CN103441573A - 一种基于iec61850标准的网络处理器 - Google Patents

一种基于iec61850标准的网络处理器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于IEC61850标准的网络处理器，包括处理器模块、存储器模块、存储控制器模块、时钟管理模块、内部控制模块、接口控制器模块和外部接口模块；所述存储器模块、存储控制器模块、时钟管理模块、内部控制模块、接口控制器模块和外部接口模块采用AMBA总线与所述处理器模块双向连接。本发明支持IEC61850协议功能的高实时性、低功耗处理器，应用于智能变电站及配电自动化通信系统。

Description

一种基于IEC61850标准的网络处理器
技术领域
本发明属于信息通信集成技术领域，具体涉及一种基于IEC61850标准的网络处理器。
背景技术
智能电网是融合电网技术与信息电子技术的交叉技术，建立在集成、高速、双向通信网络的基础上，覆盖基础测量、数字变电站、配电自动化以及微网等多个领域。传统的变电站通信规约主要包括：CDT、SC1801、DNP3.0、N4F、101、103、104等，支持这些规约标准的电力设备所提供的接口和功能各不相同，设备间的“孤岛”问题严重，信息共享困难，不利于电力系统的稳定与维护。为了方便智能变电站中的各种IED设备的管理及互连，国际电工委员会（IEC）制定并推广了无缝通信标准IEC61850，作为基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准。
IEC61850标准的采用，很大程度上改善了信息技术和自动化技术的设备数据集成，解决了IED设备间互操作性差、信息难以共享及系统扩展性差的缺点，减少了现场验收、运行、监视、诊断、维护的工程量及费用，增加了系统的灵活性。
现有的电力自动化设备IEC61850通信的实现方式包括：
（1）采用共用业务处理器，例如继保装置中的保护处理器，通过在其上运行软件实现对通信规约的支持；采用共用处理器方式占用大量系统资源，降低通信信息处理的速率，不适用于嵌入式系统集成，基本不被设计人员采用；
（2）利用高性能的处理器芯片、外围接口芯片、电阻、电容等构成通信板插件，运行软件来实现对IEC61850标准的支持。采用通信板方式同样存在诸多问题：硬件电路连线复杂，串扰大，影响系统稳定；通信板功率耗散较大，散热不匀引起系统重启；结构复杂，开发难度大，周期长，运行维修困难；用料多，投入成本高；体积大，不利于二次设备的就地化；此外，IEC61850规约复杂，采用软件方式解码易出错。以上问题都可能对电网的安全与稳定构成潜在的威胁。
随着电力自动化设备模块化、智能化、集成化的趋势发展，IEC61850通信功能的芯片化，可以大大降低数字变电站智能装置的开发难度和成本，有助于一、二次装置的集成，提高设备可靠性与稳定性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于IEC61850标准的网络处理器，支持IEC61850协议功能的高实时性、低功耗处理器，应用于智能变电站及配电自动化通信系统。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
提供一种基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述网络处理器包括处理器模块、存储器模块、存储控制器模块、时钟管理模块、内部控制模块、接口控制器模块和外部接口模块；所述存储器模块、存储控制器模块、时钟管理模块、内部控制模块、接口控制器模块和外部接口模块采用AMBA总线与所述处理器模块双向连接。
所述处理器模块包括主处理器和IEC61850协处理器，所述IEC61850协处理器采用互连矩阵的方式，通过多层的AMBA总线与所述主处理器连接，所述存储器模块、存储控制器模块分别通过AHB总线与所述IEC61850协处理器连接。
所述主处理器发送数据和指令至其他各模块，同时接收其他各模块的数据与反馈信息，进行使能控制、任务执行和数据处理；所述IEC61850协处理器发送控制命令，接收存储器模块和存储控制器模块外扩展存储器中的数据包，进行IEC61850标准中采样值中61850-9-1报文解码，以提高报文信息的处理速度，降低系统资源的占用率。
所述协处理器模块包括报文接收缓冲模块、报文解码模块和报文校验模块和报文存储模块；所述报文接收缓冲模块、报文解码模块和报文校验模块和报文存储模块依次单向连接。
所述报文接收缓冲模块读取存储器模块和存储控制器模块外扩展存储器中的61850-9-1报文，所述报文解码模块读取报文接收缓冲模块中的报文信息进行解码后，所述报文校验模块对报文信息进行循环冗余校验，正确的报文被存储到报文存储模块。
所述存储器模块包括SRAM存储器和FLASH存储器；所述SRAM存储器提供所述处理器的运行空间，实现高速实时数据交换，所述FLASH存储器用于存储处理器配置文件及启动程序。
所述存储控制器模块包括SDRAM控制器和FLASH控制器；所述SDRAM控制器用于扩展外部SDRAM存储器，实现外部DDR/DDR2控制；所述FLASH控制器用于扩展外部FLASH存储器，实现外部FLASH存储器的扩展和控制。
所述时钟管理模块包括实时时钟模块、看门狗模块和锁相环模块；
所述实时时钟模块用于同步处理器内各时钟信号，更新年月日和时分秒信息，以及产生定时和计数中断；满足IEC61850标准中对报文信息的接收、发送强实时性的要求；
所述看门狗模块对处理器运行状态实时监测，防止干扰引起运行的中断和死锁；
所述锁相环模块用于对时钟的分频与倍频，产生多级时钟，同时对各级时钟进行幅度与相位的校准。
所述内部控制模块包括电源管理模块、复位模块、DMA控制器模块和中断控制器模块；
所述电源管理模块采用动态方法对外部电源进行管理，实现稳定供电，低电压检测，以及保护存储器模块；
所述复位模块与主处理器连接，发送复位信号，且与看门狗模块连接，接收复位信号；
所述DMA控制器模块用于存储器模块与外部设备之间的数据交互，提高数据处理速度；
所述中断控制器模块用于管理外部接口模块的中断信号及内部事件引起的中断请求，提供中断请求输入接口。
所述接口控制器模块包括以太网控制器、通用异步收发控制器、CAN总线控制器、RS485控制器、I2C总线控制器；所述以太网控制器提供以太网控制器接口与外部以太网PHY芯片连接；所述通用异步收发控制器、CAN总线控制器和RS485控制器分别对外提供通用异步收发控制器接口、CAN总线接口和RS485控制器接口；所述I2C总线控制器为两线式串行总线控制器，对外提供I2C总线接口。
所述外部接口模块包括JTAG调试接口模块和GPIO接口模块；所述JTAG调试接口模块和GPIO接口模块对外分别提供JTAG调试接口和GPIO接口。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、实现IEC61850通信功能，取代现有的通信板插件实现方式；此法可减少外部连线，降低了连线间的串扰，提高系统稳定性；
2、处理器体积小、功耗低，符合电网长期应用可靠性的要求；应用此处理器的智能二次设备设计简单、开发周期短；所用物料省，成本可降低1/5；
2、采用协处理器实现IEC61850协议中采样值中61850-9-1报文的解码，取代现有的依靠软件解码的方式，减轻了处理器的负荷，降低解码的误码率，且提升解码速度。
附图说明
图1是基于IEC61850标准的网络处理器结构图；
图2是本发明实施例中基于IEC61850标准的网络处理器管脚示意图；
图3是本发明实施例中IEC61850协处理器结构示意图。
具体实施方式
本发明中基于IEC61850标准的网络处理器采用片上系统（SoC）架构设计的基本模式，单芯片的方式取代现有的电网二次设备中的通信转换板，满足IEC61850标准中采样值（SV）、面向通用对象的变电站事件（GOOSE）和制造报文系统（MMS）三种功能需求，实现变电站间隔层设备与过程总线、间隔层设备与站控总线间的通信。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2，本发明提供一种基于IEC61850标准的网络处理器，包括处理器模块、存储器模块、存储控制器模块、时钟管理模块、内部控制模块、接口控制器模块和外部接口模块；所述存储器模块、存储控制器模块、时钟管理模块、内部控制模块、接口控制器模块和外部接口模块采用AMBA总线与所述处理器模块双向连接；所述存储器模块、存储控制器模块中的SDRAM控制器模块、内部控制模块中的DMA控制器模块、接口控制器模块中的以太网控制器模块分别通过AHB总线与所述处理器模块双向连接；所述其余各模块分别通过APB总线与所述处理器模块双向连接。
所述处理器模块包括主处理器（Micro Control Unit，MCU）和IEC61850协处理器（Coprocessor，COP），所述IEC61850协处理器采用互连矩阵的方式，通过多层的AMBA总线与所述主处理器连接，所述存储器模块、存储控制器模块分别通过AHB总线与所述IEC61850协处理器连接。
所述主处理器发送数据和指令至其他各模块，同时接收其他各模块的数据与反馈信息，进行使能控制、任务执行和数据处理，例如IEC61850标准中制造报文系统（MMS）通信功能的处理及大量的数据收发、存储、运算。本发明中，MCU采用高性能、高集成度、低功耗的MIPS架构32位处理器内核，采用时下流行的AMBA总线技术构成片上系统架构，大大提高了运行处理速度。
所述IEC61850协处理器发送控制命令，接收存储器模块和存储控制器外扩展存储器中的数据包，进行IEC61850标准中采样值中的61850-9-1报文解码，以提高报文信息的处理速度，降低系统资源的占用率。
如图3，协处理器模块包括报文接收缓冲模块、报文解码模块和报文校验模块和报文存储模块；所述报文接收缓冲模块、报文解码模块和报文校验模块和报文存储模块之间依次单向连接。
所述报文接收缓冲模块读取存储器模块和存储控制器模块外扩展存储器中的61850-9-1报文，所述报文解码模块读取报文接收缓冲模块中的报文信息进行解码后，所述报文校验模块对报文信息进行循环冗余校验，正确的报文被存储到相应的报文存储模块。
所述存储器模块包括SRAM存储器和FLASH存储器；
所述SRAM存储器（即片内静态随机存储器）为16M SRAM存储器，作为实时数据库的运行空间，提高IEC61850报文中开关、跳闸等强实时性数据的处理速度。片内SRAM作为从设备与AHB总线互连，接收主设备的访问。SRAM存储器作为从设备与AHB总线互连，接收主处理器的访问。
所述FLASH存储器为4M FLASH存储器，用于存储boot loader程序和IEC61850配置文件。FLASH存储器作为从设备与AHB总线互连，接收主处理器的访问。
所述存储控制器模块包括SDRAM控制器和FLASH控制器；
所述SDRAM控制器用于扩展外部SDRAM存储器，实现外部DDR/DDR2控制，满足芯片工作时运行实时操作系统和IEC61850软件系统内存的需求；兼容DDR2SDRAMJESD79-2B标准，32位数据总线，18位地址总线（15位行列地址和3位逻辑bank地址），支持最大地址空间32G，频率达到133MHz-333MHz。SDRAM控制器作为从设备与AHB总线互连，接收外部设备发送的内存读写操作。
所述FLASH控制器用于扩展外部FLASH存储器，实现外部FLASH存储器的扩展和控制。用于扩展外部实时操作系统及IEC61850软件存储空间，数据宽度8位，最大支持32GB。FLASH控制器作为从设备与APB总线互连，接收主处理器AHB-APB总线桥的读写操作。
所述时钟管理模块包括实时时钟模块（Real Time Clock，RTC）、看门狗模块（Watchdog）和锁相环模块（Phase Locked Loop，PLL）；
所述实时时钟模块用于同步处理器内各时钟信号，更新年月日和时分秒信息，以及产生定时和计数中断；满足IEC61850标准中对报文信息的接收、发送强实时性的要求；可以在系统上电后进行配置，功耗仅几个微瓦。实时时钟模块由外部晶振驱动，内部经可配置的分频器分频。实时时钟模块与主处理器相连，用来计数和提供年月日，时分秒等信息，与中断控制器相连，提供定时和计数中断请求。
所述看门狗模块对处理器运行状态实时监测，防止干扰引起运行的中断和死锁；具有上电自动复位、手动复位、看门狗以及电压检测功能。作为从设备与APB总线相连，接受系统的配置，与复位模块相连，发送复位命令。
所述锁相环模块用于对时钟的分频与倍频，产生多级时钟，同时对各级时钟进行幅度与相位的校准。
所述内部控制模块包括电源管理模块（Power Management Module，PMM）、复位模块（RESET）、DMA（Direct Memory Access，DMA）控制器模块和中断控制器模块（InterruptController，INTC）；主处理器与锁相环模块及电源管理模块之间通过专有通道互连。
电源管理模块传统的方式采用外部电源直接给芯片供电，由于电源本身性能及供电稳定性的问题，很容易引起芯片的遇故障重启或非正常工作状态执行，这在电网应用中是致命的。本发明中的电源管理模块采用动态方法对外部电源进行管理，实现稳定供电，低电压检测，以及保护存储器模块；电源管理模块作为供能模块，与各模块相连，为其提供能量。
所述复位模块与主处理器连接，发送复位信号，且与看门狗模块连接，接收复位信号；
由于IEC61850通信中涉及大量的实时数据处理和通信协议分析，通过处理器指令控制数据的传输显然不能完全满足实时性的要求。
DMA控制器模块（直接存储器访问控制器）用于存储器模块与外部设备之间的数据交互，提高数据处理速度；DMA控制器模块作为从设备与AHB总线相连，接收主处理器的控制，通过配置DMA建立接口及接口模块与存储器模块之间的直接存取通道，达到高速数据读写的作用。
所述中断控制器模块用于管理外部接口模块的中断信号及内部事件引起的中断请求，提供中断请求输入接口。支持固定中断优先级，支持电平与边沿触发。中断控制器作为从设备与APB总线互连，接受主处理器的配置，与GPIO接口模块相连，管理GPIO接口输入的中断信号，并响应内部事件引起的中断。
所述接口控制器模块包括以太网控制器、通用异步收发控制器（Universal AsynchronousReceiver，UART）、CAN总线控制器（CAN）、RS485控制器、I2C总线控制器；
以太网控制器作为从设备与AHB总线互连，提供高速的以太网数据交换通道。根据不同地区对电网组网要求的不同，例如南方电网要求监控组网为双网，支持继保信息单独双网组网等，本发明集成4个10/100Mbps以太网控制器，兼容IEEE802.3标准。对外部PHY实现MII接口，半双工/全双工自适应，支持CRC校验码的自动生成与校验。
集成了4个UART控制器，通过APB总线与总线桥通信。UART控制器提供与MODEM或其他外部设备串行通信的功能。该控制器在设计上能很好地兼容国际工业标准半导体设备16550A。UART控制器作为从设备与APB总线互连，对外提供UART接口。
集成了2个CAN2.0接口控制器，由发送数据线TX和接收数据线RX构成的串行总线，可发送和接收数据，最高传送速率1Mbps。CAN作为从设备与APB总线互连，对外提供CAN接口。
集成4个RS485控制器，由发送数据线TX和接收数据线RX构成，可发送和接受数据，最高速率10Mbps。RS485控制器作为从设备与APB总线互连，对外提供RS485接口与RS485物理芯片相连。
所述I2C总线控制器为两线式串行总线控制器，对外提供I2C总线接口。由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，最高传送速率400kbps。
所述外部接口模块包括JTAG调试接口模块和GPIO接口模块。
所述JTAG调试接口模块和GPIO接口模块对外分别提供JTAG调试接口和GPIO接口。
其中，JTAG调试接口支持断点调试功能，用于下载调试接口。JTAG作为从设备与APB总线互连，对外提供JTAG调试接口。
62个GPIO接口，支持位操作。GPIO作为从设备与APB总线互连，对外提供GPIO接口。
本发明中片上系统软件设计与硬件设计同步进行。软件部分包括：嵌入式实时操作系统（RTOS）内核，IEC61850应用软件，底层硬件驱动程序。
本发明中操作系统采用实时操作系统（RTOS），具有独立性，可靠性和强实时性特征，能够及时响应事件请求。采用了动态实时调度算法进行资源管理,消息处理,任务调度,异常处理等工作,并分配优先级,系统能够根据各个任务的优先级,进行动态切换和调度系统，提供了包括软中断,硬件中断以及嵌套中断在内的多种中断方式。
本发明中IEC61850应用软件用于支持IEC61859标准的IED建模、报文传送中的SCL文件解析、报文发布于订阅、帧解码等，实现过程层设备与间隔层设备，站控层设备与间隔层设备，以及间隔层设备之间的实时通信。
本发明中底层硬件驱动程序主要是针对芯片各模块及外部接口的驱动程序，实现软件硬件的交互。
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)

1.一种基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述网络处理器包括处理器模块、存储器模块、存储控制器模块、时钟管理模块、内部控制模块、接口控制器模块和外部接口模块；所述存储器模块、存储控制器模块、时钟管理模块、内部控制模块、接口控制器模块和外部接口模块采用AMBA总线与所述处理器模块双向连接。
2.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述处理器模块包括主处理器和IEC61850协处理器，所述IEC61850协处理器采用互连矩阵的方式，通过多层的AMBA总线与所述主处理器连接，所述存储器模块、存储控制器模块分别通过AHB总线与所述IEC61850协处理器连接。
3.根据权利要求2所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述主处理器发送数据和指令至其他各模块，同时接收其他各模块的数据与反馈信息，进行使能控制、任务执行和数据处理；所述IEC61850协处理器发送控制命令，接收存储器模块和存储控制器模块外扩展存储器中的数据包，进行IEC61850标准中采样值中61850-9-1报文解码，以提高报文信息的处理速度，降低系统资源的占用率。
4.根据权利要求3所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述协处理器模块包括报文接收缓冲模块、报文解码模块和报文校验模块和报文存储模块；所述报文接收缓冲模块、报文解码模块和报文校验模块和报文存储模块依次单向连接。
5.根据权利要求4所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述报文接收缓冲模块读取存储器模块和存储控制器模块外扩展存储器中的61850-9-1报文，所述报文解码模块读取报文接收缓冲模块中的报文信息进行解码后，所述报文校验模块对报文信息进行循环冗余校验，正确的报文被存储到报文存储模块。
6.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述存储器模块包括SRAM存储器和FLASH存储器；所述SRAM存储器提供所述处理器的运行空间，实现高速实时数据交换，所述FLASH存储器用于存储处理器配置文件及启动程序。
7.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述存储控制器模块包括SDRAM控制器和FLASH控制器；所述SDRAM控制器用于扩展外部SDRAM存储器，实现外部DDR/DDR2控制；所述FLASH控制器用于扩展外部FLASH存储器，实现外部FLASH存储器的扩展和控制。
8.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述时钟管理模块包括实时时钟模块、看门狗模块和锁相环模块；
所述实时时钟模块用于同步处理器内各时钟信号，更新年月日和时分秒信息，以及产生定时和计数中断；满足IEC61850标准中对报文信息的接收、发送强实时性的要求；
所述看门狗模块对处理器运行状态实时监测，防止干扰引起运行的中断和死锁；
所述锁相环模块用于对时钟的分频与倍频，产生多级时钟，同时对各级时钟进行幅度与相位的校准。
9.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述内部控制模块包括电源管理模块、复位模块、DMA控制器模块和中断控制器模块；
所述电源管理模块采用动态方法对外部电源进行管理，实现稳定供电，低电压检测，以及保护存储器模块；
所述复位模块与主处理器连接，发送复位信号，且与看门狗模块连接，接收复位信号；
所述DMA控制器模块用于存储器模块与外部设备之间的数据交互，提高数据处理速度；
所述中断控制器模块用于管理外部接口模块的中断信号及内部事件引起的中断请求，提供中断请求输入接口。
10.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述接口控制器模块包括以太网控制器、通用异步收发控制器、CAN总线控制器、RS485控制器、I2C总线控制器；所述以太网控制器提供以太网控制器接口与外部以太网PHY芯片连接；所述通用异步收发控制器、CAN总线控制器和RS485控制器分别对外提供通用异步收发控制器接口、CAN总线接口和RS485控制器接口；所述I2C总线控制器为两线式串行总线控制器，对外提供I2C总线接口。
11.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的网络处理器，其特征在于：所述外部接口模块包括JTAG调试接口模块和GPIO接口模块；所述JTAG调试接口模块和GPIO接口模块对外分别提供JTAG调试接口和GPIO接口。
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