CN103368974A - 一种基于fpga支持iec61850协议的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于FPGA支持IEC61850协议的设备，包括FPGA处理器、电源单元、以太网接口单元、RS485接口单元、RS232接口单元、调试接口单元、存储接口单元和实时时钟单元；FPGA内嵌带有处理器的软盒作为控制器件，其分别与以太网接口单元、RS485接口单元、RS232接口单元、调试接口单元、存储接口单元和实时时钟单元连接，并集成于一个芯片上；芯片上还嵌入用于供电的所述电源单元。本发明实现了IEC61850通信标准中的IEC103规约与IEC61850规约的转换，解决了保护设备的通用性问题。
Description
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种基于FPGA支持IEC61850协议的设备。
背景技术
信息处理与电子技术的融合促进了智能电网的发展。智能电网覆盖了许多领域，例如基础设施测量（AMI）、微网、变电站自动化、发电厂自动化等。在他们中间，变电站自动化采用IEC61850。IEC61850是用于变电站自动化的通信协议标准。它用于智能电子设备（IED）之间的信息交换。
IEC61850标准出现之前，变电站自动化系统的建设需要尽量使用同一家公司的产品，否则就会有产品之间的兼容性问题。IEC61850标准提供了相同的数据结构，从而解决了变电站自动化设备间的兼容性问题。如今智能变电站中的智能电子设备（IED）都需要支持IEC61850标准。由于变电站自动化系统站内大量保护设备采用的是基于IEC103标准RS485串行通信，而2000年以后各厂家推出的第二代分布式变电站自动化系统是基于IEC61850标准的以太网通信的，为了解决保护设备的通用性、降低开发成本、缩短开发周期，研究和开发一套支持以太网IEC61850规约转换为IEC103规约的转换设计方法是十分必要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于FPGA支持IEC61850协议的设备，实现IEC61850通信标准中的IEC103规约与IEC61850规约转换的设计。
本发明提供的一种基于FPGA支持IEC61850协议的设备，其改进之处在于，所述设备包括FPGA处理器、电源单元、以太网接口单元、RS485接口单元、RS232接口单元、调试接口单元、存储接口单元和实时时钟单元；
所述FPGA内嵌带有处理器的软盒作为控制器件，其分别与所述以太网接口单元、RS485接口单元、RS232接口单元、调试接口单元、存储接口单元和实时时钟单元连接，并集成于一个芯片上；
所述芯片上还嵌入用于供电的所述电源单元。
其中，所述FPGA包括分别与主控处理器CHIP_CORE单元连接的存储单元和接口单元；其中：
CHIP_CORE用于进行指令的译码和基本工作模式的控制；
存储单元包括ROM，RAM以及接口存储单元；所述ROM用于存储主控处理器的程序，所述RAM用于存储主控处理器的数据，所述接口存储单元用于存储接口单元的相应的数据；
所述接口单元包括以太网接口和RS485接口；所述以太网接口包括以太网接口配置寄存器、以太网状态寄存器、以太网控制器以及以太网存储器；所述RS485接口包括RS485配置寄存器、RS485状态寄存器、RS485控制器以及RS485存储器。
其中，所述FPGA工作时，对接口单元以及主控处理器进行复位，通过对接口配置寄存器进行相应接口的收发配置；当任意接口有数据收发请求时，启动相应的接口，将数据接收到所述接口的接口存储单元中；当所述接口收发完后，配置所述接口的收发状态寄存器，然后通过配置所述收发状态寄存器将需要转换的接口状态置为转移态，所述接口将数据转移到对应的接口存储器中并将数据打包。
其中，所述设备包括外围扩展接口单元；
所述外围扩展接口单元与所述FPGA处理器通信。
其中，所述外围扩展接口单元包括CAN总线接口单元、USB接口单元、SPI接口单元和I2C接口单元的任意一个或多个。
其中，所述以太网接口单元包括依次连接的RJ45接口、隔离变压器和以太网控制器；
所述以太网控制器与所述FPGA连接。
其中，所述RS485接口单元的个数至少为两个，用于避免接口并发数据的丢失。
其中，所述以太网接口单元的个数至少为四个，用于避免接口并发数据的丢失。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
（1）本发明实现了IEC61850通信标准中的IEC103规约与IEC61850规约的转换，解决了保护设备的通用性问题。
（2）本发明作为基于FPGA支持IEC61850协议的方法与设计，采用基于FPGA方式实现IEC61850.具备FPGA主频高、接口速率快，可重用性高的特点。
（3）本发明采用内嵌入处器软核为核心的方式实现IEC61850.处理器软核的方式可提供高带宽数据路径、多路和实时处理能力。以灵活地控制成本和性能，从而拥有广泛的应用空间。
（4）兼容多个不同地区智能电网的网络需求，最多支持4个以太网同时传输，智能电网中支持国网与南网等多种在的以太网网络接入标准。
（5）本发明的每一路RS485接口都可以独立完成数据的收发操作，2路RS485可以避免接口并发数据的丢失。
（6）本发明的每一路以太网接口都可以独立完成数据的收发操作。4路独立以太网接口收发操作可以并可以避免接口并发数据的丢失。
（7）本发明的RS485接口采用防雷电等自然现象引起的雷电浪涌。（8）本发明的RTC时钟部分采用内置晶体的RTC进行设计，可以保证时钟精度的一致性，可以避免除了温度以外因素对精度的影响。
(8)本发明中采用硬件的方式实现RS485接口IEC103规约与以太网IEC61850规约之间的转换，与传统的的实现方法相比具有高速传输速率以及高可靠性的优点。
附图说明
图1为本发明提供的FPGA内部设计图。
图2为本发明提供的基于FPGA支持IEC61850协议的设备的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例提出的支持IEC103规约与IEC61850规约转换的设备，其结构示意图如图1所示。本实施例配有高性能、大容量FPGA处理器作为核心控制器件，在电源单元供电下，其主要配有以下接口单元：两个RS485接口单元、四个100M以太网接口单元、一个RS232接口单元,此外还支持用于扩展功能的两个CAN总线接口单元、一个USB总线接口单元、一个SPI接口单元、一个I2C接口单元。所有器件均集成在一个芯片上，通过FPGA芯片控制，主要实现RS485接口IEC103规约与以太网接口IEC61850规约之间的转换。本实施例各器件的主要功能如下：
（1）FPGA处理器1：负责总体的数字逻辑的处理，用于接口控制芯片，存储芯片、定时等芯片之间的连接；其可采用Altera公司的芯片Stratix IV的EP4SGX230C2，此芯片内部可用IO引脚达744个，共有228,000个逻辑单元，存储器有17133Kbit，内部可用8个PLL，芯片所提供的内部资源可以满足本设备应用需求。本实施例的FPGA内部结构框图如图2所示，其中：
①CHIP_CORE为内部核心，进行指令的译码、基本工作模式的控制等。
②存储单元分为3个部分：ROM，RAM以及接口存储，ROM作为主控处理器的程序存储单元，RAM作为主控处理器的数据存单元，接口存储用于存储各个接口相应的数据。
③接口单元主要包括以太网接口模块以及RS485接口模块两部分，以太网接口包括以太网接口配置寄存器（图1中为25）、以太网状态寄存器（图1中为27）、以太网控制器（图1中为21）以及以太网存储器（图1中为31）四部分组成。RS485接口包括RS485配置寄存器（图1中26）、RS485状态寄存器（图1中为28）、RS485控制器（图1中22）以及RS485存储器（图1中为32）四部分组成。
系统上电后，FPGA对接口以及主控处理器（图1中为20）进行复位，接下来通过对接口配置寄存器进行相应接口的收发配置。当任何接口有数据收发请求时，启动相应的接口，将数据接收到对应的接口存储模块中。当接口收发完后，配置相应接口的收发状态寄存器，然后通过配置寄存器将需要转换的接口状态置为转移态，对应的接口将数据转移到接口存储器中并将数据打包。
以RS485接口接收数据转换为以太网接口数据为例，对上述流程进行实例说明。当系统上电后，FPGA对RS485接口以太网接口以及主控处理器20进行复位。复位后主控处理器模块对RS485接口配置寄存器26进行接收的配置。RS485接口按照IEC103规约接收相应的数据到RS485接收存储器32。当RS485接口接收完毕后，配置RS485接口接收状态寄存器28完毕位清零。接下来通过主控处理器模块配置RS485接口为发送状态，以太网配置寄存器25为接收状态，配置完毕后主控处理器20将RS485接口存储器32中的数据读出经以太网控制器21打包成IEC61850协议中的包格式存储于以太网存储器31中。当所有数据转换完毕后，主控处理器20将RS485接口为发送状态位以及以太网配置寄存器为接收状态位清零，本次操作完毕。
（2）电源单元2：用于提供整个设备中所有芯片的电压供电，其电源输入为12V电压，经过电源控制模块输出路电压5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.4v、1.2V、1.1v、0.9V。本模块设计采用以下稳压芯片实现供电的应用需求，实际12V供电由背板输入，供电采用LTM4601芯片和LT3080芯片。
（3）以太网接口单元3：本实施例提供共4个100M以太网接口，为了满足不同地区的需求，如南网要求监控组网为双网，可支持继保信息单独组网，共需要3个以太网需求。也可支持继保信息为双网的设备，共需要4个以太网的需求。其用于与数字化变电站站控层与设备层之间数据的接收发送信息。具体的，本实施例的每一个以太网接口模块主要由RJ45接口、隔离变压器、及以太网控制器三部分组成，来自站控层的信号从RJ45接口接入本设备，然后经过隔离变压器滤波，滤波后的信号经以太网控制器与FPGA相连，最终将数据写入到SDRAM中。隔离变压器采用TS21C芯片，以太网控制器选用RTL8201CP芯片。
（4）RS485接口单元4：本实施例提供2个RS485接口单元，用于与数字化变电站保护设备间数据的交互通道。该接口单元主要由依次连接的RS485接口以及带有隔离器件的RS485收发器组成，来自保护设备的信号通过RS485接口接入本设备，经过ADM2486芯片将数据通过FPGA芯片写入到SDRAM中。选择ADM2486芯片作为RS485收发器芯片，ADM2486芯片差分总线收发器是一款集成式电流隔离器件，适用于多点总线传输线路的双向数据通信。
（5）RS232接口单元5：本实施例设有1个RS232接口，其主要由RS232接口、RS232电平转换芯片组成，来自测试接口的信号从RS232接口接入经过RS232电平转换芯片将TTL电平转换为EIA电平，最终将数据通过FPGA写入到FLASH中。RS232电平转换芯片选用MAX3232C芯片。
（6）调试接口单元8：用于FPGA软硬件的下载调试接口，其包括JTAG接口以及AS接口。
（7）存储接口单元9：包括2个FLASH以及1个SDRAM。其中一个FLASH用于存储boot loader程序，另一个FLASH用于存储操作系统以及IEC61850固化的应用程序，SDRAM在系统中作为内存使用，用于存储IEC61850标准中的中间变化的数据。
（8）实时时钟单元6：本实施例在芯片上设置RTC时钟电路，为FPGA设备提供实时时钟，当外部时钟无法提供时钟时，系统所用的时钟来自内部时钟模块。
本实施例优选的，还可在芯片上设置看门狗；
（9）看门狗7：其具有上电自动复位、手动复位、看门狗以及电压检测功能。可以满足3V电源系统和5V电源系统的需要。在系统上电、掉电、复位按键按下以及电源电压降低的情况下，复位比较器能够保证输出准确可靠的复位信号。
本实施例提供的外围可扩展接口包括：
（10）CAN总线接口单元10：本实施例扩展两路CAN总线接口，支持CAN2.0A/B标准。
（11）USB接口单元11：本实施例扩展一路USB主机接口，支持标准的USB2.0标准。
（12）SPI接口单元12：本实施例扩展一路SPI接口，用于支持SPI控制传输的芯片如EEPROM,Flash,实时时钟(RTC),数模转换器(ADC)等芯片。
（13）I2C接口模块：本实施例扩展1路I2C接口，用于支持I2C方式的芯片的连接的接口，如时钟芯片TI1380芯片。
在系统上电复位后，FPGA主芯片从FLASH1中读出Bootloader程序，芯片内部会根据Bootloader程序对系统进行初始化等相关操作。这些操作包括接口芯片的初始化以及FPGA内部的配置两方面。在初始化过后，系统根据初始化配置去读取FLASH2中上层的应用程序，此应用程序可实现IEC61850与103协议的相互转换,在转换的过程中程序的中间数据将存储在SDRAM中。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于FPGA支持IEC61850协议的设备，其特征在于，所述设备包括FPGA处理器、电源单元、以太网接口单元、RS485接口单元、RS232接口单元、调试接口单元、存储接口单元和实时时钟单元；
所述FPGA内嵌带有处理器的软盒作为控制器件，其分别与所述以太网接口单元、RS485接口单元、RS232接口单元、调试接口单元、存储接口单元和实时时钟单元连接，并集成于一个芯片上；
所述芯片上还嵌入用于供电的所述电源单元。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述FPGA包括分别与主控处理器单元连接的存储单元和接口单元；其中：
CHIP_CORE用于进行指令的译码和基本工作模式的控制；
存储单元包括ROM，RAM以及接口存储单元；所述ROM用于存储主控处理器的程序，所述RAM用于存储主控处理器的数据，所述接口存储单元用于存储接口单元的相应的数据；
所述接口单元包括以太网接口和RS485接口；所述以太网接口包括以太网接口配置寄存器、以太网状态寄存器、以太网控制器以及以太网存储器；所述RS485接口包括RS485配置寄存器、RS485状态寄存器、RS485控制器以及RS485存储器。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述FPGA工作时，对接口单元以及主控处理器进行复位，通过对接口配置寄存器进行相应接口的收发配置；当任意接口有数据收发请求时，启动相应的接口，将数据接收到所述接口的接口存储单元中；当所述接口收发完后，配置所述接口的收发状态寄存器，然后通过配置所述收发状态寄存器将需要转换的接口状态置为转移态，所述接口将数据转移到对应的接口存储器中并将数据打包。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括外围扩展接口单元；
所述外围扩展接口单元与所述FPGA处理器通信。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述外围扩展接口单元包括CAN总线接口单元、USB接口单元、SPI接口单元和I2C接口单元的任意一个或多个。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述以太网接口单元包括依次连接的RJ45接口、隔离变压器和以太网控制器；
所述以太网控制器与所述FPGA连接。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述RS485接口单元的个数至少为两个，用于避免接口并发数据的丢失。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述以太网接口单元的个数至少为四个，用于避免接口并发数据的丢失。
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