蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院（甘肅 蘭州730050) 陳 偉 郝曉弘 張 帆

0 引言

變電站自動化通信系統(tǒng)是變電站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它直接影響著整個系統(tǒng)的性能。特別是近年來隨著數(shù)字式繼電保護(hù)等智能化電子設(shè)備IED(Intelligent Electronic Device)的大量推廣和使用，變電站自動化系統(tǒng)要監(jiān)視和控制的對象數(shù)目急劇增加，這些設(shè)備都需要通過內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)快速通信和數(shù)據(jù)共享，傳輸大量的遙測、故障錄波等信息，這些都對變電站自動化通信系統(tǒng)提出了更高的技術(shù)要求，同時也促使了變電站自動化通信系統(tǒng)向以太網(wǎng)技術(shù)的變遷[1]。

目前變電站自動化系統(tǒng)所采用的幾種網(wǎng)絡(luò)通信模式各有特點，但各種協(xié)議統(tǒng)一到以太網(wǎng)上是網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的一大趨勢。國際電工委員會(IEC)推出了迄今為止最為完善的關(guān)于變電站自動化通信的標(biāo)準(zhǔn)IEC61850，為高速的、開放協(xié)議的以太網(wǎng)在變電站中的應(yīng)用鋪平了道路[2-4]。未來變電站自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，將以采用以太網(wǎng)技術(shù)為主，結(jié)合各種串行通信和現(xiàn)場總線技術(shù)、Internet、WEB等通信技術(shù)，使得變電站內(nèi)的各種自動化設(shè)備面向互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)信息的互聯(lián)，這也是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求[5]。

基于上述背景，本文基于嵌入式以太網(wǎng)，設(shè)計了一種基于嵌入式以太網(wǎng)的變電站自動化網(wǎng)絡(luò)通信平臺，實現(xiàn)了變電站中現(xiàn)場級設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中其它通信設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

1 功能與系統(tǒng)總體設(shè)計

變電站自動化裝置需要對大量的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且要根據(jù)實時處理的結(jié)果進(jìn)行跳合閘等操作，另外要將實時數(shù)據(jù)、歷史記錄傳送到監(jiān)控系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)顯示和事故分析。這就要求變電站自動化裝置的微處理器具有高速數(shù)據(jù)處理的能力。目前，應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的微處理器主要有單片機(jī)、ARM和DSP等。綜合考慮變電站自動化裝置對主控制器的要求以及上述各控制器的特點，本文選用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320F2407作為主控制器。嵌入式設(shè)備要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入還需要解決與以太網(wǎng)的接口問題。在本文中，采用Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)了DSP嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)的功能。系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

硬件系統(tǒng)的設(shè)計是在主控制芯片TMS320F2407的基礎(chǔ)上，分模塊完成的。主要包括電源模塊、復(fù)位電路模塊、時鐘模塊、存儲器擴(kuò)展模塊、CPLD模塊及以太網(wǎng)通信模塊等。其中，以太網(wǎng)通信模塊的設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計的核心。這里采用以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS通過ISA接口與TMS320F2407相連，同時通過網(wǎng)絡(luò)隔離器隔離后，接入以太網(wǎng)絡(luò)中，電路圖如圖2所示。

圖! 以太網(wǎng)控制器電路圖

RTL8019AS是一種高度集成的以太網(wǎng)控制器，它實現(xiàn)了物理層(PHY)和以太網(wǎng)介質(zhì)訪問層(MAC)的所有功能。RTL8019AS適應(yīng)于 Ethernet II、IEEE802.3、l0Base5、10Base2、10BaseT，它與NE2000兼容，支持8位、16位數(shù)據(jù)總線。采用全雙工模式，收發(fā)可同時達(dá)到l0Mbps的速率，具有睡眠模式，降低了功耗。同時，內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求[6]。

RTL8019AS芯片內(nèi)部集成了DMA控制器、16KB的SRAM、ISA總線控制器以及網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器。在數(shù)據(jù)收發(fā)時，可以通過DMA方式把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)SRAM中，芯片會自動將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；而芯片在接受數(shù)據(jù)后，可以通過DMA方式將其讀出。主處理器需要做的只是在RTL8019AS的外部總線上讀寫MAC幀。通常將RTL8019AS內(nèi)部DMA劃分為本地DMA(local DMA)通道和遠(yuǎn)程DMA(remote DMA)通道兩個部分。本地DMA完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換，主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠(yuǎn)程DMA操作。

RTL8019AS的外部總線符合ISA標(biāo)準(zhǔn)，它提供三種配置I/O端口和中斷的模式[4]：

第一種為即插即用模式(Plug and Play，PnP)。在這種模式下RTL8019AS的I/O端口和中斷要由軟件進(jìn)行配置。

第二種為跳線模式(Jumper)，RTL8019AS的I/O端口和中斷由跳線引腳決定。

第三種為免跳線模式(Jumperless)。RTL8019AS的I/O和中斷由外接的9346(一個EEPROM)里的配置信息決定。

本文采用RTL8019AS的跳線模式來選擇I/O端口和中斷。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和其他應(yīng)用程序之前，首先要進(jìn)行操作系統(tǒng)的移植。然后才能在嵌入式操作系統(tǒng)的管理下，設(shè)計適合變電站以太網(wǎng)通信的協(xié)議棧，使嵌入式通信平臺能夠接入以太網(wǎng)中，實現(xiàn)對變電站實時信息的傳遞。

!C/OS-"是一個公開源代碼的占先式多任務(wù)的微內(nèi)核RTOS，其性能和安全性可以與商業(yè)產(chǎn)品競爭。!C/OS-"的特點可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個任務(wù)。!C/OS-"是一個經(jīng)實踐證明性能穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。

為了方便!C/OS-"內(nèi)核能移植到某個微處理器或微控制器上運行，大部分的!C/OS-"代碼是用C語言寫的，但仍需要用C和匯編語言寫一些與處理器相關(guān)的代碼，這是因為!C/OS-"在讀寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實現(xiàn)。由于!C/OS-"在設(shè)計時就已經(jīng)充分考慮了可移植性，所以!C/OS-"的移植相對來說是比較容易。移植工作主要包括以下三個文件：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASMM[7]。

圖3 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送過程流程圖

2.1 以太網(wǎng)驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

以太網(wǎng)驅(qū)動程序主要作用是屏蔽底層硬件的處理細(xì)節(jié)，同時向上層軟件提供硬件有關(guān)接口，主要完成以下三部分工作：網(wǎng)卡初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)包與接收數(shù)據(jù)包。

初始化程序主要完成：復(fù)位網(wǎng)卡、接收發(fā)送緩沖區(qū)配置、初始化物理地址組播地址、安裝網(wǎng)卡中斷等工作。RTL8019AS在工作前必須復(fù)位，復(fù)位比較簡單，對RTL8019AS的復(fù)位端口RSTDRV進(jìn)行讀操作或者寫操作都將復(fù)位RTL8019AS。

接收數(shù)據(jù)包是通過以太網(wǎng)中斷服務(wù)程序、以太網(wǎng)接收任務(wù)、操作系統(tǒng)信號量及內(nèi)存管理機(jī)制來完成的。當(dāng)網(wǎng)卡收到數(shù)據(jù)包時進(jìn)入以太網(wǎng)中斷服務(wù)程序，由以太網(wǎng)中斷服務(wù)程序把數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡接收到主控制器分配的接收緩沖區(qū)，然后發(fā)送信號量到以太網(wǎng)接收任務(wù)。接收數(shù)據(jù)幀時，RTL8019AS將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過本地DMA存儲到環(huán)形接收緩沖區(qū)，再由DSP通過遠(yuǎn)程DMA讀取數(shù)據(jù)幀。最后要檢驗數(shù)據(jù)包的合法性并調(diào)整相應(yīng)的指針。接收數(shù)據(jù)包的流程如圖3(a)所示。

圖4 ARP請求和應(yīng)答函數(shù)流程圖

數(shù)據(jù)發(fā)送時先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，用遠(yuǎn)程DMA方式從主控制器的緩沖區(qū)發(fā)送到RTL8019AS的發(fā)送緩沖區(qū)。然后配置發(fā)送計數(shù)器，啟動發(fā)送命令把數(shù)據(jù)往外發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送過程流程如圖3(b)所示。

2.2 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)

在完成系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計與以太網(wǎng)驅(qū)動程序的開發(fā)之后，系統(tǒng)已能發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。然而如何將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包里的純數(shù)據(jù)分解出來，將純數(shù)據(jù)封裝成符合協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包則需要嵌入式TCP/IP協(xié)議處理程序來完成。需要在!C/OS-"操作系統(tǒng)上定制的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧主要有ARP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議和UDP協(xié)議[8-9]。

在ARP模塊中，為了便于地址解析，系統(tǒng)中設(shè)置了一定ARP緩存空間用于存儲IP地址和硬件MAC地址之間的關(guān)聯(lián)。在發(fā)送IP數(shù)據(jù)報時，首先查看ARP緩存空間中目標(biāo)IP是否有對應(yīng)的MAC地址。如果有就直接發(fā)送；否則，就向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送ARP請求幀，并等待ARP應(yīng)答幀。另外一種情況是收到正確的ARP應(yīng)答幀時，就要更新ARP緩存空間，并把IP報發(fā)送出去。在程序設(shè)計中主要是針對ARP請求函數(shù)和ARP應(yīng)答函數(shù)的設(shè)計。ARP應(yīng)答函數(shù)的流程如圖4所示。

IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議中最為核心的協(xié)議，所有的上層協(xié)議都要以IP數(shù)據(jù)報的格式傳輸。本文中考慮到嵌入式系統(tǒng)的實際應(yīng)用場合，為了簡化代碼，提高效率，只實現(xiàn)了最基本的功能。采用兩個函數(shù)IP發(fā)送函數(shù)和IP接收函數(shù)來實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)報的處理。

圖5 IP發(fā)送與接收函數(shù)流程圖

IP發(fā)送函數(shù)是由上層協(xié)議調(diào)用的，負(fù)責(zé)對上層數(shù)據(jù)進(jìn)行格式封裝，使之成為IP數(shù)據(jù)報以及把數(shù)據(jù)傳遞到以太網(wǎng)層的發(fā)送函數(shù)。在IP協(xié)議的發(fā)送函數(shù)中會用到發(fā)送信號量，用于發(fā)送時的資源管理。使用!C/OS-II的OSSemPend()獲取信號量，使用OSSemPost()釋放信號量。IP接收函數(shù)首先把校驗和字段置為0。然后，對首部中每個16位進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和，結(jié)果存在校驗和字段中。當(dāng)收到一份IP數(shù)據(jù)報后，同樣對首部中每個16位進(jìn)行二進(jìn)制反碼的求和。由于接收方在計算過程中包含了發(fā)送方存在首部中的校驗和，因此，如果首部在傳輸過程中沒有發(fā)生任何差錯，那么接收方計算的結(jié)果應(yīng)該為全1，如果結(jié)果不是全1，那么IP就丟棄收到的數(shù)據(jù)。IP發(fā)送函數(shù)和接收函數(shù)的流程如圖5所示。

ICMP協(xié)議經(jīng)常被認(rèn)為是IP層的一個組成部分。它傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。ICMP報文通常被IP層或更高層協(xié)議(TCP或UDP)使用。一些ICMP報文把差錯報文返回給用戶進(jìn)程。ICMP報文是在IP數(shù)據(jù)報內(nèi)部被傳輸?shù)?。它的實現(xiàn)方式是：把收到的請求的IP源地址與目的地址交換后重新寫入，并把ICMP頭中的消息類型改為“回響應(yīng)答”，作為對回響請求的應(yīng)答發(fā)回。

UDP是面向數(shù)據(jù)報的簡單傳輸層協(xié)議，所以UDP的處理過程比TCP簡單，UDP向應(yīng)用程序提供了一種發(fā)送封裝的原始IP數(shù)據(jù)報的方法，并且發(fā)送時無需建立連接。UDP協(xié)議的程序?qū)崿F(xiàn)主要是兩個函數(shù)的設(shè)計：UDP數(shù)據(jù)報的發(fā)送函數(shù)和UDP數(shù)據(jù)報的接收處理函數(shù)。

UDP數(shù)據(jù)報的發(fā)送函數(shù)首先判斷目的IP是否正確，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)首部封裝以及對校驗和的計算。UDP檢驗和的基本計算方法與IP首部檢驗和計算方法相類似，是把若干個16 bit字相加，所以如果UDP數(shù)據(jù)報的長度可以為奇數(shù)字節(jié)，計算檢驗和時則在最后增加填充字節(jié)0，填充的字節(jié)只是為了檢驗和的計算。UDP數(shù)據(jù)報的接收處理函數(shù)，在這個函數(shù)中設(shè)置了一系列的確認(rèn)、超時設(shè)置和應(yīng)答機(jī)制來保證UDP數(shù)據(jù)報的傳輸可靠性。在判斷了正確接收了數(shù)據(jù)之后，會給主機(jī)一個應(yīng)答信息，通知主機(jī)已經(jīng)正確接收了數(shù)據(jù)。在正確接收了數(shù)據(jù)之后，通過調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核函數(shù)OSSemPost()發(fā)出接收信號量喚醒上層應(yīng)用程序，從而完成UDP數(shù)據(jù)的接收。

TCP協(xié)議與UDP協(xié)議一樣，也屬于傳輸層協(xié)議，都使用相同的網(wǎng)絡(luò)層。然而，TCP卻向應(yīng)用層提供與UDP完全不同的服務(wù)。TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流服務(wù)。TCP協(xié)議是整個TCP/IP協(xié)議棧的核心協(xié)議。但是，TCP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)機(jī)制是非常復(fù)雜的，對于嵌入式系統(tǒng)而言，較慢的CPU運行速度和有限的內(nèi)存資源不可能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議。同時，嵌入式系統(tǒng)是面向特定的應(yīng)用的，也完全沒有必要實現(xiàn)一個完整的TCP協(xié)議。在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)TCP協(xié)議就有必要對它進(jìn)行必要的約簡和改進(jìn)。這里我們設(shè)計的TCP協(xié)議主要包括三個部分：TCP連接的建立、TCP連接的斷開以及TCP數(shù)據(jù)接收處理。

3 實驗測試

本文建立的通信平臺是一個開放型的系統(tǒng)，可以根據(jù)需求在嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上方便的建立用戶自定義的任務(wù)。系統(tǒng)性能的測試主要包括3方面的內(nèi)容：以太網(wǎng)通信功能的測試、通信的時延測試以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詼y試。

系統(tǒng)性能的測試主要包括ARP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議、UDP協(xié)議及TCP協(xié)議的測試。

首先進(jìn)行Ping測試，Ping測試是測試網(wǎng)絡(luò)通信連接的一種簡單實用的方式，可以用來測試網(wǎng)絡(luò)的連接狀況，可以對ARP協(xié)議、IP協(xié)議和ICMP協(xié)議進(jìn)行測試。實驗裝置能夠正確的響應(yīng)Ping請求，而且沒有數(shù)據(jù)包丟失，說明系統(tǒng)工作正常，網(wǎng)絡(luò)連接功能得以實現(xiàn)。

UDP測試可以通過在上位機(jī)建立UDP服務(wù)器向?qū)嶒炑b置發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)接收實驗裝置的回傳數(shù)據(jù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性驗證。實驗中對不同長度的數(shù)據(jù)包傳輸進(jìn)行了多次發(fā)送與接收測試，測試結(jié)果的統(tǒng)計如表1所示。

?

從表中可以看出，在傳輸數(shù)據(jù)包長度較小時，傳輸數(shù)據(jù)的錯誤率為0。隨著傳輸數(shù)據(jù)包長度的增加，誤包率出現(xiàn)，但出現(xiàn)的誤包率僅為0.005。因此，網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性可以得到保證。

同理，TCP測試可以同時在上位機(jī)建立TCP服務(wù)器和TCP客戶端來分別對TCP協(xié)議進(jìn)行驗證。并通過上位機(jī)抓包程序?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性進(jìn)行驗證。通過Spynet的分析結(jié)果可以看出，服務(wù)器端與客戶端的地址正確，數(shù)據(jù)解包分析的結(jié)果與設(shè)置的傳輸值一致，且傳輸協(xié)議符合TCP格式。所以，設(shè)計的TCP協(xié)議棧能夠滿足傳輸要求。

4 小結(jié)

設(shè)計了一種變電站嵌入式以太網(wǎng)通信平臺，對通信平臺的軟硬件設(shè)計做了詳細(xì)闡述，硬件設(shè)計基于TMS320F2407 DSP，軟件設(shè)計基于嵌入式操作系統(tǒng)!C/OS-II，詳細(xì)闡述了以太網(wǎng)接口的實現(xiàn)，在對操作系統(tǒng)移植的基礎(chǔ)上，對嵌入式TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行了合理的設(shè)計，并通過實驗測試驗證了該通信平臺的可行性，同時該系統(tǒng)已在110KV少油式斷路器的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。

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