（电力系统及其自动化专业论文）变电站监控系统中信息传输技术的研究.pdf

a b s t r a c t s u b s t a t i o ns u p e r v i s o 巧s y s t e mi so fv i t a l i m p o r t 锄c ef o rt h es a f e t y 锄dr e l ia _ b i l i 够 o f 趴】b s t a t i o n0 p e m t i o n i no r d e rt 0c o n s 仃u c taf h l l0 p e nd i s t r i b u t e di n f b 衄a t i o n c o m m u n i c a t i o nn e 铆耐kw h i c hh a sh i 曲s p e e da n dr e l ia _ b i l i t y t h er e a lt i m ei m a g e s u p e r v i s o 巧t e c h n o l o g ) rs h o u l db e 印p l i e di ns u b s 协t i o no p e m t i o nm 彻a g e m e mb e s i d e s m ec o n v e n t i o n a lf o u r - i e m o t es u p e r v i s o 巧s y s t 锄 t h ec o n 、，e n t i o n a ls u b s t a t i o nc o n 】m 蚰i c a t i o ns y s t 锄b a s e d 咖f i e l db l l s 姐d e 【h e m e ti ss t i l d i e di nt h ep a p e r a n dt h e nac o m m u n i c a t i o nt m n s f 0 咖a t i o nd e v i c ei s d e s i 驴e dw i 也s e r i a lb l l s 孤dc a nf i e l db u sw 伍c hh 嬲m u l t i i n t e 血c ea n dc 狮 i n t c r c o 越e c th e t e r o g e n e o l l sn e 铆o r k i n t e r c o n n e c t i o na m o n gl o w - s p e e ds 鲥a lb u s ， f i e l db u s a n d h i g h - s p e e de 也锄e ti sa c h i e v e db yn l ep r o p o s e dd e v i c e 怂e r 姐a l y z i n gc o m n 棚n i c a t i o n 协蚰s f o m l a t i o nd e v i c es 仃u c t i l r e ，t l l ei n t e r f a c e d e s i 印i sd e v e l o p e df o rt 1 1 ee m e m e t ，c a n 锄dr s 4 8 5 f u 吡e n n o r e ，m u n i t a s k s c h e d u l i n g i s a p p l i e d i nt h es o 胁a r ei 1 1 1 p l 锄e n t a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o n 仃柚s f o 珊a t i o nd c 啊c e ，w h i c hr e a l i z e sc o m m u n i c a t i o na m o n gd i 伍玳n tt a s k sw i t h m e s s a g eq u e u e m e a n w h i l e ，i m a g et r 锄s m i s s i o ni sa c h i e v e dn l r o u g he t h e m e tb a s e d 0 n 也et e c h n o l o g yo fm p e g 一2v i d e oc o n l p r e s s i o n k e yw o i t d s ： s u b s t a t i o n 文j p e r v i s o n m l t i t a s k s ，i n f 0 咖a t i o n 仃锄s n l i s s i o n ， e 也e m e t ，c a n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纠麓灸 签字日期：m 膨7 年汐歹月昭日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：纠建灸 签字日期：丸可年口彳月罗日 导师签名：当兹始舀 签字日期：伽7 年衫月修r 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着各地区电网规模的逐年扩大，特别是在国家着手进行城乡电 网的改造以来，电网调度自动化水平逐步提高。而变电站无人值守是提高我国 电网调度管理水平的必然趋势。要实现变电站综合全面的自动化管理，就需要一 个功能完备的远程监控系统。随着计算机多媒体技术及通信技术的发展，出现了 图像、声音信号的数字化，以及对音像信号的处理和远距离传送，这为解决变电 站远程多媒体监控系统提供了全面的技术支持。 1 1 变电站监控系统概述 变电站综合自动化系统是利用计算机技术、通信技术对在线运行的各种电力 力设备( 包括控制、测量、保护、自动装置及远动装置等) 进行实时监控的自动 化系统。它集微机继电保护、远方遥控、远方遥测等功能于一体，对变电站进行 自动监视、测量、控制、协调和全方位的管理。 在早期，变电站没有办法及时地了解和监视各个运行点和现场装置的运行情 况，更谈不上进行直接控制和信息对话交流。对于变电站的设备运行情况和各条 线路的电压、电流、功率等情况，调度中心都不能及时掌握，调度员和变电站各 个运行部门的联系主要是电话。每天由变电站值班人员定时打电话向调度员报告 本变电站的电流、电压、功率等数据，调度员需根据情况汇总、分析，花费很长 时间才能掌握变电站运行状态的有限信息。严格来说，这些信息已经属于“历 史 了。调度员只能根据事前通过大量人工手算得到的各种系统运行方式，结合 这些有限的历史性信息，加上个人的经验，选择某种运行方式，再用电话通知各 个值班人员进行调整控制。一旦发生事故，也不能及时了解事故现场情况，及时 进行事故处理，需要较长的时间才能恢复正常运行。这种落后的状况直接影响变 电站的安全运行。 监控系统的第二个阶段，是远动技术的采用。安装于变电站的远动装置，采 集各线路电流、电压、功率等实时数据，以及各开关的实时状态，然后通过控制 电缆传给调度中心并直接显示在调度台的仪表和模拟屏上。调度员可以随时看到 这些参数和全系统运行方式，还可以立刻看到开关等设备的事故跳闸( 模拟屏上 相应的图形闪光) 。调度中心可以有效地对变电站的运行状态进行实时的监控。 第一章绪论 调度员还可以在调度中心直接对某些开关进行投切操作。这种布线逻辑式装置的 采用，使变电站的监控系统可以实现遥测、遥信、遥控、遥调的功能。 变电站监控系统的第三个发展阶段，是电子计算机在工业控制系统中的应 用。采用现代计算机与通信技术实现自动化的变电站，是在传统的变电站一次设 备基础上，用一套完整的信息系统实现信息的采集、处理、就地控制、信息的传 送与管理、系统的协调与优化等功能。这一系统通常是一个多处理机的分布式系 统。 电力系统在探索变电站无人值班的实践中，建立起了多种模式的集控站系 统，基本实现了“四遥( 遥测、遥信、遥调和遥控) 功能，使运行和维护人员 的数量大大减少，运行水平得到了显著提高，但依旧存在一些问题，严重制约了 无人值班变电站的快速发展。文献【l 】、【2 】对无人值班变电站中存在的问题做了 总结。 ( 1 ) 巡检和维护工作量急剧增大 现有s c m 系统通常只进行电气数据的实时监测，还不能全面直观地反映 变电站的设备运行状况，因而在实行变电站无人值班之后，维护人员仍需花费很 大精力对所属变电站频繁地进行逐一巡检，操作维护工作量急剧增大。即使如此， 这样的例行巡检也不能确保及时发现事故隐患和事故。一旦事故发生，由于操作 队、值班人员、调度人员无法准确把握现场环境和设备实际运行状况，只能等待 操作入员驱车赶到现场，查明原因后再汇报相关部门及其领导，这将极大地延误 了事故处理时间。 ( 2 ) 一次设备的可靠性问题 设备可靠性问题是制约无人值守改造的决定性因素。例如，从运行统计情况 看，目前生产的刀闸( 包括进口刀闸) ，其一次合闸成功率达不到1 0 0 ，操作 后必须有人到现场确认成功后，才能合上开关。如果能对刀闸遥控，并通过远方 图像监视确认合闸成功，即可减少操作的工作量，又能大大缩短操作时间，这对 确保电网安全优质供电无疑是大有益处的。 ( 3 )二次信号误报的干扰 二次设备误发信号会扰乱无人值班变电站正常运行和管理秩序。 ( 4 ) 无人值班变电站的安全防范能力急需改善 安全是电力企业运行的重要前提，企业的经济效益和社会效益都以安全为基 础。由于社会治安以及设备本身可靠性的原因，多数无人值班变电站还留有一名 守卫人员，其职责是变电站的警卫、紧急情况报警等，未实现真正意义上的“无 人。 随着电力系统网络的全面改造，各变电站均要实现无人值守，以提高生产效 第一章绪论 益。在电力调度中心、集控站建立图像监控中心，能够对各变电站的有关数据、 环境参量、图像进行监控和监视，以便能够实时、直接地了解和掌握各个变电站 的情况，并及时对发生的情况做出反应适应行业发展需要，已经提到了电力系统 的发展议事日程。 1 2 变电站通信概述 现在变电站所采用的综合自动化技术是将站内继电保护、监控系统、信号采 集、远动系统等结合为一个整体，使硬件资源共享，用不同的模式软件来实现常 规设备的各种功能。用局域网来代替电缆，用主动模式来代替常规设备的被动模 式。具有可靠、安全、便于维护等特点。 分散分层分布式是变电站综合自动化系统的发展方向，这就对通信的可靠 性提出了更高的要求，选择一个可靠、高效的网络结构，是解决问题关键。现场 总线由于技术上的原因以及采用设备总线时信息量大且传输较慢的特点，造成了 其存在多种标准，阻碍了其发展。以太网经过若干年的发展，技术上日趋成熟， 已十分便利的应用于变电站综合自动化系统。以太网具有高速、可靠、安全、灵 活的特点，使其在变电站综合自动化系统中有广阔的应用前景。文献 3 】、 4 】对 分散分层变电站监控通信系统进行了研究。 通信在变电站自动化中占有非常重要的地位。其内容包括当地开关量的采集 控制单元与变电站监控管理层之间的通信，变电站当地与远方调度中心之间的通 信。系统通讯网架的设计是十分关键的，变电自动化系统通信网的设计应考虑以 下方面： ( 1 ) 电力系统的连续性和重要性，通讯网的可靠性是第一位的。 ( 2 ) 系统通讯网应能使通讯负荷合理分配，保证不出现“瓶颈 现象， 保证通讯负荷不过载，应采用分层分布式通讯结构。此外应对站内通讯网的信息 性能合理划分，根据数据的特征是要求实时的，还是没有实时性要求以及实时性 指标的高低进行处理。另外系统通信网设计应满足组合灵活，可扩展性好，维修 调试方便的要求。 ( 3 ) 应尽量采用国际标准的通信接口，技术上设计原则是兼容目前各种 标准的通信接口，并考虑系统升级的方便。 ( 4 )应考虑针对不同类型的变电所的实际情况和具体特点，系统通信网 络的拓扑结构是灵活多样的且具有延续性。 ( 5 ) 系统通信网络应采用符合国际标准的通信协议和通信规约。 变电站监控现场通信的实施，对于结构简单的变电站，现场通讯多为点对多 第一章绪论 点的模式，基于r s 4 2 2 、4 8 5 总线的通讯就是被普遍应用的一种，应用于单c p u 对多c p u 的串行通讯。对于很多个a i o 设备或需要进一步提高数据访问速度等 情况，可采用构建多个主从式通讯子网，每个子网管理一部分a i o 设备，然后 将不同子网的通讯主站用并行通讯技术连接起来以构成完整的自动化系统。 对于复杂的变电站内部通讯可用c a n 或l 0 n w o 瓜现场总线。现场总线是 基于微机化的智能现场仪表，实现现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分 散，全数字化的、智能、双向、多变量、多点、多站的通信网络，它按国际标准 化组织i s o 和开放系统互连o s i 提供了网络服务，可靠性高，稳定性好，抗干 扰能力强，通信速率快，造价低，维护成本低。 变电站监控应该做到几个方面：能用各种数据表格实时地反映各条线路、主 变、母线上的电压、电流、有功、无功、温度等各种电量和非电量的实时值；能 及时地发现任何异常现象并以多种形式做出相应的报警；能分类记录和查阅各种 历史纪录、历史数据等；能及时准确地对被选中的设备发出控制命令。这些要求 也就是变电站信息传输希望达到的目的。 1 3 视频监控在变电站的作用5 1 2 】 多年来，变电站自动化系统的人机界面基本上是采用以图形和文本为主的静 态媒体，语音报警系统在变电站自动化中用于变电站发生事故或异常时提醒运行 人员注意，就地的工业电视系统可以在变电站的主控室观察现场设备情况，代替 了运行人员的巡视，为在夜晚、恶劣气候条件下和手动操作时监视现场设备起到 了较好作用。要实现真正的变电站无人值守，则应在变电站原有“四遥”的基础 上增加变电站室内外图像监控和图像传输，实现所谓的“遥视 功能，使上级集 控站和调度的运行人员能够直接“巡视变电站的各种设备和各个角落，及时了 解现场实况，采取科学的生产调度和决策，确保安全生产。多媒体音频技术配合 视频技术，可使运行人员及时了解变电站各种设备的状况，对设备或系统的运行 工况进行判断，及时反映当前系统的运行异常。多媒体技术的综合运用，还可以 实现变电站的动力环境监控，如变电站的防盗、防火、防爆防泄漏监控等，使运 行人员能及时发现变电站内环境的异常变化，为无人值班创造了条件，是自动化 变电站管理的新手段。 一般而言，视频监控系统在变电站应起到的主要作用如下： ( 1 )实时监视 监视变电站内各类设备( 如：主控室控制屏显示、仪表读数、开关设备、主 变压器和各主变风扇运行、电容器室等) 运行情况；监视变电站大门口和主要通 第一章绪论 道；接收周界和室内红外报警信号；接收门禁系统状态信号；监测变压器油位和 火灾报警；监测环境温度、湿度；监测空调机起动和瓦斯泄漏等。 ( 2 ) 事故追忆 随着技术的发展，视频监视图像可作为对事故追忆的一种有效手段，帮助技 术人员查看事故发生时变电站的状况，从而尽可能地找到事故发生的原因。 ( 3 ) 现场操作指示 变电站的各种操作要严格遵守操作规程，但是各种操作也比较繁琐，因此必 须要有相应的保证措施，一般都采用系统的“五防”闭锁结合操作人员使用“五 防 钥匙的方法来达到这一目的。在视频监视技术出现后，可以利用远程实时监 视功能，由调度中心的值班人员对远方变电站操作人员进行操作指导，如果发现 不正确的操作，可以通过电话、手机及时提醒操作人员，从而确保操作的万无一 失。 ( 4 )安全防范 这里说的安全防范是指防火、防盗。系统通过分布在变电站的各种传感器， 如烟感传感器、红外微波探头、门禁传感器等，接收并及时地将报警信号传送给 调度中心，以做出相应处理。 1 4 本文的主要工作目标和内容 通信技术的发展，造成了变电站内通信网络的多样性，这在给用户带来更多 选择的同时，也带来了另一个现实问题，即如何将这些异种网络相互集成，实现 互操作，最大限度地保护用户已有的软硬件投资。另一方面，i n t e m e t 现已成为 社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道。以t c m p 和以太网为 代表的成熟度较高的开放式网络技术，正逐渐应用于变电站监控系统，应用以太 网技术和现场总线的分散式变电站监控系统，适合于变电站综合自动化的要求。 根据变电站监控系统通信中主要用到的r s 2 3 2 4 8 5 总线、a 蝌总线、以太 网的实际情况，本文研究一种通信转换装置，以实现各种通信方式的相互融合。 主要研究内容如下： ( 1 ) 针对变电站“四遥”通信中经常出现r s 4 8 5 总线、现场总线和以太 网混合使用的情况，设计一种通信转换装置。 ( 2 )在通信转换装置的软件设计方面，研究实时通信中多任务调度的实 现，以及消息队列的应用。 ( 3 ) 了解m p e g - 2 的视频编解码方法，应用w i n d o w ss o c k e t 技术，实现 视频码流在以太网上的传输。 第二章通信转换装置的硬件设计 第二章通信转换装置的硬件设计 2 1 内部数据通信网 数据通信网是构成变电站自动化系统的关键环节，内部通信网络的标准化是 使变电站自动化迈向标准化的难点之一，受性能、价格、硬件、软件、用户策略 等诸多因素的影响，目前在选择什么“接口网络”上很难达成一致。网络特性 主要由拓扑结构、传输媒体、媒体存取方式来决定。网络的选择应符合国际国内 的有关标准；应选择当前的主流产品；产品应满足变电站运行要求；具有较高的 性能价格比。 电力自动化系统通讯网络结构实质上是由多台微机组成的分层分布式控制 系统。目前按变电站自动化系统二次设备分布现状，并将站内通讯网从变电站管 理层分出来，可纵向分为为三层：变电站管理层，站内通信层，间隔层【1 3 d 5 1 。在 各个层间，必须通过内部数据通信实现各层之间的信息交换和信息共享，以达到 提高了系统整体的安全性和可靠性的目的。变电站间隔层主要是继电保护装置， 测控装置及自动装置；通信层可实现管理层和间隔层的信息交换及对现场设备的 控制；管理层是对整个变电站进行安全监视、控制、操作，并与变电站外部进行 数据交换。如图2 1 所示。 管理机 1 通信控制单元通信控制单元 l il 自动装置测控装置保护装置 图2 1 变电站自动化系统分层结构 第二层网 第一层网 间隔层设备通过第一层网络( 多为现场总线网) 与通信控制单元通信，由通 信控制单元与变电站层通过第二层网络( 以太网) 实现信息交换。不同类型的变 电站对自动化系统的通信网络有不同的要求，在3 5 k v 的变电站可以采用r s 4 8 5 或现场总线作为站内系统网络；在1 1 0 l ( v 变电站可以采用c a n 总线技术实现间 第二章通信转换装置的硬件设计 隔层设备数据通信，当站控层设备较多时，变电站层可采用以太网连接；在 2 2 叽5 0 0 k v 的超高压变电站，由于站内节点数目多，应考虑使用以太网或p r 0 舫u s 网。目前，1 1 0 k v 变电站整体结构如图2 2 所示。 2 2 通信转换装置的整体构造 图2 2 结构图 以太网 视频设备 本文基于嵌入式以太网技术，设计了一种具有多种接口，能实现异种网络互 联的通信控制器。通过该通信控制器，可以实现低速的串行总线和相对低速的现 场总线网络和高速以太网之间的互联，构建变电站内高速、可靠、真正全开放和 全分散的数据通信网络。 通信转换平台是整个变电站监控系统通信的核心。基本电路是以l p c 2 2 9 4 为核心的删最小系统，包括两组电源、复位电路、晶振电路、程序存储器。 主要研究部分是由以太网控制器协议转换模块、c a n 控制器协议转换模块和串 口通信转换模块三部分组成的接口。装置的整体构造如图2 3 所示。 图2 3 装置硬件结构 第二章通信转换装置的硬件设计 该装置的硬件结构中主微处理器采用删7 系列具有删7 t d 内核的 l p c 2 2 9 4 ；串行通信控制芯片采用m a x 公司生产的m a x 4 8 5 ；以太网控制芯片 选用i 盯l 8 0 1 9 a s ；c a n 总线控制芯片选用t j a l 0 5 0 t 。下面介绍装置的主处理 器和一些基本外围电路。 2 2 1 处理器l p c 2 2 9 4 硬件中l p c 2 2 9 4 微处理器起到核心作用，它是处理速度较高的可配置通信 控制器，可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率，有多个串行接口，包括2 个 1 6 c 5 5 0 工业标准u j 6 嬲、高速1 2 c 接口( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口，兼容 c a n 2 0 b ，i s o l1 8 9 8 1 规范。 l p c 2 2 9 4 极低的功耗、多个3 2 位定时器、2 路c a n 通道以及多达9 个外部 中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。由于 内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其 它各种类型的应用。有较多的寄存器，提供了扩充的增强的固定长的l 彰3 2 位双 指令集。用1 6 位的，r h u n l b 指令可以节省高达3 5 的空间。另外它还实行流水线 作业，提供嵌入式i c e 2 r t 逻辑，支持片上断点和调试点支持，具有先进的软件 开发和调试环境。如图2 - 4 所示。 图2 4 主处理器 第二章通信转换装置的硬件设计 2 2 2 基本外围电路 2 2 2 1 电源电路 在该系统中，l p c 2 2 9 4 需要使用1 8 v 和3 3 v 的直流稳压电源。经分析可知， 系统对这两种电压的要求比较高，其功耗不是很大，所以不适合开关电源，应当 用低压差模拟电源，s i p e x 半导体s p x l1 1 7 是一个较好的选择，性价比较高。电 源电路如图2 5 所示。 图2 5 电源电路 2 2 2 2 复位电路 复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复 位电路可由简单的r c 电路构成，也可使用其他的相对较复杂但功能更完善的电 路。微控器在上电时状态不能确定，则造成微控器不能正确工作，为解决这个问 题，选择s p 7 0 8 s c n 进行手动复位，将微控器初始化为某个确定的状态。如图 2 6 所示。 v r 棚1 图2 6 复位电路 第二章通信转换装置的硬件设计 2 2 2 3 存储器 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失 的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程、 擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系 统中得到广泛的应用。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放 程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。与f l a s h 存储 器相比较，洲不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存 储器，且具有读写的属性，因此，s d ra m 在系统中主要用作程序的运行空间， 数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 ) 【0 处读取启动代码，在 完成系统的初始化后，程序代码一般应调入洲中运行，以提高系统的运行速 度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d 洲中。 由于本系统需要和上位机通信，同时又将使用到操作系统多任务调度，程序 所占的空间比较大，所以通过i s 6 l l v 5 1 2 1 6 扩展洲，用s s t 3 9 、僵1 6 0 扩展 f l a s h 。如图2 7 所示。 oo d lo i 20 2 3o b 50 5 m06 7a 7 lo b 90 9 l o o q o l io i l 1 2v o l 2 l ，u o - l u o l 4 - 50 1 5 lnc 1 7 珏 c oe、色c 蘑 v - blev _ 2 3 以太网接口设计 md q o ld o i 2 呼 3卿 m 呻 5呻 6d 0 6 7d 0 7 0呻 ，d 0 9 1 0 d 口l o l ld 。1 】 1 2 d o l 2 1 3d 叭， ldol4 i，d015 1 6 n c 17： l ln c 1 9t c 眦n c d 珏 o ev w ev 图2 7 存储器电路 以太网接口是本系统中必不可少的，基于底层的t c p 口协议的实现就是由 以太网控制器来负责。与其它以太网控制芯片相比，r t l 8 0 1 9 a s 具有满足需要 的速率和较大的s r 剧m ，是本装置的首选。删微控器通过l 盯l 8 0 1 9 a s 与以 太网进行通讯数据的传输，使删获取的数据传输给上位机，同时，上位机还 可以将控制命令传到味m 。 ， r t l 8 0 1 9 a s 是性价比高且带有即插即用功能的全双工以太网控制器，它的 主要特点包括：符合e t h e m e t i i 与i e e e 8 0 2 3 标准；全双工，收发可同时达到 第二章通信转换装置的硬件设计 l o m b i 以的速率；内置1 酗的邬姨m ，用于收发缓冲，减低对主处理器的要 求；r t l 8 0 1 9 a s 芯片还具有性价比高，连接方便等特点，是进行嵌入式以太网 设计时的首选的控制芯片。 以太网控制协议转换模块主要由以太网通信控制器l 汀l 8 0 1 9 a s 和隔离滤波 器组成。r t l 8 0 1 9 a s 是8 1 6 位i s a 总线的网卡，遵循i e e e 8 0 2 3 协议。所以电 路设计为1 6 位总线方式对r t l 8 0 1 9 a s 进行访问，即数据总线d o - d 1 5 与芯片的 s d o s d l 6 连接，r 【 l 8 0 1 9 a s 工作在跳线模式。另外，将网络收发器的四根引脚 肋、l d 、t p i n + 、t p i n 通过外接的隔离滤波器与以太网相连，提高了网络通信 的抗干扰能力。如图2 8 所示。 2 4c a n 接口设计 2 4 1c a n 总线性能 图2 8 以太网接口电路 c a n 总线( c a n c o n t r o l e ra r e n e t ) 是德国b o s c h 公司为工作条件极 为恶劣的汽车监测和控制而设计的，后来逐步发展到工业控制中。它是一种基于 优先级的高速、抗干扰能力强并具有检错功能的现场总线，可采用多种媒体通信， 第二章通信转换装置的硬件设计 c a n b u s 通信设备本身又具有较低的造价，因而它的应用范围遍及工业领域， 从高速网络到低成本的多线路网络，特别是在电气自动化领域【婚2 0 】。 c a n 总线的通信线路由两根导线组成，分别为c a n h 和c a n l ，这两根 ，导线也就是c a n 网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都 通过这两根导线交换数据。总线上某一时刻显现的数值由两根导线上电压 vc a n h 和vc a n l 的差值表示。该差分电压v d e f 可表示“显性 和“隐性 两种互补的逻辑数值。如图2 9 所示。在“隐性 状态下，差分电压v d e f 近似 为0 ，“显性状态v d e f 则大于一个最小闸值。在c a n 总线标准通信协议中规 定“显性”表示逻辑+ 0 ，而“隐性 则表示逻辑+ l 。 平 均 电 压 电 平 u 图2 - 9 总线位数值表示 当在总线上出现同时发送“显性 位和“隐性”位的情况时，节点发送驱动 电路的设计使得总线数值表现为“显性 ( 相当于“0 与“l 执行“与 操作) 。 在总线空闲期间，总线表现“隐性”状态( 即逻辑1 ) ，“显性”状态改写“隐性 状态启动发送并进行各节点之间的同步。 c a n 总线上的数据按位串行传输，其传输速率可高达1 m b p s ，在速率为 5 k b p s 时传输距离可达1 0 k m ，在速率为l m b p s 时的传输距离为4 0 m 。当然，挂 接在同一条总线上的所有节点都必须采用相同的传输速率。 c 朋心0 规范的目的是为了在任何两个基于c a n b l l s 的仪器之间建立兼容 性；规范定义了传输层，并定义了c a n 协议在周围各层当中所发挥的作用。 c a n 2 0 规范涉及兼容性的不同方面，比如电气特性和数据转换的解释。为了达 到设计透明度以及实现柔韧性，c a n 被细分为以下不同的层次：c a n 对象层( t h e o b j e c tl a y e r ) 、c a n 传输层( t 1 1 e 仃粕s 衔l a y e r ) 、 物理层( t h ep h y i c a ll a y e f ) 。 对象层和传输层包括所有由i s o o s i 模型定义的数据链路层的服务和功能。 定义对象处理较为灵活。对象层的作用范围包括：查找被发送的报文；确定由实 际要使用的传输层接收哪一个报文；为应用层相关硬件提供接口。 传输层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、 出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文以及什么时候开始接收报 第二章通信转换装置的硬件设计 文，均在传输层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。 理所当然，传输层的修改是受到限制的。 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传 输。当然，同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相同的。尽管如此，在选 择物理层方面还是很自由的。 2 4 2c a n 接口连接图 收发器t j a l 0 5 0 t 是c a n 协议控制器和物理总线之间的接口，它与“i s o 1 1 8 9 8 ”标准完全兼容。c a n h 和c a l 忆理想配合，可使电磁辐射减到更低。 仉1 0 5 0 t 在性能上大大优于以前的c a n 总线收发器，它有两种工作模式：高 速模式和静音模式。在高速模式中，总线输出信号有固定的频率，并以尽量快的 速度切换。 嵌入式通信转换装置通过t j a l 0 5 0 t 与c a n 总线通信，总线收发器 t j a l 0 5 0 t 提供对总线差动发送能力和对c a n 控制器的差动接受能力，采用高 速光耦6 n 1 3 7 实现l p c 2 2 9 4 和t j a l 0 5 0 t 的数据地址总线和读写控制线相连， 增强了通信转换器的抗干扰能力和电气隔离保护。为了进一步提高c a n 总线节 点的抗干扰能力，保证各节点之间在电气上是完全隔离和独立的，l p c 2 2 9 4 的 t x 0 和r x o 分别通过高速光耦6 n 1 3 7 与t j a l 0 5 0 t 的t x d 和r x d 相连。如图 2 1 0 所示。并且，使用了电源隔离模块b 0 5 0 5 ，进一步实现了总线上c a n 节点 间的电气隔离，并且大大提高了节点的稳定性和安全性。 c a n + 5 vv 3 3 图2 一l oc a n 接口电路 第二章通信转换装置的硬件设计 2 5r s 4 8 5 接口设计 2 5 14 8 5 总线特性 在许多工业环境中，要求用最少的信号线完成通讯任务。目前广泛应用的 r s 4 8 5 串行接口总线正是在此背景下应运而生。r s 4 8 5 采用平衡发送和差分输 出，因此具有抑制共模干扰的能力。加上接收器具有高灵敏度，能检测到2 0 0 m v 的电压信号，故传输信号能够在千米之外得到恢复。 r s 4 8 5 总线具有以下几方面的特点：易于实现，成本低廉；对较小规模系统， 具有足够的传信率，实时性可以得到保证；在通信距离为几十米到上千米时， r s 4 8 5 总线被广泛应用【2 l 】。 r s 4 8 5 是一种支持多节点、远距离接收和高灵敏度的总线标准。它是工业领 域广泛应用的i s o o s t 模型物理层标准协议之一，采用平衡式发送、差分式接 收的数据收发器来驱动总线。具体规格要求如下： ( 1 ) 机械特性。 采用r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 连接器( 如知叫蛆订4 5 2 0 ) 将p c 串口r s 2 3 2 信号转换成 r s 4 8 5 信号，或接入1 ，瓜s 4 8 5 转换器( 如m a x 4 8 5 ) 将i o 接口芯片t t l 电 平信号转换成r s 4 8 5 信号，进行远距离高速双向串行通信。 ( 2 ) 电气特性。 信号负逻辑+ 2 + 6 v 表示“0 ，6 2 v 表示“l 一，二线双端半双工差分电平 发送与接收，无公共地线，能有效克服共模干扰、抑制线路噪声，传输距离1 2 k m ， 最高数据传输速率可达1 0 m b s ( 4 0 m ) 。 ( 3 )功能与规程特性。 网络媒体采用双绞线、同轴电缆或光纤；每条总线上的节点数可达1 2 8 个， 如果节点数大于1 2 8 ，须加中继器( 每个中继器可延长线路1 2 k m ) 。 利用r s 4 8 5 总线构成的网络，其设备间的相互通信，需经过主设备中转才 能实现，这个主设备通常是p c 机。由于在这种网络中只允许存在一个主设备， 其余全部是从设备，因而存在通信的吞吐量较低，实时性较差，从机的系统开销 大且从机问通信难度大等缺点。但r s 4 8 5 总线用于多站互连还是十分方便的， 可以节省昂贵的信号线。同时，它可以高速远距离传送。许多智能仪器均配有 r s 4 8 5 总线接口，将它们联网构成分布式系统十分方便。 第二章通信转换装置的硬件设计 2 5 24 8 5 接口设计 眦4 8 5 采用单一电源+ 5 v 工作，半双工通讯方式，完成将电平转换的功能。 m a x 4 8 5 芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。r o 和 d i 端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与其 l b 和t x d 相连即可：r e 和d e 端分别为接收和发送的使能端，当l 砸为逻辑 o 时，器件处于接收状态；当d e 为逻辑1 时，器件处于发送状态；a 端和b 端 分别为接收和发送的差分信号端，当a 引脚的电平高于b 时，代表发送的数据 为l ；当a 的电平低于b 端时，代表发送的数据为0 。在与微控制器相连时用一 个信号控制4 8 5 的接收和发送端。同时，为了提高系统的稳定性，将a 和 b 端之间加匹配电阻。如图2 1 1 所示。 制 6 i 4 8 5 b 吨1 3 图2 一l l4 8 5 接口电路 第三章通信转换的软件设计 第三章通信转换的软件设计 3 1 操作系统的选用 随着应用的复杂化，对控制精度、智能化程度的要求越来越高，一个微处理 器往往要同时完成很多任务。体现在变电站自动化通信产品中，由于信息采集量 越来越大，信息交换越来越频繁，简单地用单一任务来轮询，往往造成通信的“瓶 颈现象，如保护和测量设备采集到的实时信息无法及时向上传递。多任务编程 的特点是：程序在功能上以任务的形式存在，各个任务之间相对独立，可通过操 作系统提供的资源，进行任务间的信息交换和相互控制，可通过优先级来控制各 任务执行的顺序。多任务编程的特点打破了传统软件顺序执行的框架，便于程序 的系统开发、调试及维护。 实时多任务操作系统r t o s ( r e a lt i m e0 i p e r a t i n gs y s t e m ) 是面向2 l 世纪嵌 入式设计的基础和标准开发平台。i 玎o s 体现了一种新的系统设计思想和一个开 放的软件框架。在各种专用的r 1 的s 中，一些多任务的机制如基于优先级的调度、 实时时钟管理、任务间的通信、同步互斥机构基本是相同的，不同的只是面向各 自的硬件环境和应用目标。实际上，相同的多任务机制是能够共享的，因而可以 很好地把这部分组织起来，形成一个实时操作相同的内核。这类操作系统大多采 用软组件结构，以一个个软件“标准组件 构成通用的实时操作系统，一方面， 在r t o s 内核的最低层将不同的硬件特性屏蔽起来；另一方面，对不同的应用环 境提供了标准的、可裁剪的系统服务软件组件。这使得用户可根据不同的实时应 用要求及硬件环境选择不同的软组件，也使得实时操作系统开发商在开发中减少 重复性的工作【2 2 埘】。 基于r 1 的s 的多任务程序设计过程核心问题在于如何把应用程序分割成许 多任务。每个任务都是整个应用程序的某一部分，有它自己一套c p u 寄存器和 自己的堆栈空间，并根据重要程度被赋予一定的优先级。多任务运行的实现实际 上靠实时内核管理各个任务，为每个任务分配c p u 时间，在多个任务之间切换， 并且负责任务之间的通信。c p u 轮番服务于一系列任务中的某一个，使得各个 任务在宏观上呈现并发运行特性。 u c o s i i 是一个源代码开放的实时操作系统，可移植、可固化、可裁剪，属 于占先式实时内核。执行时间可确定，支持现有大多数型号的8 位、1 6 位、3 2 第三章通信转换的软件设计 位m c u m p u ，已被广泛应用于交换机、路由器、过程控制、汽车业、办公自动 化、计算机外设以及民用消费类产品等，具有稳定的可靠性。 u c o s i i 的主要特点： ( 1 ) 公开源代码， 源代码全部公开，并且可以从有关出版物上找到比较详细的源代码讲解和注 释。这样使系统变得透明，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上。 ( 2 ) 可移植性 一 u c o s i i 绝大多数源代码使用a n s i c 写的，可移植性很强。而与微处理器 相关的那部分是用汇编写的，已经压到最低限度，使得u c o s - 更便于移植到 其它微处理器上，u c o s i i 的移植条件是：该处理器要有堆栈，有c p u 内部寄 存器入栈、出栈指令。另外，使用的c 编译器支持内嵌汇编或者该c 语言可扩 展，可连接汇编模块，使得关中断、开中断能在c 语言程序中实现。u c o s 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位甚至6 4 位微处理器、微控制器、数字信号处 理器上运行。 ( 3 ) 可固化 u c o s 。i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要开发者有固化手段， u c o s i i 可以嵌入到开发者的产品中成为产品的一部分。 ( 4 ) 可裁剪 可以只使用u c o s 一中应用程序需要的那些系统服务。也就是说某产品可 以只使用很少几个u c o s 一所需要的调用，而另一个产品则几乎使用所有的 u c o s i i 的功能，这样可以减少产品中的u c o s i i 所需的存储空间。 ( 5 ) 占先式 u c o s 完全是占先式的实时内核，这意味着u c o s 一总是运行就绪条件 下优先级最高的任务。 ( 6 ) 多任务 u c o s i i 可以管理6 4 个任务，应用程序最多可以有5 6 个任务，赋予每个任 务的优先级必须是不相同的，也就是说优先级越高就先执行。 总之，由于u c o s 仅是一个实时内核，有很多工作需要用户自己去完成。 把u c o s 移植到目标硬件平台上也只是系统设计工作的开始，需要针对实际 的应用对u c o s 进行功能扩展，包括底层的硬件驱动，文件系统，用户图形 界面等。 在斗c o s 中，任务有5 种状态：休眠态、就绪态、运行态、挂起态、被 中断态。系统按时钟节拍定时地对任务进行调度。当发现就绪态任务比运行态任 务具有更高优先级时，运行态任务被中断，最高优先级的就绪态任务开始运行； 第三章通信转换的软件设计 只有当所有比被中断态任务优先级高的任务都处于休眠态或挂起态时，被中断的 任务才恢复到运行态；如果运行着的任务需要等待某种事件( 如时间标志、互斥 型信号量、消息邮箱、消息队列等) 发生，系统立刻使运行态任务自动挂起，且 进行新一轮的任务调度，把c p u 的使用权交给最高优先级的就绪态或被中断态 任务；当等待事件已经发生或者等待已经超时，挂起的任务变成就绪态，是否立 刻进入运行态取决于是否有更高优先级的任务处在就绪态或被中断态；当有中断 服务程序需要执行时，不管运行着的任务有多高的优先级，系统都会把它中断； 中断服务程序结束后，系统并非马上让被中断的任务进入运行态，而是进行新一 轮的任务调度。如图3 1 所示。正是这种可剥夺式的调度机制，保证了优先级高 的任务能够实时地执行。 图3 1 五种任务状态关系图 实时操作系统任务间的同步和通信的机制有：消息邮箱、消息队列、信号量。 消息邮箱通过内核服务可以给任务发送消息。典型的消息邮箱( n l e s s a g ei i l a i l b o x ) 也称作消息交换( m e s s a g ee x c h a n g c ) ，是用一个指针型变量，通过内核服 务，一个任务或一个中断服务程序可以把一则消息( 即一个指针) 放到邮箱中去。 同样，一个或多个任务可以通过内核服务接受这则消息。发送消息的任务和接受 消息的任务约定，该指针指向的内容就是那则消息。 消息队列实际上就是邮箱阵列。通过内核提供的服务，任务或者中断服务子 程序可以将一条消息( 该消息的指针) 放入消息队列。同样，一个或者多个任务 可以通过内核服务从消息队列中得到消息，传递的消息实际上是指针指向的内 容。 3 2 软件整体结构 整个系统的软件设计可以分为三个部分：c a n 总线接口通信模块、串口通信 模块和以太网层通信模块。协议转换模型结构图如图3 2 所示。 整体设计思路为：当以太网应用层有数据要发送到c a n 节点时，首先，数 据发送到以太网通信模块，由以太网控制器协议转换模块从传输层数据报文中解 第三章通信转换的软件设计 析出完整的c a n 协议数据包，存放在数据缓冲区c ，再由总调度模块调用c a n