兼容串行通信与以太网通信的微机保护通信系统研究

　  摘要：随着变电站自动化技术在电力系统中的逐步应用，势必要求变电站中各二次设备逐步实现网络化。微机继电保护装置作为变电站重要的二次设备，对其通信系统提出了很高的要求。本文根据微机保护通信系统的要求，设计了由以太网与串行通信相结合的通信系统，阐述了通信系统的硬件构成，完成了相关驱动程序与通信功能软件的编写。开发的通信系统对于提高电力系统综合自动化水平具有重要的现实意义。
　　关键词：微机保护；通信系统；串行通信；以太网

　　1 引言
　　
　　变电站自动化技术经过10多年的发展已经达到很高的水平，在我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，而且在220 kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术，从而大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可能性，降低了变电站建设的总造价。随着计算机技术、网络技术的迅猛发展，以太网技术在工业领域得到了广泛应用[1,2]。以太网具有良好的开发性、稳定性、易维护性、传输速度快、价格低廉、易于实现与上层管理信息网络的无缝连接，而且为不同厂商的产品提供了一个统一的接口，便于实现互联和互操作[3,4]。因而，在微机保护中可采用以太网构建通信系统，同时，为了兼顾传统的通信模式，设计中仍然保留了串行通信接口。本文以串行通信与以太网通信相结合的通信系统为出发点，就相关问题进行阐述。
　　
　　2 硬件构成
　　
　　2.1 串行通信接口
　　装置中，考虑到需要处理的数据较多，数字算法的计算量大，因此在保护CPU的选择上采用的是TI公司的新一代高性能32位浮点DSP芯片TMS320VC33。由于在VC33的内部结构中没有集成通用异步接收发送器（UART），所以当保护系统与厂站局域网、远方调度进行数据通信，并要求有较高的实时性时，就必须扩展异步通用芯片，以求得到较高的通信速度。本装置采用的通用异步接收发送器芯片是TI公司的TL16C752，它具有低功耗、高速度的特点，最大数据传输速率可达1.5Mb/s，且接收器与发送器相互独立，可进行DMA操作，控制灵活方便。同时还具有回读功能，可以在线诊断，它提供了两组增强型的独立UART接口，具有16字节的发送和接收FIFO、MODEM控制接口和通信状态寄存器。它与DSP芯片的结构示意图如图1所示。
　　
　　在装置中设置了两个串行通信口，其中串口1固定为RS-232，在实际应用中用来实现串口打印实时数据和各种参数，串口2可以通过跳线选择为RS-232或RS-485模式，用来组网通信。装置中的CPLD芯片主要是用来产生片选、读写等控制逻辑，它采用的是XILINX公司生产的XC95144；加入光隔则提高了通信的抗干扰能力；电平转换芯片MAX232ACSE与MAX490ESA的作用是使信号电平（TTL电平）转换为RS-232或RS-485电平，或进行二者之间的逆转换。
　　2.2 以太网接口
　　在装置中选择RTL8019AS作为以太网控制芯片。选择好DSP芯片和网络芯片之后，要以TMS320VC33和RTL8019AS构建以太网,关键在于DSP 处理器与网卡控制芯片之间的接口设计。下面就讨论TMS320VC33芯片与RTL8019AS芯片之间如何进行连接，从而实现有效的数据通信。
　　在TMS320VC33和RTL8019AS之间通过XILINX公司生产的CPLD芯片XC95144进行连接，硬件结构的示意图如图2所示，其中XC95144在接口电路中起逻辑转换的作用，存储芯片AM29F400B75EC用来存储网卡芯片初始化等信息。
　　
　　基于DSP与RTL8019AS组成的以太网，DSP主处理器与网卡之间的接口主要实现的功能有[5-7]：
　　(1) 主处理器通过接口电路对网卡芯片进行控制,包括对网卡的逻辑控制、读写控制、复位等;
　　(2) 主处理器与网卡之间的数据交换,DSP通过接口电路对网卡接收数据进行读取,将需要发送的数据写入网卡缓存。
　　
　　3 通信功能的软件实现
　　
　　3.1 串行通信的软件设计
　　3.1.1 UART的驱动程序设计
　　对于通用异步接收发送器（UART）TL16C752的驱动程序设计，就是对与DSP芯片通信相关的内部寄存器进行操作，下面就简要介绍一下相关的寄存器的情况与设置。
　　3.1.1.1 线路控制寄存器（LCR）
　　线路控制寄存器(LCR) 存放串口传送的二进制位串数据格式，LCR 是一个8位的寄存器，各位的定义如下：d0d1是字长选择位，若d0d1=00，传送的字长为5 位; d0d1=1 时字长为6；d0d1=0时字长为7；d0d1=11 时字长为8。d2位是停止位选择，d2=0 时停止位为1位；d2=1时停止位为1.5位。d3=0 时校验有效；d3=1 时检验无效。d4是校验类型位, d4=0 时进行奇校验；d4=1 时进行偶校验。d7位(DLAB) 是锁定波特率发生器位, d7=1 时访问波特率因子寄存器; d7=0 时访问其他寄存器。
　　在本系统中，使d0d1=11，选择的8位字长；d2=0，选择1位停止位；d3=0，校验有效；d4=1，选择进行偶校验。
　　3.1.1.2 波特率因子寄存器（DLL&DLH）
　　两个8位的波特率因子寄存器构成一个16位的波特率因子寄存器。在TL16C752的内部具有波特率发生器, 产生发送数据的时钟信号。波特率因子可以通过下列算式求出:
　　波特率因子=基准时钟频率/ (16×波特率)
　　在本系统中，我们采用的基准时钟频率为1.8432MHZ，先将LCR中的d7置1以便访问波特率因子寄存器，再将波特率因子寄存器写为16，将波特率设为9600。接着将LCR中的d7写回0，以便访问其它寄存器。
　　3.1.1.3 FIFO控制寄存器（FCR）
　　这个寄存器用来设置FIFO的允许/禁止、清除FIFO、设置接收FIFO的触发级别和选择DMA模式。先将FIFO的d0写1，以使能接收与发送FIFO；将它的d0d1全写1，用于复位接收与发送FIFO；将d6d7两位写1，设置接收器FIFO中断的触发标准为60characters。
　　3.1.2 通信的软件设计
　　除了发送接收程序段在定时器中断中执行以保证稳定的通讯速率外,保护软件通讯模块的大部分工作在主程序初始化后的死循环中进行。使用了串口芯片的FIFO功能以提高通讯的速度。
　　在约定的监控系统与保护系统之间采用主从方式进行通讯，因而保护系统总是被动接收指令，即始终为从动站。保护系统的通讯模块在完成初始化工作后随即进入接收状态。当通讯接口收到完整的链路规约数据单元（LPDU）时将对其进行校错，出错丢弃这个数据单元。保护系统收到的LPDU有3种类型： 论文检测天使-免费论文检测软件http://www.jiancetianshi.com
第一种是2级数据请求帧，保护系统将以测量值LPDU作为回答；第二种是1级数据请求帧，此时先判断FCB是否变化，有变化则以新的ASDU形成LPDU并填充发送缓冲区，否则重发上一个LPDU；第三种是命令帧或下传数据帧。在这里我们将2级数据与1级数据同时召唤，使用户进程得以简化。当保护系统完成监控命令或准备好应答数据时，将形成发送数据包的若干个ASDU等待传送，然后发送规定格式的命令确认帧以通知监控系统接收命令执行结果或反馈数据。另外，有启动事件或故障事件发生时，保护系统会将上传LPDU的ACD位置位，以通知监控系统建立启动/故障数据传输过程。保护系统的程序流程图如图3所示。

　　[8]电大学习网.免费论文网[EB/OL]. /d/file/p/2024/0426/fontbr />3.2 以太网通信的软件设计
　　通过对DSP编程, 来实现RTL8019AS初始化、发送数据、接受数据，嵌入式TCP/IP协议等功能，在处理数据步骤之前，还需要对网络控制器进行必要的检测、复位和初始化。网络接口通过2个DMA操作来完成数据的接收和发送。本地DMA完成RTL8019A S与其内部FIFO队列之间的数据传送，远程DMA 完成RTL8019AS与CPU之间的数据传送。
　　3.2.1 RTL8019AS的初始化
　　要进行网络通信就必须对网络控制芯片初始化，初始化比较烦琐，但是它有着非常重要的地位，往往决定着网络通信的一些重要参数。为了使RTL8019AS启动并处于准备接收或准备发送数据的状态，必须对相关的寄存器进行初始化。这些寄存器主要包括指令寄存器CR，数据结构寄存器DCR，远程字节数寄存器RBCR，页面开始寄存器PSTART，页面停止寄存器PSTOP，中断状态寄存器ISR，中断屏蔽寄存器IMR，实际地址寄存器PAR0-5，多点地址寄存器MAR0-7，当前页面寄存器CURR，传输配置寄存器TCR，接收结构寄存器RCR等。
　　3.2.2 数据的收发
　　通过对地址及数据口的读写来完成以太网帧的接收与发送。要接收或发送数据包就必须读写网络控制卡RTL8019AS内部的16KB的RAM，必须通过DMA进行读和写，网络接口通过2个DMA操作来完成数据的接收和发送。即本地DMA完成RTL8019A S与其内部FIFO队列之间的数据传送，远程DMA 完成RTL8019AS与CPU之间的数据传送。
　　3.2.2.1 数据包的发送
　　数据包的接收大体包括三个步骤：数据包的封装，通过远程DMA将数据包送到数据发送缓存区，通过RTL8019AS的本地DMA将数据送入FIFO进行发送。下面讲述发送的具体操作：
　　(1)数据包在发送前按规定的格式封装好，在封装时我们采用的是一个标准的IEEE802.3以太网物理传输帧格式，它的基本封装格式如表1所示。
　　
　　(2)把按以太网帧格式封装好的数据包通过远程DMA写入RTL8019AS的数据发送缓存区。具体操作是首先主机设置好远端DMA开始地址(RSAR0,1)和远端DMA数据字节数(RBCR0,1)，并在CR中设置为“写数据”，就可以从远端DMA口寄存器里把数据写入芯片RAM。
　　(3)启动本地DMA将缓存区内的数据发送出去。即待发送的数据包存入芯片RAM后，给出发送缓冲区首地址和数据包长度(写入TPSR、TBCR0,1)，然后启动发送命令(CR=0x3E)即可实现8019AS发送功能。8019AS芯片会自动按以太网协议完成发送并将结果写入状态寄存器。
　　3.2.2.2 数据包的接收
　　以太网数据包的接收过程和数据包的发送过程刚好相反。首先是将网络上的电信号变成数据存入芯片的接收缓存中，然后主机设置好远端DMA开始地址(RSAR0,1)和远端DMA数据字节数(RBCR0,1)，并在CR中设置“写数据”，从远端DMA口寄存器里把数据从芯片RAM读到系统RAM中。接收缓冲区构成一个循环FIFO队列，PSTART、PSTOP两个寄存器限定了循环队列的开始和结束页，这两个寄存器的设置是在以太网控制芯片的初始化中完成的。CURR为写入指针，受芯片控制，BNRY为读出指针，由主机程序控制，根据表达式“CURR=BNRY+1?”可以判断是否收到新的数据包，新收到的数据包按表2的格式存于以CURR指出的地址为首址的RAM中。当CURR=BNRY时芯片停止接收数据包。
　　3.2.3 嵌入式TCP/IP协议选择
　　TCP/IP协议实质上是一系列协议的总称，TCP/IP协议是一组不同层次上的多个协议的组合,包含十几个协议标准[8]。本文介绍的以太网接口是专门为继电保护而设计的，不要求实现所有的TCP/IP协议，所以选择的嵌入式TCP/IP是对TCP/IP协议族进行选择并简化而形成的协议集合。本设计实现的协议如图4所示，通常分为四层（物理层除外）。
　　(1)链路层中实现了ARP（地址解析）协议。它主要是将32位的IP地址动态地映射为48位的以太网地址，从而保证网络的正确传输。另外，在设计中把IP地址存储于本地存储器中，不必从其他服务器得到IP地址，这样就无需实现RARP（逆地址解析）协议。
　　(2)在网络层中主要实现了IP（网际）协议和ICMP（网络控制报文）协议。IP协议是TCP/IP 协议簇中最核心的协议，它提供无连接的数据报传送服务，所有上层协议都要以IP数据包格式传输。ICMP协议负责传递差错报文以及其它需要注意的信息，在设计中只实现了对回显请求（类型代码为0）报文的处理，从IP层收到ICMP包后，判断其类型代码段是否为0，如果是，将类型字段与代码字段设置为00（回显应答），计算检验和，再交给IP层发送；如果不是，则予以丢弃。从而实现了对ping功能的支持。
　　(3)在运输层实现了UDP（用户数据报）协议。运输层中包括两种不同的协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP是一种面向连接的、可靠的传输层协议，但其时延难以把握，不利于实时数据的传输；UDP协议是一种不面向连接的协议，它只是简单地把数据报从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端,可靠性必须由应用层来提供，但其有实时性强的特点，能在同一时间将信息传递给所有节点。因此，在微机保护装置中考虑快速性的要求，选择了UDP协议。
　　(4)应用层主要指用户进程，在保护装置中采用的是国际电工委员会新制定的IEC61850标准，它可以用来实现面向对象和设备的无缝联接通信。
　　
　　4 结束语
　　
　　本文介绍了微机保护的一种通信系统，该通信系统采用以太网通信与串行通信相结合的方式构成。文章设计了通信系统的硬件结构、编写了驱动程序与功能软件。设计的通信系统不仅可以满足以太网组网的要求，也可以兼容传统的串行通信要求，将大大地促进电厂和变电站综合自动化的进程。
　　
　　参考文献：
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