CN103023739B - 基于双核的电力电子装置EtherCAT通讯管理装置 - Google Patents
基于双核的电力电子装置EtherCAT通讯管理装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双核的电力电子装置EtherCAT通讯管理装置。该通讯管理装置包括集成在八层印刷电路板上的CPU、CPLD、SPIFLASH存储器、DDR存储器、SRAM存储器、FRAM存储器、EtherCAT总线接口模块、IEC61850总线接口模块、RS232调试接口模块、LCD触摸屏模块、光入光出模块、16路开关量输入输出模块。该通讯管理装置不仅具有实时性好、抗干扰能力强等优点，而且具备易操作性，灵活性，应用范围覆盖所有的基于EtherCAT总线的电力电子装置。
Description
技术领域
本发明属于电力电子装置领域，具体涉及基于双核的电力电子装置EtherCAT通讯管理装置。
背景技术
电力电子装置是由各类电力电子电路组成的装置，用于大功率电能的变换和控制。电力电子装置控制系统一般包括控制部分，保护部分，录波部分，数据采集部分，阀组部分等组成，各部分组成控制系统需要一种可靠的通讯总线进行数据交换。目前用于该领域的总线有SPI总线，CAN总线，RS485总线及各种工业以太网总线。随着电力电子装置在中高压上的应用，电压不断提高，容量不断加大，由于受目前开关器件电压电流水平的限制，设计高电压大容量的电力电子装置需要将多个阀组模块级联才能满足要求，这样系统变的越来越复杂，通信从站数大量增加，控制量增多，需要传输的数据大量增加，而电力电子装置的控制周期很短，并且要求各从站之间有时钟同步，为达到良好的控制效果，需要一种快速实时总线在各模块间进行数据交换。EtherCAT是一种实时工业以太网总线，此种总线通讯速率高，可接从站数量多，数据吞吐量大，各从站间可以实现同步。用于电力电子装置的EtherCAT总线的快速实时运行需要一种通讯管理装置实时的对EtherCAT总线网络进行配置管理，运行管理，基于以上特点，提出了一种基于双核的电力电子装置EtherCAT通讯管理装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种实时性好，可靠性高的电力电子装置EtherCAT通讯管理装置，其可以用于各种基于EtherCAT总线的电力电子装置的通讯管理，对各个分布式的从站进行网络初始化，网络配置，组织发送报文及网络故障诊断
本发明提供的一种基于双核的电力电子装置EtherCAT通讯管理装置，其改进之处在于，所述通讯管理装置包括控制模块和外围设备；
所述外围设备包括SPIFLASH存储模块、SRAM存储模块、DDR存储模块、FRAM存储模块、EtherCAT总线接口模块、IEC61850总线接口模块、RS232调试接口模块、LCD触摸屏模块、光入光出模块和开入开出模块；所述SPIFLASH存储模块、SRAM存储模块、DDR存储模块、FRAM存储模块、EtherCAT总线接口模块、IEC61850总线接口模块、RS232调试接口模块和LCD触摸屏模块分别与双核处理器连接；所述光入光出模块和开入开出模块分别与CPLD连接；
控制模块通过控制外围设备，用于实现电力电子装置的EtherCAT总线的通讯管理，以及基于EtherCAT总线的电力电子装置与IEC61850总线装置的信息交换。
在配置模式下，控制模块通过发送EtherCAT配置报文，解析EtherCAT网络连接拓扑结构，根据拓扑结构计算EtherCAT各从站之间的传输延时，并根据传输延时对各从站的同步时钟进行校时，对各从站同步时钟周期及脉宽进行设置。控制模块通过人机交互接口得到配置信息，根据配置信息组织报文，对分布式的各个从站进行站名烧写，对各个从站间的数据传输关系及传输字节数量进行设置，对各个从站接收发送数据的地址进行设置。
在运行模式下，控制模块接到发车信号后，组织EtherCAT数据传输报文，用于采集单元，控制保护单元，录波单元，分布式阀组单元之间通信，将采集单元的数据送到控制保护单元进行分析计算，将计算出的控制量及时下发给各分布式阀组单元，将阀组单元的状态信息及时反馈给控制保护单元，并将所有的数据传送给录波单元进行存储以便进行故障分析。控制模块还定时计算各从站间传输延时，实时补偿同步时钟零漂，从而保证同步时钟的精度，从而使所有分布式阀组单元PWM调制精确同步。控制模块定时发送故障检测报文，实时监测各从站是否有通信故障，及时进行故障定位及保护处理。
控制模块通过IEC61850总线接口模块与其他符合IEC61850通讯规约的装置互联，将本装置的运行参数及运行状态传至其他装置，并接收其他装置的控制信息，从而实现的EtherCAT总线装置与IEC61850总线装置的信息交换。
其中，所述控制模块包括双核处理器和CPLD；所述双核处理器集成在一块芯片上，通过数据线和所述CPLD连接。
其中，所述双核处理器采用DSP内核和ARM内核双核集成；所述DSP内核和ARM内核之间通过DSPLINK进行通信，实现DSP与ARM之间的信息共享，协调工作；
所述DSP内核用于处理接收报文，组织发送报文及网络故障诊断；
所述ARM内核用于人机交互，图形化配置，设置网络配置信息，显示网络运行状态并上报SOE信息，以及与其他IEC61850总线装置之间的通讯处理。
其中，CPLD用于开关量及光入光出量的转接，负责调整报文发送的时序及所有芯片的逻辑地址译码。
其中，所述SPIFLASH存储模块用于存储所述DSP内核和所述ARM内核的应用程序。
其中，所述SRAM存储模块用于存储所述DSP内核的运行数据。
其中，所述DDR存储模块用于存储ARM运行数据。
其中，所述FRAM存储模块用于存储网络配置信息。
其中，所述EtherCAT总线接口模块用于与其他从站连接组网。
其中，所述IEC61850总线接口模块用于与其他符合IEC61850通讯规约的装置互联。
其中，所述RS232调试接口模块用于系统运行信息输出。
其中，所述LCD触摸屏模块用于提供人机交互界面。
其中，所述光入光出模块和开入开出模块用于该通讯管理装置与其他装置同步。
其中，所述SPIFLASH存储模块采用ST公司的64M位大容量FLASH芯片M25P64；
所述SRAM存储模块采用CYPRESS公司的256K字的静态缓存芯片CY71041V33；
所述DDR存储模块采用MICRON公司的512M位的双倍速率同步动态随机存储芯片MT46H32M16；
所述FRAM存储模块采用RAMTRON公司的64K位的FM24CL64B；
所述EtherCAT总线接口模块采用Beckhoff公司的EtherCAT总线接口芯片ET1100，该总线接口模块包括三种接口：LVDS接口、MII接口和在MII接口上扩展的光纤接口；
所述RS232调试接口模块采用MAXIM公司的RS232接口控制芯片MAX232；
所述IEC61850总线接口模块采用MICREL公司的MAC控制器KSZ8862；
所述LCD触摸屏模块采用SHARP公司的6.4寸分辨率为640x480的TFT彩色液晶屏LQ64D3436；
所述光入光出模块和开入开出模块用于所述通讯管理装置与其他装置同步。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1)该装置功能强大，可用于各种基于EtherCAT总线的电力电子装置的实时通讯管理，可以对星型，环形等各种拓扑结构的网络进行通讯管理。
2)该装置CPU为DSP+ARM双核架构，ARM与DSP协同工作，通过DSPLINK进行信息交互，能够快速处理EtherCAT总线的通讯数据，发挥了EtherCAT总线的速度快及数据吞吐量大的特点，满足了电力电子装置的实时性要求。
3)该装置DSP负责实时管理EtherCAT运行，ARM负责网络配置及监控，在EtherCAT运行时可以在线进行网络配置，而不影响电力电子装置的正常运行。
4)该装置采用TFT液晶屏进行网络配置及网络运行状态显示，省去了工控机安装软件做为配置界面，减小了装置体积，降低了成本。
5)该装置网络配置界面采用图形化编程，通过图形连接进行网络组态，简单易用，适合大部分工程人员。
6)该装置EtherCAT总线接口模块扩展了光纤接口及LVDS接口，可应用于各种工况，光纤接口可以长距离组网，并且抗干扰性好，LVDS接口可以用于连接机箱内部其他板卡，结构紧凑。
7)该装置应用范围广泛，可应用于多种电力电子装置，具有实时性强，可靠性高的特点。
附图说明
图1是本发明提供的通讯管理装置的总体结构框图；
图2是本发明提供的EtherCAT总线接口模块与其他从站桥接的示意图；
图3是本发明提供的复杂可编程逻辑器件CPLD用于EtherCAT同步功能框图。
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。
图1为通讯管理装置的总体结构框图，该装置的核心处理器为美国TI公司的OMAP系列双核处理器OMAPL138，内部集成了456MHz ARM926EJ-S RISCMPU及456-MHz C6748浮点VLIW DSP，可满足本系统的实时多任务及实时高强度数据处理的要求。ARM有良好的控制功能，DSP有高速的数据处理能力。DSP和ARM之间通过DSPLINK来交互数据，并且ARM可以通过DSPLINK来控制DSP内核的运行。
ARM926E为具有更高的指令和数据处理能力的32bit定点RISC处理器，采用5级整数流水线操作，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集以及扩充的DSP指令集；该内核有高效的缓存机制，其内部有16KB的L1程序Cache和16KB的L1数据Cache，以及8KB中断向量表存储RAM,具有更高的指令和数据处理能力。以上的架构使得ARM核擅长用于操作系统的移植及丰富图形人机界面的开发。
在本设计中在ARM内核上移植了WINDRIVER公司的VxWorks实时操作系统，在该操作系统上开发了图形化的操作界面，主要负责人机交互接口，图形化配置，设置网络配置信息，显示网络运行状态，上报SOE信息，以及与其他IEC61850总线装置之间的通讯处理。
C6748是32位高速浮点型DSP内核，时钟最高频率为456MHz。它采用超长指令字VLIW体系结构，其最大处理能力可以达到2400MIPS。该内核采用二级缓存结构，包括32KB的L1程序Cache、32KB的L1数据Cache和高达256KB可灵活配置的L2Cache，L2可以被ARM核访问。以上的架构使得DSP核擅长于复杂算法的运算及实时数据处理。
在本实施例中DSP主要负责实时处理接收报文，组织发送报文及网络故障诊断。
OMAPL138有丰富的外设，其中本设计用到的外设有：1个EMAC控制器，1个I2C接口，1个SPI接口，2个64位通用定时器，1个UART接口，1个EMIFA口，1个可接16位DDR2的EMIFB口，1个LCD控制器，144个可配置的GPIO管脚，还有128KB的片内SHARE RAM，可用于ARM核和DSP核的DSPLINK高速交换数据。
DSP和ARM内核均可以访问所有的外围接口模块。DSP控制的外围模块主要有EMAC控制器，该控制器接口可以与EtherCAT总线接口的MII总线直接相连，DSP内核直接控制报文的发送和接收。ARM内核控制除EMAC控制器之外的其他模块，用来完成该装置的系统控制功能。
其中，所述外围设备包括SPI FLASH存储模块、SRAM存储模块、DDR存储模块、FRAM存储模块、EtherCAT总线接口模块、IEC61850总线接口模块、RS232调试接口模块、LCD触摸屏模块、光入光出模块和开入开出模块；所述SPIFLASH存储模块、SRAM存储模块、DDR存储模块、FRAM存储模块、EtherCAT总线接口模块、IEC61850总线接口模块、RS232调试接口模块和LCD触摸屏模块分别与所述双核处理器连接；所述光入光出模块和开入开出模块分别与所述CPLD连接。
所述复杂可编程逻辑器件CPLD采用Xilinx公司的XC95288XL。CPLD负责开关量及光入光出量的转接，负责调整报文发送的时序及所有芯片的逻辑地址译码。
所述SPIFLASH存储模块用于存储所述DSP内核和所述ARM内核的应用程序。
所述SRAM存储模块用于存储所述DSP内核的运行数据。
所述DDR存储模块用于存储ARM运行数据。
所述FRAM存储模块用于存储网络配置信息。
所述EtherCAT总线接口模块用于与其他从站连接组网。
其中，所述IEC61850总线接口模块用于与其他符合IEC61850通讯规约的装置互联。
所述RS232调试接口模块用于系统运行信息输出。
所述LCD触摸屏模块用于提供人机交互界面。
所述光入光出模块和开入开出模块用于该通讯管理装置与其他装置同步。
本实施例的装置的实现过程为：
在配置模式下，控制模块通过发送EtherCAT配置报文，解析EtherCAT网络连接拓扑结构，根据拓扑结构计算EtherCAT各从站之间的传输延时，并根据传输延时对各从站的同步时钟进行校时，对各从站同步时钟周期及脉宽进行设置。控制模块通过人机交互接口得到配置信息，根据配置信息组织报文，对分布式的各个从站进行站名烧写，对各个从站间的数据传输关系及传输字节数量进行设置，对各个从站接收发送数据的地址进行设置。
在运行模式下，控制模块接到发车信号后，组织EtherCAT数据传输报文，用于采集单元，控制保护单元，录波单元，分布式阀组单元之间通信，将采集单元的数据送到控制保护单元进行分析计算，将计算出的控制量及时下发给各分布式阀组单元，将阀组单元的状态信息及时反馈给控制保护单元，并将所有的数据传送给录波单元进行存储以便进行故障分析。控制模块还定时计算各从站间传输延时，实时补偿同步时钟零漂，从而保证同步时钟的精度，从而使所有分布式阀组单元PWM调制精确同步。控制模块定时发送故障检测报文，实时监测各从站是否有通信故障，及时进行故障定位及保护处理。
控制模块通过IEC61850总线接口模块与其他符合IEC61850通讯规约的装置互联，将本装置的运行参数及运行状态传至其他装置，并接收其他装置的控制信息，从而实现的EtherCAT总线装置与IEC61850总线装置的信息交换。
图2为EtherCAT总线接口模块与其他从站桥接的示意图，该总线模块的核心芯片是ET1100，该芯片的内部的MII总线与DSP的MAC控制器相连，DSP通过该接口每隔固定时间发送传送数据的报文到各个从站，DSP还通过该接口接收从各个从站环回的报文。该芯片内部的LVDS接口可以通过机箱背板连接其他从站，通过接收转发机制可以将采用LVDS接口的所有从站串接起来，LVDS适合在机箱内部来连接各从站。该芯片通过电光转换模块扩展了EtherCAT光纤接口，该接口可以通过光纤把所有采用光纤接口的从站串接起来。光纤的传输距离可以达到1000米以上，实现了长距离传输，两个光纤接口可以串接两个不同方位的网络。
图3为复杂可编程逻辑器件CPLD用于EtherCAT同步功能框图。CPLD扩展16路开关量输入输出接口及两路光入光出接口，开入接口及光入接口可以接收外部的同步信号，并经过时序处理后输出给DSP内核，该同步信号可以用来同步DSP发送报文的时间，同时CPLD可以通过开出接口及光出接口输出处理后时序信号给其他板卡或控制系统，从而使整个控制系统步调一致。
本实施例，
所述SPIFLASH存储模块采用ST公司的64M位大容量FLASH芯片M25P64；
所述SRAM存储模块采用CYPRESS公司的256K字的静态缓存芯片CY71041V33；
所述DDR存储模块采用MICRON公司的512M位的双倍速率同步动态随机存储芯片MT46H32M16；
所述FRAM存储模块采用RAMTRON公司的64K位的FM24CL64B；
所述EtherCAT总线接口模块采用Beckhoff公司的EtherCAT总线接口芯片ET1100，该总线接口模块包括三种接口：LVDS接口、MII接口和在MII接口上扩展的光纤接口；
所述IEC61850总线接口模块采用MICREL公司的MAC控制器KSZ8862；
所述RS232调试接口模块采用MAXIM公司的RS232接口控制芯片MAX232；
所述LCD触摸屏模块采用SHARP公司的6.4寸分辨率为640x480的TFT彩色液晶屏LQ64D3436；
所述光入光出模块和开入开出模块用于所述通讯管理装置与其他装置同步。
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 (11)
1.基于双核的电力电子装置EtherCAT通讯管理装置，其特征在于，所述通讯管理装置包括控制模块和外围设备；
所述外围设备包括SPIFLASH存储模块、SRAM存储模块、DDR存储模块、FRAM存储模块、EtherCAT总线接口模块、IEC61850总线接口模块、RS232调试接口模块、LCD触摸屏模块、光入光出模块和开入开出模块；所述SPIFLASH存储模块、SRAM存储模块、DDR存储模块、FRAM存储模块、EtherCAT总线接口模块、IEC61850总线接口模块、RS232调试接口模块和LCD触摸屏模块分别与双核处理器连接；所述光入光出模块和开入开出模块分别与CPLD连接；
控制模块通过控制外围设备，用于实现电力电子装置的EtherCAT总线的通讯管理，以及基于EtherCAT总线的电力电子装置与IEC61850总线装置的信息交换；
所述控制模块定时计算各从站间传输延时，实时补偿同步时钟零漂，从而保证同步时钟的精度，从而使所有分布式阀组单元PWM调制精确同步，控制模块定时发送故障检测报文，实时监测各从站是否有通信故障，及时进行故障定位及保护处理；
所述控制模块包括双核处理器和CPLD；所述双核处理器集成在一块芯片上，通过数据线和所述CPLD连接；
所述双核处理器采用DSP内核和ARM内核双核集成；所述DSP内核和ARM内核之间通过DSPLINK进行通信，实现DSP内核与ARM内核之间的信息共享，协调工作；
所述DSP内核用于处理接收报文，组织发送报文及网络故障诊断；
所述ARM内核用于人机交互，图形化配置，设置网络配置信息，显示网络运行状态并上报SOE信息，以及与其他IEC61850总线装置之间的通讯处理；
CPLD用于开关量及光入光出量的转接，负责调整报文发送的时序及所有芯片的逻辑地址译码。
2.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述SPIFLASH存储模块用于存储所述DSP内核和所述ARM内核的应用程序。
3.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述SRAM存储模块用于存储所述DSP内核的运行数据。
4.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述DDR存储模块用于存储ARM运行数据。
5.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述FRAM存储模块用于存储网络配置信息。
6.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述EtherCAT总线接口模块用于与其他从站连接组网。
7.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述IEC61850总线接口模块用于与其他符合IEC61850通讯规约的装置互联。
8.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述RS232调试接口模块用于系统运行信息输出。
9.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述LCD触摸屏模块用于提供人机交互界面。
10.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述光入光出模块和开入开出模块用于该通讯管理装置与其他装置同步。
11.如权利要求1所述的通讯管理装置，其特征在于，所述SPIFLASH存储模块采用ST公司的64M位大容量FLASH芯片M25P64；
所述SRAM存储模块采用CYPRESS公司的256K字的静态缓存芯片CY71041V33；
所述DDR存储模块采用MICRON公司的512M位的双倍速率同步动态随机存储芯片MT46H32M16；
所述FRAM存储模块采用RAMTRON公司的64K位的FM24CL64B；
所述EtherCAT总线接口模块采用Beckhoff公司的EtherCAT总线接口芯片ET1100，该总线接口模块包括三种接口：LVDS接口、MII接口和在MII接口上扩展的光纤接口；
所述RS232调试接口模块采用MAXIM公司的RS232接口控制芯片MAX232；
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