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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。
智慧变电站：以太网接口的变电站监控系统
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。
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。
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）。
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。
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。
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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。