（电力电子与电力传动专业论文）分布式测控系统通信管理机的研制.pdf

西j t 工业大学硕士论文分布式捌控系统通信管理机的研制 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ej n t e l l e c t u a lc o n t r o 】u n i t s w h i c ha r ea tt h ef i e l do f t h eg r o u n dl a y e ro ft h em e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e d i s p a t c h e ro fr e m o t ep l a c e ，t o g e t h e rw i t ht h ef i e l dm o n i t o r i n g ，a n dd e v e l o p st h e d e v i c eo ft h ec o m m u n i c a t i o no ft h i s g r a d e - - t h ed i s t r i b u t e dm e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e m a t i cc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tm a c h i n e f i r s to f a l l ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lc u r r e n ts i t u a t i o n o ft h e p o w e rs y s t e m ，a n de x p o u n d s t h e m e a n i n go ft h ed e v e l o p m e n t o ft h e c o m m u n i c a t i o n m a n a g e m e n tm a c h i n e ，a n d a n a l y s e s t h ef u n c t i o n st h a tt h e m a n a g e m e n tm a c h i n es h o u l dh a v e t h e n ，t h ep a p e rp r o v i d e st h ep l a no f d e s i g nb a s e d o nt m s 3 2 0 c 3 2d s pi nt h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tm a c h i n e ，i n c l u d i n gt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe v e r ym o d u l e ，a n a l y s e sa n di n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f e v e r ym o d u l ec i r c u i ta n di m p r o v e st h ew a y so fe n h a n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m t h e na n a l y s e sa n dc a l c u l a t e st h eh a r d w a r ec i r c u i tt oe a c hc i r c u i tm o d u l e t h ep a r to ft h es o f t w a r ei n t r o d u c e st h ed e t a i l e do n et o e v e r ys o f t w a r em o d u l e ， e s p e c i a l l yt h ec o n v e r s i o no ft w op r o t o c o l s s e v e r a lm e t h o d so fd o w n l o a do ft h e a p p l i c a t i o np r o g r a m sa r eg i v e ni nt h el a s ta n dt h et e c h n o l o g yo fp r o g r a m m i n gt h e f l a s h m e m o r y i ns y s t e mi se x p l a i n e d p a r t i c u l a r l y k e y w o r d s ：t h em a n a g e m e n tm a c h i n eo f p o w e r c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lc o n v e r s i o n c 3 2 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) d o w n l o a d o f p r o g r a m s i i 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 第一章绪论 一、分布式测控系统通信管理机研究的目的与意义 电子技术、计算机技术和可靠性技术的不断发展为计算机测控系统在电力 系统实时控制、继电保护中的应用提供了可能；另一方面，经济的发展，工人 工资的增加和地价的上涨为变电站减少占地面积，实现无人值班或准无人值班 提出了客观需要。正是在这种情况下，变电站综合自动化系统才得以发展和应 用。 电力管理系统在电力系统中起着非常重要的枢纽控制的作用，而且随着电 力系统的发展这种作用越来越重要。首先，一次系统的运行直接受控于电力管 理系统。具体的说，电力系统的电能生产设备各发电机，如何运行，运行状 态直接由他们的励磁调节装置决定。宏观上讲，电力生产部门生产多少电力， 可以送出多少电力都由调度等决策部门决定。而无论是各励磁调节装置还是调 度系统都是我们所说的电力管理系统的一部分。其次，电力管理系统中的各保 护装置对于电力系统的安全运行起着决定作用。对于电力系统来说，安全是第 一位的，安全得不到保障，出现各种事故不仅给电力系统造成损失，而且会给 其他部门带来连锁反应，我们难以想象一个区域电力供应的瘫痪会造成什么样 的后果。最后，电力系统的高级管理区域级能量调度调节着电力资源的合理 利用，使其产生最大效益。由于电力资源是不可保存资源，实时生产的电力必 须被即时消费，所以如何将这些电能分配到最需要的地方去，也是一个至关重 要的问题，关系到电力系统的整体效益，而且有时甚至还会因为调度不合理而 影响到整个系统的安全可靠性。 由此可以看出，电力管理系统对于电力系统非常重要。提高整个电力系统 的效率，提高整个电力系统的自动化水平，最重要的是提高电力管理系统的自 动化水平。 在变电站综合自动化电力管理系统中，通信管理机用于收集各测量、继电 保护下位机( 或称前端机) 的数据，对它们进行处理后传送到上位机监控系统 ( s c a d a ) 并通过r t u 送到远方调度控制中心，同时也把s c a d a 和r t u 的命令、数 西北工业大学硕士论文分布式女4 控系统通信管理极的研制 据等分发给各下位机。因此，通信管理机主要起到上下联络的作用，联络过程 中要完成有关的数据处理、通信规约的转换等。 二、国内外研究背景简介 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技 术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。在 继电保护领域，计算机技术和通信技术( 含g p s ) 的发展，带动了信息产业，导 致了信息时代的到来，已是人所尽知的了。对于电力行业而言，还不可忽视数 字信号处理( d s p ) 技术的发展，特别是d s p 对继电保护技术发展的影响。 国外的代表产品有s e l 公司的s e l 2 0 2 0 通信处理机，它是对变电所通信和 综合自动化的一个突破。它将多端口通信、数据库处理、非丢失性存储器、时 间产生和同步、报警监视及辅助控制集成在一个便携的、功能强大的、经济的、 使用方便的、坚固的通信处理设备中。它的主要特点是除过常规的r s 4 8 5 、r s 2 3 2 通信外，还有工业以太网以及内置m o d e m 。另外的特点是转换的规约种类多，第 三个特点是具有多条线路的并发通信，且可以以不同的通信速率运行。 国内代表产品是国电南京自动化股份有限公司的p s x 6 0 0 通信服务器，共有 1 0 路串行口，除具有工业以太网外，其他尚达不到国外产品的水平。 三、本文研究的内容 为迎接新世纪的挑战，世界各国从事电力工业的技术人员正在积极地研制 新一代电力设备，国外一些知名的电力设备公司已经推出了他们的新产品。在 我国，随着市场经济和科学技术的进一步发展，使得对传统电力工业的技术改 造势在必行，也为配电自动化技术的发展提出了许多新的课题。本文将对目前 国内配电自动化通信技术的几个发展趋势做出探索性的应用研究，并在此基础 上研制出相应的配电自动化测控系统通信管理机的样机。本文介绍的主要内容 以及笔者的主要研究工作如下所述： 1 通信管理机的硬件设计与调试，硬件主要包括以下模块： 1 ) 电源模块：负责给整个装置提供工作电压。 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 2 ) 处理器模块：使用t m s 3 2 0 c 3 2 d s p 。该款d s p 的突出特点是计算能力强、精 度高、总线速度快、吞吐量大，尤其是采用专用硬件实现定点和浮点加乘运 算等的并行指令，速度非常快。将数字信号处理器应用于测控装置的通信， 不但可以完成数据采集、信号处理的功能，还可以完成以往主要由c p u 完成 的运算功能。 3 ) 开关量输入处理模块：即接点状态( 接通或断开) 的输入，包括安装在装置 面板上的接点和从装置外部经过端子排引入装置的接点。本装置设计了8 路。 4 ) 控制量输出模块：主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等。一般 都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器( 弹簧或密封小中间继电器) 的方法。本装置设计了4 路，其中2 路采用磁保持继电器，2 路采用普通继 电器。 5 ) 数据通信模块：该模块完成管理机与单元之间的通信以及管理机与上位机 之间的数据通信任务。装置采用通信扩展模块，管理机的数据通信模块将提 供r s 2 3 2 总线，r s 4 8 5 总线，r s 4 2 2 总线以及c a n 现场总线及其各种接口， 以满足系统对多种通信方式的需求。 6 ) 人机接口模块：该模块包括控制键盘，以及显示灯等，用于显示与手动控 制。 2 通信管理机的软件设计与调试 1 ) 数据采集模块：主要完成通信数据的接收与存储。 2 ) 通信任务模块：完成对上位机和对下位机的通信以及数据处理，包括： a 按照测控单元规约完成测控单元与上位机的通信转接； b 中央信号功能； c 采用本机时钟的对时功能； d 测控单元规约与c d t 规约的转换。 3 ) 控制输入输出模块：主要完成对开入量以及开出量的控制。 4 ) 人机交互模块：负责人机接口等方面的任务。 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 第二章需求分析与设计方案 第一节系统的配置分析 随着电力自动化改造的深入，电力系统的二次保护广泛采用微机式继电保 护，各种各样的微机继电保护装置，控制装置在完成现场保护和控制的功能的 同时，还由于诸如某些保护和调度算法的原因而要求其他装置的数据，以及当 地中心监控要求得到各智能装置的各种测量量，状态量等数据的原因，在变电 站现场各智能装置之间以及各智能单元与监控中心之间存在着大量的通信。这 一级通信由于在现场，干扰比较大，同时涉及控制，要求实时性高，准确性高， 但是这一级的数据流量不大，要求通信速率不高，根据这些特点这一级通信通 常采用工业控制中常用的r s 一2 3 2 ，r s 一4 2 2 总线来实现。 现场总线，由于具有这样许多优点，抗干扰性强，通信速率高，开放性好， 现场设备的功能自治性强，采用现场总线的系统具有的互可操作性以及对环境 的适应性等，被广泛推崇，甚至有人说，二十一世纪是现场总线的世纪。所以， 现场总线应该考虑，但是同样现场总线也种类繁多，由于c a n 总线具有可靠性 高、抗干扰能力强的优点，所以这里我们考虑使用c a n 总线。 就通信规约来讲，这一级采用的规约最为繁多，既有通用性很强，功能全 面的国际和国家标准，如m o d i b u s ，d n p ，c d t 。也有相对比较简单，容易在嵌入 式系统中实现的各个公司的内部规约。基于工作以及时间的考虑，本系统采用 了两种规约，c d t 以及一种公司内部的规约。 现场应用中，开关量输入信号包括断路器的位置、外部跳闸控制、外部状 态信号如瓦斯信号、油温信号等多路信号。为便于系统处理，一般设置系统采 集外部8 路开关量输入信号就足以满足实际的需要。 为了方便值班人员检查与管理，信号灯、警笛等显示装置是必不可少的。 所以设置了4 路的输出信号，分别通过继电器来控制信号灯、警笛等装置，来 指示某个事件的发生，使值班人员能尽快做出正确的处理措施。 以往的单元中，往往采用软时钟的实现方案，亦即用c p u 来模拟系统的实 时时钟，但是在系统掉电或者程序跑飞时，时间就可能紊乱，再次启动后，必 须有人或者系统的干预，才能正常，所以系统必须有自己的带保持能力的实时 4 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 时钟。本次设计中采用并行接口带保持能力的实时时钟，用它作为系统的时钟 再用系统软件加以细化。 经过以上的分析，我们就可以根据本系统的配置需求来确定设计方案了。 第二节通信管理机单元设计方案 一、通信管理机在变电站综合自动化系统中的结构 一般而言，变电站综合自动化系统通常采用图2 1 结构，如下图所示。从 图中我们可以看出，通信管理机在变电站综合自动化起着承上启下的重要作用。 图2 1变电站综合自动化系统结构框图 二、通信管理机硬件方案设计 由第一节中对系统配置以及需求的分析我们可以做出以下的设计方案： 1 系统主控制器选用高速信号处理器件d s p ( 数字信号处理器) t m s 3 2 0 c 3 2 来控制。 2 单元配置如下：上传接口5 个，2 路r s 4 2 2 4 8 5 ，2 路r s 2 3 2 ，1 路c a n 。 测控单元接口4 个：4 路r s 4 2 2 4 8 5 ( 通过跳线变换) 。 3 系统扩充的逻辑和时序电路用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 实现。 西北工业大学硕士论文 分布式测控系统通信管理机的研制 4 设计丰富的系统资源。包括大容量的程序存储器，大容量的数据存储器， 以及大容量的掉电不丢失数据存储器。 单元硬件结构图如图2 2 所示。 图2 2系统硬件结构框图 三、通信管理机软件方案设计 根据模块化、结构化设计思想，单元的软件部分可分成以下几个具有不同 功能的模块： 1 主程序模块：完成对各个数据缓冲区的初始化以及启动对上和对下扫描。 2 系统初始化模块：完成对系统各个通道的初始化以及对定时器的设置。 3 数据通信处理模块：包括对下位机与上位机的数据的接收与发送，以及 打包和处理。 4 规约转换模块：完成对思源规约以及c d t 规约的处理。 5 开关量输入与输出的处理模块：完成对开入量的处理，以及对继电器输 出的控制。 6 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 系统软件的结构框图如图2 3 所示，数据结构采用实时数据库，各模块关 系如下图所示： 图2 - 3系统软件结构框图 程序的基本流程分为主程序流程和中断处理程序流程。主程序流程如图2 4 所示，主要完成系统的初始化，然后执行扫描下位机的任务，等待中断。中断 处理程序主要完成上位机与下位机通信数据的发送和接收，以及打包和处理。 主程序入口 图2 4主程序流程图 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 第三章通信管理机的硬件实现 本章描述了通信管理机的具体的硬件设计，分析了设计的方案，给出了重 要部分的硬件原理图。 第一节处理器模块 一、c 3 2 及其外围电路 t m s 3 2 0 c 3 2 是t i 公司推出的第三代数字信号处理器，也是第一代浮点d s p 芯片，它是t m s 3 2 0 c 3 1 的简化和改进型。现简单介绍如下： 1 t m s 3 2 0 c 3 2d s p 的主要特点 超高速的处理能力：6 0 m f l o p s ，3 0 m i p s 5 1 2x3 2 位单周期一双获取片上r a m 6 4 3 2 位指令缓存 3 2 位指令和数据，2 4 位地址 1 6 3 2 位定点和3 2 4 0 位浮点运算 灵活的程序加载器 八个扩展精度辅助寄存器( 累加器) 双地址产生器，由八个辅助寄存器和两个辅助运算单元构成 增强型外部存储器接口 一支持8 1 6 3 2 位外部数据访问 支持1 6 3 2 位外部程序运行 一个外部引脚p r g w ，配置外部存储器宽度为1 6 或3 2 位 两组选通信号( s t r b o 和s t r b l ) ，一个i o 选通信号( i o s t r b ) ，简 化接口逻辑 每组选通信号各有一个独立的外部总线控制寄存器一控制它所访问的 外部存储器宽度、数据位数和软件插入访问的外部存储器的周期等待 数。 珏北工业太学硕士论文分布式测控系统通信管理枫的研制 双或三操作数指令 单周期累加和乘法并行指令 块重复指令 条件调用和返回 延时和条件跳转指令 支持多处理器操作的内部封锁指令 片上存储器映射外设 一个同步串口，可实现8 1 6 3 2 位传输 一两个3 2 位定时器 一两通道d m a ，优先级可配置 两个通用外部标志位，四级外部中断 2 t m s 3 2 0 c 3 2 存储器映射 t m 8 3 2 0 c 3 2c p u 为c 3 xc p u 的增强版，增强部分包括：可变宽度存储器 接口、更快的指令周期、节电模式、可重定位的中断向量表、外部中断可 由沿或电平触发。 t m s 3 2 0 c 3 2 增强的外部存储器接口包括以下特点： 一个外部引脚p r g w ，配置外部存储器宽度为1 6 或3 2 位。 两组外部存储器选通信号( s t r b o 和s t r b l ) 和一个外部i o 选通信号 j o s l r b 。 每个选通信号各有一个独立的外部总线控制寄存器用于控制它所访问的 外部存储器宽度、数据位数和软件插入访问的外部存储器的周期等待数， 并可动态配置。 每个选通信号均可处理8 1 6 3 2 位外部数据访问。 图3 1 说明了c 3 2 存储宽度的分配。由此可知，t m s 3 2 0 c 3 2 内部为3 2 位结构，外部通过三组选通信号：s t r b o 、s t r b l 和i o s t r b 寻址整个存 储空间，其中s t r b o 和s t r b l 能从8 1 6 3 2 位存储器访问8 1 6 3 2 位数据， 1 6 3 位存储器中执行程序，内、外部数据位数不一致时，则根据外部总线 控制寄存器相应的控制位由存储器接口自动调整。 9 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 f 3 2夏i j 五8 1 1 6 3 2 垃鼓枯一8 f 1 6 3 2 存储嚣宽度 3 2 垃c p t i l3 2 位程序一1 6 3 2 存储器宽度 i p i g wi i 脚j i 据a 1 豆巫j 8 1 6 3 2 幢教据一8 16 13 2 存储器宽度 i 控制 _ 一 i l3 2t i m , q - 一1 6 13 2 存储器宽度 l i 寄存器厂 _ 储器挂。 - - 卫匦j 3 2 位数据一3 2 存储嚣宽度 图3 1c 3 2 存储地址空间 丽页丽和丽是一组信号，各自分别由4 个信号 s t r b x b 2 1 a 一2 ， ( s t r b x b 3 1 正1 ， 两瓦i 瓦和丽瓦i 丽) 组成，这些信号根据外部总线控 制寄存器的存储器宽度和数据位数控制位的不同而不同： 一存储器宽度( 缺省值由p r g w 引脚决定) 8 位存储器宽度 s t r b x b 3 a _ l 和s t r b x b 2 1 a 一2 作为地址信号 s t r b x b o 作为字节使能片选信号 s t r b x b 1 无用 1 6 位存储器宽度 s t r b x b 3 i a _ l 作为地址信号 s t r b x b 1 和s t r b x b o 作为字节使能片选信号 s t r b x b 2 1 a 一2 无用 3 2 位存储器宽度 s t r b x b 3 a _ 1 ，s t r b x b 2 1 a _ 2 ，s t r b x b 1 和 汀r 8 rb o 为字节使能片选信号 数据位数 8 位数据位数，物理地址= 逻辑地址右移2 位 1 6 位数据位数，物理地址= 逻辑地址右移l 位 3 2 位数据位数，物理地址= 逻辑地址 注：物理地址为c 3 2 外部地址引脚上呈现的地址，而逻辑地址则为编程时 西北工业大学硕士论文 分布式测控系统通信管理机的研制 为访问实际存储单元所用c 3 2 内部的地址。 基于以上t m s 3 2 0 c 3 2 的特点，以及系统需求，系统设计的c 3 2 原理图如图 3 2 所示。 图3 2c 3 2 原理图 由于c 3 2 可以工作在微处理器模式，也可以工作在微计算机模式，具体选 择哪种方式要根据设置管脚m c b l m p 的电平实现。所以在硬件电路上需要正确 进行程序宽度和微处理器微计算机模式的配置。具体这一部分的电路图如图 西北工业大学硕士论文分布式4 4 控系统通信管理帆的研制 3 3 所示，通过跳线完成工作模式的转换。该电路同时还给出了c 3 2 和仿真机的 接口。 通过跳线配置 c - 3 2 的程序程序宽度。 通过跳线鹤己置 c 3 2 的工作模式。1 2 0 2 和仿真撰i ：3 图3 3c 3 2 工作模式的配置以及与仿真机的接口 二、c 3 2 总线及存储器 本系统中，c 3 2 总线和与外部存储器的接口有4 个，分别为程序f l a s h ，数 据f l a s h 、s m a m 与时钟芯片。c 3 2 有一定的总线驱动能力，所以如果外围器件不 多的话，都可以直接挂在总线上，并不需要特别的驱动。而各外围器件所需要 的控制信号理论上应该由地址信号和读写信号逻辑合成得到。这些逻辑的设计 是通过c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 来实现的，其编程工具为a l t e r a 公司的 m a x + p l u s i i 。 系统中的f l a s h 存储器分为两种，一种是程序f l a s h ，一种是数据f l a s h 。 程序f l a s h 存储器用来存放程序代码，由于c 3 2 的程序代码是3 2 位的，所以为 了方便起见，选用两片1 6 位数据位的a m 2 9 f 8 0 0 芯片组成3 2 位宽度，分别作为 3 2 位数据宽度的低1 6 位和高1 6 位，如图3 4 和图3 5 所示。f l a s h 存储器和 一般的存储器在接口上大致相同，包括一定数量的数据总线和地址总线，以及 一些访问控制总线，但是也有一些不同的地方。这表现在，f l a s h 芯片一般都有 一个复位管脚，该管脚为f l a s h 提供正确的上电复位信号，所以应该给这个管 脚提供一个合适的复位电路，这个复位电路由看门狗所产生的复位信号产生。 另外一个比较特殊的地方是，f l a s h 存储器为了和不同的处理器接口一般可以设 置为工作在字和字节方式，具体是选择哪种方式由一个字字节选择管脚的电平 孽晔 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理帆的研制 决定，用户根据自己的系统相应设置该管脚。本系统中由于用到的是字方式 所以应将字字节选择管脚设置为高。 | 0 1 8 1r s t n o t1 2 2 9 0。2 5 r s t d q d 3 1d l 12 4 a 0 d q i 3 3d 2 | 22 3 a l d q 2 3 5d 3 、a 3 2 2 a 2 d q 3 3 8d 4 “2 l f t 3d q 4 4 0邙 d 。2 0 a 4 d 4 2拍 a 6 ，1 9 a 5d 0 6 蚺o， d1 8 6d 0 7 3 0 88 a 7d 0 8 3 2 | 1 9 1 9 7 a 8呻 3 4a 1 0 a 1 06 a 9 d q i o 3 6d l l ， d i5 a 1 0d 0 l l 3 9d 1 2 j j j4 a ud q l 2 4 1i t l 3 “33 1 2 d q l 3 4 38 1 4 弋1 4 2 a 1 3 d q l 4 4 5 d i s j 1 5 1 a 1 4i ) q i s a l ， 1 5n c 、a 1 6 4 81 0 1 6n c a 1 7n c 1 3a 1 71 7 “8 1 6 a 1 8n c 1 4 1 1 1 5 w eh m y r d l 2 8 = c e o e v c c l ! ! jb y t u l l a m 器l 舢b l e c ( 8 ) 图3 4低1 6 位的程序f l a s h 原理图 m n o t 1 2 2 9 d 1 8 2 5 l c 玎d q 0 3 ld 1 7 12 4 a oo q l 吐2 3 a 1 d q 2 3 3 d 1 8 ， 矗3 2 2 a 2d 0 3 ，5d 1 9 “ 2 l a 3 d q 4 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三种选择，分别对应t d 引脚接低电平、悬空、接高电平。之所以 选择两片监控芯片，是因为监控芯片本身只有一定的可靠性，为了使系统在程 序跑飞时并且在一个芯片工作不正常时更好的复位，监控电路的复位时间选择 为6 0 0 m s 和i 2 s 。具体电路图如图3 8 所示。 在本系统中，通信扩展芯片1 6 c 5 5 4 需要高电平复位信号，其他的芯片包括 c 3 2 需要低电平的复位信号。由于需要的复位的芯片比较多，为了增强复位电路 的驱动能力，单元设计的复位信号通过组合逻辑来产生，用两片与非门s n 7 4 l s 0 0 来实现。这样既可以得到高电平复位信号，又产生了低电平复位信号，同时增 强了电路的驱动能力，极大的提高了系统的可靠性。电容c 1 6 和c g 起滤波的作 用，同时两个电解电容c r s t l 和c r s t 2 能起到平滑复位信号的作用，使复位信 号能比较平稳，抵抗噪声的干扰。具体电路如图3 9 所示。 图3 9两种复位信号的产生 第二节通信扩展电路 一、t l l 6 c 5 5 4 电路 由于c 3 2 芯片本身的通信资源只有两个同步串口，并不适合本系统的应用， 所以为了弥补它的这缺陷，本系统选用了两片t l l 6 c 5 5 4 芯片来实现对上位机 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 与下位机的通信。t l l 6 c 5 5 4 是t i 公司生产的异步通讯单元，一片t l l 6 c 5 5 4 上 集成了四片t l l 6 c 5 5 0 ，它的内部结构框图如图3 1 0 所示。图3 “中给出了它 的逻辑框图，每一通道( 即每一个t l l 6 c 5 5 0 ) 对从外围器件或调制解调器接收 的数据实行串行至并行的转换，对从c p u 接收的数据实行并行至串行的转换。 在a c e 工作的任何时候c p u 均可读和报告a c e 的状态。这些状态信息包括：正 在进行的传输工作类型、工作状态以及遇到的任何错误条件。每一通道( 即每 一个t l l 6 c 5 5 0 ) 可被置于f i f o 工作方式以减轻c p u 的软件开销，在这种f i f o 方式中，接收和发送时，内部f i f o 可储存1 6 个字节( 在接收器f i f o 中每个字 节包括3 个错误数据位) ，为了使系统开销最小并使系统效率最大，所有逻辑均 在片内。两个引脚功能允许d 传输信号。每一通道( 即每一个t l l 6 c 5 5 0 ) 包 括可编程的片内波特率产生器，它能用l 至( 2 ”一1 ) 的除数对基准时钟分频并 产生驱动内部发送器逻辑的1 6 倍时钟。它还包括一些措施以便将这1 6 倍时钟 用于驱动接收器逻辑。在a c e 中也包括完善的调制解调器控制能力和处理器中 断系统，能满足用户想使通讯链路的软件管理量最小的要求。 2 一a o c s x 西瓦i 酾 r b 盯 i r r x 再葡冠积a 爵 x t a l l x t l 2 b u 3 ：it l l m bi 1 1 r e c e i v e 习“训时l 一 c o n h o i l o g i c 一 叫t c l l 圳6 c 5 竹5 0 8 卜、l t h n 训t lc 岫o r d ，r 。o e l i- 卜叫一 ：l c 州o n t r 。o i 而；司刊t c l l m 6 c 5 i 竹5 0 8 卜 i l o g i crh h h i 司习t 。l 1 。6 c s 埘”ef c o n t r o i l o g i c 图3 i 01 6 c 5 5 4 结构框图 孺； r r s x d s r l 丽； r i x o c d 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 d 7 一d 口 r 器善 i 阼忑：i 习。 卜 lh 1 u竺r ：叫黜j - t i i 胁喇y 卜 。 叼帮k 旦。i 。 im ”i 1 i 踹h j r e g t m l b r i i 一热l - i i r m p l - f i a h “器, i 。af i c ( x 。r o 一，一c u x l 舳目_ ki - - 硝 2 7 1 。黼1 1抽曲l i 丫5 m 牡 1 2 一f 麟，f 1 i 竺竺竺竺l 1 ， 1 4 l 脚 2 s一潞。i c n l 盯o i 3 ss e l e c t l 铆m 栅i r * g l 妇 2 l - l m 黜”h ： i 铂m 嘲 + 笈l 叼忙 1 _1 理m m 啦_ | l 4 ，。- _ 一 吨l 鼎o o i s 。! 卜 1 i 1 黼jf。 旦+ 3 2 i 量l _ 一l c l o 。n d m 嘲l i 1 1 0 i 脚m 瓣i 旦雨 卫+ 3 3 斗 _ 一”s t a “b si _ 州e m - d s r c o n & o l _ 旦而 i 胁脚l | rl 咖i c ，生雨 , 1 1 = 再 - 拍，一4 一 一i 忡瓣i o i i ei l 一瓣l i 轴c 洳 图3 单个通道逻辑框图 的特点 1 、在 方式中，用1 6 字节缓冲每个发送器和接收器以减少 中断的数量。 1 8 舶州” 啪钏一伽一鹏帆丽眦一悯嘲嘴一一姗一一 茵北工业大学硕士论文 分布式测控系统通信管理扭的研制 2 、t l l 6 c 4 5 0 方式中，保持和移位寄存器消除了c p l 和串行数据之间精 确同步的要求。 3 、时钟输入为1 6 9 j t z 时波特率可高达l m 。 4 、可编程的片内波特率产生器允许对任何输入基准时钟以1 至( 2 ”一1 ) 的除数分频若产生内部1 6 倍时钟。 5 、独立控制的发送、接收、线状态以及数据设置中断。 6 、标准的异步通讯位( 起始、停止及奇偶校验) 加至串行数据流或从 串行数据流删除。 7 、全可编程的串行接口特性： 一5 、6 、7 、8 位字符； 一奇、偶或无奇偶校验位的产生和检测； 一1 、11 2 、2 个停止位的产生； 一波特率的产生( 直流至l m 位秒) 。 8 、故障起始位检测。 9 、完整的状态报告能力。 1 0 、 线中断产生和检测。 1 1 、内部诊断能力： 一回环控制用于通讯连接故障隔离； 一中断、校验、溢出及帧故障模拟。 1 2 、宪全优先级中断系统控制。 1 3 、调制解调器控制功能( c t s 、r t s 、d s r 、d t r 、r 1 和d c d ) 。 1 4 、三态输出可提供使用于双向数据总线的t t l 驱动能力。 该串口扩展芯片和c 3 2 的接口如图3 1 2 所示。其读、写信号分别接c p l d 输出的读、写信号。该串口扩展芯片的片选信号由c 3 2 的地址信号和控制信号 经c p l d 产生。该芯片的数据线和作为内部寄存器寻址的低三位地址线直接挂在 c 3 2 的数据和地址总线上。为了产生波特率时钟，该芯片需要晶振产生合适的时 钟输入，为了提高性能，系统中的晶振采用性能稳定的有源晶振。 西北工业大学硕士论文 分布式测控系统通信管理帆的研制 图3 1 21 6 c 5 5 4 与c 3 2 接口原理图 在通信扩展电路中，为了提高系统的抗干扰性，提高可靠性，系统的通信 接口采用隔离设计。隔离采用光电隔离。由于无特殊的驱动和响应速度的要求， 光电隔离选用一般的光耦即可，我们选择的市场上最常见的t l p 6 2 1 ，即使这样 它也可承受2 5 0 0 v 的隔离电压，可以满足系统的要求。 二、r s - 2 3 2 接口电路 扩展串口与r s 一2 3 2 的接口电路如图3 1 3 所示。r s 一2 3 2 收发器选用是m a x i m 公司生产的m a x 2 3 2 e ，它一片上集成了两路r s 一2 3 2 收发器，完全符合 e i a t i a 一2 3 2 e 标准。此外，它具有1 5 k v 的静电保护功能，可以避免因人体接 触芯片而产生静电放电导致芯片产生闭锁或损害。由于本系统的r s 一2 3 2 接口直 西北工业大学硕士论文 分布式测控系统通信管理机的研制 接对外与其他系统相连，每个系统都具有各自隔离的工作电源，t l l 6 c 5 5 4 与 m a x 2 3 2 e 之间采用了隔离接口，以降低由于不同站点高共模电压引起的串扰甚至 对器件的损坏，提高系统的可靠性。隔离后给m a x 2 3 2 e 供电的+ s v 电源v d d 由某 公司生产的+ 5 1 卜一十5 v 的超小型d c d c 模块n r s s s i o o a 产生隔离的+ 5 v 电源提 供。 e l +l 、 cl+vcc 1 6 l 2 fd ；1 5 c l 一3 c l - t l o r q t 1 4 l i 2 3 2 c c 2 +4 c 2 +r l 洫 1 32 i c 2 -j 、 c 2 f l o u t 1 22 3 2 3 _ 2 1 = *五 - - t l i z t l l2 3 2 3 d i t 2 荫；tt 2 m 1 0 8 2 9 五i nr 2 0 u t 图3 1 3r s 一2 3 2 接口电路 三、r s 一4 8 5 r s 一4 2 2 接口电路 由于以前用的r s 一4 2 2 的收发器芯片工作不稳定，所以本次设计选择了用两 个r s 一4 8 5 芯片7 5 l b c l 8 4 来实现r s 一4 2 2 的全双工通信功能，因为7 5 l b c l 8 4 有 很强的抗静电性能等许多优良的性能。但是7 5 l b c l 8 4 芯片是r s - 4 8 5 的收发器， 所以需要用两片来实现全双工的r s 一4 2 2 功能。为了达到这样的目的，只有通过 跳线的连接以及使能端的控制，使得该电路既可以用作r s - 4 2 2 ，也可以改变跳 线的位置而用作r s 一4 8 5 。另外在信号线上串联了5 6 欧姆的电阻，采取这个措施 是为了抗电磁干扰，以及减少通信中的耦合问题。在总线上并一个1 2 0 欧姆的 负载电阻是为了防止信号的反射，如图3 1 4 所示。 簪 “峦 臣西 川 一哥水o i 。+ ； ；， 一 西北工业大学硕士论文分布式测控系统通信管理机的研制 图3 1 4r s 一4 8 5 r s 一4 2 2 接口电路 四、c a n 接口电路 为了满足系统对多种通信方式的需求，在系统设计中提供一个c a n 总线接 口。 1 c a n 控制器s j a l 0 0 0 性能简介 c a n 总线是德国b o s c h 公司在8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制和测 试仪器之间的数据交换而开发的多主现场总线，其最大特点是可靠性高、抗干 扰能力强。c a n 总线有c a n 2 0a 和c a n 2 0b 两个版本。其接口电路由控制