摘 要：本文介紹了具有工業以太網接口的變電站監控系統的設計與實現。提出了雙CPU結構的變電站監控系統，數字信號處理器TMS320VC5402作為主CPU，用于以太網接口的控制管理，以及定時向上位計算機發送數據，同時讀取下位數字信號處理器采集的數據。數字信號處理器TMS320LF2407A作為從CPU，用于鍵盤、顯示的控制，開關量、脈沖量、電網頻率、模擬量等數據的采集以及模擬量和繼電器的輸出控制。系統軟件支持MAC, TCP/IP等協議規范，從而實現了監控系統的網絡化。給出了數字信號處理器TMS320VC5402與以太網控制器RTL8019AS的硬件設計及嵌入式TCP/IP協議的匯編程序設計。 關鍵字：以太網;監控系統;數字信號處理器（DSP） Abstract: This paper introduces the design and realization of transformer substation monitoring system with industrial Ethernet interface. A new type of transformer substation monitoring system structure with double CPU is proposed. In this system, the digital signal processor （DSP） TMS320VC5402, as the master CPU, is used to control and manage the Ethernet interface. At the same time, it reads data gathered by the lower DSP and transmits those data to the host computer in a certain time. DSP TMS320LF2407A acts as the slave CPU which carries out following tasks: processing keyboard input information, controlling data display, gathering various data such as digital variables, pulse variables, power grid frequency and analog variables, and controlling the output of analog variables and relay. The system software supports MAC and TCP/IP protocols, so that the cyberization of monitoring system comes true. In addition, the hardware design between DSP TMS320VC5402 and Ethernet controller RTL8019AS and the software design of embedded TCP/IP is given in this paper. Keyword: Ethernet; monitoring system; digital signal processor （DSP） 1 引言 　　隨著計算機、通信、網絡等信息技術的發展，信息交換的領域已經覆蓋了工廠、企業乃至世界各地的市場，建立以工業控制網絡技術為基礎的企業信息化系統已是一個趨勢。 　　目前應用較多的變電站監控系統是現場總線型結構，20世紀80年代產生和發展起來的現場總線技術，以全數字通信代替4～20mA電流的模擬傳輸方式，然而，現場總線技術在其發展過程中也存在許多不足，市場上的各種現場總線無法達成統一，相互之間不能兼容，與此相反，以以太網為代表的COTS（Commercial-Off-The-Shelf）信息網絡通信技術卻以其協議簡單、完全開放、穩定性和可靠性好而獲得了全球的技術支持。與現場總線相比，以太網具有應用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、可持續發展潛力大、易與Internet連接，能實現辦公自動化網絡與工業控制網絡的信息無縫集成等優點。 　　本文以TI公司的TMS320VC5402數字信號處理器和Realtek公司的以太網控制器芯片RTL8019AS為核心，研制了一套網絡化的變電站監控系統，實現了對變電站監控管理的自動化、數字化和網絡化。 2 系統結構 　　變電站監控系統總體結構設計采用雙CUP結構，系統結構圖如圖1所示。系統采用主從結構，數字信號處理器TMS320VC5402作為主CPU，用于嵌入式以太網接口控制管理，主要用作通訊管理，定時向上位計算機發送數據，同時讀取下位數字信號處理器采集的數據。數字信號處理器TMS320LF2407A作為從CPU，用于管理監控系統的鍵盤、顯示和開關量、脈沖量、電網頻率、模擬量等數據采集，以及模擬量和繼電器輸出控制。TMS320VC5402與TMS320LF2407A之間采用串行通訊。 [align=center] 圖1 監控系統的結構圖[/align] 3 信號采集部分硬件電路設計 　　監控系統主要是對現場信號進行采集，并把它轉換成相應的電參量顯示出來，通過以太網傳送到其它計算機。信號采集部分的采集信號有：經過外部電壓和電流互感器轉化后的三相交流電壓和三相相電流;反映變電站線路狀態及保護運行的開關量;功率表脈沖量以及電網頻率。 　　信號采集部分設計采用TI公司的TMS320LF2407A作為嵌入式微處理器，選用ISSI公司的IS61LV6416低電壓、低功耗的高速靜態RAM作為外部數據存儲空間和調試時程序空間的擴展，程序存儲器使用TMS320LF2407A內部32K的FLASH，可編程邏輯器件MAX7128STC100-6用于集成外圍數字電路。鍵盤的4個按鍵信號輸入給MAX7128STC100-6，產生一個XINT1信號作為TMS320LF2407A的外部中斷輸入，同時將4個按鍵送入TMS320LF2407A的I/O口。采用液晶顯示模塊QPY-ENH6255顯示相應采集數據。系統參數，包括電壓互感器變比、電流互感器變比，由掉電非易失的電壓監控、看門狗定時器、數據存儲芯片X25045保存。對于開關量和脈沖量都用光耦進行了隔離，隔離后的開關量和脈沖量信號經過MAX7128STC100-6，送入TMS320LF2407A的外部I/O輸入端口。電網頻率是通過TMS320LF2407A的捕獲口CAP1硬件采樣的。為了實現對電力系統的遠程保護，監控系統設有經過驅動的繼電器輸出端口。通過12位的A/D轉換器AD1674完成對電壓、電流信號的采集，TMS320LF2407A的通用I/O口、MAX7128STC100-6用來控制AD1674采樣的讀寫和轉換時序。系統擴展了D/A轉換器，D/A轉換器采用MAXIM公司的12位D/A芯片MX7545，片選信號 、寫信號 通過MAX7128STC100-6譯碼產生，而12位數據線也由MAX7128STC100-6緩沖，起到隔離作用。 4 通訊部分硬件電路設計 　　4.1 TMS320VC5402與TMS320LF2407A通訊接口設計 　　TMS320VC5402提供一種多通道緩沖串行口，該串行口可根據用戶的不同需要進行配置，使用方便靈活，包括6個引腳，分別是串行數據發送信號BDX、串行數據接收信號BDR、發送串行時鐘信號BCLKX、接收串行時鐘信號BCLKR、發送幀同步信號BFSX和接收幀同步信號BFSR。 　　TMS320LF2407A具有帶4個引腳的串行外設接口（SPI）模塊，SPI是一個高速、同步串行I/O口，4個引腳分別是從動輸出/主動輸入SPISOMI、從動輸入/主動輸出SPISIMO、從動發送使能 、串行時鐘SPICLK。 　　TMS320VC5402為主控制器，而TMS320LF2407A為從控制器，通訊接口原理圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 TMS320VC5402與TMS320LF2407A通訊接口原理圖[/align] 　　4.2 以太網接口電路設計 　　以太網接口管理、控制部分由TMS320VC5402、可編程邏輯器件XC95144XL、以太網控制器RTL8019AS、以太網接口器件HR61101G以及RJ45接頭組成，其硬件連接原理圖如圖3所示。 　　RTL8019AS是臺灣Realtek公司生產的一種高度集成的以太網控制器，它實現了以太網媒介訪問層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。 　　將JP管腳經過一個10K電阻上拉接到5V電源上，從而使RTL8019工作于跳線模式。基地址的選擇通過IOS0～IOS3管腳確定，系統中將其全部接地，設置的基地址為300H，從而其地址范圍為0300H～031FH。這樣，既省去了EEPROM 93C46，又避免了跳線器更改資源配置的麻煩。將IRQ0～IRQ2接地，使RTL8019AS的INT0（IRQ2/9）為中斷輸出端，其它中斷輸出端無效，INT0通過反向器接到DSP的INT1（通過XC95144x1實現）。 　　由于DSP無DMA控制器，因此將TL8019AS的端直接接地。 　　IOCS16B引腳用于數據寬度選擇，TMS320VC5402和RTL8019AS交換的數據為16位寬，所以將其通過上拉電阻接5V電源。 　　IOCHRDY端口接DSP的READY端口，用以插入等待周期，解決DSP快速讀寫與慢速外設I/O之間的矛盾。 　　RTL8019AS的信號線通過TMS320VC5402的這三根線譯碼得到。 　　采用I/O方式與RTL8019AS交換數據，RTL8019A具有32個I/O口，對它的操作如：接收數據、發送數據、復位操作等都是通過這32個I/O口來進行的，所以為了使它和DSP協調工作，只需要5根地址線就足夠了，因此將RTL8019AS的A0～A4接到DSP地址線的低5位。SD15～0為16條數據總線，分別接DSP的D15～0。 　　另外，將RTL8019AS的RSTDRV復位端接至DSP的一個輸出端口，以便于DSP對其復位;將引腳接高電平，屏蔽了遠程自舉功能。 　　AUI管腳決定RTL8019AS與以太網連接是使用AUI還是BNC或者是UTP，UTP是現在廣泛使用的10Base-T雙絞線接口，AUI為低電平表示是BNC或是UTP接口，所以直接將其接地。 　　網絡接口的具體類型由PL0，PL1決定，將其接地，則選擇的是自動檢測模式，即RTL8019AS會自動檢測接口類型，如果是10Base-T電纜信號，則選擇接口類型為UTP，否則選擇接口類型為BNC。TRIN+、TRIN-接雙絞線的差分輸入端，TPOUT+、TPOUT-接雙絞線的差分輸出端。HR61101G是10BASE-T接口器件，起低通濾波和隔離變壓等作用。上述信號通過HR61101G中的傳輸變壓器接到RJ45接口，即接至以太網絡。 [align=center] 圖3 以太網接口硬件連接原理圖[/align] 5 TMS320VC5402上的嵌入式TCP/IP協議的匯編程序設計 　　由于TMS320VC5402的資源有限，所以網絡協議根據嵌入式應用進行了剪裁。本文完成了ARP、IP、UDP等部分協議，既能夠保證TMS320VC5402接入以太網，又使TMS320VC5402資源能夠滿足嵌入式系統應用的要求。 　　選擇聯合體結構作為TMS320VC5402接收和發送以太網數據包的緩沖區，聯合體允許大小和類型不同的定義臨時存儲在同一存儲器空間，這樣的好處是各層協議之間數據的傳遞，實質上是數據指針在傳遞，而不是數據拷貝傳遞。在聯合體databuf中有四個結構體成員：ethernetpkt、ippkt、udppkt、arppkt。分別對應著以太網數據幀、IP協議、UDP協議、ARP協議的幀格式，這四個結構體成員是按照它們各自協議的幀格式進行定義的。 　　下面分四層介紹所完成的嵌入式TCP/IP協議。 　　物理層：在這層主要是完成RTL8019AS的復位，寄存器的初始化。并設置RTL8019AS的工作方式、中斷響應、DMA通道接收緩沖區的地址等。 　　網絡層：這層主要是實現IP協議和ARP協議。當TMS320VC5402接收到正確的以太網數據包以后，調用check_packet函數處理該數據包：如果是ARP請求，則發送一個ARP應答;如果是ARP應答，則把對方的IP地址和以太網地址放到ARP緩存中;如果是IP包，則調用IP處理模塊處理，接收數據。 　　傳輸層：如果IP數據報中的協議類型為17，則為UDP數據報。正確接收了數據后，就可以對接收的數據進行處理了。在本文中，正確接收了一幀數據報后，會給PC機一個應答信息，通知PC機已經正確接收了數據報，可以繼續發送數據。應答信息的封裝首先調用create_udp_packet完成對應答信息的UDP協議封裝，再調用create_ip_packet函數，這個函數完成了把封裝好的UDP數據報再封裝成IP數據報，最后調用send_packet函數完成發送。 　　應用層：將從CPU TMS320LF2407發送來的數據以及語音信號數據傳送到TMS320VC5402 數據緩沖區databuf中，應用TCP/IP協議將其發送給PC機。將PC機發送來的數據傳送給TMS320VC5402。 6 結語 　　本文將以太網技術應用在變電站監控系統設計中，利用以太網的開放性和兼容性以及其通訊協議簡單等優點，成功地開發出了具有嵌入式以太網接口的變電站監控系統。將微控制器DSP和以太網接口組成的以太網控制器嵌入到變電站監控系統內，在軟件上支持MAC, TCP/IP等協議規范，從而實現監控系統的網絡化，具有通信線路簡單，可靠性高;網絡層次分明，可維護性能好;高速傳輸，實時性高等優點。本文作者創新點在于設計并實現了具有以太網接口的變電站監控系統。 參考文獻 　　[1]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上的實現[J].電力系統自動化, 2004, 28（3）: 74-76, 85 　　[2]曲延濱, 王建平等. 基于CAN總線和DSP的變電站監控系統[J]. 電力系統自動化, 2002, 27（12）: 86-89 　　[3]楊鵬, 趙琦, 孔鑫, 陳玲玲. 工業以太網的發展及其技術特點[J]. 微計算機信息, 2006, 22（2-1）: 32-33, 28 　　[4]劉康, 王宣銀. 嵌入式TCP/IP協議的單片機數據通信系統的設計與實現[J]. 電測與儀表, 2003, 40（6）: 43-45