摘 要：本文介紹了具有工業(yè)以太網(wǎng)接口的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。提出了雙CPU結(jié)構(gòu)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)字信號處理器TMS320VC5402作為主CPU，用于以太網(wǎng)接口的控制管理，以及定時向上位計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，同時讀取下位數(shù)字信號處理器采集的數(shù)據(jù)。數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A作為從CPU，用于鍵盤、顯示的控制，開關(guān)量、脈沖量、電網(wǎng)頻率、模擬量等數(shù)據(jù)的采集以及模擬量和繼電器的輸出控制。系統(tǒng)軟件支持MAC, TCP/IP等協(xié)議規(guī)范，從而實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。給出了數(shù)字信號處理器TMS320VC5402與以太網(wǎng)控制器RTL8019AS的硬件設(shè)計及嵌入式TCP/IP協(xié)議的匯編程序設(shè)計。 關(guān)鍵字：以太網(wǎng);監(jiān)控系統(tǒng);數(shù)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(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展，信息交換的領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場，建立以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息化系統(tǒng)已是一個趨勢。 　　目前應(yīng)用較多的變電站監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)場總線型結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)80年代產(chǎn)生和發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術(shù)，以全數(shù)字通信代替4～20mA電流的模擬傳輸方式，然而，現(xiàn)場總線技術(shù)在其發(fā)展過程中也存在許多不足，市場上的各種現(xiàn)場總線無法達(dá)成統(tǒng)一，相互之間不能兼容，與此相反，以以太網(wǎng)為代表的COTS（Commercial-Off-The-Shelf）信息網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)卻以其協(xié)議簡單、完全開放、穩(wěn)定性和可靠性好而獲得了全球的技術(shù)支持。與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?、易與Internet連接，能實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的信息無縫集成等優(yōu)點。 　　本文以TI公司的TMS320VC5402數(shù)字信號處理器和Realtek公司的以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019AS為核心，研制了一套網(wǎng)絡(luò)化的變電站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對變電站監(jiān)控管理的自動化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　變電站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用雙CUP結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，數(shù)字信號處理器TMS320VC5402作為主CPU，用于嵌入式以太網(wǎng)接口控制管理，主要用作通訊管理，定時向上位計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，同時讀取下位數(shù)字信號處理器采集的數(shù)據(jù)。數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A作為從CPU，用于管理監(jiān)控系統(tǒng)的鍵盤、顯示和開關(guān)量、脈沖量、電網(wǎng)頻率、模擬量等數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖[/align] 3 信號采集部分硬件電路設(shè)計 　　監(jiān)控系統(tǒng)主要是對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電參量顯示出來，通過以太網(wǎng)傳送到其它計算機。信號采集部分的采集信號有：經(jīng)過外部電壓和電流互感器轉(zhuǎn)化后的三相交流電壓和三相相電流;反映變電站線路狀態(tài)及保護(hù)運行的開關(guān)量;功率表脈沖量以及電網(wǎng)頻率。 　　信號采集部分設(shè)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(tài)RAM作為外部數(shù)據(jù)存儲空間和調(diào)試時程序空間的擴展，程序存儲器使用TMS320LF2407A內(nèi)部32K的FLASH，可編程邏輯器件MAX7128STC100-6用于集成外圍數(shù)字電路。鍵盤的4個按鍵信號輸入給MAX7128STC100-6，產(chǎn)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(yīng)采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)參數(shù)，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(jiān)控、看門狗定時器、數(shù)據(jù)存儲芯片X25045保存。對于開關(guān)量和脈沖量都用光耦進(jìn)行了隔離，隔離后的開關(guān)量和脈沖量信號經(jīng)過MAX7128STC100-6，送入TMS320LF2407A的外部I/O輸入端口。電網(wǎng)頻率是通過TMS320LF2407A的捕獲口CAP1硬件采樣的。為了實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程保護(hù)，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有經(jīng)過驅(qū)動的繼電器輸出端口。通過12位的A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換時序。系統(tǒng)擴展了D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)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(chǎn)生，而12位數(shù)據(jù)線也由MAX7128STC100-6緩沖，起到隔離作用。 4 通訊部分硬件電路設(shè)計 　　4.1 TMS320VC5402與TMS320LF2407A通訊接口設(shè)計 　　TMS320VC5402提供一種多通道緩沖串行口，該串行口可根據(jù)用戶的不同需要進(jìn)行配置，使用方便靈活，包括6個引腳，分別是串行數(shù)據(jù)發(fā)送信號BDX、串行數(shù)據(jù)接收信號BDR、發(fā)送串行時鐘信號BCLKX、接收串行時鐘信號BCLKR、發(fā)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(shè)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(fā)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(wǎng)接口電路設(shè)計 　　以太網(wǎng)接口管理、控制部分由TMS320VC5402、可編程邏輯器件XC95144XL、以太網(wǎng)控制器RTL8019AS、以太網(wǎng)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(chǎn)的一種高度集成的以太網(wǎng)控制器，它實現(xiàn)了以太網(wǎng)媒介訪問層（MAC）和物理層（PHY）的全部功能。 　　將JP管腳經(jīng)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?；刂返倪x擇通過IOS0～I(xiàn)OS3管腳確定，系統(tǒng)中將其全部接地，設(shè)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～I(xiàn)RQ2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(xiàn)）。 　　由于DSP無DMA控制器，因此將TL8019AS的端直接接地。 　　IOCS16B引腳用于數(shù)據(jù)寬度選擇，TMS320VC5402和RTL8019AS交換的數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)，RTL8019A具有32個I/O口，對它的操作如：接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、復(fù)位操作等都是通過這32個I/O口來進(jìn)行的，所以為了使它和DSP協(xié)調(diào)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(shù)據(jù)總線，分別接DSP的D15～0。 　　另外，將RTL8019AS的RSTDRV復(fù)位端接至DSP的一個輸出端口，以便于DSP對其復(fù)位;將引腳接高電平，屏蔽了遠(yuǎn)程自舉功能。 　　AUI管腳決定RTL8019AS與以太網(wǎng)連接是使用AUI還是BNC或者是UTP，UTP是現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。 [align=center] 圖3 以太網(wǎng)接口硬件連接原理圖[/align] 5 TMS320VC5402上的嵌入式TCP/IP協(xié)議的匯編程序設(shè)計 　　由于TMS320VC5402的資源有限，所以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議根據(jù)嵌入式應(yīng)用進(jìn)行了剪裁。本文完成了ARP、IP、UDP等部分協(xié)議，既能夠保證TMS320VC5402接入以太網(wǎng)，又使TMS320VC5402資源能夠滿足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的要求。 　　選擇聯(lián)合體結(jié)構(gòu)作為TMS320VC5402接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)，聯(lián)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(xié)議之間數(shù)據(jù)的傳遞，實質(zhì)上是數(shù)據(jù)指針在傳遞，而不是數(shù)據(jù)拷貝傳遞。在聯(lián)合體databuf中有四個結(jié)構(gòu)體成員：ethernetpkt、ippkt、udppkt、arppkt。分別對應(yīng)著以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀、IP協(xié)議、UDP協(xié)議、ARP協(xié)議的幀格式，這四個結(jié)構(gòu)體成員是按照它們各自協(xié)議的幀格式進(jìn)行定義的。 　　下面分四層介紹所完成的嵌入式TCP/IP協(xié)議。 　　物理層：在這層主要是完成RTL8019AS的復(fù)位，寄存器的初始化。并設(shè)置RTL8019AS的工作方式、中斷響應(yīng)、DMA通道接收緩沖區(qū)的地址等。 　　網(wǎng)絡(luò)層：這層主要是實現(xiàn)IP協(xié)議和ARP協(xié)議。當(dāng)TMS320VC5402接收到正確的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包以后，調(diào)用check_packet函數(shù)處理該數(shù)據(jù)包：如果是ARP請求，則發(fā)送一個ARP應(yīng)答;如果是ARP應(yīng)答，則把對方的IP地址和以太網(wǎng)地址放到ARP緩存中;如果是IP包，則調(diào)用IP處理模塊處理，接收數(shù)據(jù)。 　　傳輸層：如果IP數(shù)據(jù)報中的協(xié)議類型為17，則為UDP數(shù)據(jù)報。正確接收了數(shù)據(jù)后，就可以對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理了。在本文中，正確接收了一幀數(shù)據(jù)報后，會給PC機一個應(yīng)答信息，通知PC機已經(jīng)正確接收了數(shù)據(jù)報，可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。應(yīng)答信息的封裝首先調(diào)用create_udp_packet完成對應(yīng)答信息的UDP協(xié)議封裝，再調(diào)用create_ip_packet函數(shù)，這個函數(shù)完成了把封裝好的UDP數(shù)據(jù)報再封裝成IP數(shù)據(jù)報，最后調(diào)用send_packet函數(shù)完成發(fā)送。 　　應(yīng)用層：將從CPU TMS320LF2407發(fā)送來的數(shù)據(jù)以及語音信號數(shù)據(jù)傳送到TMS320VC5402 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)databuf中，應(yīng)用TCP/IP協(xié)議將其發(fā)送給PC機。將PC機發(fā)送來的數(shù)據(jù)傳送給TMS320VC5402。 6 結(jié)語 　　本文將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，利用以太網(wǎng)的開放性和兼容性以及其通訊協(xié)議簡單等優(yōu)點，成功地開發(fā)出了具有嵌入式以太網(wǎng)接口的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。將微控制器DSP和以太網(wǎng)接口組成的以太網(wǎng)控制器嵌入到變電站監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，在軟件上支持MAC, TCP/IP等協(xié)議規(guī)范，從而實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，具有通信線路簡單，可靠性高;網(wǎng)絡(luò)層次分明，可維護(hù)性能好;高速傳輸，實時性高等優(yōu)點。本文作者創(chuàng)新點在于設(shè)計并實現(xiàn)了具有以太網(wǎng)接口的變電站監(jiān)控系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn) 　　[1]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)備上的實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2002, 27（12）: 86-89 　　[3]楊鵬, 趙琦, 孔鑫, 陳玲玲. 工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展及其技術(shù)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(xié)議的單片機數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電測與儀表, 2003, 40（6）: 43-45