摘要：隨著變電站自動化技術在電力系統中的逐步應用，勢必要求變電站中各二次設備逐步實現網絡化。微機繼電保護裝置作為變電站重要的二次設備，對其通信系統提出了很高的要求。本文根據微機保護通信系統的要求，設計了由以太網與串行通信相結合的通信系統，闡述了通信系統的硬件構成，完成了相關驅動程序與通信功能軟件的編寫。
　　關鍵詞：通信系統，串行通信，微機保護，以太網
　　一、引言
　　變電站自動化技術經過10多年的發展已經達到很高的水平，在我國城鄉電網改造與建設中不僅中低壓變電站采用了自動化技術實現無人值班。隨著計算機技術、網絡技術的迅猛發展，以太網技術在工業領域得到了廣泛應用。以太網具有良好的開發性、穩定性、易維護性、傳輸速度快、價格低廉、易于實現與上層管理信息網絡的無縫連接。因而，在微機保護中可采用以太網構建通信系統，同時，為了兼顧傳統的通信模式，設計中仍然保留了串行通信接口。本文以串行通信與以太網通信相結合的通信系統為出發點，就相關問題進行闡述。
　　二、硬件構成
　　（一）、串行通信接口
　　裝置中，考慮到需要處理的數據較多，數字算法的計算量大，因此在保護CPU的選擇上采用的是TI公司的新一代高性能32位浮點DSP芯片TMS320VC33。由于在VC33的內部結構中沒有集成通用異步接收發送器（UART），所以當保護系統與廠站局域網、遠方調度進行數據通信。本裝置采用的通用異步接收發送器芯片是TI公司的TL16C752，它具有低功耗、高速度的特點，最大數據傳輸速率可達1.5Mb/s，且接收器與發送器相互獨立，可進行DMA操作，控制靈活方便，同時還具有回讀功能，可以在線診斷。
　　在裝置中設置了兩個串行通信口，其中串口1固定為RS-232，在實際應用中用來實現串口打印實時數據和各種參數，串口2可以通過跳線選擇為RS-232或RS-485模式，用來組網通信。裝置中的CPLD芯片主要是用來產生片選、讀寫等控制邏輯；加入光隔則提高了通信的抗干擾能力。
　　（二）、以太網接口
　　在裝置中選擇好DSP芯片和網絡芯片之后，關鍵在于DSP處理器與網卡控制芯片之間的接口設計。基于DSP與RTL8019AS組成的以太網，DSP主處理器與網卡之間的接口主要實現的功能有：
　　1、主處理器通過接口電路對網卡芯片進行控制,包括對網卡的邏輯控制、讀寫控制、復位等;
　　2、主處理器與網卡之間的數據交換,DSP通過接口電路對網卡接收數據進行讀取,將需要發送的數據寫入網卡緩存。
　　三、通信功能的軟件實現
　　（一）、串行通信的軟件設計
　　對于通用異步接收發送器（UART）TL16C752的驅動程序設計，就是對與DSP芯片通信相關的內部寄存器進行操作，下面就簡要介紹一下相關的寄存器的情況與設置。
　　1、線路控制寄存器（LCR）
　　線路控制寄存器(LCR)存放串口傳送的二進制位串數據格式，LCR是一個8位的寄存器。在本系統中，使d0d1=11，選擇的8位字長；d2=0，選擇1位停止位；d3=0，校驗有效；d4=1，選擇進行偶校驗。
　　2、波特率因子寄存器（DLL&DLH）
　　兩個8位的波特率因子寄存器構成一個16位的波特率因子寄存器。在TL16C752的內部具有波特率發生器,產生發送數據的時鐘信號。波特率因子可以通過下列算式求出:
　　波特率因子=基準時鐘頻率/(16×波特率)
　　在本系統中，我們采用的基準時鐘頻率為1.8432MHZ，先將LCR中的d7置1以便訪問波特率因子寄存器，再將波特率因子寄存器寫為16，將波特率設為9600。接著將LCR中的d7寫回0，以便訪問其它寄存器。
　　3、FIFO控制寄存器（FCR）
　　這個寄存器用來設置FIFO的允許/禁止、清除FIFO、設置接收FIFO的觸發級別和選擇DMA模式。先將FIFO的d0寫1，以使能接收與發送FIFO；將它的d0d1全寫1，用于復位接收與發送FIFO；將d6d7兩位寫1，設置接收器FIFO中斷的觸發標準為60characters。
　　2、通信的軟件設計
　　除了發送接收程序段在定時器中斷中執行以保證穩定的通訊速率外,保護軟件通訊模塊的大部分工作在主程序初始化后的死循環中進行。使用了串口芯片的FIFO功能以提高通訊的速度。
　　在約定的監控系統與保護系統之間采用主從方式進行通訊，因而保護系統總是被動接收指令，即始終為從動站。保護系統的通訊模塊在完成初始化工作后隨即進入接收狀態。當通訊接口收到完整的鏈路規約數據單元（LPDU）時將對其進行校錯，出錯丟棄這個數據單元。
　　（二）、以太網通信的軟件設計
　　通過對DSP編程,來實現RTL8019AS初始化、發送數據、接受數據，嵌入式TCP/IP協議等功能，在處理數據步驟之前，還需要對網絡控制器進行必要的檢測、復位和初始化。網絡接口通過2個DMA操作來完成數據的接收和發送。本地DMA完成RTL8019AS與其內部FIFO隊列之間的數據傳送，遠程DMA完成RTL8019AS與CPU之間的數據傳送。
　　1、RTL8019AS的初始化
　　要進行網絡通信就必須對網絡控制芯片初始化，初始化比較煩瑣，但是它有著非常重要的地位，往往決定著網絡通信的一些重要參數。
　　2、數據的收發
　　通過對地址及數據口的讀寫來完成以太網幀的接收與發送。要接收或發送數據包就必須讀寫網絡控制卡RTL8019AS內部的16KB的RAM，必須通過DMA進行讀和寫，網絡接口通過2個DMA操作來完成數據的接收和發送。
　　（1）、數據包的發送
　　數據包的接收大體包括三個步驟：數據包的封裝，通過遠程DMA將數據包送到數據發送緩存區，通過RTL8019AS的本地DMA將數據送入FIFO進行發送。下面講述發送的具體操作：
　　首先，數據包在發送前按規定的格式封裝好，在封裝時我們采用的是一個標準的IEEE802.3以太網物理傳輸幀格式。
　　其次，把按以太網幀格式封裝好的數據包通過遠程DMA寫入RTL8019AS的數據發送緩存區。
　　最后，啟動本地DMA將緩存區內的數據發送出去。即待發送的數據包存入芯片RAM后，給出發送緩沖區首地址和數據包長度(寫入TPSR、TBCR0,1)，然后啟動發送命令(CR=0x3E)即可實現8019AS發送功能。8019AS芯片會自動按以太網協議完成發送并將結果寫入狀態寄存器。
　　（2）、數據包的接收
　　以太網數據包的接收過程和數據包的發送過程剛好相反。首先是將網絡上的電信號變成數據存入芯片的接收緩存中，然后主機設置好遠端DMA開始地址(RSAR0,1)和遠端DMA數據字節數(RBCR0,1)，并在CR中設置“寫數據”，從遠端DMA口寄存器里把數據從芯片RAM讀到系統RAM中。接收緩沖區構成一個循環FIFO隊列，PSTART、PSTOP兩個寄存器限定了循環隊列的開始和結束頁，這兩個寄存器的設置是在以太網控制芯片的初始化中完成的。
　　3、嵌入式TCP/IP協議選擇
　　TCP/IP協議實質上是一系列協議的總稱，TCP/IP協議是一組不同層次上的多個協議的組合,包含十幾個協議標準。本文介紹的以太網接口是專門為繼電保護而設計的，不要求實現所有的TCP/IP協議，所以選擇的嵌入式TCP/IP是對TCP/IP協議族進行選擇并簡化而形成的協議集合。
　　(1)鏈路層中實現了ARP（地址解析）協議。它主要是將32位的IP地址動態地映射為48位的以太網地址，從而保證網絡的正確傳輸。另外，在設計中把IP地址存儲于本地存儲器中，不必從其他服務器得到IP地址，這樣就無需實現RARP（逆地址解析）協議。
　　(2)在網絡層中主要實現了IP（網際）協議和ICMP（網絡控制報文）協議。IP協議是TCP/IP協議簇中最核心的協議，它提供無連接的數據報傳送服務，所有上層協議都要以IP數據包格式傳輸。
　　(3)在運輸層實現了UDP（用戶數據報）協議。運輸層中包括兩種不同的協議：TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據報協議）。TCP是一種面向連接的、可靠的傳輸層協議，但其時延難以把握，不利于實時數據的傳輸；UDP協議是一種不面向連接的協議，它只是簡單地把數據報從一臺主機發送到另一臺主機，但并不保證該數據報能到達另一端,可靠性必須由應用層來提供，但其有實時性強的特點，能在同一時間將信息傳遞給所有節點。因此，在微機保護裝置中考慮快速性的要求，選擇了UDP協議。
　　四、結束語
　　本文介紹了微機保護的一種通信系統，該通信系統采用以太網通信與串行通信相結合的方式構成。文章設計了通信系統的硬件結構、編寫了驅動程序與功能軟件。設計的通信系統不僅可以滿足以太網組網的要求，也可以兼容傳統的串行通信要求，將大大地促進電廠和變電站綜合自動化的進程。
　　
　　參考文獻：
　　[1]習偉.新型高壓線路保護裝置的管理與通訊系統的研究[D].華中科技大學碩士學位論文,2003.
　　[2]李正天.新型發電機保護裝置及其通信系統的研究[D].華中科技大學碩士學位論文,2005.
　　[3]吳在軍,胡敏強,杜炎森.嵌入式以太網在變電站通信系統中的應用[J].電網技術,2003,27(1):71-75.
　　[4]楊剛,楊仁剛,郭喜慶.嵌入式以太網在變電站自動化系統智能化電氣設備的實現[J].電力系統自動化,2004,28(3):74-77.
　　[5]盧虎.基于DSP的以太網技術及其實現[D].西北工業大學碩士學位論文,2003.