涂永飛，王名傳（中國能源建設集團鎮(zhèn)江華東電力設備制造廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212017）

基于SPI雙機通信的弧光保護系統(tǒng)

涂永飛，王名傳
（中國能源建設集團鎮(zhèn)江華東電力設備制造廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212017）

針對弧光保護系統(tǒng)的實際需要，設計了一種基于SPI的雙機通信系統(tǒng)。簡要闡述了該系統(tǒng)的設計思路，并給出了具體的實現方法。實驗表明，采用該方法能夠滿足實際工程中的需求，對于其他SPI的應用也有很好的借鑒價值。

弧光保護；SPI；LPC1788；協(xié)議

0　引言

在一些重要的用戶變電站和發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)中［1］，弧光短路是中、低壓開關柜內部最嚴重的故障，由于電弧電阻的原因，短路電流往往達不到速斷整定值而不能快速動作切斷故障，造成嚴重的后果。據統(tǒng)計資料表明，近年來，每年每1 000臺開關柜就有7臺遭到損壞，故障率為 0.7%，農村配電網的概率更高，達 1.2%。有的甚至發(fā)展成“火燒連營”的事故，這些配電網事故處理不當甚至會擴大發(fā)展為輸電網事故，造成重大的經濟損失。2010年，云南電網下發(fā)了《關于在中低壓開關柜加裝電弧光保護的通知》，要求在所有的 35 kV和10 kV開關柜中加裝電弧光保護，目前南方電網已在逐漸推廣。

中國能源建設集團華東電力設備制造廠研制的ZHG-1A型智能弧光保護系統(tǒng)采用紫外光弧光檢測和過電流檢測雙判據原理，具有保護動作速度快、可靠性高等特點。它是一個模塊化系統(tǒng)，包括主控單元、電流單元、弧光單元，系統(tǒng)構成示意圖如圖1所示。

圖1　弧光保護系統(tǒng)示意圖

1　弧光保護系統(tǒng)主控系統(tǒng)通信結構原理與設計

主控單元是電弧光保護系統(tǒng)的核心部件，負責輸入量的采集、測量、計算及邏輯判斷，實現系統(tǒng)的各項保護邏輯、與站內監(jiān)控系統(tǒng)通信等功能。主控系統(tǒng)采用 DSP+雙ARM結構，其中一塊ARM（A片）采用 NXP公司的 LPC178x芯片負責與站內系統(tǒng)通信，另一塊 ARM（B片）同樣采用 LPC178x芯片負責液晶顯示與DSP通信。在與站內監(jiān)控系統(tǒng)通信時，A片ARM要把相關數據通過B片ARM傳遞給DSP，為此兩塊ARM之間要進行通信。主控系統(tǒng)通信結構如圖2所示。

圖2　主控系統(tǒng)通信結構

2　SPI通信設計與實現

2.1SPI硬件實現

LPC178x/177x系列的 SSP是一個同步串行端口（SSP）控制器［2］，可控制SPI、4線 SSI或 Microwire總線的操作。SSP可以與總線上的多個主機或從機交互。但在一次給定的數據傳輸過程中，總線上只能有一個主機與一個從機進行通信。數據傳輸原則上是全雙工模式，4～16位數據的幀由主機發(fā)送到從機或由從機發(fā)送到主機。SSP控制器共用以下 4個管腳：

（1）SCK：串行時鐘管腳，用來同步數據傳輸的時鐘信號。它由主機驅動，從機接收。無論主機往從機寫數據還是從從機讀數據，它的時鐘信號都是由主機的SCK管腳產生，從機不產生時鐘信號。

（2）SSEL：幀同步/從機選擇管腳，當作主機時此管腳可作為普通的I/O使用；當作從機時此管腳不可用作普通 I/O口，只作為 SSP的從機選擇。主機其他的普通I/O管腳也可與從機的SSEL管腳相連，用作從機的片選。

（3）MISO：主機輸入從機輸出。MISO信號使串行數據從從機傳輸到主機。

（4）MOSI：MOSI信號使串行數據從主機傳輸到從機。

另外，本系統(tǒng)在兩片ARM之間預留了兩根聯(lián)絡線，以便通信不穩(wěn)定時便于調整。

2.2SPI軟件實現

在雙機通信過程中，主機發(fā)送采用查詢方式，從機接收采用中斷方式。主機發(fā)送數據的同時也在接收數據，從機接收數據的同時也在發(fā)送數據。通過配置SSP寄存器，選擇SPI模式、設置數據長度和通信速率。由于設置從機接收到第 4個數據時FIFO產生一次接收中斷，因此，主機每次發(fā)送一組40個數據，從機只取前 37個數據為有效數據，后3個數據接收但作為假數據不用；主機接收的前4個數據也為假數據不用，后 36個數據為有效數據。當一組數據接收完成時，調用數據處理函數進行處理。主機SPI流程圖如圖3所示。

在SPI通信中，主機向從機發(fā)送數據，如何判斷數據發(fā)送正確及接收完成SPI協(xié)議本身并未提供任何規(guī)范。在設計中，固定數據發(fā)送的個數，定義表1所示的SPI數據幀結構，可以很好地解決這個問題［3］。

圖3　主機SPI流程圖

表1　SPI數據幀結構

表1中，起始字節(jié)表明一幀傳輸的開始，這里定義為0XFF；標志字節(jié)表明此次傳輸的數據類型，根據特定的應用類型作具體的規(guī)定；數據長度表明此次傳輸的數據長度，用字節(jié)數表示；應用服務數據為所要傳輸的具體應用數據。

當所有數據接收完成時，根據SPI軟件協(xié)議，標志字節(jié)為0XAA表明此組數據為偽數據，可以不作處理，直接丟棄。當起始字節(jié)不是0XFF時，即表示此組數據接收數據有誤。在通信中，主機每隔一段時間向從機發(fā)送數據，從機根據標志字節(jié)判定是控制命令還是運行狀態(tài)數據［4］。當從機接收的是控制命令時，從機等待主機下一幀數據發(fā)送的同時，把相應的數據發(fā)給主機。

下面給出從機的 SSP1口初始化和 SSP1的收發(fā)函數代碼。

3　結論

本設計中，兩個ARM的主頻都為100 MHz，使用公共外設PCLK時鐘，通過SSP時鐘分頻器產生SPCLK時鐘。在實驗中也考慮過其他方案，由于SPI的接收中斷處理方式且又要實現主從機收發(fā)同時，發(fā)現本方案可行。目前測試結果表明，SPI能很好地滿足它們之間高速的雙向數據傳輸要求，其最高傳輸速率可達 5 Mb/s，解決了實際應用中的雙機如何可靠通信等問題，已成功應用于弧光保護系統(tǒng)，也可用于其他需要雙機通信的場合。

［1］李從飛，陳凡，魯雅斌，等.DPR360ARC弧光保護系統(tǒng)設計［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（12）：125-128.

［2］NXP.LPC178x/7x用戶手冊 ［EB/OL］.［2011-07-06］.http：//www.cn.nxp.com/documents/other/LPC177x-178x_UM_Simp CHN.pdf.

［3］王杰，王小鵬，趙國輝.采用SPI接口實現雙 DSP雙向通信和同步［J］.微型機與應用，2010，29（24）：96-98.

［4］高振，羅秋鳳.SPI接口與CRC算法在雙DSP數據通信中的應用［J］.電子產品世界，2011，18（1）：46-49.

Arc protection system based on SPI bus for dual MCU communication

Tu Yongfei，Wang Mingchuan
（China Energy Engineering Group Zhenjiang East China Electric Power Equipment Factory，Zhenjiang 212017，China）

In order to satisfy the arc protection system actual demand，dual MCU communication system is designed based on SPI.It briefly expounds the design ideas of system and provides the concrete process.Experiments show that the method is effective in engineering practices，and provides a reference to other SPI applications.

arc protection；SPI；LPC1788；protocol

TP273

A

1674-7720（2015）02-0072-02

（2014-09-17）

涂永飛（1983-），通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動裝置的研發(fā)，E-mail：tuyongfei@163.com。

王名傳（1988-），男，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)設備研發(fā)。