（电力电子与电力传动专业论文）电力自动化通信管理机的研制.pdf

西北1 业大学硕士论文 电力自动化通信管理机的研制 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，t h ed e m a n dt oi m p r o v et h e a u t o m a t i o nl e v e lo fp o w e r s y s t e m i sg r e a t l yn e e d e d i nt h ew h o l e p o w e ra u t o m a t i o ns y s t e m ， p o w e r c o m m u n i c a t i o n p l a y s a ni m p o r t a n tr o l e a sap a r to fp o w e rc o m m u n i c a t i o n ，t h e c o m m u n i c a t i o n so ft h e i n t e g r a t e de l e c t r o n i cd e v i c e s ( i e d s ) i nt h ef i e l dw i t ht h el o c a l s u p e r v i s o r ya n dt h e r e m o t em a n a g e m e n tc e n t e ri sd i s c u s s e di nt h ep a p e r t or e a l i z et h i s ， d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fm a n a g e m e n tm a c h i n eo fp o w e rc o m m u n i c a t i o ni ss e tf o r t hi n t h ep a p e r f i r s t l y , t h ep r e s e n tc o n d i t i o no f t h ep o w e rc o m m u n i c a t i o ni sd i s c u s s e d a tt h es a m e t i m e ， t h e n e c e s s i t y o ft h e p a p e r a n d t h ef u n c t i o no ft h e m a n a g e m e n tm a c h i n eo fp 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 na n dc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t ，a r ea l s op r e s e n t e d s e c o n d l y ，t h e s c h e m eo f t h e m a n a g e m e n tm a c h i n e o fp o w e rc o m m u n i c a t i o n ，w h o s e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ei sb a s e do nc 3 2d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n ds o f t w a r ei sb a s e d o nr e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e m ( r t o s ) ，i sd i s c u s s e d a n da l s ot h ep o s s i b i l i t yo fr e a l i z a t i o no f t h es c h e m ei sd e m o n s t r a t e d i nt h ef o l l o w i n gp a r t s ，t h ed e t a i l e di m p l e m e n t a t i o n so fh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，s u c ha ss e r i a lc o n i m u n i c a t i o ne x t e n s i o n ，t h el c d si n t e r f a c ew i t hd s p r t o s m o d u l e ，p r o t o c o lc o n v e r s i o nm o d u l e ，e t c a r ep r e s e n t e d a f t e rt h a t ，t h er e s u l to fe x p e r i m e n t a n dt h e c o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s a r eg i v e n a tl a s ts o m ep r o b l e mo ft h e p a p e ra n ds o m e f o i i o w e dw o r kw h i c hc a nb ed o n ea r es u m m a r i z e d k e v w o r d m a n a g e m e n t m a c h i n eo fp o w e rc 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 ) r e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e m ( r t o s ) p o w e rc o m m u n i c a t i o n s e r i a lc o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t 西北t 业人学删士论文l b 力自动化通信管理机的研制 第一章背景帮需求分辑 l 。l 论文的背景电力通信介绍 1 , 1 1 电力通信及其在电力系统中起着曛要的作用 翻阅著干文献，我们并没有发域就电力通信概念的具体论述。但是，研究这些文献的 论述，以及结合我们的实际体会。可以这么理解电力逶僖：实现电力系绞内部各个部分的镕 息流通和交换体系。包括这么一些内容，现场智能控制器和监控，调度的通信；以及调度 所、晒之间的通信。 f l l 宅力管理系统在瞧力系统起饕歪关重要的撂耀 众所周知，电力系统是国民经济的重要基础部门，肩负着为其他各部门提供电力供应 的重任。电力系统运行是否安全、生产是否高效高质对整个国民经济有着重要的影响：既与 电努裙门本赛熬缀滂效焱密切麴关，又关系列能答为其德务部门毫效生产提供基本懿爨迁。 所以，进一步提高电力生产的效率，进一步提高电力生产供应的可靠性，进一步优化供电质 量有着重大意义，而这归根结底都是一个电力管理的问题。 大家都知遴，电力系统海嚣令大魏方甄组戏：受费电力生产，传辕的设冬，翅发电 机。变压器，电力线等，也就是我们常说的一次设备：保证电力生产，传输，分配安全，离 效率进行的装置和设备，如电机，传输线等的各种保护设备，电机的励磁调节等各种调节和 控制设备，调繁魄力分熬戆各耪配电没各等，逛就是我钓鬻说载二次设备，在这里我翻将器 二次设备组成的系统叫做电力管理系统。 电力管理系统在电力系统中起潇非常重要的枢纽控制的作用，而且随翁电力系统的发 襞这穆馋瓣越来戆重要。蓄先，一次系统豹运嚣耋接受控予毫力管理系统。其体懿说，电力 系统的电能生产设备一备发电机，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 是备爨磁灞节装嚣还楚灞度系统都是我粕瑟说懿电力警残系统黥一部分。其次，邀力管莲系 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 位韵，安全得不到保障，出现各种事故不仅给电力系统造成损失，而且给其他部门带来连锁 反瘦，霹啦戆象郎佼一个区蠛电力供瘦数瘊痪会造成骨么群懿螽果。簸焉，魄力系绞豹离缓 背景和辩求分析 西北f 业人学硕卜论文电力自动化通信管理机的研制 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，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。 ( 2 ) 电力管理系统的重要基础是电力系统的通信 涵概保护，控制，调度管理的电力管理系统在整个电力系统中处于枢纽位置，然而对 于这个枢纽来讲，电力通信是必要的基础，这个系统的任何有机单元都是通过和其他单元通 信而和系统发生联系的，没有通信这个基础就谈不上是一个系统。而且，这个系统的综合性 能越高，越向后面发展就越依赖于电力通信这个手段。原因如下： 从小的方面讲，电力管理系统各个部分要有效工作离不开可靠的通信。以电力系统中 的各种现场保护为例，因为其担负的功能的重要性，他们常常被要求功能独立，现场采集信 号现场决定控制保护策略，然而即使这样，他们也少不了通信。这是因为有时保护控制算法 本身就要求保护装置的状态，需要和其他装置配合行动，这些配合都是基于各种现场通信才 得以实现。而且还因为，这些保护控制装置的状态，他们所采集各种现场信号是人们非常关 一t b 的，这些信号要向上传输给各种监控，同时这些装置还要接受监控的各种控制操作和命 令，也就是监控要下传各种命令。这些信号的上传，以及命令的下发都是因为可靠的电力通 信才能进行。举例来说，现场保护控制装置常常要采集电流，电压等各种模拟量，以及开关 位噩等各种数字量，变电站现场值班人员需要根据这些模拟量和数字量来了解现场各个装置 的工作情况，这些信号一般采用譬如r s 一4 2 2 的总线上传。同时值班人员常常要根据这些装 置的运行情况需要进行负荷调整，以及进行必要的维修，要分开或合上各种开关，这些分合 命令也是通过通信信道传给各装置。保护需要通信，电力调度更是需要。因为一个调度中心 要负责管理的区域更大，装置更多，所以上传和下发的数据命令更多，可以说，如果保护还 可以独立实现，那么调度就是基于通信的，没有通信就没有调度。 从大的方面讲，电力管理系统是一个涉及地理区域，功能复杂的大系统。而且功能要 求这个系统必须是一个有机的整体，必须要协调一致。从系统的理论角度讲，这个系统就少 不了通信，通信就是基础。而且随着人们对于系统性能要求的提高，要实现拥有某一权限的 工作人员可以在数百公里甚至更远的地方实行对某一装置的远程操作，而且系统还要能对这 背景和需求分析 西北t 业人学碗i 论文电力自动化通信管理机的研制 一操作进行判断：合理与否，给出建议，这些操作的实现，以及做出这些判断所要求的大量 数据都是以通信为基础。现在进行的电力通信网的建设都是出于这些考虑，是为了电力系统 向更高层次发展打必要的基础。 电力通信这么重要，那么现在电力通信的情况是什么样呢? 1 1 2 电力通信的结构 电力通信系统在拓扑结构上通常采用分层分布式结构，其各层的具体情况以及所采用 的通信介质和通信规约介绍如下： 现场智能控制装置的通信 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 2 3 2 ，r s 4 2 2 总线来实现。 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企 业内部规约。 场智能控制器和远方调度的通信 实现了变电站现场各智能单元之间以及智能单元和监控中心的通信，虽然可以完成变 电站安全运行所要求的各种各样保护，以及直观方便的人机对话，但是对于整个电网的合理 安全运行还是不够的，现场智能装置还常常被要求和远方调度进行通信，以实现电力系统要 求的“四遥”。 这一级通信具有如下特点：数据流量相对较大，但是实时性要求较低。目前在这一级 广泛采用租用电信部门的电话线使用拨号的方式通信，但是有条件的省市的电力通信专用网 己经建设到县级甚至更低，同时在一些较偏远的地区，在不具备采用专网通信或者拨号上网 的条件下，通常采用无线通信实现。所以说这一级的通信实现手段较为繁多。 背景和需求分析 两北r 业大学硕士论文电力自动化通信管理机的研制 但就采用的通信协议上讲，这一级由于相互通信的各终端之间差异很大，所以通信协 议必须采用通用的标准协议，如上面浣的c d t ，d n p 。 调度中心之间的通信 不同级别的调度中心之间更是要进行大量的数据交换，通信实现手段通常是铺设专 网，采用标准协议。包括各县调，地调，省调等之间的通信。这些通信的实现都是基于广域 网的，采用客户一服务器结构，以各种交换机，服务器为平台，以光纤，高性能电缆甚至卫 星通信为介质，以大型数据库，数据集市为基础。在这一级对于实时性的要求相对来讲已经 较低，但是数据流量是非常大，而且要求安全性很高。由于这些特点，商业上已经成功应用 的i n t e r n e t 等技术在这里也有发挥作用的地方，实际上，从网络结构，通信介质，到通信 协议，i n t e r n e t 网对于电力通信网都有值得借鉴的地方。但是由于本身的对于安全性要求 高，以及相对的实时性要求，电力通信又有自己的特点。这些特点一般为，有条件的一般电 力通信网要专线建设，设计n 向应时间，数据传输优先性要充分考虑，通信协议必须专门研究 制定等等。 总的来说，这一级通信是电力通信中的上层通信，也是整个电力通信中结构最为复杂 的一+ 级。但是由于这些通信已经属于更上层的通信，和论文研究的内容关系不是很大，所以 不做详细介绍。但一个基本的概念必须树立，那就是这是一个广域网。 1 2 需求分析一电力通信的现状和可以展开的工作 通过我们对于电力通信现状的调研，发现在整个电力通信中仍有许多问题有待进一步 解决与完善。 现场一级，从实际情况和发展看需要开展通信管理机的研究 在现场一级的通信中，由于商业竞争，历史背景等原因，各智能装置常常采用不同的 通信结构，包括采用不同的通信介质，通信协议等。但是又由于各个厂家各有优势，各有局 限，常常出现在一个变电站现场采用几家的产品的现象，这些智能控制产品要和上面的调度 和监控通信，但是它们又采用不同协议，互不兼容，而调度和监控常常只支持一两种通用通 信协议，不可能对于这些智能装置的所有协议甚至企业内部协议都支持，所以就存在一个通 信协议的兼容问题。而解决这个问题的方案常常是，在现场放置一个通信装置，完成现场装 置和调度的通信转发功能。所以从现场实际需要来看，实现这个通信装霞是一个非常重要的 任务，不可或缺。 背景和需求分析 西北t 业人学硕 论立电力自动化通信管理机的研制 而目前从市场上同类产品的性能和情况来看，这些产品都有这样一些特点：支持的规 约较少或仅支持特定的规约，通用性较差。而且这些产品大多研制较早，已经不太适合目前 的发展。具体表现如下，随着通信，计算机技术的发展，以及系统系统性能对通信要求的提 高，现场智能装置本身的通信手段，通信方式在飞速发展。如，这几年随着现场总线的研 究，现场智能装置采用现场总线的应用研究就非常多，发展也很快，通信前置机要想和现场 智能装置通信就必须支持现场总线，而前些年研发的通信前置机都不具备现场总线接口，所 以这方面有很多工作。同样的情况还有采用以太网接口的情况。而且，本身通信，计算机技 术的发展也为研制出性能更高的通信管理机提供了条件。所以综合这些情况，无论是从目前 需要还是考虑以后发展来讲，开展通信管理机的研制研究都刻不容缓。 上层电力通信中要展开的工作也很多 在这个领域，也是有许多工作，如网络结构的研究，通信协议的研究，网络安全的研 究，这些也都是非常紧迫和重要的工作。 1 3 论文研究的内容及其实现方案讨论 1 3 1 论文致力的方向 如上所述，在目前的电力通信领域有许多工作可做。但是从作者的实际考虑，我们对 于电力系统底层比较熟悉，所以论文开展电力自动化通信管理机的研制这方面的工作。 这个通信管理机要具备这样一些功能：能够实现规约协议的转换；通信接口丰富，种 类较多：可靠性高。规约转换功能必须要支持常见的若干通用规约，对于一些特定的内部协 议有时也要具备。一般的情况是，现场常常有几十甚至上百个智能装置，这些装置都要和通 信前置机通信，所以接口一定要多。而且这些装置的接口有时不同，所以接口类型也要丰 富。 1 3 2 通信管理机实现的方案讨论 ( 1 ) 实现方式上的选择 从实现方式上考虑，通信管理机可以有两种方案：采用通用工业控制计算机，安装特 定软件来实现；采用微处理器，开发相应软件，嵌入式实现。采用这两种方案各有利弊。 采用通用工业控制计算机实现具有以后维护方便，而次开发容易等优点。但是，一般 来说这种方案常常也伴随着价格昂贵，可靠性不高的缺点。这是因为，这个通信前置机要管 理的现场智能装置非常多，而通用计算机的通信口非常少，所以采用这种方案购买额外的通 背景和需求分析 西北 ：业大学硕士论文j 乜力自动化通信管理机的研制 信扩展卡是必须的，这样一来，通信扩展卡，工控机，软件的总费用是比较大的。而且，这 个通信前置机是要放置于现场的，而电力系统现场的各种干扰非常厉害，进现场所要做的电 力系统电磁兼容实验即使工业控制计算机也很难通过，这是这个方案最致命的地方。而且软 件上虽然这种方案容易维护，但是硬件接口上则未必，几乎是每添加一种接口方式都要重新 购买接口卡。 而采用嵌入式系统实现则有具备这样一些优点：成本较低，可靠性较高，由于采用专 用方案实现，所以在接口上可以实现多样化。而且如果采用合适的开发工具，这种方案软件 的可维护性也是比较好的。所以通信管理机虽然可以采用工业控制计算机实现，但是并不理 想，最好的方式还是嵌入式系统实现。论文也采用这种方案。 ( 2 ) 通信技术上面临的选择 首先是接口。因为譬如协议等方面，只要我们在设计时考虑足够多的系统资源，以后 都可以开展工作。但是接口直接与硬件相关，必须在第一次设计时就考虑好。 接口上有这么几种选择：工业控制常用的r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 4 8 5 接口：现在开展研究 比较多，也比较成熟的现场总线，如c a n ；以太网接口。 这几种接口各有一些特点，一般的原则是尽量集成。r s 2 3 2 ，r s 一4 2 2 4 8 5 等接口现场 智能装置用的比较多，一般都支持，也可以满足电力系统现场需要，在以后一段时间还会很 广泛采用，所以这两种必须考虑。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，这里我们考虑比较流行的c a n 总线。对于以 太网接口，有专家这么说，在将来的电力系统中这是必然的通信方式。这是因为，随着整个 电力通信网的建设，整个电力系统都采用多个智能装置形成局域网，各局域网再构成广域网 的方式，所以以太网是以后发展的必然方向。但是具体到实际，由于这是一项庞大的基础设 施建设，所以这虽然是个趋势，但是实行起来还要一段时间，而且开发这个接口现在来说成 本也比较高，实验条件也不是完全具备。所以以太网接口在论文里不考虑。 除了接口还有一个值得说明的问题，那就是通信模式的问题，具体来说，系统具备了 这么多接口，这些接口怎么工作，存在一个并行协调的问题。如系统中有若干路r s 一2 3 2 接 口，对于每一路来讲，都可以挂若干个智能装置，这些智能装置只能以串行的方式进行通 信，也就是说，每一时刻只能有一个智能装置占据总线，和通信管理机通信。但是由于这么 背景和需求分析 西北t 业大学硕士论文i 乜力自动化通信管理机的研制 多接口都和系统是并行连接，而且每一路的串口都具备通信缓冲，所以客观条件上这么多串 口可以同时通信，但是同时还要软件上的支持。论文考虑采用这种模式，也就是浣系统有多 路串口( 2 0 路) ，但是原则上讲这么多路可以同时通信。 1 3 3 论文研究内容总结 根据以上分析，作者论文要做如下工作： 以嵌入式方案研制一个通信管理机； 硬件上该通信管理机具备若干路通信接口，如r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 4 8 5 ，c a n 接口等。 相关通信参数可以设置，如波特率； 软件支持上，应该具备对c d t 规约和某内部规约的支持。 1 4 论文工作的具体现实意义 实现了这些功能的通信管理机具有很大的现实意义。 首先，从实现方案上，我们以嵌入式方案实现，可以保证未来产品具有较强的可靠 性； 其次，从设计的系统结构上看，系统具备多路并行通信口，这从硬件结构上保证采用 该通信管理机的系统具备高速通信的能力； 再之，从产品的角度考虑，这样一个硬件和软件都自主研发的装置，将来在市场上的 综合竞争能力将会比较强； 最后，整个系统的硬件和软件设计起点都比较高，这将为以后进行相应开发工作提供 一个较好的平台，系统扩展性比较好。 背景和需求分析 电力自动化通信管理机纳研制 第二牵系统的方案和续构 本章讨论通信管理机的结构和系统设计的方案以及对系统资源进行说明。 2 , 1 系统方案设诗 针对前一章的需求分析，我们设计系统方案如下： 系统设计1 8 路r s 2 3 2 接口，2 路r s 4 2 2 4 8 5 按口。一路c a n 接口。 系统结梅上崮丽部分踅戒：主机板帮入穰接口袄。主孛琵板完成通信管理梳豹主要 功能，通信管理，通信转发等；人机接口板完成人枞交互，如液晶显示，键盘操 作等。两块板子可以一块工作，这时它们以板间通倍的方式进行联系，通信方式 可以是r s 2 3 2 也可臣是c a n 总线：主薇也可以荤独工作。 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 实现。 两块板子都用d s p 实现。 系统扩充静逻辑和时序电路_ 簿jc p l d ( 餐杂可编程遂辑器件) 实现。 设计丰富的系统资源。包撅海量的程序存储器，海量的数据存储然，以及大容爨 的掉电不丢失数据存储器。 系统通信接翻采用专门的邋信扩展专爝蕊片实现。 设计若干鼹开入和开出量接口。 系统电路隔离设计。系统内电路和外部接i z l 电路隔离设计。 正式产品采翊多层印耩电路扳工艺。 软l 牛设计采用r t o s ( 实时操作系绞) 必平台。 2 2 具体方案论证 对以上方案选择论证如下： f l 滓富的遇信接翻是必须的。 系统设计了多路r s 2 3 2 接口和r s - 4 2 2 接口。这是因为，这两葺申接日都是工业控制上 最常用的接1 5 1 ，一般现场装置都具备，本论文设计所考虑的应用背景装置也是这种接口，所 以避信管爨辊要舆各这簇接口。之所以设计这么多，是戮为通信管理机的应斓场所有大量的 智能装置，如一般的变电站现场有几”p 台智2 保护控制装筵是缀正常魄，一魑大一点的站甚 至多达几百台。和这么雾装置通信，同时还要满足实时性能，通信接口必须骚足够的多：总 系统的方案荨n 鳝f 构 两北+ t 豫六学坝： 论文1 乜，j 自动化通信管理机的研制 线型娓接熙骤则上可以挂足够多盼智能装置。但是攘个总线系绕的逶傧响应遮度会随港装鼹 数量的增多艇著的下降；而且，总线上智能装置越多，总线的竞争也就越激烈，系统的效率 藏会越爨。瓢鞋，为了满足瑗强众多懑信任务汝要袋，逶镕接弱豁颈摄多，这鎏接胬应该隧 共行的方式秘处理器接口，满是麓速遵信的婺求。阉时，设诗这么多接妇，其容量也在鹱选 择主擦制器的范围之内，所以说也是合理的，这一点后面会做相应的分析。 蕊之，遴售警疆撬设计这么多逯嵇接强，客疆主簧求，主鬣上条释也具备。 邋信管理机慰时还设讨了一路c a n 总线接目这是嚣必，c a n 总线按日 擘淹一静比较流 行的现场总线，有定的用户群，开发起来相关支持比较多，同时c a n 协议所提供的支持 面议满足我髑戆露簧。掰渡，我们设诗了这个接蜀，鹾俸兔系统沟部入橇叛予帮主教通信瀚 一静方式。 ( 2 ) 装鼹结构的分离设计魁出于这么一黪考虑： 鼹系统操搏方馒，维护麓攀方瑟考虑需要浚诗天税接西板。久税撩口模块有篾有蘧形 字铃显示方式蛔渡瀑模块，也鸯矗双鳃状态显示烬，冠对掇供了键盘，霹以方便静进哥亍夫车建 交互。 僵蹙，完成邋信管理税静功耗，人瓤笄蔼不是磐须的。不少公司钓 司类产品就没有人 磐毛嚣援，以一耱黑瞪予鲶方式工佟。这耱方式显然搡捧越来不是特嶷方便，显示也不蛊理。 但是，也有很多好处： 成本较低。入祝羿褥要占不少系统资源，丽髓骰韵越好，系统数据，彳弋褐空间的代价 簸越盔。薅髓本身，滚鑫等器传价格就不蜚。 开发周期较短，工作量要少。 可靠散沈较高。系统所需资源，处理器负掇轻，煞统可靠性就比较好。 舞了兼矮这两个方嚣懿优点，戏其蚕突善鳃入撬接驽又霹锗瀵足些用户篷予成零考 虑的黉求，在作者论文设计中，采取了人机擞和主擞分离设计的结构。，系统人机界诞由专 门用人祝板实现，通信功能角主板实现，两者之间用通信撩口发生联系。这样的目标系统溉 其蚕完善蕊入懿器覆，丽醚遣霹鞋霎蕤予方式工箨。这可以缎好熬满足现场辩餐嵇露要：那 些需臻人机界丽的用户可以将穗糟组合使用；而想节约成本的用户则可以只用通信管理枧圭 板。非常灵活。 f 3 ) 竞液系绞功女离不开舞速楚理器，蕊雏羲立酶逶谂扩最锛瑾蕊圬，鞋及延避矮 9系统的方案和娥梅 两簸 “业又学疆土论文电力自动纯遣菇管理巍的研制 小的逻辑时序电路这三方面的支持。 魏上分析，通接管理机将寨要弱现场游大羹智能单元及远方进行透髂，通信任务卡分 繁l 琶，鬃加通信速率悬撮高的，鹚如如果每路串目的通傣波特攀是4 8 0 0 ，那么2 0 路串阳的 等效波特率将会达到4 8 0 0 + 2 0 = 9 6 0 0 0 ，约9 6 k ，这是很高的，折合下来基本上_ 相当于每l 毫 秒就要遴行敬处莲。嚣实际上4 8 0 0 豹波特率并不是很高，翔栗采用9 6 0 0 或者更蔫载波特 章那么通售负担藏更黧。袋以为了满是系统高速通信的功能要求，我们在设计时必须从器个 方面加以考虑： 蓠先，处理嚣速度必须要离。滏为通信豹接收和发送等处理艴撮结疯都是在穗处遴器 打交道，熊以处理器遴度是系统通擦速度最太的制约要素。处理器速度提题了，中断响应速 度就会快的多，这样通信的底层延迟就会小。有利于提高系统通信速度。同时，处理器速度 提离了，其指令羼麓赣会缩小，孰行两样功髓酌程序代码繇需辩闻就会缩小，那么在霄隈逶 綮簌层处理蠲礞疼，始上垂掰谴豹l 毫秒，裁可以擞更多系统魍处理，整个系统的通信速率 自然就可以提高。而我们选用的处理器t m s 3 2 0 c 3 2 就具有很高的速度，晶振4 0 m ，指令周 期5 0 缭移。 其次，邋蓉扩建磐须采矮裹牲糍艟专用芯片。我 | 、3 粟耀具有一定缓冲韵遴售扩艨芯 片，那么就会极大减轻处理器的负担，能成倍提高系统的通信速率。例如，如果通信扩展芯 片具有1 2 个字节的收发缓冲区，酃么相对于没有缓冲的通信方式，系统斡通信速率凡乎裁 霹玟鬟菇1 2 倍。当然这些搀奁必须在系统斡势挥处理速疫漱键之幽，在一定蕊豳内提海豹 效果非常明显，超出遮个范围提高的效果并不好，或者说并不合适。如，将1 2 个缓冲区扩 充为2 4 个对于有些成用就未必合适，例如透信数据短帧较多静情况，这辩反倒会影响系统 熬实簿懿。我翻设计懿系统，蕊选耀熬逮蕊扩袋蕊冀其蠢f i f o 方式，这是一个其有缓渖区 大小可设置的方式，最多可以具备1 4 个缓冲区。 箨三，系统资源的访问必须其有较侠的速度。如，各萃率存储器，l i 点及存储器映射盼外 设鹣谤蜒，魏菜这些访楚速度舞蠢了，盎然可敬提裹系凌豹游闽速发。菇了疆褰这些逮发， 对于这些资源的访问逻辑和时序控制全部用快速c p l d ( 复杂可编稷逻辑器件) 实现。 综合考虑这些因素，采用这种设计，理论上，在4 0 m 晶振，1 4 个字节缓冲，1 0 0 0 条 撩令冗余辩条传下，2 0 籍遥信g 瀚通信遴搴霹驭最高达爨 1 4 8 4 1 0 0 0 0 0 0 1 ( 5 0 * 2 0 ) = 11 2 ，0 0 0 。礤统的方集和结将 蕊北下韭大学颤l = 论文电力蠡动纯透蔷管壤辊豹秘翻 也就是基本可以达到1 1 2 k ，这是很高的。成该说系统通信速率是足够快的。 ( 4 ) 丰富静系统资源，海蟹的存谵嚣楚螽续歼发静必要基戳，同时所选择酶斑理器 也充分保证了海量存镶器的可实现性。大家都知道，在硬件设计完毕，后期的软 牛开发和维 护都是以此平台为基础的，如果这个平台的空间很小，那么就谈不上什么扩展。通信管理机 静较俘工作院重蓬很大，磊期开发簿增船一种协议转换支持，系统所需资源就会臻蕊很多。 人枫界嚣的_ 玎发也是这撰，增加一点功能都是非嚣耗费系统资源的。阉时，如果软件设计采 用先进的r t o s ( 实时多任务操作系统) 为平台，那么系统对于数据存储器的需求将较之非 r t o s 系统会太的多，稀开发像通信管理桃这样院较复杂静装蓬，软件工俸鲞非常大，采用 r t o s 是必然趋姆，可以大大加快爱期开发速度，方便鬃期维护。 所以总的来说，系统对于资源，如程序，数据存储器的需求是非常大的，而c 3 2 本身 内部资源j f 常有限，群以要扩展实璐。而客观上，c 3 2 其有饕常大( 多这1 6 m ) 的寻蟪空 翔，这充分保谖了系统海量存储爨的可实现牲。 ( 5 ) 从系统可靠性考虑，隔离设计，c p l d 芯片的使用都是必须的。 众所周知，电力系统现场的干扰菲常严重，所有在电力系统现场使用的装鬣必须爨有 缀强熬挠予抗性，电磁兼容撂标必须瀵是。瑟提巍电磁蒺容性能菲零蠢效豹办法就是系绞懿 隔离设计，将干扰强的外部系统和内部系统隔离开来。我们的系统通信接口和板内系统这样 设计也正楚出于这样考虑。 溺时，为了提嘉捷干扰牲，系绫设谤粒大爨采用大援模集残惫路，麴掰有豹逻辑秘慰 序电路都有c p l d 实现。 为了提商抗干扰性，在工艺上我们也充分蓬视，正式产品采用多层印刷电路板工慧， 良僮之挠砉| 丢性能雯妻 。 ( 6 ) 软件设计采用r t o s 具有许多优点。 首先，采用r t o s 可以大大方便后续开发，有利于后期维护。在 r t o s 下静程露设诗静蹙育模块铯瓣特点，在操 筝系统支持豹情琵下，添翻凌髓嚣常方馕， 和时期设计关联较小。而且，r t o s 为用户提供尽可能多的系统考虑，用户可以把主要心思 用于自己功能的实现上，而不必为系统如何协调烦恼。 其次，采褥r t o s 有利于稳篙系统能哥纛往。r t o s 都楚成熟豹软 率，一般都经i 璧反 复测试，稳定可靠性都非常好。 系统的方案和结构 弧北_ _ f _ = 业夫学硕士论文电力皂动化通绩篱堙杌的研制 2 3 系统资源和结构总结 2 3 1 系统硬件资源 主控铡器 主板和人机接口板的主控制器都选用t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 2d s p 。该控制器高达1 6 m 的3 2 位寻址空间，完全可以适应通信管理杌的代码容量大，数据容量大的要求，在其上实 现i t o s ( 实对多任务操搀系统) 缀蠢条 牛。 运算速度快，主频4 0 m h z ，运算速度高达2 0 m i p s ( 每秒百万条指令) ，内部6 4 * 3 2 的指令高速缓存，基于寄存器的结构，这些都足以保证通信管理机管理众多智能控制器的通 信髑运算掰要求躲速度。 资源丰富，两个3 2 位定时器，4 个外部中断，灵活的三个外部总线接口，都给我们 设汁提供了极大方便。 。 秀发工具较方矮，罩i 公司及其舍睾饮锌提供了完整熬开发工其：淫试器，汇编嚣， 编译器，连接器，库管理工具，目标代码转换工具等。集成开发环境也做的非常不错，简单 易学，功能又强大，符合w i n d o w s 下应用程序的熊型风格。 侩格较羝，无谂是开发工买逐是芯冀零赛以及豁强配套芯片敬徐霞都毙较低，中瑙羯 户完全可以承受。 存储器 主控翻投瓣存绦器资滚如下： 5 1 2 k 3 2 的f l a s h ( 快速闪存) 用做代码存储空间； i m * 1 6 的r a m ，可以提供足够多的内存： 5 1 2 k 1 6 懿f l a s h 瑁来傈存酝鬻数据和各耱各样静实时信息。 通信扩展接口 扩展多达2 0 串行口，其中2 路总线型r s 4 2 2 接口，1 8 路点对点的r s - 2 3 2 接口。总 线篷静r s 4 2 2 接日可确傈管理单元足够的多，点辩点的r s 一2 3 2 可掇供足够的侠酌响应，这 对于那些要求实时性比较高的应用场合非常合适。当然，如果在软件上加一修改将r s 一2 3 2 用作总线型也是可以的，但是一般不提倡。 开关羹输入和信号输出 系统设计了1 6 路开入量，1 6 路开关输出，其中8 路开关量输出要袭外部复归信号。 系统的方案和结构 西北王业夫举疆土论文电力自动纯递蕊簧理瓤豹鹾制 可满足现场的各种需要。 入掘接口丰富。 具有1 6 键豹键盘，图形字符方式的1 2 8 6 4 点阵大屏幕液晶，1 6 个指示灯，1 6 个拨 盘设置。 其毯 系统还设计了精确到秒的实时时钟。可以满足电力系统对绝对时间的爱求。 2 3 2 系统软件方案简述 装爨软 孛选蠲r t o s 为系统软俘，辨谴为操作平螽，应渭较释跫在l 逝平台主豹程痔秀 发，采用模块化设计。 选用的r t o s 为u c 0 s - i i ，在此平台应用软件的开发转化为在编写系统软件r t o s 下 的任务模块，以及实磷这些经螽的通信。整令软件架稳提供鲡f 资源： 6 4 个具有不同优先级的任务，充分满足完成系统功能的需要； 3 种不同的任务通信方式：信号量，邮箱和消息队列，可适应各种实际系统的具体需 要； 占先式内核，可满足实时系绞的需要； 无论是编译器还是r t o s 都支持c 语言，可极大提高开发效率。 2 。3 3 系统结掏 如上所述，系统功能和结构上由两部分，人规扳和主扳组成。差枫板完成通信功能， 包括2 0 路串口一1 8 路r s 2 3 2 ，2 路r s 4 2 2 4 8 5 。 人机板完成人概对话，包括液晶显示，指示灯显示，键盘输入等部分。这两头板子独 立设计，资源独立，鑫自的资源配鬟分别如下图2 1 ，2 2 所示。 这两块板予以通信相互联系，通信方式是r s 2 3 2 总线和c a n 总线。采用c a n 总线 的藤因是这也是一种流行的现场总线，功髓很强。同时又设计了r s - 2 3 2 方式作为备用，确 保可实瑗嚣者的通信。嚣者豹连接示意图麴圈2 3 。 图2 - 4 给比了遇信管理机的通信接口框架图，在其工程应用时可以参考这个作为连接 示意图。 系统的方案和结构 藕袭下监夫学硪圭论文邀力塞动纯逐绩管理辊鹣疆铡 1 6 路开入量，1 6 潞开离差 c p 乙d 逻辑 c 3 2 d s p 串彳亍 扩展 媳路 总线 5 1 2 k 3 2 lll 嬲1 6 f l a s h ffs r a m c p l d 实时时镪 图2 1 主板系统资源图 系统的方案和结构 2 0 串口 弱乾t 盈夫掌疆l 论文 电力鑫韵纯递售繁理辊驺辑裁 1 8 缝键盘，指示灯翻毽彤滚晶 c p l d | | c 3 2 逻辑门d s p 控毹，遗址ll i 总线 串掰 扩展 电鼹 2 s 6 k 1 6 f l a s h p l 叠 i 龉c a n 1 路2 3 2 2 5 6 霹戳荧懑嚣餮餐耱送信参羧：数糖继鼗鸯5 - - 8 使共4 转w 以选辑；筹业 经也膏l 倥，t ，5 位，2 三耱配置霹选；数据校骏霄鸯，髑较验溅赦不如校骧三耱设置。波特 率更是可戳灵活设定，麸5 0 b p s 刘5 6 k 不等。藤鼠内部有f i f o 功裁，可戳设寇发送鞍接较 触敷的字节数，触发迫平育1 个字节，4 个字节，8 个字节，1 4 个字节共计闼稀选择便稽 f i f o 可以大大降低c p u 的响应负掇，提高系统的通信速率。 该串翻扩展芯片秘c 3 2 的接口如- f 图3 4 所示。其写信号直接接c 3 2 的读写信号， 箍该芯片豹读髅譬嚣螫将c 3 2 懿读雩镶号反勰簸缛到。该审口扩爆芯片的片选信号幽c 3 2 鹃地址荣号秘控制信号经c p l d 产生。该芯片熬数攥线和律必瑰郏鸯存器寻堤的低三搜地址 线直接接在c 3 2 的数撂窝避址总线上。舞了产燕渡特率时锋，该蕊片需要熬摄产生合适鹚瓣 释输入，为了掇裔牲蘸，系统中静龋掇采焉经髓稳定静蠢添菇攘。 在通信扩展电路中，为了提高系统的抗干扰住，提高可靠性，系统酪逶络按口采糟舔 离设计。隔离采用光电隔离。由于凭特殊的驱动和响应速度的簧求，光电隔离选用一般的光 耦躯可，我们选择躯枣场上最常见的t l p 6 2 1 ，即使这样其也可承受2 5 0 0 v 的隔离电压。具 体这部分电路如图见3 一a ，3 - 4 b 辨示。 c a n 整线的扩震逶避专f l 豹c a n 总线扩嶷愁片实现：c a n 总线控露器芯片和c a n 总线袋趣蕊冀实疆。系统掰选撵粒e a n 慧缓控键蕊片嵇畿强大，霹豁支持c a n2 0 a 协 议，也支持葫能更强兹c a n2 0 b 褥议。而且冀逶耀往也很疆，箨掰大家族嚣徽控制器产品 都可方便葙连：既爵戳工佟在i n t e l 方式，又可以工作在m o t o r o l a 方式。其钵工作在 哪种方式由一个管脚的电平决定。本论文所用控制器c 3 2 采用的是暗佛结椅，所戳应该和该 c a n 总线控制器以m o t c l r o l a 方式接口。四个控制信号中的w r 信号直接由c 3 2 的读写 信号r d w r 产生，其余的a l e a s + r d e ，c s 接号由，c p l d 产生。 e a n 蒽线接胬芯片楚e a k 控剩器翻搀理总线阈的接口，我们选用的芯片它可以提供 对总线趋蓑动发送能力帮对c a n 控懿嚣豹差动接牧毙力，具奄捷恶劣环境下的瓣闯干娩、 僳护总线瀚能力，漆时，菱一个节点簿电不会影羲总线。礴器瓣为了提高系统爵靠性，c a n 硬释缍掏和缅节 疆鞋 业丈学骥士竣文 电力基动纯透信警理辍豹磷捌 总线接口也采用了光电隔离。由于c a n 总线的速率比较高，所以光电隔离嚣的速度也要求 较裔，需要疆快遮光蕊。这邦分电黪琢理鹫觅下强3 - 5 。 图3 4 a c 3 2 的审乎亍接鼬扩展逛路图之一。 硬件结构和细节 翌苎! 鲨查堂塑：! 兰塞整查垒塾竖鋈笙鳘矍墨箜鲨塑 图3 4 bc 3 2 的串行接l = 扩展电路图之二。 硬件结构和细节 诫北。r 业大学硕一l 论变电力自动化通信管理机的研制 图3 - 5c a n 总线和c 3 2 接口扩展电路图 3 1 3 键盘接口的电路 在设计的初期，对于以后到底需要多少令键并没有确定的数字，但是参考一般的经 验，同时为以后二次开发留有余地，以及考虑将来软件编制的菜单结构所以考虑，为系统设 计一个1 6 键的小键懿已经足够了。键盘电路采用较典型的设计，1 6 键的逻辑电乎经编码器 编码后经疆离压送总线，键盘豹地址信号由c p l d 产生。电路图如下图3 - 6 。对于键盘输 入，一般要裔去斟动豹处理，具体的方法可以是软释去抖也霹以是璎 牛电路_ 藿搂去拱动。论 文的设计去辩动处理在软件中实现。 另外对于这个设计需餮说明的是，这撵的对镳盘状态的编码实现楚优先编码，所以如 果出现这种情况，即两个按键同时按下的情况，则对仅优先权限高的键进行编码。所以该硬 件设计不支持组合键的使用。如果确实想使用组合键的方式，可以用软件实现。 3 1 4 指示灯接口电路 系统设计了1 6 个工体指示灯，用来辅助液晶箍示系统的工作状态。播示灯由挂在总 鹾掌l = 结构耜鼬节 蔼就” ”叠文学骥 谤文匙身垂动纯遵蕊簿纛辊靛辑裁 线上的锁存器驱动，锁存器的输入魑总线数据，输出驱渤指示灯，锁存器是个8 i ) 触发 器，辑双在对撂示灯避孬下次搡作之魏，蒋一次戆状悫得竣露存。每一个撬示灯罄是一个 发光二极管。具体电路豳如圈3 ：7 ，图中的限流电阻根据发光二极管的电流特性取合适的 值。 碰件结构和细节 耍韭! ：些查鲎堡：! ：笙；! ! ! ；皇垄旦麴些遵堕重型墨塑堡! 趔 图3 。7 系统驻示灯接口电路。 图3 - 6 系统键擞接嗣电路。 硬件结构和鲴节 趣靶【韭大学簸士论文电力自动他通稼管理辊熬鹾刳 3 1 5 液晶接口电路设计 液晶显示由于具有显示信息丰富全面，可以是图形显示，可以是字符显示，可以鼹示 汉字，其搽作耗电少等特点。绣敬在各萃孛需要久税接口漪工盈产品中被广泛应用。我们豹系 统中幽于有大量的信息要显示，所以也选撵了液鼹作为主要的艇示手段。选用的液晶是金点 阵式的液晶，可以显示字符也可以显示汉字，功能比较强大。同时其内含的液晶模块控制器 指令集氇非常丰富，魂址定靛，清翳，光标定位和形状选择等 簿令僮各耱按倒器对英搡佟菲 鬻方便。其与c 3 2 的接口也容易实现。下弱对这部分豹电路原理避罨亍分缨。 液晶和c 3 2 的接口包括c 3 2 从液晶读状态的操作和向液晶写入指令和数据的操作。 不管读