CN105281433A

CN105281433A - 一种配电终端通信系统

Info

Publication number: CN105281433A
Application number: CN201510592319.2A
Authority: CN
Inventors: 唐海国; 冷华; 朱吉然; 龚汉阳
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hunan Electric Power Co Ltd; State Grid Hunan Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hunan Electric Power Co Ltd; State Grid Hunan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2016-01-27

Abstract

本发明公开了一种配电终端通信系统，包括DSP处理器模块、以太网通信模块和CAN总线通信模块，所述DSP处理器模块是配电终端通信系统的主控单元，用于初始化配置整个配电终端通信系统、控制以太网通信模块和CAN总线通信模块的输入输出；所述以太网通信模块用于实现配电终端以太网通信接口的扩展；所述CAN总线通信模块用于实现基于配电终端CAN总线通信接口的扩展。与传统通过DSP内部地址总线扩展通信接口的方法相比，本发明提供的通信接口扩展方法不占用DSP处理器的内部地址空间，具有传输速度快、布线方便、可靠性高的优点，可广泛应用于配电终端通信系统的构建。

Description

一种配电终端通信系统

技术领域

本发明涉及智能配电网领域，尤其是一种配电终端通信系统。

背景技术

配电自动化终端集遥测、遥信、遥控、保护和通信等功能于一体，广泛适用于配电室、环网柜、开闭所、柱上开关等多回路集中监控应用场合。

配电终端通信接口主要功能是按照指定的通信规约实现数据的采集、转发和上传。为了满足配电终端与主站、终端与其他智能设备以及终端间的有效通信，无论通信方式、通信协议、通信接口都要满足配电自动化系统信息传输和故障处理的要求。

1）配电终端硬件设计要求具备多种类型的通信接口，一般要求不少于1个RS232口1个RS232个/RS485口，以及2个以太网接口，为了满足未来智能分布式馈线自动化的要求，配电终端通信接口还应具备方便扩展光纤以太网接口的硬件架构。

2）支持多种通信方式的接入，如光纤工业以太网、EPON网络、远距离无线通信网络（无线公网GPRS、CDMA/3G/4G，无线专网等）、短距离无线通信网络（无线传感器网络、Zigbee等）多种通信方式的接入或级联。

3）支持多种通信协议。配电终端本身应具有丰富的通信规约库，如IEC60870-5-104、IEC60807-5-101、IEC61850等标准的通信规约，并根据各地配电自动化应用需求进行规约定制。

配电终端通信接口和通信规约实现与主站的数据上送，接受并执行主站下达的遥控命令、对时命令，进行故障处理，并可实现对站内其它智能设备的数据采集和转发等功能。配电终端通信接口按传输介质可分为：有线通信接口和无线通信接口两大类。目前，配电终端常用的有线通信接口主要有：以太网通信接口和串行通信接口；终端无线通信接口主要有：远距离无线通信接口和短距离无线通信接口，一般而言远距离无线通信接口（无线公网或无线专网）用于配电终端与配电主站的连接，短距离无线通信接口用于配电终端与其他智能终端实现级联或自组网。

一般而言，要求采用以太网通信方式接入时具备通信状态监视及通道端口故障监测；采用无线通信方式接入主站时具备监视模块状态，SIM卡状态、无线信号监视等功能。

通常扩展芯片的以太网接口是增加总线型的以太网控制器，扩展完全具有独立MAC的以太网接口，这种接口需要通过DSP的数据总线传输数据，并且需要占用DSP的地址寻址空间，收发数据速度较慢。

发明内容

本发明提供一种设计简单、传输速度快的配电终端通信系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种配电终端通信系统，包括DSP处理器模块、以太网通信模块和CAN总线通信模块，所述DSP处理器模块是配电终端通信系统的主控单元，用于初始化配置整个配电终端通信系统、控制以太网通信模块和CAN总线通信模块的输入输出；所述以太网通信模块用于实现配电终端以太网通信接口的扩展；所述CAN总线通信模块用于实现基于配电终端CAN总线通信接口的扩展。

其中，所述以太网通信模块包括以太网交换芯片与以太网物理层接口，DSP处理器模块通过以太网物理层接口与以太网交换芯片相连，以太网交换芯片的运行状态由DSP处理器通过MDIO、MDC连接的串行管理接口来进行配置。

其中，所述以太网交换芯片连接2路光以太网接口和2路电以太网接口。

其中，所述CAN总线通信模块包括CAN总线控制器和CAN总线收发器，CAN总线控制器与DSP的连接是通过标准的串行外设接口来实现，CAN总线收发器与CAN总线控制器相连，并连接1路CAN总线接口。

其中，所述DSP处理器模块与背板总线之间连接FPGA。

本发明的有益效果是：

本发明采用以太网交换芯片来扩展配电终端的以太网接口，采用带SPI接口CAN总线控制器扩展CAN总线接口，与传统通过DSP内部地址总线扩展通信接口的方法相比，本发明提供的通信接口扩展方法不占用DSP处理器的内部地址空间，具有传输速度快、布线方便、可靠性高的优点，可广泛应用于配电终端通信系统的构建。解决配电终端多接口扩展需要占用统一内部寻址空间和单个接口需要独立的总线型芯片的问题，且通过以太网交换芯片和SPI总线扩展以太网接口具有设计简单、传输速度快、硬件成本低的优点。

附图说明

图1为本发明实施例配电终端通信系统示意图。

图2为本发明实施例配电终端DSP处理器与以太网交换芯片的连接框图。

图3为本发明实施例MCP2515接口电路原理图。

图4为本发明实施例ADSP-BF518最小系统及其外围电路原理框图。

图5为本发明实施例FPGA接口电路框图。

具体实施方式

下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。

本实施例中，如图1所示，配电终端通信系统主要包括DSP处理器模块（本实施例采用ADSP-BF518）、以太网交换芯片（本实施例采用Marvell88E6060）、以太网物理层接口（本实施例采用以太网独立介质接口MII）、CAN总线控制器和CAN总线收发器。

DSP处理器模块是配电终端通信系统的主控单元，用于初始化配置整个配电终端通信系统、控制以太网通信模块和CAN总线通信模块的输入输出。它通过以太网独立介质接口（MII）与以太网交换芯片相连，以太网交换芯片的运行状态可由DSP处理器通过MDIO、MDC连接的串行管理接口（SerialManagementInterface，SMI）来进行配置，包括：VLAN的配置、端口的开闭、端口的工作模式和通信速率、LED灯的配置等。本实施例采用的ADSP-BF518自带的EMAC模块100Mbps的带宽能满足配电终端的应用需求。

以太网通信模块用于实现配电终端以太网通信接口的扩展，主要包括太网独立介质接口（MII）与以太网交换芯片。配电终端DSP处理器与以太网交换芯片（Marvell88E6060）的连接框图如图2所示。本实施例采用Marvell公司生产的88E6060以太网交换芯片来扩展以太网接口，保证以太网数据传输的快速性和实时性。Marvell88E6060需要1.5V、2.5V和3.3V的供电电源，其中芯片核心部分采用1.5V和2.5V的供电电源，3.3V主要是作为88E6060的I/O口驱动电源。为了简化芯片的电源电路设计、降低成本，Marvell88E6060芯片内部提供电压控制信号CONTROL_15、CONTROL_25，分别由124、2引脚输出来控制2个低成本的PNP三极管来实现3.3V的供电电源降到1.5V和2.5V。Marvell88E6060的大量运行状态可由DSP通过MDIO、MDC连接的串行管理接口（SerialManagementInterface，SMI）来进行配置，包括：VLAN的配置、端口的开闭、端口的工作模式和通信速率、LED灯的配置等。但是88E6060的端口工作模式，例如Port5的MAC模式或PHY模式的选择，Port1和Port2为光以太网口还是电以太网口等，根据需要在硬件电路设计时拉高或者拉低相应的管脚。

光纤以太网收发器采用收发一体化的AFBR5803系列芯片，符合工业级的应用标准，兼容3.3V和5V的供电电源。

CAN总线通信模块用于实现基于配电终端CAN总线通信接口的扩展，包括CAN总线控制器和CAN总线收发器。CAN总线控制器与DSP的连接是通过标准的串行外设接口（SerialPeripheralInterface，SPI）来实现。

本实施例选用性价比高、与DSP连线简单的MCP2515芯片作为外扩的独立CAN总线控制器。MCP2515芯片支持CAN1.2以及最新的CANV2.0A/B等版本的协议，能够接收和发送标准和扩展的数据帧以及远程帧，通过2个29位的接收屏蔽寄存器和6个29位的接收滤波寄存器可以过滤掉用户不需要的报文，因此可以减少主控CPU的开销；MCP2515的最大时钟输入速度为40MHz，高速SPI接口可达10MHz，具有很强的数据传送能能力和可靠性，能满足绝大部分应用场合。

MCP2515接口电路原理图如图3所示，图中MCP2515与DSP的连接是通过标准的串行外设接口（SerialPeripheralInterface，SPI）来实现。一共6根连接线，其中与BF518SPI1相连的线4根，分别是：SPI时钟信号：SPI1_SCK，SPI从机选择信号线：SPI1_SSEL5；主机输入、从机输出信号：SPI1_MISO，主机输出、从机输入信号：SPI1_MOSI。此外，CAN_INT作为CAN控制器的中断请求信号线连接到BF518的PH0口，以BF518通用输入/输出端口（GeneralPurposeI/O，GPIO）的PORTH中断作为CAN控制器的中断输入。DSP_RESET作为整个插件板的全局复位信号引入，为MCP2515提供硬件复位信号。

如图3所示，CAN总线收发器选择的是TI公司具有高性价比的SN65HVD231，该收发器采用3.3V供电，具有差分收发的能力，使其具有较高的抗电磁干扰能了，最高速率可达1Mbps。该收发器具有高速、斜率和等待等3种不同的工作模式，为了有效降低因电平快速上升而引起的电磁干扰，本实施例采用10K的电阻使之工作在斜率模式。经CAN总线收发器后的BP_CANH和BP_CANL信号采用差分布线连接到测控保护一体化装置的背板总线上，实现不同插件板之间的CAN总线通信。ADSP-BF518处理器的数据高速处理性能和MCP2515CAN总线控制器高速收发性能的组合，使得继电保护插件板的整体硬件电路的设计变得更加简单和高效。

ADSP-BF518是整个继电保护模块的核心器件，DSP部分电路主要包括支持BF518正常运行的最小应用系统电路和外围接口电路。其中BF518最小系统电路主要包括：时钟电路、复位电路、电压模块和JTAG接口电路；本实施例涉及的外围电路：外部存储器扩展电路、SPI-CAN和RS485通信模块、以太网通信模块以及RS232调试接口。ADSP-BF518最小系统及其外围电路原理框图如图4所示。

Blackfin系列DSP把存储器视为一个统一的4GB地址空间(0x00000000——0xFFFFFFFF)，使用统一的32位地址进行寻址。所有的资源（包括片存储器、片外存储器和映射的I/O资源存储器）都占据公共地址空间的各自独立的部分。存储器空间部分按不同的层次结构来排列，从而可以为核心程序的处理应用提供了一些非常快速、低延迟的片内存储器，使得DSP芯片本身具有良好成本和性能的平衡性。例如：提供了由高速缓存或SRAM以及较大容量、较低成本和较低性能的片外存储器构成的具有层次结构的存储器系统。一些非常快速、低延迟的存储器（如Cache和SRAM）在芯片版图中距离内核处理器较近，而更大的低成本、低性能的存储器则远离了内核处理器。

在本实施例中，利用BF518的EBIU模块扩展了32M的SDRAM、1M的NorFlash，并利用其接口实现BF518与FPGA芯片的数据交互，其中FPGA占据了64K的地址空间。BF518的地址分配表如下表所示：

功能	片选信号	地址范围
			SDRAM(16MB)	SMS	0x0000 0000 - 0x01FF FFFF
Nor Flash(1MB)	AMS0	0x2000 0000 - 0x200F FFFF
			FPGA(64K)	AMS1	0x2010 0000 - 0x2010 FFFF

除上述统一编址的存储空间外，利用BF518的SPI0接口连接低成本的4MNandFlash，利用SPI0_SSEL2作为SPI-Flash片选信号，可配置为系统正常上电后的引导寄存器。

DSP最主要的优势在于数字信号处理，具有很强的计算能力，但作为主控CPU，DSP不可能跟所有背板总线信号实现无缝连接，尤其是本次数字化测控保护一体化装置背板总线大量采用LVDS差分模式传输信号，因此在BF518与背板总线之间连接FPGA（现场可编程门阵列）帮助BF518实现I/O口扩展、地址译码、逻辑控制、TDM数据编码和解码、时序匹配以及数据预处理和数据缓冲等功能。

本实施例中，继电保护插件板的设计选用Alter公司基于SRAM架构的CycloneII系列FPGA，型号为EP2C8Q208C，其内部逻辑结构的形成是由相应的配置数据所决定。这些配置数据可以由多种模式加载到FPGA内部的SRAM中，由于SRAM的易失性，每次FPGA上电时，都必须对FPGA芯片进行重新导入配置。CycloneII系列FPGA芯片目前支持3种配置方式：主动串行（ActiveSerial，AS）、被动串行（PassiveSerial，PS）和JTAG模式。

主动串行模式适用于串行的配置器件，如EPCS1，EPCS4等；被动串行模式适用于增强配置器件，比如EPC4，EPC8等，同时也适用于EPC2、EPC1、微处理器以及下载电缆；JTAG模式适用于微处理器、下载电缆。

本实施例选择主动串行模式(AS)和JTAG模式对FPGA进行上电配置，其中JTAG模式用于下载调试程序，调试成功后再利用主动串行模式将程序固化在专门的配置芯片EPCS4里，由FPGA上电后自行读取配置信息。

ADSP-BF518的优势在于控制能力和数字信号处理能力，而FPGA的优势在于非常强的时序控制能力。如何让DSP与FPGA发挥各自的特长，在此基础上，将两个芯片的功能应用有机的联系起来，这就是需要实现的DSP与FPGA之间的接口。本实施例是FPGA作为异步接口连接在DSP的地址总线和数据总线上，占据DSP内部统一的地址空间，继电保护插件板的DSP与FPGA的接口采用这一实现方案。设计时可将FPGA模块中的结果缓冲器设为双口RAM，一段连接到ADSP-BF518的EBIU总线接口上，另一端则接到FPGA的内部逻辑单元。如图5所示，FPGA作为DSP的异步接口，连接在BF518的EBIU上，占据A[1]~A[15]一共15根地址线和D[0]~D[15]一共16根数据线；并且，AMS1作为FPGA的片选线，将ADSP-BF518对FPGA的寻址空间限定在0x20100000–0x2010FFFF，一共64K的地址空间里。

如图5所示，FPGA和ADSP-BF518之间除了总线型接口外，还留有双向秒脉冲信号接口和FPGA中断请求信号接口。

秒脉冲（PulsePerSecond，PPS）信号是整个数字化测控保护一体化装置的统一校时信号，兼容IEEE1588和IRIG-B码两种PPS校时模式，但在同一时刻整个装置内部只能有一种校时模式的PPS发出。对于继电保护插件板而言，两种校时模式定义如下：

（1）当应用在支持IEEE1588时钟同步系统的变电站时，由ADSP-BF518通过完成装置与站内IEEE1588主时钟的时间同步，并通过BF518的GPIO管脚PG12给FPGA发出PPS，再由FPGA以差分传输的方式将PPS传送到背板总线，作为整个装置的同步时钟信号；

（2）当变电站内IEEE1588时间同步机制出现问题，或者应用在不支持IEEE1588时钟同步的环境里，由FPGA从背板接收PPS差分信号，解析并传输PPS信号给BF518，完成继电保护插件板与整个测控保护装置之间的时钟同步。

中断请求信号IRQ，作为FPGA向BF518的中断请求量连接到BF518的GPIO管脚PG3，以BF518的PORTG中断作为响应FPGA的外部中断请求。

Claims

1.一种配电终端通信系统，其特征在于，包括DSP处理器模块、以太网通信模块和CAN总线通信模块，所述DSP处理器模块是配电终端通信系统的主控单元，用于初始化配置整个配电终端通信系统、控制以太网通信模块和CAN总线通信模块的输入输出；所述以太网通信模块用于实现配电终端以太网通信接口的扩展；所述CAN总线通信模块用于实现基于配电终端CAN总线通信接口的扩展。

2.根据权利要求1所述的配电终端通信系统，其特征在于，所述以太网通信模块包括以太网交换芯片与以太网物理层接口，DSP处理器模块通过以太网物理层接口与以太网交换芯片相连，以太网交换芯片的运行状态由DSP处理器通过MDIO、MDC连接的串行管理接口来进行配置。

3.根据权利要求2所述的配电终端通信系统，其特征在于，所述以太网交换芯片连接2路光以太网接口和2路电以太网接口。

4.根据权利要求1所述的配电终端通信系统，其特征在于，所述CAN总线通信模块包括CAN总线控制器和CAN总线收发器，CAN总线控制器与DSP的连接是通过标准的串行外设接口来实现，CAN总线收发器与CAN总线控制器相连，并连接1路CAN总线接口。

5.根据权利要求1所述的配电终端通信系统，其特征在于，所述DSP处理器模块与背板总线之间连接FPGA。