基于dsp的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控装置及方法

专利名称：基于dsp的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控装置及方法
技术领域：
本发明属于燃气轮机控制技术领域，特别涉及一种基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入 式远程监控装置及方法。
背景技术：
微型燃气轮机(简称微型燃机)是一类新型热机。近年来随着全球范围内的能源与动力 需求结构特别是电力系统的控制以及环境保护等要求的变化，微型燃机得到了高度关注并迅 速发展。在国防、交通、重要公共设施(如机场、银行、邮电、医院等)以及偏远住宅区等 领域，微型燃机这种的新型分布式发电和动力装置将得到广泛的应用。随着经济飞速发展， 集中式供电电网的规模迅速膨胀，其带来的安全性问题也越来越严峻。我国幅员辽阔，但资 源相对贫乏，而且经济发展不平衡，分布式供电系统可以借助西部天然气资源丰富的优势， 在短期内以较小的代价为西部经济发展提供有力的支撑；对于东南沿海经济发达地区，由于 生活水平的日益提高，已经出现了对于能源产品需求多样化趋势，与集中式供电相比，分布 式供电更能突出优点。根据以上基本国情，分布式供电对加速国民经济建设有重要意义。
基于嵌入式网络通信的远程监控系统作为工业控制网络重要发展方向之一，是工业数据 通信与控制网络技术、互联网技术、嵌入式技术等多种技术共同发展的结果。其应用领域十 分广阔，涉及工业生产控制、智能仪表、网络化家电、智能化小区等行业，具有良好的发展 前景。该项技术的发展与成熟将会给人们的生产生活带来深远的影响。但目前我国分布式微 型燃机发电嵌入式远程监控系统的发展还处于起步阶段，对系统的控制只能在短距离内实现。

发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程 监控装置及方法，所述DSP为数字信号处理器的英文縮写。本发明是对申请号为 200710012003. 7的专利文件的进一步拓展。该项成果为国家高技术研究发展计划("863"计 划)课题成果。
本发明的硬件包括下位机(微型燃机发电控制系统)、前置机(以单片机为核心的串行通 信/网络通信转换系统)、上位机；其中下位机与前置机通过串行线相连，前置机和上位机之 间通过局域网或者因特网相连。
所述的下位机是"基于DSP控制器的微型燃机发电励磁控制和保护装置与方法"(专利申 请号为200710012003. 7)中的基于DSP控制器的微型燃机发电励磁控制和保护装置。
所述的前置机包括单片机、RS232接口芯片、以太网控制器、网络接口RJ45、电源电路； 其中RS232接口芯片与单片机串口相连，以太网控制器分别与单片机内置的MSSP模块、网络
接口RJ45相连，电源电路为单片机、RS232接口芯片、以太网控制器供电。
232转换芯片U2的脚11、 12与单片机Ul的脚44、 1相连，U2的脚13、 14与接口 U3 的2、 3针相连，Ul的脚36、 42、 44分别和与非门U10A的脚3、与非门U10B的脚6、与非 门U10C的脚8相连，U10A的脚2、 U10B的脚5、 U10C的脚10分别与以太网控制芯片U4的 脚28、 2、 l相连，Ul的脚32与U4的脚6相连，Ul的脚35、 37、 43分别通过电阻R6、 R7、 R8与U4的脚5、 4、 3相连，U4的脚13、 12、 9、 8分别与网络接口 RJ45的4、 5、 6、 7针相 连，RJ45接到以太网上。接口 U7的1、 2针短接后与电源转换芯片U8的脚1及电源转换芯 片U9的脚1相连，接口 U7的3、 4针短接后通过按钮开关Sl与U8的脚3相连，U8的脚2 与U9的3脚相连，U8的脚2输出电压VCC， U9的脚2输出+3. 3V电压，U7与外来电压为5V 的电源相连。
本发明前置机中的单片机中嵌入控制软件，该控制软件使用C语言编写，该控制软件实 现的前置机主流程是按下列步骤进行的 步骤一主程序开始； 步骤二单片机初始化； 步骤三网卡复位、初始化； 步骤四监察网络连接，进入监听状态；
步骤五判断是否收到以太网帧，如果是，执行步骤六；如果否，执行步骤十； 步骤六读取该以太网帧，判断该帧是否是ARP包，如果是，执行ARP处理子程序；如 果否，执行步骤七；
步骤七处理IP数据包首部.；判断是否是ICMP包，如果是，执行ICMP处理子程序；如 果否，执行步骤八；
步骤八判断是否是TCP包，如果是，执行TCP处理子程序；如果否，执行步骤九； 步骤九丢弃该帧，返回步骤五；
步骤十判断是否有数据输入，如果是，则执行步骤十一；如果否，返回步骤五。 步骤十一将数据输入缓冲区； 步骤十二将数据进行封装； 步骤十三发送数据；
步骤十四判断数据发送是否成功，如果是，返回步骤五；如果否，执行步骤十五； 步骤十五错误处理，返回步骤五。
本发明的前置机中的以太网控制器中嵌入网卡初始化程序，该程序是用c语言缚写的， 该程序实现网卡初始化的流程是按以下步骤执行的
步骤一先后通过硬件和软件复位网卡；
步骤二判断复位是否成功，如果是，执行步骤三；如果否，返回步骤二； 步骤三设置网卡的IP/MAC/组播地址，设置DMA源地址、目的地址； 步骤三设置接收、发送寄存器； 步骤四设置接收、发送中断。
本发明的前置机从下位机接收数据再发到上位机的流程是按以下步骤执行的 步骤一前置机接收到下位机传送上来的数据；
步骤二判断是否需要进行数据处理，如果需要则进行数据处理，如果不需要则直接进 入下一步；
步骤三判断是否需要对数据进行加密，如果需要则先把数据加密再把数据发送到上位 机，如果不需要，则直接发送数据； 步骤四程序结束。
本发明的前置机从上位机接收数据再发到下位机的流程是按以下步骤执行的 步骤一前置机接收到上位机的数据；
步骤二判断是否需要验证口令，如果需要则先执行验证口令子程序，再执行步骤三； 如果不需要则返回步骤二； 步骤三进行数据处理；
步骤四判断是否需要发送数据，如果需要则把数据发送到下位机，如果不需要则执行 步骤五；
步骤五程序结束。
当上位机收到下位机发送来的数据的时候，执行如下步骤
步骤一WinSock控件出现数据到达事件的时候，首先判断接收缓冲区里是否有35个数 据，如果有的话就把数据一次性读出来，放在一个BYTE型数组里，否则继续等待下次接收事 件；
步骤二把BYTE型数组里相邻的下标为奇数(数据的高8位)和下标为偶数(数据的 低8位)的数合成一个双精度数据，然后除以16还原为原来的数据；
步骤三把各个数据显示在各自的文本框里，保留一位有效数字，如果超出标准值，字
体颜色会变成红色；
步骤四处理故障码，分析系统出现的故障，如果出现故障，相应的指示灯闪烁并有蜂 鸣声报警；
步骤五如果要求绘制电压、电流动态曲线，则在上位机的界面上显示曲线； 步骤六在下位机上传下次数据之前，把本次各种数据、当前日期和时间、电机运行情 况以及出现的故障保存在ACCESS数据库文件里，以备事后查询或者绘制历史曲线。
本发明中的上位机是一台个人计算机，它拥有主机、网卡、显示器、音箱(或蜂鸣器)、 打印机、键盘鼠标等等设施。在上位机上运行监控程序，能够显示当前的系统参数、运行状 态、实时曲线等等，并可以把各种重要参数写进数据库，以备事后查询。上位机中嵌入Windows 系统，采用VB 6.0编写的。
本发明的优越性及技术效果
本发明结合了微型燃气轮机和嵌入式网络通信的远程监控系统两种技术，实现了对同步 发电机组的远程监控。监控界面丰富生动，达到了 "远在天边、近在眼前"的效果，安全便 利，而且可以做到无人值守。便于企业内部的信息集成，为经营管理和决策工作提供及时、 全面、准确的信息资源。 '
(1) 本系统设计了具有独立工作能力的协议转换器，该转换器使原系统具有远程控制的 功能，同时可以用于其它具有RS232接口的设备的联网，仅仅通过修改部分程序，就可以把 此前置机用于其他带有串行通信端口的设备(比如智能仪表、智能传感器、可编程控制器等)， 将之改造为可以进行远程控制的设备，因此具有一定的通用性和相当高的市场价值。
(2) 选用高速DSP控制器，可以应用比较复杂的控制方法，使得微型燃机控制系统有很 髙的控制精度； 、
(3) 采用Microchip公司生产的单片机PIC18F4520作为协议转换器的中央处理器，该 款单片机处理速度快，且有256字节的EEPR0M用于存放IP地址、MAC地址等，数据存储器 较大，不用外扩存储器，简化了系统电路，降低了成本，提高了运行速度；
(4) 采用Microchip公司生产的ENC28J60作为以太网控制器，它遵循IEEE802. 3协议 标准，成本低，易于组网，技术支持广泛。同时采用具有隔离变压作用的RJ45插座，简化了 单片机与以太网控制器的联接电路，縮小了PCB尺寸；
(5) 用网络方式和上位机通信，用VB 6.0设计了人机界面，实现了上位机对控制系统 的监视和控制。


图l为本发明的系统结构框图
图2为本发明的前置机中连接在单片机上的串口通信电路原理图； 图3为本发明的前置机中单片机控制电路原理图； 图4为本发明的前置机中以太网控制器电路原理图； 图5为本发明的前置机电源电路原理图6 (a)为本发明的上位机监控主界面;
图6 (b)为本发明的上位机曲线显示界面； 图7为本发明的前置机的主流程图； 图8为本发明的网卡初始化的流程图9为本发明的下位机通过前置机向上位机发送数据的流程图； 图10为本发明的上位机通过前置机向下位机发送数据的流程图； 图11为本发明的上位机接收数据的流程具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步发明；
本发明的前置机中连接在单片机上的串口通讯电路如图2所示，串口芯片U2从DB9端口 JPMAX中引入信号，经电平转换后，送入图3中对应的引脚。
本发明的前置机中单片机控制电路如图3所示，单片机U1采用PIC18LF452-1/PT芯片， Ul的脚15、 16、 18分别与U6的脚6、 5、 1相连，Ul的脚30、 31分别接在晶振Yl的两端， Ul脚36、 42、 44经电平转换后接U10中对应的引脚，Ul的脚1、 32、 35、 37、 43分别送入 图4对应的引脚。
本发明的前置机中以太网控制器电路如图4所示，以太网控制芯片U4采用ENC28J60芯 片，U4的脚8、 9接入RJ45的脚7、 6，同时通过接两个电阻接地，U4的脚12、 13接入RJ45 的脚5、 4，同时通过接两个电容接地，U4的脚19、 20分别接在晶振Y2的两端，U4的脚22、 23分别通过一个电阻和一个发光二极管接到3. 3V电源上，RJ45的脚3接在FBI上。
本发明的前置机电源电路如图5所示，外接电源从U7接入，再通过U8和U9分别产生 5V和3.3V电源，给系统供电。
本发明的上位机监控界面如图6所示，图6 (a)是用VB 6. 0设计的上位机监控主界面， 它把下位机发送过来的电压、电流、功率、频率、功率因数、系统状态等通过文本框显示出 来。如果系统出现故障，上位机相应故障的灯光会闪烁，并且主板发出蜂鸣或者音箱发出报 警声音(可选)。在参数设置框里输入前置机的IP地址，点击"开始通信"按钮就可以进行 网络连接和数据传送。右侧是各种命令按钮，其上面的文字说明了各自按钮的功能。另外， 当鼠标在界面上移动的时候，下面状态栏里会有对应区域的详细功能介绍。图6(b)是VB 6.0 调用第三方绘图控件GMS Strip完成的发电机电压和电流的实时曲线显示页面。使用菜单或 者鼠标右键可以更改背景、格线、曲线、鼠标线的颜色以及文字大小。"打印"按钮可以把当 前的曲线输出到打印机，"停止"按钮可以让曲线停止更新，以方便工程人员观察。在图像显 示区域点击鼠标左键，系统会在鼠标处画一根竖线，并以文字方式显示当时的时间、电压值和电流值。
本发明前置机中的单片机中嵌入控制软件，该控制软件使用C语言编写的，该控制软件 实现的前置机的主流程如图7所示，是按下列步骤进行的 步骤一主程序开始； 步骤二单片机复位、初始化； 步骤三网卡初始化；
步骤四监察网络连接，进入监听状态；
步骤五判断是否收到以太网帧，如果是，执行步骤六；如果否，执行步骤十； 步骤六读取该以太网帧，判断该帧是否是ARP包，如果是，执行ARP处理子程序；如 果否，则处理IP数据包首部；
步骤七判断是否是ICMP包，如果是，执行ICMP处理子程序；如果否，执行步骤八； 步骤八判断是否是TCP包，如果是，执行TCP处理子程序；如果否，执行步骤九； 步骤九丢弃该帧，返回步骤五；
步骤十判断是否有数据输入，如果是，则执行步骤十一；如果否，返回步骤五。 步骤十一将数据输入缓冲区； 步骤十二将数据进行封装； 步骤十三发送数据；
步骤十四判断数据发送是否成功，如果是，返回步骤五；如果否，执行步骤十五； 步骤十五错误处理，返回步骤五。
本发明的前置机中的以太网控制器中嵌入网卡初始化程序，该程序是用C语言编写的， 该程序实现的网卡初始化的流程如图8所示，网卡初始化时执行如下步骤 步骤一先后通过硬件和软件复位网卡；
步骤二判断复位是否成功，如果是，执行步骤三；如果否，返回步骤二； 步骤三设置网卡的IP/MAC/组播地址，设置DMA源地址、目的地址； 步骤三设置接收、发送寄存器； 步骤四设置接收、发送中断。
本发明的前置机从下位机接收数据再发到上位机的流程图如图9所示，其步骤为 步骤一前置机接收到下位机传送上来的数据；
步骤二判断是否需要进行数据处理，如果需要则进行数据处理，如果不需要则直接进 入下一步；
步骤三判断是否需要对数据进行加密，如果需要则先把数据加密再把数据发送到上位
机，如果不需要，则直接发送数据； 步骤四程序结束。
本发明的前置机从上位机接收数据再发到下位机的流程图如图IO所示，其步骤为 步骤一前置机接收到上位机的数据；
步骤二判断是否需要验证口令，如果需要则先执行验证口令子程序，再执行步骤三； 如果不需要则执行步骤三； 步骤三进行数据处理；
步骤四判断是否需要发送数据，如果需要则把数据发送到下位机，如果不需要则执行 步骤五；
步骤五程序结束。
本发明的上位机接收数据程序流程图如图ll所示。在图6 (a)里输入前置机IP地址， 点击"开始通信"按钮，上位机将通过因特网连接远方的嵌入式服务器(前置机)，如果连接 成功，则前置机向上位机发送响应字符"Q"，之后前置机一直负责数据中转的任务。上位机 收到响应字符后，得知网络连接成功，便使能通信时钟，在定时器中断里每0.5秒钟向下位 机发送命令字符"A"。下位机接到命令后先往上位机发送一个表示传输开始的16进制字符 OxEE，然后开始发送发三相电压值(A、 B、 C)、三相电流值(A、 B、 C)、三相相位差(AB、 BC、 CA)、发电机有功功率、发电机无功功率、频率值、发电机功率因数、励磁电压值、励磁 电流值、励磁功率值等各2个字节，系统故障码l个字节，总共33个字节的有效数据。然后 传送一个表示传输结束的16进制字符OxDD。包括头尾共35个字节。上位机每0. 5秒向下位 机发送一次命令字符"A"，即索取一次数据，从而实现电机状态的动态显示。如果超过一定 时间没有收到响应字符"Q"，表示网络不通畅，系统将提示用户检査网络连接。
由于DSP串口通信只能发送整型数据，而且上位机显示数据只要求保留一位小数，所以 要把浮点型数据左移4位之后强制转换变为整数，在上位机里再把数据还原回来。把上位机 设置为二进制接收模式，当上位机收到下位机发送来的数据的时候，执行如下步骤，如图12 所示
步骤一WinSock控件出现数据到达事件的时候，首先判断接收缓冲区里是否有35个数 据，如果有的话就把数据一次性读出来，放在一个BYTE型数组里，否则继续等待下次接收事 件；
步骤二把BYTE型数组里相邻的下标为奇数(数据的高8位)和下标为偶数(数据的 低8位)的数合成一个双精度数据，然后除以16还原为原来的数据；
步骤三把各个数据显示在各自的文本框里，保留一位有效数字，如果超出标准值，字
体颜色会变成红色；
步骤四处理故障码，分析系统出现的故障，如果出现故障，相应的指示灯闪烁并有蜂 鸣声报警；
步骤五如果要求绘制电压、电流动态曲线，则在图4 (b)的界面上显示曲线； 步骤六在下位机上传下次数据之前，把本次各种数据、当前日期和时间、电机运行情 况以及出现的故障保存在ACCESS数据库文件里，以备事后查询或者绘制历史曲线。
系统故障码是8位二进制码，在下位机里就是一个8位的字符变量，初始化为0，如果 系统检测到故障，就在此变量上加上对应的故障值。第一位表示相序是否正确，如果是就加 1;第二位表示是否缺相，如果是就加2;第三位表示是否过压，如果是就加4;第四位表示
是否过流，如果是就加8;第五位表示是否频率过低，如果是就加16;第六位表示是否频率 过高，如果是就加32;第七位表示是否绝缘电阻小，如果是就加64;第八位表示是否控制保
护组合故障，如果是就加128。上位机接收到故障码，就可以根据协议中的定义，判断是出现了什么故障。
权利要求
1、基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控装置，其特征在于该装置包括下位机、前置机、上位机；其中下位机与前置机通过串行线相连，前置机和上位机之间通过因特网相连。
2、 根据权利要求1所述的基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控装置，其特征在 于所述的前置机包括单片机、RS232接口芯片、以太网控制器、网络接口 RJ45、电源电 路；其中RS232接口芯片与单片机串口相连，以太网控制器分别与单片机内置的MSSP模 块、网络接口RJ45相连，电源电路为单片机、RS232接口芯片、以太网控制器供电；具 体连接关系如下232转换芯片U2的脚11、 12与单片机Ul的脚44、 1相连，U2的脚 13、 14与接口U3的2、 3针相连，Ul的脚36、 42、 44分别和与非门U10A的脚3、与非 门U10B的脚6、与非门U10C的脚8相连，隱的脚2、 U10B的脚5、 U10C的脚10分别 与以太网控制芯片U4的脚28、 2、 1相连，Ul的脚32与U4的脚6相连，Ul的脚35、 37、 43分别通过电阻R6、 R7、 R8与U4的脚5、 4、 3相连，U4的脚13、 12、 9、 8分别 与网络接口RJ45的4、 5、 6、 7针相连，RJ45接到以太网上；接口U7的1、 2针短接后 与电源转换芯片U8的脚1及电源转换芯片U9的脚1相连，接口U7的3、 4针短接后通 过按钮开关Sl与U8的脚3相连，U8的脚2与U9的3脚相连，U8的脚2输出电压VCC， U9的脚2输出+3. 3V电压，U7与外来电压为5V的电源相连。
3、 基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控方法，其特征在于该方法包括前置机主 流程、网卡初始化的流程、前置机从下位机接收数据再发到上位机的流程、前置机从上 位机接收数据再发到下位机的流程、上位机接收数据程序流程。
4、 根据权利要求3所述的基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控方法，其特征在 于所述的前置机主流程是按以下步骤执行的-步骤一主程序开始； 步骤二单片机初始化； 步骤三网卡初复位、初始化； 步骤四监察网络连接，进入监听状态；步骤五判断是否收到以太网帧，如果是，执行步骤六；如果否，执行步骤十； 步骤六读取该以太网帧，判断该帧是否是ARP包，如果是，执行ARP处理子程序；如 果否，执行步骤七；步骤七处理IP数据包首部；判断是否是ICMP包，如果是，执行ICMP处理子程序；如 果否，执行步骤八；步骤八判断是否是TCP包，如果是，执行TCP处理子程序；如果否，执行步骤九； 步骤九丢弃该帧，返回步骤五；步骤十判断是否有数据输入，如果是，则执行步骤十一；如果否，返回步骤五； 步骤十一将数据输入缓冲区； 步骤十二将数据进行封装； 步骤十三发送数据；步骤十四判断数据发送是否成功，如果是，返回步骤五；如果否，执行步骤十五； 步骤十五错误处理，返回步骤五。
5、 根据权利要求3所述的基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控方法，其特征在 于所述的网卡初始化的流程是按以下步骤执行的步骤一先后通过硬件和软件复位网卡；步骤二判断复位是否成功，如果是，执行步骤三；如果否，返回步骤二； 步骤三设置网卡的IP/MAC/组播地址，设置DMA源地址、目的地址； 步骤三设置接收、发送寄存器； 步骤四设置接收、发送中断。
6、 根据权利要求3所述的基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控方法，其特征在 于所述的前置机从下位机接收数据再发到上位机的流程是按以下步骤执行的步骤一前置机接收到下位机传送上来的数据；步骤二判断是否需要进行数据处理，如果需要则进行数据处理，如果不需要则直接进 入下一步；步骤三判断是否需要对数据进行加密，如果需要则先把数据加密再把数据发送到上位机，如果不需要，则直接发送数据； 步骤四程序结束。
7、 根据权利要求3所述的基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控方法，其特征在 于所述的前置机从上位机接收数据再发到下位机的流程是按以下步骤执行的步骤一前置机接收到上位机的数据；步骤二判断是否需要验证口令，如果需要则先执行验证口令子程序，再执行步骤三；如果不需要则返回步骤二； 步骤三进行数据处理；步骤四判断是否需要发送数据，如果需要则把数据发送到下位机，如果不需要则执行 步骤五； 步骤五程序结束。
8、根据权利要求3所述的基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控方法，其特征在于所述的上位机接收数据程序流程是按以下步骤执行的步骤一WinSock控件出现数据到达事件的时候，首先判断接收缓冲区里是否有35个数 据，如果有的话就把数据一次性读出来，放在一个BYTE型数组里，否则继续 等待下次接收事件；步骤二把BYTE型数组里相邻的下标为奇数和下标为偶数的数合成一个双精度数据， 然后除以16还原为原来的数据；步骤三把各个数据显示在各自的文本框里，保留一位有效数字，如果超出标准值，字体颜色会变成红色；步骤四处理故障码，分析系统出现的故障，如果出现故障，相应的指示灯闪烁并有蜂鸣声报警；步骤五如果要求绘制电压、电流动态曲线，则在上位机的界面上显示曲线；步骤六在下位机上传下次数据之前，把本次各种数据、当前日期和时间、电机运行情况以及出现的故障保存在ACCESS数据库文件里，以备事后查询或者绘制历史曲线。
全文摘要
基于DSP的分布式微型燃机发电嵌入式远程监控装置及方法，该装置包括下位机、前置机、上位机；其中下位机与前置机通过串行线相连，前置机和上位机之间通过因特网或局域网相连。该方法包括前置机主流程、网卡初始化的流程、前置机从下位机接收数据再发到上位机的流程、前置机从上位机接收数据再发到下位机的流程、上位机接收数据程序流程。本发明的优点是实现远程控制、通用性、精度高、成本低、使用方便、人机界面友好的特点。
文档编号G05B19/418GK101105694SQ20071001233
公开日2008年1月16日 申请日期2007年7月31日 优先权日2007年7月31日
发明者华光辉, 孙秋野, 张化光, 李爱平, 杨东升, 王占山, 祝红超 申请人:东北大学