RT1052在配网自动化终端的应用

Posted 2021-02-21

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一、FTU简介
配网自动化终端具有遥控、遥信，故障检测功能，并与配电自动化主站通信，提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息，包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数,并执行配电主站下发的命令，对配电设备进行调节和控制，实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电功能。

二、FTU功能介绍

1. 交流量采集：采集三相交流电压、电流 （3U3I）
2. 实现电压、电流、零序电压、零序电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率的测量和计算
3. 直流量采集，2路直流输入
4. 状态量采集：开关状态、接地刀闸状态采集
5. 113次谐波分量计算、三相不平衡度的分析计算
6. 遥信输入（无源，24V）和遥控输出（合、分闸、常开触点）
7. 事件顺序记录、历史数据、主站下发信息可当地存储
8. 支持IEC 608705101、IEC 608705104、CDT92、DNP3.0、MODBUS 等多种常用规约
   （FTU参考设计不包含规约部分）
9. 支持多种通讯方式，提供多路通讯接口，提供2路RS 232或2路RS485 +2 路 10M/100M自适应以太网口。
10. 配置GPRS模块
11. 具备故障检测及故障判别功能：过流、过负荷；
12. 配备后备电源，当主电源供电不足或消失时，能自动无缝投入；
13. 具备对时功能，支持SNTP

目前市面上很多客户采用MCU+MPU双处理器架构，以利用MCU的实时性和MPU上运行的稳定的网络协议和文件系统资源。那么，我们是否可以把MCU+MPU的结构用一个MCU来替代？答案是完全可以，本文就介绍一种单处理核心的FTU实现方案。常规硬件方案框图如下:

本种方案的优点是开发简单，将加密、文件系统、主站通讯协议等裸机开发有难度的部分放到 嵌入式Linux系统开发，将有实时性要求的采集、遥控部分放到MCU开发。但是缺点也同样比较明显，就是成本的增加，随着FTU市场的不断的饱和，成本的PK决定未来产品的走向。

FET1052-C 核心板基于 NXP公司 i.MX RT1052跨界处理器设计,搭载 ARM Cortex-M7内核，集微控制器的低功耗、易用性与应用处理器的高性能、高扩展性于一体。主频600MHz（工业级528MHz），SRAM 512 KB(TCM)，SDRAM 16MB（可选32MB），QSPI-Nor Flash 4MB（可选16MB） 。

三、FTU参考设计硬件实现

1、采用ADI公司的16bit ADC芯片AD7607-8，通过SPI扩展，做三相电流和三相电压检测，支持8通道同步采样，每个通道均能实现最高200Ksps，内置电压基准，支持真正±10V和±5V双极性信号输入。2路ADC检测直流量，电流检测会使用差分AD输入以提高精度；
2、保留15-16个左右的GPIO口，作为遥信输入和遥控输出，以及状态检测和LED显示等；
3、ARM Cortex-M7处理器最高主频600MHz（工业级528MHz），支持单精度和双精度浮点单元FPU，可做谐波分量计算；
4、引出4个UART口，其中2路作为RS232，2路作为RS485，其中一路UART可以连接GPRS模块或者4G模块，一路可接线损模块；

5、双网口支持，一路网口通过i.MX RT1052片上的以太网控制器连接外接的PHY芯片KSZ8081，另一路通过UART外接自动配置以太网控制器w7500包含TCP/IP连接芯片、PHY嵌入式、变压器和RJ45，内嵌48位全球唯一MAC地址；
6、1路IIC接口，可扩展外部RTC时钟芯片RX8010SJ，CPU自带RTC耗电量在mA级别，外扩RTC在nA级别延长电池使用时间；
7、FET1052-C核心板自带16MB SDRAM和4MB的QSPI NorFlash作为程序和数据空间；
8、1路SPI接口外接国网ESAM芯片； 9. CPU自带两路CAN2.0B控制器，最高支持1MB/s速率；
9、温度检测通过DS18B20实现，GPIO模拟单总线协议；
10、CPU内置看门狗定时器，支持0.5-128秒超时设置

FTU参考设计软件实现

（1）使用Linux系统开发

优势：可以降低开发难度，特别是在网络协议栈、文件系统存储方面。因为采用的Linux系统支持网络全协议栈，TCP/IP、UDP、FTP、Telnet、SNTP等多种网络协议。支持EXT3、EXT4、FAT32等文件存储格式，多任务并发处理模式可以多线程多进程方式开发，大大简化工程师的开发难度，而且移植方便。

缺点：Linux操作系统是一个非实时操作系统，由于任务负载的不确定性导致中断响应时间延长，一般的响应时间的单位是ms级别，这在电力系统控制中是非常致命的。而且通常可运行Linux操作系统的CPU方案都带有MMU功能，主频以及内存、存储的配置偏高以维持正常的系统开销，这样无疑会增加产品成本。

（2）基于 飞凌公司移植的FreeRTOS实时操作系统开发，FreeRTOS是一个开源的、可移植的、小型的嵌入式实时操作系统内核。支持硬件实时内核、多任务无限制数量并发、任务通信、抢占式调度算法等特性。采用此系统开发不需要占用很大资源的存储以及CPU性能，且可以移植网络协议栈以及文件系统，大大降低了产品的成本。

驱动支持列表：

Freertos_event

任务等待事件

Freertos_queue

基于消息传递的日志记录机制

Freertos_mutex

互斥锁使用例程

Freertos_sem

信号量使用例程

Freertos_sem_static

信号量使用例程

Freertos_swtimer

软件计数器及回调方法

Freertos_generic

队列、软件、计数器、tick hook、semaphore综合例程

Freertos_tickless

使用LPTMR延时唤醒或者硬件中断唤醒例程

Freertos_hello

Freertos_lpi2c_eeprom

IIC驱动

Freertos_spspi

SPI驱动

Freertos_lpuart

UART驱动

Freertos_lwip

网络驱动

Freertos_sdcart

SD、TF卡驱动

Freertos_usb_examples

USB驱动

基于 飞凌嵌入式FET1052-C核心板引脚PINMUX配置表详见附件！

附件地址： https://pan.baidu.com/s/12atFm3l5iTx4tBkSznXUpw