具有以太网接口的变电站监控系统设计

　　摘 要：本文介绍了具有工业以太网接口的变电站监控系统的设计与实现。提出了双CPU结构的变电站监控系统，数字信号处理器TMS320VC5402作为主CPU，用于以太网接口的控制管理，以及定时向上位计算机发送数据，同时读取下位数字信号处理器采集的数据。数字信号处理器TMS320LF2407A作为从CPU，用于键盘、显示的控制，开关量、脉冲量、电网频率、模拟量等数据的采集以及模拟量和继电器的输出控制。系统软件支持MAC, TCP/IP等协议规范，从而实现了监控系统的网络化。给出了数字信号处理器TMS320VC5402与以太网控制器RTL8019AS的硬件设计及嵌入式TCP/IP协议的汇编程序设计。

　　关键字：以太网;监控系统;数字信号处理器（DSP）

　　1 引言

　　随着计算机、通信、网络等信息技术的发展，信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统已是一个趋势。

　　目前应用较多的变电站监控系统是现场总线型结构，20世纪80年代产生和发展起来的现场总线技术，以全数字通信代替4～20mA电流的模拟传输方式，然而，现场总线技术在其发展过程中也存在许多不足，市场上的各种现场总线无法达成统一，相互之间不能兼容，与此相反，以以太网为代表的COTS（Commercial-Off-The-Shelf）信息网络通信技术却以其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持。与现场总线相比，以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、可持续发展潜力大、易与Internet连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成等优点。

　　本文以TI公司的TMS320VC5402数字信号处理器和Realtek公司的以太网控制器芯片RTL8019AS为核心，研制了一套网络化的变电站监控系统，实现了对变电站监控管理的自动化、数字化和网络化。

　　2 系统结构

　　变电站监控系统总体结构设计采用双CUP结构，系统结构图如图1所示。系统采用主从结构，数字信号处理器TMS320VC5402作为主CPU，用于嵌入式以太网接口控制管理，主要用作通讯管理，定时向上位计算机发送数据，同时读取下位数字信号处理器采集的数据。数字信号处理器TMS320LF2407A作为从CPU，用于管理监控系统的键盘、显示和开关量、脉冲量、电网频率、模拟量等数据采集，以及模拟量和继电器输出控制。TMS320VC5402与TMS320LF2407A之间采用串行通讯。

　　

　　图1 监控系统的结构图

　　3 信号采集部分硬件电路设计

　　监控系统主要是对现场信号进行采集，并把它转换成相应的电参量显示出来，通过以太网传送到其它计算机。信号采集部分的采集信号有：经过外部电压和电流互感器转化后的三相交流电压和三相相电流;反映变电站线路状态及保护运行的开关量;功率表脉冲量以及电网频率。

　　信号采集部分设计采用TI公司的TMS320LF2407A作为嵌入式微处理器，选用ISSI公司的IS61LV6416低电压、低功耗的高速静态RAM作为外部数据存储空间和调试时程序空间的扩展，程序存储器使用TMS320LF2407A内部32K的FLASH，可编程逻辑器件MAX7128STC100-6用于集成外围数字电路。键盘的4个按键信号输入给MAX7128STC100-6，产生一个XINT1信号作为TMS320LF2407A的外部中断输入，同时将4个按键送入TMS320LF2407A的I/O口。采用液晶显示模块QPY-ENH6255显示相应采集数据。系统参数，包括电压互感器变比、电流互感器变比，由掉电非易失的电压监控、看门狗定时器、数据存储芯片X25045保存。对于开关量和脉冲量都用光耦进行了隔离，隔离后的开关量和脉冲量信号经过MAX7128STC100-6，送入TMS320LF2407A的外部I/O输入端口。电网频率是通过TMS320LF2407A的捕获口CAP1硬件采样的。为了实现对电力系统的远程保护，监控系统设有经过驱动的继电器输出端口。通过12位的A/D转换器AD1674完成对电压、电流信号的采集，TMS320LF2407A的通用I/O口、MAX7128STC100-6用来控制AD1674采样的读写和转换时序。系统扩展了D/A转换器，D/A转换器采用MAXIM公司的12位D/A芯片MX7545，片选信号 、写信号 通过MAX7128STC100-6译码产生，而12位数据线也由MAX7128STC100-6缓冲，起到隔离作用。

　　4 通讯部分硬件电路设计

　　4.1 TMS320VC5402与TMS320LF2407A通讯接口设计

　　TMS320VC5402提供一种多通道缓冲串行口，该串行口可根据用户的不同需要进行配置，使用方便灵活，包括6个引脚，分别是串行数据发送信号BDX、串行数据接收信号BDR、发送串行时钟信号BCLKX、接收串行时钟信号BCLKR、发送帧同步信号BFSX和接收帧同步信号BFSR。

　　TMS320LF2407A具有带4个引脚的串行外设接口（SPI）模块，SPI是一个高速、同步串行I/O口，4个引脚分别是从动输出/主动输入SPISOMI、从动输入/主动输出SPISIMO、从动发送使能 、串行时钟SPICLK。

　　TMS320VC5402为主控制器，而TMS320LF2407A为从控制器，通讯接口原理图如图2所示。

　　

　　图2 TMS320VC5402与TMS320LF2407A通讯接口原理图

　　4.2 以太网接口电路设计

　　以太网接口管理、控制部分由TMS320VC5402、可编程逻辑器件XC95144XL、以太网控制器RTL8019AS、以太网接口器件HR61101G以及RJ45接头组成，其硬件连接原理图如图3所示。

　　RTL8019AS是台湾Realtek公司生产的一种高度集成的以太网控制器，它实现了以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的全部功能。

　　将JP管脚经过一个10K电阻上拉接到5V电源上，从而使RTL8019工作于跳线模式。基地址的选择通过IOS0～IOS3管脚确定，系统中将其全部接地，设置的基地址为300H，从而其地址范围为0300H～031FH。这样，既省去了EEPROM 93C46，又避免了跳线器更改资源配置的麻烦。将IRQ0～IRQ2接地，使RTL8019AS的INT0（IRQ2/9）为中断输出端，其它中断输出端无效，INT0通过反向器接到DSP的INT1（通过XC95144x1实现）。

　　由于DSP无DMA控制器，因此将TL8019AS的端直接接地。

　　IOCS16B引脚用于数据宽度选择，TMS320VC5402和RTL8019AS交换的数据为16位宽，所以将其通过上拉电阻接5V电源。

　　IOCHRDY端口接DSP的READY端口，用以插入等待周期，解决DSP快速读写与慢速外设I/O之间的矛盾。

　　RTL8019AS的信号线通过TMS320VC5402的这三根线译码得到。

　　采用I/O方式与RTL8019AS交换数据，RTL8019A具有32个I/O口，对它的操作如：接收数据、发送数据、复位操作等都是通过这32个I/O口来进行的，所以为了使它和DSP协调工作，只需要5根地址线就足够了，因此将RTL8019AS的A0～A4接到DSP地址线的低5位。SD15～0为16条数据总线，分别接DSP的D15～0。

　　另外，将RTL8019AS的RSTDRV复位端接至DSP的一个输出端口，以便于DSP对其复位;将引脚接高电平，屏蔽了远程自举功能。

　　AUI管脚决定RTL8019AS与以太网连接是使用AUI还是BNC或者是UTP，UTP是现在广泛使用的10Base-T双绞线接口，AUI为低电平表示是BNC或是UTP接口，所以直接将其接地。

　　网络接口的具体类型由PL0，PL1决定，将其接地，则选择的是自动检测模式，即RTL8019AS会自动检测接口类型，如果是10Base-T电缆信号，则选择接口类型为UTP，否则选择接口类型为BNC。TRIN+、TRIN-接双绞线的差分输入端，TPOUT+、TPOUT-接双绞线的差分输出端。HR61101G是10BASE-T接口器件，起低通滤波和隔离变压等作用。上述信号通过HR61101G中的传输变压器接到RJ45接口，即接至以太网络。

　　

　　图3 以太网接口硬件连接原理图

　　5 TMS320VC5402上的嵌入式TCP/IP协议的汇编程序设计

　　由于TMS320VC5402的资源有限，所以网络协议根据嵌入式应用进行了剪裁。本文完成了ARP、IP、UDP等部分协议，既能够保证TMS320VC5402接入以太网，又使TMS320VC5402资源能够满足嵌入式系统应用的要求。

　　选择联合体结构作为TMS320VC5402接收和发送以太网数据包的缓冲区，联合体允许大小和类型不同的定义临时存储在同一存储器空间，这样的好处是各层协议之间数据的传递，实质上是数据指针在传递，而不是数据拷贝传递。在联合体databuf中有四个结构体成员：ethernetpkt、ippkt、udppkt、arppkt。分别对应着以太网数据帧、IP协议、UDP协议、ARP协议的帧格式，这四个结构体成员是按照它们各自协议的帧格式进行定义的。

　　下面分四层介绍所完成的嵌入式TCP/IP协议。

　　物理层：在这层主要是完成RTL8019AS的复位，寄存器的初始化。并设置RTL8019AS的工作方式、中断响应、DMA通道接收缓冲区的地址等。

　　网络层：这层主要是实现IP协议和ARP协议。当TMS320VC5402接收到正确的以太网数据包以后，调用check_packet函数处理该数据包：如果是ARP请求，则发送一个ARP应答;如果是ARP应答，则把对方的IP地址和以太网地址放到ARP缓存中;如果是IP包，则调用IP处理模块处理，接收数据。

　　传输层：如果IP数据报中的协议类型为17，则为UDP数据报。正确接收了数据后，就可以对接收的数据进行处理了。在本文中，正确接收了一帧数据报后，会给PC机一个应答信息，通知PC机已经正确接收了数据报，可以继续发送数据。应答信息的封装首先调用create_udp_packet完成对应答信息的UDP协议封装，再调用create_ip_packet函数，这个函数完成了把封装好的UDP数据报再封装成IP数据报，最后调用send_packet函数完成发送。

　　应用层：将从CPU TMS320LF2407发送来的数据以及语音信号数据传送到TMS320VC5402 数据缓冲区databuf中，应用TCP/IP协议将其发送给PC机。将PC机发送来的数据传送给TMS320VC5402。

　　6 结语

　　本文将以太网技术应用在变电站监控系统设计中，利用以太网的开放性和兼容性以及其通讯协议简单等优点，成功地开发出了具有嵌入式以太网接口的变电站监控系统。将微控制器DSP和以太网接口组成的以太网控制器嵌入到变电站监控系统内，在软件上支持MAC, TCP/IP等协议规范，从而实现监控系统的网络化，具有通信线路简单，可靠性高;网络层次分明，可维护性能好;高速传输，实时性高等优点。本文作者创新点在于设计并实现了具有以太网接口的变电站监控系统。