（电机与电器专业论文）蓝牙技术在数字式断路器中的应用研究.pdf

江苏大学硕士研究生论文 选用了c s r 的b l u e c o r e 2 - - e x t e r n a l 蓝牙芯片设计蓝牙适配器。在考 虑抗干扰手段的前提下对电源电路、驱动电路、复位电路和显示电路 等进行模块化设计，给出了具体的原理图和实物图。课题采用单芯片 方案，使用b l u e c o r e 虚拟机协议栈，分析基于c s r 单芯片的嵌入式 软件结构，画出具体流程图并设计了相关程序。然后通过c s r 的 b l u e l a b 开发工具进行了系统的测试，实现了计算机和数字式断路器 通讯的研究初衷。 最后，总结全文，并对该系统提出了一些改进的建议，方便今后 继续展开相关的研究工作。 关键词：蓝牙，数字式断路器，h c i ，虚拟机，串曰仿真协议 江苏大学硕士研究生论文 a b s t r a c t b l u e t o o t hi sac o m m u n i c a t i o ns t a n d a r df o rw i r e l e s sa n ds h o r td i s t a n c e , w h i c hg i v e s t h ec o n v e n i e n c ef o ru s e lh i g h - d e p e n d a ：b i l i t y , l o wp o w e l , a n dl o wc o s t b l u e t o o t ht e c h n o l o l ra i l m t or e p l a c et h ec a b l eb c t w e a 1t h ei n f o r m a t i o ne q u i p m e n t sw i t hr a d i oh ”a n de s t a b l i s h4 p e r s o n a l 部嘲n e t w o r k 幻e o m m t n a i e a t i o nw i t h e a c ho t h e r w i t ht h ea d v a n c eo f t h es o e i a ya n dt e c h n o l o g y , i t s e e m st h a tt h eu 辩o f t l a eb l u 雠o o t hw i l lg r o w f a s t e ri ni n m l ya s p c = c bo f d a i l yw o r ka n dl i f e d i g i t a lc i r c u i tb l * e l t k c l i sak i n do fs w i t c he l e c t r o n i ce q u i p m e n tu s e di np o w e l s y s t e mf o r c o n n e c t i n ga n dd i s c o n n e c t i n gt h ec i r c u i t 撼w e l l 鼬p r o t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n g 枷t y p e so f c l o e l r i e a l f a u l t t h ep r o t e c t i o nc a nb ec a r r i e do u tw i t ht h eh e l po fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r i nm o d e mt i m e s , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 1 h er e q u e s to fm o d u l a r i z a t i o na n d i n t e l l i g e n c ef o rc i r c u i tb r e a k e ri si n , l s i n gc o n t i n u o u s l y t h ec a p a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r kc o n s t r u c t i o nb e c o i n l e s eo ft h cm a i ns y m b o l su s e dt oj u d g et h ea d v a n c e m e n to ft h e c i r c u i tb l e l t k c r b l u e t o o t ht e c h n o l o g yt a k e sa i ma ts a t i s 母i n gt h en e e d sa n dp u t sm ee m b e d d e d r s 4 8 5c a b l er e p l a c e m e n ti n t od i g i t a lc i r c u i tb l e a k e i t h ea r t i c l ea d o p t st h em a s t e r - s l a v e dm o d e t od e s i g nt h ew i r e l e s sd a t aa n da u d i oc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i tt a k e sl l a eb l u e t o o t hd i g i t a lc i r c u i t b r e n k e r 嬲t h em a s t e ra n dc h o o s t h ec o m p u t e rt h a ti m i 由t h er s - 2 3 2c a b l er e p l a c e m e n ta st h e s l a v e t h e n , t h ed i g i t a ic i r c u i tb r e a k e ra n dt h ec o m p u t e rc 锄c o m m u n i c a t i o nw i t he a c ho t h e rb y w a yo f w i r e l e s sm e s s a g e f i r s t l yt h ea r t i e l et a k e sab r i e fp r e s e n ta b o u tt h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , e t m e n td e v e l o p m e n t s i t u a t i o n sa n dt h ef u t t l f ed e v e l o p m e n tt r e n do f t h eb l u e t o o t ha n dc i r c u i tb r e a k e r t h e nt h ep a p e r e x p l i c a t e st h eh i e r a r c h i c a lp r o t o c o la r c h i t e c t u r eo fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y i no r d e rt oi l l u m i n a t e s 1 h cc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i e dc o n d i t i o n si nd e t a i l , i ti n t r o d u c e st h eb l u e t o o t hr a d i of r e q u e n c y , b a s e b a n d & l i n kc o n t r o l l e r , l i i l l 【m a n a g e m e n tp r o t o c o l , l o g i c a ll i n kc o n t r o l & a d a p t a t i o n p r o t o c o l ，s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l ，r f c o m ma n ds oo n a p a r tf r o mt h e s ep r o t o c o l s 。曲e b l u e l o o t hg e n e r a la c c e s sp r o f i l e st h a tc o n c e r n st t a ec a b l e p i a c e m c ma 坞a l s od i s c u s s e da n d a n a l y z e da tl e n g t h i nt h e s ep r o t o c o l s , i t 姗ad e t a i l e dd e p l e t i o na b o u tt h eh c io fb l u e t o o t l l a n dt h ed e t a i l e dp r o c e s so fi , i t i j i z i n gb l u e t o o l he q u i l n n o n t , h c if l o wc o n t r o l , i n q u i r i n ga n d h i 江苏大学硕士研究生论文 r e q u e s t i n gt o c r e a t eac o n n e c t i o nw i t ho t h e rb l u e t o o t he q u i p m e n t s ，d a t at r a n s m i s s i o na n d d i s c o n n e c t i o ni sg i v e n o nt h eb a s i so f t h ek n o w l e d g ea b o u tt h eb l u e t o o t hp r o t o c o l sa n dp r o f i l e s ，t h er e s e a r c ha d o p t s t h eb l u e c o r e 2 一e x t e r n a lo fc s rc o m p a n yt od e s i g nt h eb h l e t o o t hc a b l er e p l a c e m e n t w i t ht h e p r e c o n d i t i o no fc o n s i d e r i n gt h ea 嘶- d i s t t l r b i l l gm e a s u r e , i td e s i g n st h ep o w e rs u p p l yc i r c u i t , v o l t a g el e v e ls h i f t e rc i r c u i t , r 删c i r c u i t , d i s p l a yc i r c u i ta n ds oo n , m o r e o v e r , t h i sp a p o ra l s og i v e s t h es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a ma n dc o n c e r n e dp r a c t i c a l i t y a n dt h et h e s i sa d o p t st h es i n g l e - c h i p s o l u t i o n o nt h eb a s i so ft h ec s rc h i p ，t h ei n t e u t i o ni st ol e tt h ed i g i 伽c i r c u i tb r e a k e rh o l dt h e c a p a b i l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h e ni tt a k e st h es y s t e mt e s t i n gw i t ht h eh e l po fb l u e l a b s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l k i t a f t e rd o i n gt h et e s t i n gw o r k , t h ec o m p u t e ra n dd i g i t a lc i r c u i t b r e a k e rc a nc o m m u n i c a t ew i t h o u tt i l ew i r e , a n dt h ei n t e n di sr e a l i z e d f i n a l l y , t h et h e s i si ss u m m a r i z e d a n di ta l s om a k e ss o m es u g g e s t i o n so n h o wt oi m p r o v et h e r e s e a r c hw o r kw h i c ha l m sa tc o n v e n i e n c i n gt h ef o l l o w i n gw o r k k e yw o r d s ；b l u e t o o t h ，d i g i t a lc i r c u i tb r e a k e r , h c i ，v i r t u a lm a c h i n e ， i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：王石磊 扣0 年6 玛1 8 b 指导教师签名： 斓每s f 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互磊 二彳年占月j 酽日 江苏大学硕士研究生论文 1 1 引言 第一章绪论 断路器在低压电器领域中是一种非常重要的电器元件。它可以对电力输送系 统、变电与配电系统、用电设备的短路、过载、欠电压及单相接地等实现保护， 提高电气配电网络和工业设备的安全性和可靠性。数字式断路器在传统的断路器 基础上充分应用微电子、微机监测、智能控制及网络通信等新技术，采用了智能 控制器从而具有较高的可靠性。若干个智能型断路器通过网络可组成智能供配电 系统，从而初步具有遥测、遥控、遥信和遥调的“四遥”功能”1 1 2 1 1 3 1 。 我国颐路器行业经过四五十年的发展，目前已形成了比较完善的体系。就品 种、规格、性能、产量来看，基本上满足了我国国民经济发展的需要。目前的产 品可谓是三代同堂，既有体积大、耗能、保护特性单一的第一代产品，又有保护 特性较为完善，体积较小的第二代产品，更有一些电子化、小型化的新一代产品。 同国外相比，在基础研究、新产品的开发等方面存在很多不足。国外从九十年代 开始正不断开发新型断路器产品。新一代产品除有高性能、小型化、电予化等特 点外，其主要技术特征是可通讯、智能化嘲。 随着社会的发展和技术的进步，人们对供电、配电系统的自动化程度要求越 来越高，而数字化设备的有线连接给工作人员随时随地与信息网络相连和进行通 信带来了一些不便。近年来，各种新型的电子产品不断问世，在自动控制等领域 的应用面也越来越广，蓝牙技术、i e e e 8 0 2 1 i b 、h o m e r f 、蜂窝式电话等无线通 讯技术的市场迅速扩大。可以说，发展无线通信连接技术，将人们从有线连接的 束缚中解放出来，已经成为一种必然趋势。因此，把断路器与无线通讯技术联系 在一起，将会有广阔的应用前景。 1 2 蓝牙技术概述 在信息化的当代，通信技术飞速发展，新技术和新标准也不断涌现。蓝牙技 术是近年来迅猛发展起来的一种新型无线通信技术。它是一种无线数据与语音通 江苏大学硕士研究生论文 信的规范，以低成本的近距离无线连接为基础，用微波无线通信取代电缆完成点 对点或点对多点的短距离通信，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。 利用蓝牙，我们可以在需要语音和数据通信的数字化设备之间连成一个微微网 ( p i c o n e t ) ，或将几个微微网构成更加复杂的散射网( s c a t t c m c t ) 。蓝牙在数字化 设备之间建立空中接口，将人们从有线连接的束缚中解放出来，使得人们能够随 时随地与信息网络相连接，分享无线通讯的便利网1 1 2 1 。 1 2 1 蓝牙技术的发展和应用概况“”“” 蓝牙取自丹麦国王h a r a l db l u e t o o t h 的名字，在这位国王统治期间，他统 一了当时四分五裂的瑞典、芬兰和丹麦。在1 9 9 4 年，爱立信开始研究短距离无 线技术，这项技术旨在蜂窝式电话及其附件之间找到一种低功耗、低成本的空中 接口。结果发现，在蜂窝网的最后一段应该是无线连接，爱立信将此最后一段距 离( 1 0 米) 的通讯技术称为蓝牙( b l u e t o o t h ) ，即暗示该技术将成为一种统一的 全球化透信标准。在1 9 9 8 年，爱立信、诺基亚、i b m 、东芝和i n t e l 一起组建了 蓝牙特殊利益集团( s i g ) ，负责蓝牙技术标准的制定和产品测试等。蓝牙工作 在全球通用的2 4 g h z 的i s m ( 工业、科学、医学) 频段，蓝牙技术标准是一种 完全公开的标准，如今已经有超过2 5 0 0 家公司和机构加入蓝牙s i g ，蓝牙技术 得到前所未有的支持。1 9 9 9 年7 月蓝牙s l o 正式公布了蓝牙1 0 版本规范：2 0 0 1 年s i g 发布了1 1 版本规范；2 0 0 3 年1 1 月公布了蓝牙1 2 版本；到2 0 0 4 年1 1 月，蓝牙2 0 + e d r 标准正式推出，这也是目前最新的版本。蓝牙规范规定了蓝 牙应用产品应该遵循的标准和需要达到的要求，规范的制定将蓝牙的发展推进封 了实用化的阶段。 蓝牙并不要求蓝牙设备互相可见也不要求通讯的双方是在直线范围内，它允 许设备在不同的房间进行蓝牙通讯。蓝牙最初的任务是为了代替线缆，让人们从 有线连接的束缚中解脱出来。例如，一台计算机的后面拖有多条线缆，用来连接 显示器、键盘、鼠标等外围设备。随着越来越多的“插拔式”设备的运用，选择 正确的插孔插拔设备将会在一定程度上困扰不熟悉计算机的用户，这就是蓝牙技 术的切入点。蓝牙的开发者不久就发现这项技术的运用范围不仅仅是连接外围设 2 江苏大学硕士研究生论文 备。蓝牙能够组建一种低速无线网络，可以通过接入节点的变换在任何位置进行 连接。具体来说，蓝牙可以建立临时性的a d - h o c 连接，首先发起蓝牙连接的设 备称为主设备，响应的设备称为从设备。几个蓝牙设备可以连接组成一个微微网， 在一个微微网中只有一个主设备和最多七个从设备，通过时分复用的技术，一个 蓝牙设备可以同时和与几个不同的微微网保持同步。 蓝牙也是一种通用的标准，无论去那个地方都能够使用它，这使得蓝牙技术 非常具有竞争力。一些当前使用的设备不具备蓝牙功能，但是可以通过p c 卡或 者是u s b 适配器带上蓝牙功能。伴随着这项技术的不断进步，越来越多的设备 将植入蓝牙芯片。在市场上有许多设备中已经带有蓝牙功能，从笔记本电脑、手 机、汽车、p o c k e tp c 等设备中都可以看到蓝牙的身影。现今，蓝牙芯片量产的 价格已经突破5 美元，而且必将进一步下跌，可以说蓝牙的价格已经基本被接受。 随着这样的设备越来越多给公众所熟知，价格也越来越靠近大众消费者，蓝牙在 市场上的运用范匪将会越来越广，这些设备都将会拥有一个共同的名称一蓝牙 设备。 i m s 、i d c 等的研究报告表明，2 0 0 5 全球销售的手机中1 3 已经带有蓝牙功 能，而到2 0 0 8 年这一比例将攀升到5 3 ；2 0 0 5 年蓝牙芯片出货3 2 5 亿片，而 蓝牙出货量到2 0 0 6 年底已超过l o 亿单元。这些数据代表着消费者对蓝牙的认可， 同时也是蓝牙技术成功的表现。但是也应该看到，蓝牙进军企业的首要渠道来自 手机、笔记本电脑与p d a ，在工业控制、医疗卫生、安全等领域的应用很少， 这些应用市场还远没有完全打开。伴随着蓝牙规范的不断提出，从1 0 版本到如 今最新的2 0 + e d r 版本，蓝牙逐步提高了多任务处理和多种蓝牙设备同时运行 的能力，同时更低的功耗使得新的蓝牙设备的运行时间大大提升，这些改进必将 会进一步带动蓝牙这一短距离无线通讯技术向更广阔的空间发展【1 2 】f 埔。 我国的蓝牙产品市场目前还处在初级阶段，但是它的发展潜力不容忽视。不 论是蓝牙耳机、蓝牙车载，还是蓝牙手机、蓝牙打印机等，各种蓝牙产品在国内 市场上都可以见到身影。专家预言，就当前信息技术产品的普及情况看，蓝牙技 术更适合在中国发展。目前我国约有2 亿个家庭，近1 5 亿台电视，约2 0 0 0 万 台电脑，固定电话用户已超过2 亿。上网用户超过2 0 0 0 万，专线上网和拨号上 网的计算机8 0 0 多万台。从这些数据可以预测出中国的个人网络终端市场是巨大 3 江苏大学硕士研究生论文 的，蓝牙技术在中国将有非常广阔的市场前景。我国的些科研院所、生产单位 等也对蓝牙技术给予了高度的关注，很多院校和生产厂家联合起来进行蓝牙开 发。例如，北京邮电大学、东南大学、重庆金瓯公司等就走在了我国蓝牙开发的 前列。相关行政主管部门也对该技术给予了足够的重视，并且将蓝牙技术的研发 与应用列入了“8 6 3 ”计划。可以说，蓝牙技术在我国的关注程度已经达到了一 个相当的高度，相信这门技术会给我们国家的现代化通信事业增添强劲的动力。 1 2 2 蓝牙与其他短距离无线通信技术的比较 随着通信和信息技术的不断发展，包括蓝牙、i e e e 8 0 2 1l b 和h o m e r f 等在 内的短距离无线通信技术正日益走向成熟，应用的步伐不断加快。这三种无线通 信技术都工作在i s m 频段，它们之间有一定的影晌。可以肯定的是，各种短距 离无线通信技术将在移动通信、计算机及其周边设备、自动化控制和家庭信息化 等领域扮演越来越重要的角色，发挥巨大作用。 蓝牙的有效范围大约在1 0 米左右( 在增加功率的情况下可以达到1 0 0 米) ， 在此范围里厦，带有蓝牙功能的设备，如手机、打印机、笔记本电脑等可以进行 无线组网连接，组成所谓的微微网，理想情况下可以以1 m b s 的速率互相传递信 息。目前，蓝牙技术的一个开发重点在于多点连接，目的在于今后不同厂家生产 的蓝牙产品将可以进行互连。而在最新的蓝牙协议规范中，蓝牙的数据传输速率 可以达到3 m b s 。随着蓝牙技术与超宽带( u w 8 ) 技术的融合，蓝牙的通信速率也 会得到飞速提升。由于蓝牙低功耗、体积小、可以同时传输语音和数据的特点， 蓝牙几乎可以应用到各种数字设备中去，特别是那些对传输速率要求不太高的设 备，如通信、计算机及周边设备、个人随身信息、网络接入、工业设备等。为了 增强抗干扰的能力，蓝牙特别设计了快速确认和跳频的方案，每秒钟频率可以跳 变1 6 0 0 次。与其他工作在这一频段的系统相比，蓝牙跳变的时间和数据分组都 更加短，从而极大提高了链路的稳定性，避免与i s m 频段上的其他系统或者微 波炉等设备互相干扰。 i e e e 8 0 2 1l b 也是一种现今非常流行的短距离无线通信技术，它主要用于实 现小范围内的无线接入，也是目前无线局域网( w l a n ) 的主要技术标准。 i e e e 8 0 2 1 l b 的覆盖面可以达到3 0 0 米，传输速率最高可达l l m b s ，这种技术可 4 江苏大学硕士研究生论文 以构筑高速局域网，替代一些小型的有线局域网络，更适合于人口流动量大的场 所。但是它的功耗、体积以及价格等方面一直以来都不能让人太满意，因此在诸 如p d a 等对功耗、价格有很高要求的领域使用比较少，在应用上就有很大的局 限性。当然，i e e e 8 0 2 1 l b 的高速率、相对长距离也使很多厂商对它产生了很高 的兴趣，可是因为缺乏清晰的赢利模式，它的发展尚处在初始阶段，还有一系列 问题要解决。 h o m e r f 技术以共享无线访问协议( s w r a _ p ) 为基础，采用跳频技术，每秒 跳频5 0 次，通讯速率为1 m b s 或2 m b s 。这种技术主要为家庭用户设计，同时 支持数据和语音通信，侧重于p c 和外设组成无线局域网，通过家庭中的某一主 机在数据和语音设备之间实现无线通信，而且它最多可以支持6 个全双工的语音 信道，因此这种技术特别适用于家庭网络环境。 总的来说，这三种技术都各有利弊，都有各自的优势和应用领域，它们之间 不是一种纯粹的竞争和取代关系，而应该能够进行很好的互补。蓝牙技术可以应 用于绝大多数以无线方式代替线缆的场合，特别适用于需要低功耗或者是双向连 接的应用场所；8 0 2 1 l b 比较适合于办公网络接入，现在很多企业都已经用该技 术绕过无线通信运营商建立无线局域网络，节省了可观的成本；h o m e r f 则大多 应用于家庭中的无线局域网络，进行数据和语音的无线传输【1 4 】【1 辄1 7 1 。 在电力行业中，复杂线路和抵抗恶劣环境、电磁干扰所作的保护措施会给从 业者带来很多不便，低压断路器是电力行业中的重要元器件之一，采用了智能控 制器的数字式断路器，具有较高的可靠性。结合上述几种短距离通信技术的分析， 将蓝牙技术和数字式断路器结合起来，是蓝牙技术应用的一个比较好的设想。将 蓝牙技术应用于电力系统，可以提高旌工建设的容易程度。智能控制器本身应用 程序只需作细小改动就可以适应蓝牙模块，便于程序模块化设计。而且设计所需 资金较少，有利于产品的开发与实际运用。 1 3 数字式断路器概述 断路器又称自动开关，是配电系统中一种非常重要的开关电器。它在低压配 电系统中用来接通、分断电力系统以及在出现故障的情况下和各种控制电器配合 江苏大学硕士研究生论文 对电力系统进行控制和监测，保护配电网络和工业设备免受损坏。当电路发生过 载、短路、漏电流和接地等故障时候迅速动作，在消除系统中的故障部分后，断 路器迅速恢复，电路又可以正常运行嗍 8 1 。随着现代工业发展对配电系统要求的 提高，断路器的应用也越来越广泛，如变电站、空调机车、船舶配电系统、各种 电站等。断路器可以就地操作，也可进行远程操作。传统的低压断路器由于它的 控制部分是由电磁部件构成的，控制电路动作时间长，保护精度和抗震特性低。 近年来，随着技术的进步和工业需求的多样化，低压断路器开始向智能化、模块 化方向发展。这种智能型的断路器以计算机技术、数字处理技术等为基础，出现 了带微处理器的智能型断路器。保护精度大大提高，动作时间也大为缩短，并且 开始具有联网通信、集中智能控制等功能，也就是所谓的数字式断路器。 从低压断路器的结构、用途所具有的功能来分，可分为万能式( 又称框架式) 和塑料外壳式( m c c b ) 两大类，它们相同的作用是： ( 1 ) 在正常情况下，作不频繁合、分电路或起动、停止电动机； ( 2 ) 在线路或电动机发生过载、短路或欠电压等故障时，能自动切断电路， 予以保护。 而根据保护对象的不同，断路器又分为四个类型； ( 1 ) 配电保护型垛护电源，电气线路( 电线、电缆) 和设备； ( 2 ) 电动机保护型专作电动机的不频繁起动，运行中中断，以及在电动 机发生过载、短路和欠电压时的保护； ( 3 ) 家用和类似家用场所保护型对照明线路、家用电器等的保护； ( 4 ) 漏电保护型用来保护人身免受电击危险及防止电气火灾的保护器。 断路器的核心部件称为智能控制器( 或称脱扣控制器) ，它通过聪电路参数的 感应判断，决定是否执行保护动作，要判断断路器的先进与否，只需要知道它所 配备的脱扣器的先进性即可。2 0 世纪6 0 年代初的脱扣器大多为电磁式的过电流 脱扣器，特点是结构简单、造价便宜，但是误差很大，只能实现短路瞬时保护， 整定的范围也很少。由于它的性能不高，保护特性单一，其代表为d w l o 系列， 在目前市场上的占有率在2 0 左右。到了7 0 年代后期，过电流脱扣器开始更新 换代，市场上出现了以d w l 5 系列为代表的热一电磁式及半导体式脱扣器。这种 脱扣器的可靠性、保护特性、体积等都大大优于d w l 0 系列，在断路器市场上 6 江苏大学硕士研究生论文 占据着重要的位置。在9 0 年代初期，国外开始把微处理器、数字处理、自动控 制等技术运用到脱扣控制器中，使得脱扣控制器真正成了断路器的“大脑” g l ， 我们称之为智能型控制器。与以前的断路器相比，它的控制信号更加准确；在保 护的选择性、灵活性上更为出色；可以随时的设置动作电流和动作的时间；实时 的显示电流、电压值、跳闸区域信息；可以方便的储存故障信息，带自诊断和预 警功能；具有通信借口，便于计算机控制。目前国外生产的断路器，大多都带有 智能脱扣控制器。代表性的有a b b 公司的f 系列、a e g 公司的m e 0 7 系列、旌 耐德公司的m t 系列、磋门子公司的3 w n 6 系列断路器等。这些产品的模块化、 组合化都相当高，在我国电器市场上也是随处可见。 我国在数字式断路器方面的研发处在快速发展接段，国内豹不少企业，如大 全集团研制开发了k f m 2 e 系列智能塑料外壳断路器、k f w 2 系列智能型万能式 断路器，为我国断路器行业的发展做出了贡献。除此之外，其他单位研制的m 系列、d w 4 5 系列等众多智能型断路器也是各有特色，不过这类产品在市场上的 占有率只有5 l o 。总体来看，电磁式的、半导体式的又或是带智能控制器 的数字式断路器在我国的市场上都占据一定的比例，已经形成了比较完善的体 系，基本上满足了我国国民经济发展的需要。与传统的低压断路器相比，数字式 断路器信号控制的准确性和可靠性都有很大提高。近年来，随着信息技术、通信 技术等进步和应用领域的扩大，带有通信功能的新一代智能化断路器将成为今后 断路器的一大发展方向。进入新世纪，我们需要加速对新型断路器的研究与开发， 按照“小型化、高分断、低噪音、工作可靠、逐步实现智能化”的要求，使更多 的真正有自主知识产权、带自身特色豹断路器出现在国内外市场上。 1 4 课题研究的目的和意义 随着计算机技术与通信技术的进步，电力系统自动化与继电保护技术也开始 向智能化、网络化方向发展。将信息技术应用到电气领域已是大势所趋，国内外 对可通信的智能化断路器的市场需求将会越来越大。 低压断路器的市场和电力企业如电厂等的发展是紧紧相联的。据预算， 2 0 0 8 2 0 1 0 年全国发电量将会大约增长4 ，根据这些年0 6 的电力弹性系数来 7 江苏大学硕士研究生论文 看，预计每年需要低压塑料外壳式断路器4 8 2 万台，低压万能式断路器4 8 万台 左右。可以肯定的说，我国断路器市场将会更加繁荣，其中可通信的智能化断路 器产品市场占有率将大幅度提高。国外如a b b 、旖耐德、三菱等都早已在该领 域大展身手，而国内的产品就其规格、质量、技术水平来看，和这些公司的产品 都有一定的差距。有了来自外部的压力，就迫使我们的企业要引进先进的生产技 术，提高先进生产力，研制具有高性能的断路器产品，以提高我国断路器行业的 整体竞争力。 在电力行业采用蓝牙技术，就可以减少各种电器之间的电缆连接，实现无线 通讯。显然，无线连接可以给电力器件的安装调试、维护等带来不少方便，同时 也便于拓宽产品的应用环境。将蓝牙无线通信技术和数字式断路器结合起来，既 满足市场对新兴产品的需求，又可以提高产品的竞争力，具有很广阔的商业前景。 本论文是以国家8 6 3 计划引导项目为支撑点，是在对蓝牙技术、断路器市场 行情进行详细分析的基础上进行的。主要工作是在尽可能不改动现有电器设备的 情况下，利用蓝牙串口应用框架替代传统的串口线缆，研发带有蓝牙功能的数据 转换器，即r s 2 3 2 接口以及r s - 4 8 5 接口两种串口适配器，使得数字式断路器 具有无线通讯的能力，给使用者带来更多便利，也大大提高断路器应用的灵活性。 蓝牙技术在工业领域的应用还相当少，设计带有蓝牙功能的数字式断路器， 本身就是一个很有仓造力的构想，无线通讯的功能将会使数字式断路器高可靠 性、智能化、可通信的特点得到更好的诠释，更有利于断路器和计算机之间进行 集中控制。 1 5 课题研究的主要内容 本论文主要是通过蓝牙技术，设计无线串口适配器，使普通的数字式断路器 具有无线数据交换的功能。进一步实现了断路器遥控、遥信、遥调、遥测的“四 遥”功能。在做课题期间，本人对蓝牙技术进行了较为深入的研究和摸索，研究 豹主要内容有： ( 1 ) 通过学习c s r 公司的蓝牙开发工具b l u e l a b 2 8 ，深入了解开发蓝牙设备 的关键点和难点： s 江苏大学硕士研究生论文 ( 2 ) 使用b l u e l a b 2 8 建立主机与主机相连的实验平台； ( 3 ) 研究主机控制器接口层( h c i ) 的通讯流程和相关的命令操作，目的是 对基于i l c i 层蓝牙通讯有一客观认识。 ( 4 ) 完成了蓝牙r s 一2 3 2 接口适配器、蓝牙r s 4 8 5 接口适配器的硬件电路设 计，具体包括电源、晶振、电平转换、复位电路等。 ( 5 ) 设计蓝牙通讯系统总体结构框图和前端单元、终端单元软件流程图。 基于单芯片方案编写主从设备的程序代码，完整的蓝牙软件协议栈和应用剖面在 蓝牙芯片的外部闪存中运行。 ( 6 ) 用b l u e l a b 开发套件附带的软件开发环境将程序烧写进蓝牙芯片以进行 相关的编译调试。 ( 7 ) 研究蓝牙设备随着通讯距离的增长所产生的影响，探索提高蓝牙设备抗 干扰能力的途径。 论文的第一章对蓝牙技术、数字式断路器的概念和发展情况进行介绍，对几 种无线通讯技术进行了比较，引出采用蓝牙技术运用于数字式断路器的原因，重 点叙述本文的研究目的和意义。第二章详细阐述了要研发蓝牙产品所必须掌握的 蓝牙协议规范的核心内容，对h c i 层更是写出了开发的基本流程并且给予分析 说明，为蓝牙应用奠定基础。第三章分析蓝牙应用框架中的几个特别重要的蓝牙 通用访问应用框架，这几个框架构是所有其他蓝牙应用框架的基础。第四章阐述 了蓝牙无线适配器的硬件电路设计过程，具体包括开发工具的选择、蓝牙芯片选 择等。对于硬件电路的几个重要子模块设计了具体的电路，给出了具体的原理图， 同时还提到了设计过程中采用的一些抗干扰措施。第五章是蓝牙无线适配器的软 件部分，给出主从设备的部分程序代码，并且对这些代码进行解释。第六章则为 系统调试章节，列出了适配器已达到的性能表，对测试结果的一些不足也作了说 明。最后一章对本论文做出总结，并且对下一个阶段的工作提出了一些建议。 9 江苏大学硕士研究生论文 第二章蓝牙协议规范 2 1 蓝牙协议体系结构 蓝牙是一种在1 0 米范围内保证可靠接收和信息安全的无线通信技术。它其 实是一种短距离通讯规范，可以将许多网络终端设备、各种信息化产品等在现代 通讯网络的最后l o 米范围里面实现无缝资源共享。 所谓的协议，也就是一种双方共同认可的可以遵守的规则。蓝牙协议规范是 各个蓝牙设备之间进行数据传输、交互操作等应该遵守的规则。和开放互联系统 模型相类似，为了方便使用蓝牙协议栈，蓝牙协议体系也采用了分层结构，按功 能将蓝牙协议分成不同的垂直层次，每层的协议定义了所完成的功能和使用的数 据包格式，规定了蓝牙产品应该遵循的标准。由于蓝牙技术可以运用在不同的操 作系统中，它的协议体系中又尽可能的利用了一些已有的成熟协议，因此可以运 用到很多领域中。可以说，蓝牙技术适用于绝大多数短距离通信场合。 蓝牙设备一般来讲由四个单元组成：即无线r f 部分( 模拟电路) 、链路控 制部分、链路管理部分、终端部分【1 3 1 ，如图2 1 所示。 中高 二竺二h 二二二= ! 二三哗 层和 应用 主机 圉2 i 蓝牙设备的构成 无线r f 部分，采用了一些已经成熟的协议和算法，用于发射和接收2 4 g h z 的蓝牙无线电信号，是蓝牙通信系统的空中接口；链路控制部分则执行基带协议 和其他底层蓝牙协议，且负责跳频频率选择；链路管理部分负责蓝牙各个设备之 间的连接和具体设置，执行链路管理协议：主机用于调配蓝牙设备中各个单元的 具体动作，运行蓝牙软件执行蓝牙的高层协议，包括开发各种蓝牙应用程序。现 在市场上出售的蓝牙芯片，大多已经包含射频和链路控制单元，而链路管理和主 机的输入输出控制则存储在固件中。 蓝牙协议体系分为三大部分：底层硬件层、中间协议层和应用层，如图2 2 所示旧。 i o 江苏大学硕士研究生论文 底层硬件层由射频r f 、基带与链路控制b b & l c 、链路管理协议l m p 组成， 所有带有蓝牙功能的设备都必须包括底层这几种传输协议。通过这些传输协议， 使得蓝牙设备之间能够得到对方的位置，并且建立和管理它们问的物理和逻辑链 路，实现蓝牙设备的连接和组网。高层传输协议包括逻辑链路控制与适配协议 l 2 c a p 和主机控制器接口h c i ，为高层应用程序提供了更加有效和更有利于实现 的数据分组格式。对于h c i 来说，它是底层硬件模块和中阿协议层之间的接口， 用来解释并传递两层之间的消息和数据。由于处在硬件层和软件层之间，h c i 就成为了软硬件之间的重要接口，软件通过h c i 调用底层l m 和r f 等硬件。 中间协议层包括l 2 c a p 、串口仿真协议r f c o m m 、服务发现协议s d p 、电 话控制t c s 等，既为高层应用协议或程序在蓝牙逻辑链路上工作提供7 支持， 又给应用层提供7 各种不同的接口标准。l 2 c a p 可以向上层提供面向连接传输 ( s c o ) 和无连接( a c l ) 服务，能够完成数据包的分段和重组等，为高层协议 和低层协议的传输搭建了一座桥梁。r f c o m m 用于串口仿真，它在蓝牙基带b b 上仿真r s - 2 3 2 的控制与数据信号，蓝牙设备通过该协议为w a p 、p p p 等高层协 议提供服务。 t c p ，u d p i i p s d pt c s i p p p i a u d i o r f c o m m fi l 2 c a pl h c i il i n km a n a g e ri b a s e b a n d & l i n kc o n t r o i l e r r f 图2 2 蓝牙协议堆栈 应用协议是指那些位于蓝牙协议堆栈之上的应用软件和其中所涉及的协议， 大体都是一些选用协议，例如p ip 、t c p i p 、w a p 、u d p 等，包括各种蓝牙应 用程序，在应用层之上可以由开发者定义开发。b b 、l m p 、l 2 c a p 和s d p 是协 议体系结构中的核心协议，在开发蓝牙设备的过程中，这些协议是必须要用到的。 而应用层则为蓝牙产品开发提供了一些不同的应用模型，随着蓝牙规范的不断升 江苏大学硕士研究生论文 级，各种新的应用框架也将会不断出现，越来越多的应用框架将会在人们的生活 中扮演更多的角色。 2 2 蓝牙射频n 7 1 1 2 2 1 ( r f ) 蓝牙射频协议处在蓝牙协议中的最低层，射频是通信系统的空中接口。这一 部分协议规定了蓝牙的射频频段、信号的调制方式等，主要是由硬件本身完成的。 蓝牙射频将接收到的2 4 g h z 的信号解调为中低频信号送给蓝牙基带控制器，并 将来自基带控制器的中低频信号调制为2 4 g h z 的高频信号发射出去。一般蓝牙 的射频部分都已经集中在蓝牙芯片中，给开发人员提供了便利。 蓝牙设备工作在不需要付费、不需要申请的i s m 频段，虽然大多数国家中 都把该频段定义为2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z ，但是还是有一些国家的频段定义与此不 同。在我国、欧洲和北美地区，使用2 4 0 0 2 4 8 3 5 m i - i z 的频段，带宽自然为 8 3 5 m h z ，蓝牙为该频段设置了7 9 个跳频点，每个跳频的带宽是1 m h z ；在西 班牙、法国和日本则使用了2 3 个跳频信道，载频分别为2 4 5 4 + k ( k ：0 ，1 2 ，7 8 ) m h z 和2 4 4 9 + k ( k 卸，1 , 2 ，7 8 ) m h z ，跳频的带宽也同样为1 m h z ，使蓝牙在这 两种不同的频段中都可以正常的工作。具体的划分情况如表2 1 所示。无论是哪 种频段定义，蓝牙都采用时分双工的方式，按照0 2 8 0 3 5 的调制指数进行通讯。 为了减少频带以外的干扰，信道都会留有保护频带。我国的上下保护频带分别是 3 5 m h z 和2 m h z 。 表2 1 蓝牙频段信道分配 地区 频段范围射频信道划分方案 中国、北美、欧洲和大多数国家2 4 0 0 o 2 4 8 3 5m h z f - - ( 2 4 0 2 + k ) m h z , k = 0 ，1 ，2 ，7 8 西班牙2 , t 4 5 o 2 4 7 5 0 咖z f - - ( 2 4 4 9 + k ) m h z , k - - 0 , 1 ，2 ，2 2 法国2 4 4