（长园共创电力安全技术股份有限公司 广东 519085）
摘要：经过二十年的发展，目前绝大多数变电站、发电厂都采用了各种形式的防误闭锁装置以提高防误操作水平，其中微机闭锁近年在电力系统得以大面积推广应用，这些装置的运行为保证电力生产的安全进行提供了有力的保障。当微机防误闭锁装置出现故障或需要紧急解锁时，可利用解锁钥匙进行操作。但对于解锁钥匙的管理，一直没有很好的办法，易导致误操作的产生。为了便于对解锁钥匙进行管理，就得研发出“解锁钥匙管理机”。本文将通过系统总体设计、硬件设计以及软件设计三部分的阐述，对“解锁钥匙管理机”设计与建立方式展开全面探讨。
关键词：解锁钥匙；STM32；钥匙管理
STM32系列不仅功耗较低，而且还具有成本低以及性能好等方面的优势，极受市场所认可。这一系列按照内核构架，能够分成不同种类，按照满足解锁钥匙管理机基本需求我们选择互联系列的芯片。该款产品是以STM32为基础制作而成的，采用非接触射频IC卡技术、GSM无线通信技术，以太网和CAN现场总线等技术，实现了对所有解锁钥匙每次使用周期的实时管理，完善了变电站解锁钥匙的管理，大大提高了工作效率，为防止变电站误操作事故，实现安全稳定运行奠定了基础。
1、“解锁钥匙管理机”系统总体设计
本文所介绍的系统，由STM32F207互联型系列单片机所组成。解锁钥匙管理机是集光、机、电、通讯于一体的智能化管理设备，它主要由以太网、GSM短信模块、中央控制单元、非接触射频单元、钥匙位置检测子控单元、报警单元、存储单元、液晶显示单元、CAN通讯单元、电源管理单元、触摸键盘等单元组成。该设备经过授权人的授权后，才可拥有操作解锁钥匙的权限，并且能够完整记录使用过程中的申请人、批准人、解锁原因、钥匙取出、交还等记录以及统计解锁原因、次数和解锁率。该系统的使用拓普图如下。
2、系统硬件设计
系统硬件设计分主控硬件设计和钥匙位置检测硬件设计两部分，现在分别叙述。
2.1主控硬件
2.1.1人机接口
显示方面：该产品采用320X240的3.8寸点阵图形显示模块，该液晶满足工业要求，并且自带RA8803 液晶驱动器。模块不仅可以显示单一的文本、图形，而且可以实现双图层的（“或”、“异或”、“同或”、“与”四种逻辑关系）合成显示和四阶灰度的效果。中英文自动对齐，行距设定等功能。STM32通过GPIO引脚以8080时序驱动该液晶。另外该模块采用的是3.3V电源，与STM32主控直接连通，中级不需要经过电平转换芯片，既节约了成本又提高了系统抗干扰能力。
输入方面：输入共有两种形式。第一种为4X4全键盘输入。该键盘采用电容式触摸按键设计方案，该专用IC具有16个独立感应通道，具有与STM32兼容的电源输入方式，可在有介质（亚克力，玻璃，陶瓷，塑料）隔离保护的情况下实现触摸功能，安全性高。STM32通过GPIO与该专用IC进行数据交换，读取外部按键信息。第二种为非接触式射频输入（RFID），通过该种方式可以读取操作人员的相关信息。非接触式IC卡成功地解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破，由于其高度安全保密、通信速率高、使用方便、成本日渐低廉等特点而得到广泛使用，主要应用于智能门禁控制、智能门锁、考勤机以及自动收费系统等。
警报方面，解锁钥匙管理机采取了有源蜂鸣器对各种操作进行了响应，提示用户操作的正确与否；另外也通过一些不同颜色的灯来反应接口的正常工作情况，这也为研发、生产、测试和调试方面提供了便利性。
2.1.2通信接口
解锁钥匙管理机采用以太网，GSM，CAN工业现场总线与外通信。
以太网方面，解锁钥匙管理机主控芯片采用STM32互联系列产品，内部集成高性能以太网模块，符合IEEE802.3-2002标准。该模块支持两种标准接口，通过RMII接口与DP83848C以太网PHY芯片连接，从而实现以太网数据通信。
GSM方面，解锁钥匙管理机选取华为MG301模块与授权用户进行短信通信授权。该模块具有功耗低和稳定性高，性价比高，采购容易等诸多优点。
CAN工业现场总线方面，CAN总线是国际上广泛使用的工业现场总线，由于其卓著的性能被广泛应用到工业自动化中。解锁钥匙管理机主控板通过CAN总线与钥匙检测单元进行通信。CAN总线是多主通信协议，这样能确保系统响应的实时性。
2.1.3电源与存储单元
解锁钥匙管理机电源方面，该产品电源输入采取市电输入，内置可充电电池，平时对可充电电池进行充电，当外部电源故障时能自动切换到内部电池供电，机器依然正常工作。
存储单元方面，解锁钥匙管理机采用外置16M字节SPIFLASH。该芯片支持SPI接口可以进行高速、全双工和通信。该芯片为工业级芯片，体积小，采购容易，为后续的生产提供了便利性。
2.2钥匙检测单元硬件
2.2.1通信接口
钥匙检测单元通过CAN总线与解锁钥匙管理机主控板进行通信。CAN总线是工业上广泛使用的一种高稳定，高速率的现场总线，而且CAN总线不存在主从通信模式，而是多主通信模式，这为解锁钥匙管理机的时效性提供了保证。
2.2.2钥匙检测
钥匙检测板采取非接触射频IC卡技术，对每个钥匙进行检测。这样能确保钥匙的取走和归还以及是否错位放置等问题，为解锁钥匙的管理提供了最基本的技术支持。
2.2.3显示接口
钥匙检测板对每个钥匙孔位设计了2个LED灯，一个红色，一个绿色，通过LED亮灯的不同情况反映钥匙归还的正确与否，以及提示用户取走与归还的钥匙。
3、系统软件设计
系统软件设计分主控软件设计和钥匙位置检测软件设计两部分，现在分别叙述。
3.1主控软件
3.1.1主控软件总设计方面
为了便于程序的开发与后期维护，软件方面引入RTOS，并将整个系统软件进行分层设计，并对每个层进行细化与封装，降低开发难度以及后续维护成本。在应用层设计方面，对每个应用任务和优先级进行合理设计和安排，使得系统各部分工作实时性得到保证，满足硬实时系统的要求。
3.1.2驱动设计方面
驱动层是在基于STM32开发库的基础上进一步对各个具体的外设进行封装，并为上层提供简单接口。鉴于在各驱动程序可能在多任务的情况下进行调用，这就需要在设计之初考虑资源互斥，确保驱动程序的稳健性。
3.1.3中级层设计
为了便于系统开发和后期维护，系统引入RTOS，文件系统和TCP/IP协议栈。中间层的引入主要为应用层开发提供便利，方便后期维护。并且在软件详细设计完成后，由多人同时进行开发设计，从而压缩软件开发周期，确保软件快速完成。
3.1.4应用层设计
根据系统应用功能再结合RTOS的调度机制将应用层划分为以下几个任务：GUI显示任务，TCP通信任务，CAN通信任务，键盘任务，GSM通信任务，RFID采码任务，定时任务。其中GUI任务主要是进行一些界面显示给用户提供良好的用户界面体验；TCP通信任务主要是通过TCP/IP协议与后台等进行数据交换，确保系统运行在集控模式下；CAN通信任务主要是与钥匙检测单元进行数据的通信和控制；键盘任务是采集用户按键的输入；GSM通信任务主要是通过短信与授权人进行远程授权和监控；RFID采码任务主要读取用户身份ID，用来确定用户权限与操作；定时任务主要是用于看门狗喂狗、获取GSM信号强度、TCP链接状态，时间显示等。
3.2钥匙检测单元软件
3.2.1钥匙检测单元总设计方面
为了便于程序的开发与后期维护，软件方面引入了RTOS，并将整个系统软件进行分层设计。
3.2.2驱动设计方面
驱动层是在基于STM32开发库的基础上进一步对各个具体的外设进行封装，并为上层提供简单接口，将设备驱动与应用完全独立。
3.2.3应用层设计
将系统功能划分为：CAN通信任务，LED显示任务，RFID采码任务，定时任务。CAN总线通信任务主要是与主控板通信；LED显示任务为提示当前钥匙孔位的钥匙的状态；RFID采码任务读取钥匙RFID；定时任务主要是用于看门狗喂狗。
结束语
在电力系统中由于因解锁钥匙管理混乱导致事故时有发生，直接威胁着人员的安全，也直接威胁着电网和发电、供电设备的安全运行。解锁钥匙管理机能够实现“解锁行为”强制管控、杜绝恶性事故发生，对电能的安全生产有着重要的意义。
参考文献：
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论文作者:贺竹玉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/26
标签：钥匙论文; 解锁论文; 通信论文; 单元论文; 系统论文; 软件论文; 总线论文; 《电力设备》2017年第5期论文;