CN110177057A - 一种支持电能质量监测装置现场比对的网络交换机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及交换机技术领域，具体涉及一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，包括CPU模块、PHYTER、外部扩展存储、以太网接口阵列、交换芯片、时钟、LED指示灯、网络变压器、RJ45、DC‑DC电源模块和交换机软件系统，支持IEEE1588/NTP/SNTP多种网络对时协议。采用本发明可以实现数字化变电站内的各设备同步，省去了昂贵的GPS同步设备，可显著地提高数字化变电站内时钟同步的精度。
Description
技术领域
本发明涉及交换机技术领域，具体涉及一种支持电能质量监测装置现场比对的网络交换机。
背景技术
在对电能质量监测装置进行现场比对校准时，这里需标准电能质量测量装置和被检的电能质量监测装置的时间进行同步，而且同步一致性越高越好，目前国内主流设备也仅仅支持简单网络时间协议SNTP，两装置的同步精度仅达到毫秒级别，对被检的电能质量监测装置和标准电能质量测量装置的实时测量数据存在较大误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种支持电能质量监测装置现场比对的网络交换机，IEEE1588是一种以太网同步协议，可以解决标准电能质量测量装置和被检的电能质量监测装置的时间同步问题。IEEE1588协议以工业以太网为通信介质，在以太网络内传输同步时钟信息，为数字化变电站内的各个设备提供同步时钟，以解决目前使用GPS同步对时设备的精度不高的问题。具体技术方案如下：
一种支持电能质量监测装置现场比对的网络交换机，包括CPU模块、PHYTER、外部扩展存储模块、以太网接口阵列、交换芯片、时钟、LED指示灯、网络变压器、RJ45接口、DC-DC电源模块；
所述CPU模块用于控制和配置交换芯片；所述PHYTER用于IEEE1588时间戳的接收和转发；所述外部扩展存储模块用于扩展内存；所述以太网接口阵列用于提供与以太网连接的接口；所述交换芯片用于实现数据交换；所述时钟用于为系统提供时钟源；所述LED指示灯用于指示PHYTER的工作状态；所述网络变压器用于信号电平耦合；
所述CPU模块与分别与外部扩展存储模块、PHYTER连接；所述交换芯片分别与CPU模块、外部扩展存储模块、PHYTER、以太网接口阵列连接；所述PHYTER分别与时钟、LED指示灯、网络变压器连接；所述网络变压器与RJ45接口连接；所述网络交换机支持IEEE1588/NTP/SNTP网络对时协议。
优选地，所述CPU模块包括MCF52259芯片。
优选地，所述PHYTER采用DP83640芯片。
优选地，所述外部扩展存储模块包括EEPROM、FLASH、SDRAM，通过总线分别与CPU模块及交换芯片相连。
优选地，所述EEPROM采用W27C512芯片。
优选地，所述FLASH采用S29GL512N90TFIR2芯片。
优选地，所述SDRAM采用MT48LC16M16A2BG芯片。
优选地，所述交换芯片采用BCM56524芯片。
优选地，所述电源模块用于提供5V、3.3V的电源电压；5V电源电压采用LM2576芯片产生，3.3V电源电压采用ISL6443芯片产生。
优选地，还包括交换机软件系统，所述交换机软件系统包括板级支持包BSP、硬件驱动程序、通信模块；所述板级支持包BSP是是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，用于提供交换机软件系统的驱动以及硬件驱动；所述硬件驱动程序用于为硬件、寄存器、接口提供驱动程序；所述通信模块用于提供交换机软件系统的通信协议。
本发明的有益效果为：本发明通过IEEE1588精密时钟同步协议实现标准电能质量监测装置与被检电能质量监测装置的时间实现同步，降低了被检的电能质量监测装置和标准电能质量测量装置的时间误差，在不改变被检电能质量监测装置电气接线、短时终止被检电能质量监测装置与主站服务器正常通讯的情况下，完成对被检电能质量监测装置的现场检定，使得电能质量监测装置的定期检定工作能够有效开展，从而保证了各项电能质量指标的测量准确度。
附图说明
图1为本发明提供的网络交换机的结构示意图；
图2为S29GL512N90TFIR2芯片与CPU模块电路连接原理图；
图3为MT48LC16M16A2BG芯片与CPU模块电路连接原理图；
图4为BCM56524芯片与CPU模块电路连接原理图；
图5为电源模块的原理示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种支持电能质量监测装置现场比对的网络交换机，包括CPU模块、PHYTER、外部扩展存储模块、以太网接口阵列、交换芯片、时钟、LED指示灯、网络变压器、RJ45接口、DC-DC电源模块；
CPU模块用于控制和配置交换芯片；PHYTER用于IEEE1588时间戳的接收和转发；外部扩展存储模块用于扩展内存；以太网接口阵列用于提供与以太网连接的接口；交换芯片用于实现数据交换；时钟用于为系统提供时钟源；LED指示灯用于指示PHYTER的工作状态；网络变压器用于信号电平耦合；
CPU模块与分别与外部扩展存储模块、PHYTER连接；交换芯片分别与CPU模块、外部扩展存储模块、PHYTER、以太网接口阵列连接；PHYTER分别与时钟、LED指示灯、网络变压器连接；网络变压器与RJ45接口连接；网络交换机支持IEEE1588/NTP/SNTP网络对时协议。
CPU模块由通用CPU芯片、外部存储器部分、I/O接口部分以及一些外围电路组成，主要控制和配置交换模块，不承担数据转发工作。CPU模块提供一个快速以太网接口和一个异步口通过与交换芯片通信，实现对交换机各端口速率、双式方式等控制，以及对交换机第二层路由的控制，并通过接收各种管理应用帧、二层交换协议来实现对交换机的远程管理和各种二层交换协议。CPU芯片飞思卡尔Freescale半导体公司的MCF52259芯片，最高主频为80MHz，芯片存储器包括512K的FLASH存储和64K的SRAM存储，拥有三个全局异步同步接收发送单元、一个快速以太网控制器、四通道直接存储器访问控制器等,工作温度为-40℃~70℃，满足电力系统工作环境。CPU模块一般是通直接内存访问DMA（Direct Memory Access）方式来访问外部存储器。
PHYTER主要负责IEEE1588时间戳的接收和转发，实现IEEE1588时钟和时间戳的功能，基本处理操作是：（1）所有PTP（Precision Time Protocol）链路的终接，所有进入的PTP消息都将被识别和路由到本地处理器；（2）实现最佳主时钟运算法则，或决定主端口和从端口分配的其它机制；（3）在接到最好的主设备的一个端口上作为从设备来同步；（4）对所有其它的端口作为主设备来运行；（5）所有物理层的PTP时钟的同时控制，包含从动设备端口的设备。PHYTER选用美国国家半导体公司的DP83640。
DP83640是美国国家半导体公司的精密PHYTER，作为标准的精密时间协议收发器，内置高精度的IEEE1588时钟，为实时工业网络连接提供最高级的精密时钟同步。它支持IEEE1588标准V1和V2，支持UDP/IPv4、UDP/IPv6和Layer2以太网包，并支持IEEE1588时钟同步，时间标记的分辨率为8ns。DP83640实现了PTP协议的严格时序要求，并可实现高精度IEEE1588节点，这些特性也可用于实现多端口的边界时钟（BC）和透明时钟（TC）器件。每个精密PHYTER DP83640包含一个独立的内部PTP时钟，从而能够向所有端口提供单一的PTP时钟，减少了为实现IEEE1588的时钟和时标时间戳功能所需要的其它电路数量。由于时间戳在物理层内部完成，时间标记在所以工作模式下平等确定,因此提供了最精确的对时。
外部扩展存储模块包括EEPROM、FLASH、SDRAM，满足对内存的需求，通过总线与CPU模块及交换芯片相连。
EEPROM提供上电初始化程序的保存，存储了交换机的各种配置信息，如VLAN、端口优先级、端口速率等。交换机在上电或复位时，会通过存储器接口读取中的信息，完成交换机的基本功能设定。EEPRO设计采用Winbond公司的W27C512芯片，单片提供8位数据宽度，64K的存储空间，工作电压5V，全静态运行，全部输入与输出完全兼容TTL/CMOS。
FLASH是应用程序映像和系统参数的存储介质，用于存储以太网交换机所需要的Runtime软件和相关配置。FALSH存储选用Spansion公司生产的NORFLASH芯片S29GL512N90TFIR2，该芯片存储空间为512M(32X16bit/64X8bit)，工作电压3.3V，工作温度为-40℃~85℃。该芯片与CPU模块电路连接如图2所示。
SDRAM则有效地扩充了交换机MAC地址表空间，以及各端口报文缓冲队列，并为交换机软件运行提供了物质基础，在系统启动后，负责载入FLASH中的Runtime软件，保证系统正常运行。设计采用Micron Technology公司生产的MT48LC16M16A2BG，提供16位的存储宽度，256M的存储空间（16Mx16bit），工作电压3.3V，工作温度-40℃~85℃。该芯片与CPU模块电路连接如图3所示。
交换芯片支持IEEE1588标准，设计采用了博通Broadcom公司的BCM56524芯片，该芯片可在第二层和第四层应用IEEE1588协议，Sync和Delay数据包可以通过观察数据包的以太类型或UDP目标端口的值来检测到，并从数据包中解码出以太类型，识别出那些需要转发给CPU的特殊PTP信息。该芯片能够发送基于内部时钟和估计嵌入延迟的Sync信息，并且当PTP帧离开交换芯片时，监听离开时间，然后发送带有精确离开时间戳的Follow_Up信息。该芯片通过CPU接口管理控制器CMIC（CPU Management Interface Controller）实现与CPU的连接和管理，而该芯片与CPU之间的数据流包也是通过CMIC管理。BCM56524芯片通过32位的PCI总线接口与外部CPU连接，通过MII接口与DP83640连接，以实现安装、设置、维护和管理，最高主频为66MHz，通过CPU可初始化BCM56524的寄存器或在实现多层交换应用时运行更高一层的协议栈，其电路图如图4所示。
网络交换机的电源模块的设计采用二次电源方案，利用DC-DC变换产生需要的电源电压5V、3.3V。由于电源入口处电压降较大，功率要求较高，如果采用线性电源，不仅线性稳压电源在工作中会有很大的热量损失,其工作效率也会很低。因此，各电源都采用开关电源的变换方式。开关电源是用通过电路控制开关管进行高速的通道和截止。将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而生所需要的一组或多组电压。开关电源的功耗低，平均工作效率最高可达90%以上。5V电压的产生采用美国国家半导体公司的LM2576该芯片属于3A电流输出降压开关型集成稳压器，内含固定频率振荡器和基准稳压器，并具有完善的保护电路，包括电流限制及热判断电路等。电路如图5所示。
考虑到设计中对3.3V电压需求较大，如CPU模块、外部扩展存储模块和交换芯片均需3.3V电压作为电源电压，因此设计上3.3V电压的产生采用Intersil公司的ISL6443芯片，该芯片是高性能的三路输出控制器，每个输出可低至0.8V，以LM2576的输出电压作为ISL6443的输入电压，产生三路3.3V电压。两个脉冲宽度调制PWM成180°异相同步，减少了输入电流和汉波电压的有效值。同时还有过流保护和过热保护，避免了直流一直流元件在输出过载/短路情况下被损坏。
网络交换机还包括交换机软件系统；交换机软件系统包括板级支持包BSP、硬件驱动程序、通信模块；板级支持包BSP是是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，用于提供交换机软件系统的驱动以及硬件驱动；硬件驱动程序用于为硬件、寄存器、接口提供驱动程序；通信模块用于提供交换机软件系统的通信协议。
交换机软件系统是实时操作系统，设计采用Vxworks实时多任务嵌入式操作系统，该操作系统具有简洁高效的实时多任务内核、灵活的任务间通信机制、丰富的和驱动程序库、快速的本地文件系统、网络应用支持功能以及强大的集成开发和调试环境。
板级支持包BSP是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，将系统中与硬件直接相关的一层软件独立出来,以达到屏蔽硬件，提供操作系统的驱动及硬件驱动的功能。
驱动程序是将硬件和寄存器的操作抽象为一组通用的函数来调用，这样就能将具体硬件和上层软件分离开，使上层软件的开发变得相对容易，而驱动程序的修改不会对上层软件造成影响。Vxworks操作系统提供了许多驱动程序，如串口、网口等，也可以根据需要为特定的硬件和接口编写驱动程序。
通信模块是由操作系统提供的TCP、UDP、IP、IGMP等协议软件组成，从而保证了嵌入式系统支持网络应用。
本发明的工作原理为：PHYTER为所有流入帧（包括转发帧和PTP帧）打上时间标签，识别PTP帧中的时间戳，决定将其转发、复制给CPU模块、重新传入CPU模块或者丢弃，同时标示出每个转发帧中记录的离开操作，被标示的帧连同到达时间一同复制或重新传入给CPU模块，CPU模块控制交换芯片对标记硬件到达时间戳的数据帧进行排队、转发，接着PHYTER记录所有PTP帧的离开时间，并计算寄存时间。
本发明的应用原理为：
电能质量监测装置现场比对系统包括标准电能质量监测装置、被检电能质量监测装置、检测主机，采用本发明提供的网络交换机，标准电能质量监测装置、被检电能质量监测装置、检测主机分别通过以太网与本发明提供的网络交换机连接，
本发明提供的网络交换机的时钟为整个电能质量监测装置现场比对系统提供时钟源，所使用的介质是以太网，支持IEEE1588对时协议。
标准电能质量监测装置、被检电能质量监测装置接入同一采样点，通过本发明提供的网络交换机完成标准电能质量监测装置、被检电能质量监测装置同步对时工作，使得检测主机、标准电能质量监测装置、被检电能质量监测装置保持时间同步，能使标准电能质量监测装置、被检电能质量监测装置在同一时刻进行监测点信号采样，从而保证了标准电能质量监测装置和被检电能质量监测装置测量结果的可比性。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：包括CPU模块、PHYTER、外部扩展存储模块、以太网接口阵列、交换芯片、时钟、LED指示灯、网络变压器、RJ45接口、DC-DC电源模块；
所述CPU模块用于控制和配置交换芯片；所述PHYTER用于IEEE1588时间戳的接收和转发；所述外部扩展存储模块用于扩展内存；所述以太网接口阵列用于提供与以太网连接的接口；所述交换芯片用于实现数据交换；所述时钟用于为系统提供时钟源；所述LED指示灯用于指示PHYTER的工作状态；所述网络变压器用于信号电平耦合；
所述CPU模块与分别与外部扩展存储模块、PHYTER连接；所述交换芯片分别与CPU模块、外部扩展存储模块、PHYTER、以太网接口阵列连接；所述PHYTER分别与时钟、LED指示灯、网络变压器连接；所述网络变压器与RJ45接口连接；所述网络交换机支持IEEE1588/NTP/SNTP网络对时协议。
2.根据权利要求1所述的一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：所述CPU模块包括MCF52259芯片。
3.根据权利要求1所述的一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：所述PHYTER采用DP83640芯片。
4.根据权利要求1所述的一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：所述外部扩展存储模块包括EEPROM、FLASH、SDRAM，通过总线分别与CPU模块及交换芯片相连。
5.根据权利要求4所述的一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：所述EEPROM采用W27C512芯片。
6.根据权利要求4所述的一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：所述FLASH采用S29GL512N90TFIR2芯片。
7.根据权利要求4所述的一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：所述SDRAM采用MT48LC16M16A2BG芯片。
8.根据权利要求1或4所述的一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：所述交换芯片采用BCM56524芯片。
9.根据权利要求1所述的一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：所述电源模块用于提供5V、3.3V的电源电压；5V电源电压采用LM2576芯片产生，3.3V电源电压采用ISL6443芯片产生。
10.根据权利要求1所述的一种支持电能质量监测装置现场比对的的网络交换机，其特征在于：还包括交换机软件系统，所述交换机软件系统包括板级支持包BSP、硬件驱动程序、通信模块；所述板级支持包BSP是是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，用于提供交换机软件系统的驱动以及硬件驱动；所述硬件驱动程序用于为硬件、寄存器、接口提供驱动程序；所述通信模块用于提供交换机软件系统的通信协议。
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