变换器FT-X1可设计性价比非常高的LonWorks 节点。神经元芯片有3个CPU，即介质访问控制处理器、网络处理器、应用处理器，它们分别完成OSI的七层功能。拥有11个引脚I/O口，根据不同外接设备可灵活配置为34种可编程I/O对象，采用Neuron C编程，用户程序通过io_in()和io_out()系统调用来访问外部对象，在程序期间完成输入输出操作，方便实现测量、计时、控制等功能。通过外部存储器总线FT3150可寻址58K外部存储器，其中16K非易失性存储器用来分配给系统固件，包括LonTalk协议、Neuron C库函数、任务调度程序。FT3150通过Echelon公司的ShortStack或MIP固件很容易与其它主MCUs实现接口，特别是刚推出的ShortStack工具更方便的使基于其它MCUs的产品连到网络上来。由智能控制器FT3150构成的控制模块如图3所示，包含32K闪存（AT29C256）、24K扩展RAM。

CS5460A有四条串行通信接口线：/CS、SDI、SDO和SCLK。/CS为片选控制线，低电平有效；SDI串行数据输入线；SDO串行数据输出线；SCLK串行时钟输入线，控制CS5460A与微处理器之间数据传输同步，最大时钟2M。为计算出总功功率、总功率因数等参数必须实现同时对三片CS5460A进行数据采样。CS5460A与FT3150接口原理如图4。

I/O对象定义及说明如下：

IO_8 neurowire master select(IO_4) IO_SELECT_ALL //同时启动三片CS5460A串行对象

IO_4 output bit IO_SELECT //定义位输出对象做片选信号

IO_8 neurowire master select(IO_0) IO_SELECT_ALL //第一片CS5460串行操作对象

IO_0 output bit IO_SELECT_0 //定义位输出对象做片选信号

IO_8 neurowire master select(IO_1) IO_SELECT_ALL //第二片CS5460串行操作对象

IO_1 output bit IO_SELECT_1 //定义位输出对象做片选信号

IO_8 neurowire master select(IO_2) IO_SELECT_ALL //第三片CS5460串行操作对象

IO_2 output bit IO_SELECT_1 //定义位输出对象做片选信号

4.3数据显示

显示芯片用带串行接口的MC14489B，使用两片MC14489B串联以驱动2排4位LED和8个指示灯显示电流、电压、功率、功率因数、电能等参数。I/O对象定义及说明如下：

IO_8 neurowire master select(IO_7) IO_DISPLAY //显示串行对象

IO_7 output bit IO_DISPLAY_SELECT //定义位输出对象做片选信号

4.4 接口功能控制及测量

FT3150与CS5460A复位引脚相连，硬件上同时复位或通过FT3150对配置寄存器中的RS位写1软件复位。串行口可能由于某种原因不能与时钟SCLK同步，如果试图读入命令字，CS5460A不能正确解释命令将得到不正确的操作，串行口必须重新初始化，可以有以下三种方法：1）重新上电CS5460A；2）硬件复位；3）FT3150写入三个（或更多）“0´FF”命令字节，紧接着写入“0´FF”命令字节以使串行口进入命令模式。

CS5460在命令模式下通过写入8位字长的命令字包括：启动转换、同步调整、上电/暂停、节电控制、校正、寄存器读/写。对CS5460A内部寄存器的访问是通过“寄存器读/写”命令来进行的，这些寄存器有：配置寄存器、电流/电压偏移校准、电流/电压增益、电流有效值、电压有效值、电能、电流瞬时值、电压瞬时值、时基校准、状态、中断屏蔽、循环计数N等寄存器。为写寄存器，先写入8位字长有关写寄存器命令字，接着写入24位数据。读寄存器也是先写入8位命令字，然后可以读出8位、16位或24位数据，读取数据时FT3150可同时发送新的命令字。

FT3150是8位控制器，无硬件乘法器，运算用到浮点运算函数，为满足智能控制器数据读取要求，CS5460工作时钟MCLK选4.096MHz，分频系数K设为1，循环计数N设为4000，基本计算周期为1s。每N次A/D转换完成电能、电流有效值、电压有效值、电能就更新一次，屏蔽寄存器的DRDY位有效同时中断引脚INT激活。FT3150A读取状态寄存器®相关I/O任务调度服务处理®将第一步状态字写入状态寄存器同时状态位清除®等待其它I/O任务。

电流、电压有效值可从电流、电压寄存器直接读取通过换算得到。由于计算周期1s，电能即为有功功率，也就是有功功率可从电能寄存器读取换算得到。功率因数由公式得出。其它电量为：

视在功率;

无功功率;

同时采样分别得到;;等数据，则得：

5. 结束语

结合广州市重点科技攻关项目“基于现场总线的智能型综合电量变送器”，设计了基于LonTalk协议的网络电力仪。电流、电压、有效功率测量精度达0.2级，其它量测量精度可达0.5级。随着LonWorks技术在楼宇自动化、配电自动化系统等方面广泛应用，这种基于LonTalk协议的网络电力仪在测量速度要求不高的场合，必将取代传统的电量变送器得到广泛的应用。