隨著變電站自動化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的逐步應(yīng)用，勢必要求變電站中各二次設(shè)備逐步實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。微機繼電保護裝置作為變電站重要的二次設(shè)備，對其通信系統(tǒng)提出了很高的要求。本文根據(jù)微機保護通信系統(tǒng)的要求，設(shè)計了由以太網(wǎng)與串行通信相結(jié)合的通信系統(tǒng)，闡述了通信系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，完成了相關(guān)驅(qū)動程序與通信功能軟件的編寫。

　　《長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報》是經(jīng)中華人民共和國新聞出版署批準(zhǔn)、國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性季刊。標(biāo)準(zhǔn)刊號為:ISSN1671-9581(國際標(biāo)準(zhǔn)刊號)CN43-1395/Z(國內(nèi)統(tǒng)一刊號)。主要反映校內(nèi)外學(xué)者在社會科學(xué)、自然科學(xué)各個領(lǐng)域的最新學(xué)術(shù)動態(tài)、研究成果,來稿應(yīng)具有一定的學(xué)術(shù)水平、理論深度或?qū)嵱脙r值。

　　一、引言

　　變電站自動化技術(shù)經(jīng)過10多年的發(fā)展已經(jīng)達到很高的水平，在我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造與建設(shè)中不僅中低壓變電站采用了自動化技術(shù)實現(xiàn)無人值班。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以太網(wǎng)具有良好的開發(fā)性、穩(wěn)定性、易維護性、傳輸速度快、價格低廉、易于實現(xiàn)與上層管理信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。因而，在微機保護中可采用以太網(wǎng)構(gòu)建通信系統(tǒng)，同時，為了兼顧傳統(tǒng)的通信模式，設(shè)計中仍然保留了串行通信接口。本文以串行通信與以太網(wǎng)通信相結(jié)合的通信系統(tǒng)為出發(fā)點，就相關(guān)問題進行闡述。

　　二、硬件構(gòu)成

　　(一)、串行通信接口

　　裝置中，考慮到需要處理的數(shù)據(jù)較多，數(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)中沒有集成通用異步接收發(fā)送器(UART)，所以當(dāng)保護系統(tǒng)與廠站局域網(wǎng)、遠方調(diào)度進行數(shù)據(jù)通信。本裝置采用的通用異步接收發(fā)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(shù)據(jù)傳輸速率可達1.5Mb/s，且接收器與發(fā)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(shè)置了兩個串行通信口，其中串口1固定為RS-232，在實際應(yīng)用中用來實現(xiàn)串口打印實時數(shù)據(jù)和各種參數(shù)，串口2可以通過跳線選擇為RS-232或RS-485模式，用來組網(wǎng)通信。裝置中的CPLD芯片主要是用來產(chǎn)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(wǎng)接口

　　在裝置中選擇好DSP芯片和網(wǎng)絡(luò)芯片之后，關(guān)鍵在于DSP處理器與網(wǎng)卡控制芯片之間的接口設(shè)計。基于DSP與RTL8019AS組成的以太網(wǎng)，DSP主處理器與網(wǎng)卡之間的接口主要實現(xiàn)的功能有：

　　1、主處理器通過接口電路對網(wǎng)卡芯片進行控制,包括對網(wǎng)卡的邏輯控制、讀寫控制、復(fù)位等;

　　2、主處理器與網(wǎng)卡之間的數(shù)據(jù)交換,DSP通過接口電路對網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)進行讀取,將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)卡緩存。

　　三、通信功能的軟件實現(xiàn)

　　(一)、串行通信的軟件設(shè)計

　　對于通用異步接收發(fā)送器(UART)TL16C752的驅(qū)動程序設(shè)計，就是對與DSP芯片通信相關(guān)的內(nèi)部寄存器進行操作，下面就簡要介紹一下相關(guān)的寄存器的情況與設(shè)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?dāng)?shù)據(jù)格式，LCR是一個8位的寄存器。在本系統(tǒng)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(gòu)成一個16位的波特率因子寄存器。在TL16C752的內(nèi)部具有波特率發(fā)生器,產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)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(zhǔn)時鐘頻率/(16×波特率)

　　在本系統(tǒng)中，我們采用的基準(zhǔn)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(shè)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(shè)置FIFO的允許/禁止、清除FIFO、設(shè)置接收FIFO的觸發(fā)級別和選擇DMA模式。先將FIFO的d0寫1，以使能接收與發(fā)送FIFO;將它的d0d1全寫1，用于復(fù)位接收與發(fā)送FIFO;將d6d7兩位寫1，設(shè)置接收器FIFO中斷的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為60characters。

　　2、通信的軟件設(shè)計

　　除了發(fā)送接收程序段在定時器中斷中執(zhí)行以保證穩(wěn)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(huán)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(jiān)控系統(tǒng)與保護系統(tǒng)之間采用主從方式進行通訊，因而保護系統(tǒng)總是被動接收指令，即始終為從動站。保護系統(tǒng)的通訊模塊在完成初始化工作后隨即進入接收狀態(tài)。當(dāng)通訊接口收到完整的鏈路規(guī)約數(shù)據(jù)單元(LPDU)時將對其進行校錯，出錯丟棄這個數(shù)據(jù)單元。

　　(二)、以太網(wǎng)通信的軟件設(shè)計

　　通過對DSP編程,來實現(xiàn)RTL8019AS初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接受數(shù)據(jù)，嵌入式TCP/IP協(xié)議等功能，在處理數(shù)據(jù)步驟之前，還需要對網(wǎng)絡(luò)控制器進行必要的檢測、復(fù)位和初始化。網(wǎng)絡(luò)接口通過2個DMA操作來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。本地DMA完成RTL8019AS與其內(nèi)部FIFO隊列之間的數(shù)據(jù)傳送，遠程DMA完成RTL8019AS與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。

　　1、RTL8019AS的初始化

　　要進行網(wǎng)絡(luò)通信就必須對網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)通信的一些重要參數(shù)。

　　2、數(shù)據(jù)的收發(fā)

　　通過對地址及數(shù)據(jù)口的讀寫來完成以太網(wǎng)幀的接收與發(fā)送。要接收或發(fā)送數(shù)據(jù)包就必須讀寫網(wǎng)絡(luò)控制卡RTL8019AS內(nèi)部的16KB的RAM，必須通過DMA進行讀和寫，網(wǎng)絡(luò)接口通過2個DMA操作來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

　　(1)、數(shù)據(jù)包的發(fā)送

　　數(shù)據(jù)包的接收大體包括三個步驟：數(shù)據(jù)包的封裝，通過遠程DMA將數(shù)據(jù)包送到數(shù)據(jù)發(fā)送緩存區(qū)，通過RTL8019AS的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO進行發(fā)送。下面講述發(fā)送的具體操作：

　　首先，數(shù)據(jù)包在發(fā)送前按規(guī)定的格式封裝好，在封裝時我們采用的是一個標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)物理傳輸幀格式。

　　其次，把按以太網(wǎng)幀格式封裝好的數(shù)據(jù)包通過遠程DMA寫入RTL8019AS的數(shù)據(jù)發(fā)送緩存區(qū)。

　　最后，啟動本地DMA將緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。即待發(fā)送的數(shù)據(jù)包存入芯片RAM后，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長度(寫入TPSR、TBCR0,1)，然后啟動發(fā)送命令(CR=0x3E)即可實現(xiàn)8019AS發(fā)送功能。8019AS芯片會自動按以太網(wǎng)協(xié)議完成發(fā)送并將結(jié)果寫入狀態(tài)寄存器。

　　(2)、數(shù)據(jù)包的接收

　　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的接收過程和數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程剛好相反。首先是將網(wǎng)絡(luò)上的電信號變成數(shù)據(jù)存入芯片的接收緩存中，然后主機設(shè)置好遠端DMA開始地址(RSAR0,1)和遠端DMA數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(RBCR0,1)，并在CR中設(shè)置"寫數(shù)據(jù)"，從遠端DMA口寄存器里把數(shù)據(jù)從芯片RAM讀到系統(tǒng)RAM中。接收緩沖區(qū)構(gòu)成一個循環(huán)FIFO隊列，PSTART、PSTOP兩個寄存器限定了循環(huán)隊列的開始和結(jié)束頁，這兩個寄存器的設(shè)置是在以太網(wǎng)控制芯片的初始化中完成的。

　　3、嵌入式TCP/IP協(xié)議選擇

　　TCP/IP協(xié)議實質(zhì)上是一系列協(xié)議的總稱，TCP/IP協(xié)議是一組不同層次上的多個協(xié)議的組合,包含十幾個協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹的以太網(wǎng)接口是專門為繼電保護而設(shè)計的，不要求實現(xiàn)所有的TCP/IP協(xié)議，所以選擇的嵌入式TCP/IP是對TCP/IP協(xié)議族進行選擇并簡化而形成的協(xié)議集合。

　　(1)鏈路層中實現(xiàn)了ARP(地址解析)協(xié)議。它主要是將32位的IP地址動態(tài)地映射為48位的以太網(wǎng)地址，從而保證網(wǎng)絡(luò)的正確傳輸。另外，在設(shè)計中把IP地址存儲于本地存儲器中，不必從其他服務(wù)器得到IP地址，這樣就無需實現(xiàn)RARP(逆地址解析)協(xié)議。

　　(2)在網(wǎng)絡(luò)層中主要實現(xiàn)了IP(網(wǎng)際)協(xié)議和ICMP(網(wǎng)絡(luò)控制報文)協(xié)議。IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇中最核心的協(xié)議，它提供無連接的數(shù)據(jù)報傳送服務(wù)，所有上層協(xié)議都要以IP數(shù)據(jù)包格式傳輸。

　　(3)在運輸層實現(xiàn)了UDP(用戶數(shù)據(jù)報)協(xié)議。運輸層中包括兩種不同的協(xié)議：TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)。TCP是一種面向連接的、可靠的傳輸層協(xié)議，但其時延難以把握，不利于實時數(shù)據(jù)的傳輸;UDP協(xié)議是一種不面向連接的協(xié)議，它只是簡單地把數(shù)據(jù)報從一臺主機發(fā)送到另一臺主機，但并不保證該數(shù)據(jù)報能到達另一端,可靠性必須由應(yīng)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(jié)點。因此，在微機保護裝置中考慮快速性的要求，選擇了UDP協(xié)議。

　　四、結(jié)束語

　　本文介紹了微機保護的一種通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信與串行通信相結(jié)合的方式構(gòu)成。文章設(shè)計了通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、編寫了驅(qū)動程序與功能軟件。設(shè)計的通信系統(tǒng)不僅可以滿足以太網(wǎng)組網(wǎng)的要求，也可以兼容傳統(tǒng)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(xí)偉.新型高壓線路保護裝置的管理與通訊系統(tǒng)的研究[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003.

　　[2]李正天.新型發(fā)電機保護裝置及其通信系統(tǒng)的研究[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

　　[3]吳在軍,胡敏強,杜炎森.嵌入式以太網(wǎng)在變電站通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(1):71-75.

　　[4]楊剛,楊仁剛,郭喜慶.嵌入式以太網(wǎng)在變電站自動化系統(tǒng)智能化電氣設(shè)備的實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(3):74-77.

　　[5]盧虎.基于DSP的以太網(wǎng)技術(shù)及其實現(xiàn)[D].西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003.