CN112039875A - 规约转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力远程通信技术领域；具体涉及一种规约转换器，包括嵌入式中央控制单元、异步通信单元、CAN通信单元、以太网控制单元和状态监控单元，嵌入式中央控制单元与异步通信单元、CAN通信单元和以太网控制单元分别通过光电隔离单元相连，状态监控单元直接与嵌入式中央控制单元相连，异步通信单元、CAN通信单元和以太网控制单元连接外部运行设备，状态监控单元采用多个指示灯实现对各单元运行状态的实时监控，嵌入式中央控制单元内嵌规约转换策略。本发明可实现多通信接口规约的在线实时转换，能接入大部分的智能设备和调度系统，兼容性好。

Description

规约转换器

技术领域

本发明涉及电力远程通信技术领域；具体涉及一种规约转换器。

背景技术

远程通信技术是组成远动系统的一个关键环节。只有通过远程通信，调度端和厂站端才能实现两者之间的信息交换。在通信网中，通信双方在发送和接收数据时，必须遵循一些既定的规程，以保证数据的正确、可靠传输。这些规程就简称为通信规约。由于通信规约种类繁多，不同厂家的设备采用的通信规约常常互不相同。即使有的采用同一种通信规约，也由于厂家各自的理解和实现的不同，导致产品不能互相兼容。这种局面使各家设备之间无法互换，接口问题更难以解决。

随着技术的发展，电力系统的通信规约逐渐统一为IEC61850，但这并不意味着完全消除过往的接口协议冲突。首先，已经投入运行的电力设备不可能因为新颁布的标准就退出运行。其次，新标准从颁布到各个厂家据此生产出成熟的产品，也需要相当长的时间。因此，在相当一段长的时期内，规约转换器的设计就显得尤其重要。现有技术看来，国外的规约转换器普遍功能强大，但大都不支持国内应用较多的CAN总线通信，且支持的大都是国外设备的规约，在国内应用不太方便。而国内厂家生产的规约转换器支持规约较少，扩展性不强，配置软件功能单一，设备的易用性、可靠性较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种规约转换器，可实现多通信接口规约的在线实时转换，能接入大部分的智能设备和调度系统，兼容性好。

本发明所述规约转换器，包括嵌入式中央控制单元、异步通信单元、CAN通信单元、以太网控制单元和状态监控单元，嵌入式中央控制单元与异步通信单元、CAN通信单元和以太网控制单元分别通过光电隔离单元相连，状态监控单元直接与嵌入式中央控制单元相连，异步通信单元、CAN通信单元和以太网控制单元连接外部运行设备，状态监控单元采用多个指示灯实现对各单元运行状态的实时监控，嵌入式中央控制单元内嵌规约转换策略，规约转换策略为：

101、系统上电；

102、操作系统启动，操作系统读取用户文件，启动指定管理程序；

103、管理程序启动，检查当前目录，启动服务程序；

104、服务程序启动，读取配置文件，根据其内嵌的服务程序算法和实时数据库，开始采集数据进行规约转换工作；

105、启动结束。

嵌入式中央控制单元还直接连接有复位单元和时钟单元。复位单元包括至少一个看门狗芯片和逻辑处理芯片，用于规约转化器异常时的自动恢复，看门狗芯片采用TPS3705-33D系列，逻辑处理芯片采用74LVC1G125系列；时钟单元包括至少一个GPS模块，主要用于系统的时钟校准，GPS模块采用GPS15XL-W系列。光电隔离单元包括至少一个光电耦合器，光电耦合器采用10兆比特/秒以上比特率的逻辑门光电耦合器，如HCPL061X系列。

优选地，步骤103中，启动服务程序的策略为：

201、系统上电；

202、硬件初始化；

203、软件初始化，创建监听线程；

204、检查服务程序是否启动，若是转205，否则转208；

205、检查服务程序状态是否正常，若是，点亮运行指示灯，喂狗，转206，若否，停止服务程序，开辟共享内存，转209；

206、检查是否收到网络报文，若是，解析报文执行命令，转207，否则转204；

207、是否退出命令，若是，管理结束，否则转204；

208、检查服务程序是否存在，若是，停止服务程序，开辟共享内存，转209；若否，点亮故障指示灯预警；

209、检查服务程序启动是否成功，若是，点亮运行指示灯，喂狗，转206，若否，点亮故障指示灯预警。

优选地，步骤104中，服务程序算法为：

301、系统上电运行；

302、注册接口和规约模块；；

303、读取配置文件，生成内存数据库，判断配置是否成功，若是则转304，否则程序退出；

304、打开各接口模块，创建主线程转305，创建通道线程转307，创建接收线程转309，创建发送线程转310；

305、检查各线程工作状态，各界面模块指示灯点亮，判断配置程序是否连接，若是则接收命令应答数据转306，否则返回305；

306、检查是否退出程序，若是则程序退出，否则返回305；

307、规约模块是否收到数据，若是则解析报文数据并刷新实时数据，否则直接刷新实时数据转308；

308、检测规约模块是否有命令发送，若是则组装报文命令，并将报文放入发送缓存，返回307，否则直接返回307；

309、检测接口硬件是否收到数据，若是读取硬件接收缓存，并将数据拷贝到规约模块接收缓存，通知规约模块收到数据，返回，否则直接返回；

310、检测规约模块是否有数据发送，若是将数据拷贝到规约模块发送缓存，向硬件发送数据并通知规约模块发送完成，返回，否则直接返回。

系统上电后，操作系统会自动启动，操作系统一般为wince5.0以上版本，当操作系统启动起来后，系统会自动寻找并读取用户文件，并根据以太网地址，启动指定的管理员管理程序，管理程序启动后，会检查其当前目录有无服务程序，如果有则启动之。服务程序启动后，读取当前目录的配置文件，完成硬件的初始化，开始数据采集和规约转换工作，从而完成整个系统的启动过程。管理程序与服务程序之间的通信采用文件映射的方法来实现，根据启动顺序，先由管理程序建立文件映射对象，并给该对象指定一个唯一的名字，服务程序进程通过这个名字打开此文件映射对象，从而实现两个进程共同使用一块共享存储区。在信号量等同步机制的辅助下，通过一个进程向共享存储区写入数据而另一个进程从共享存储区读出数据的方式，实现管理程序和服务程序两个进程间的数据交换。服务程序创建的每个线程必须定时向共享存储区写入线程刷新消息，管理程序则不断检测各个线程的刷新情况，当发现某个线程长时间不刷新时，就可以认为该线程出现了死锁等异常情况，从而对服务程序进行重启操作。

优选地，所述嵌入式中央控制单元包括至少一个中央处理器，嵌入式存储器和调试接口，所述中央处理器内嵌规约转换策略。中央处理器可采用基于ARM926EJ-S处理器的系列芯片，包括32位arm指令集和16位thumb指令集，嵌入式存储器至少包括一个32kb片外rom和一个双4kb片内ram。

优选地，所述异步通信单元包括至少6路异步串口通信接口，所述异步串口通信接口至少包括一路9线制TTL接口、一路3线制TTL接口和若干电平转换模块。9线制TTL接口用于硬件流控设备通信(如modem、4G通讯终端等)，3线制TTL接口用于自动流控设备通信，电平转换模块，采用MAX202，SN65LBC184系列等芯片，异步通信接口采用如RS485J/RS232C接口等。

优选地，CAN通信单元包括至少一路CAN总线控制器和CAN总线收发器。所述CAN总线控制器为工业级，支持CAN2.0B协议，如SJA1000系列，所述CAN总线收发器采用高速CAN，为CAN控制器提供差动发送和接收性能，如TJA1050系列等。

优选地，太网控制单元包括至少3个百兆自适应以太网接口和一个网络隔离变压器，所述自适应以太网接口至少包括一个调试接口和两个远动接口，所述调式接口连接后台监控计算机，用于维护软件通讯，所述远动接口连接调度中心，用于远程通讯调度，所述网络隔离变压器用于增强网络信号，增强抗干扰能力，如11F-05系列产品。

优选地，所述状态监控单元包括电源指示灯、运行指示灯、故障指示灯、读/写指示灯、串口收/发指示灯、CAN口收/发指示灯、以太网口状态指示灯，通过对上述指示灯每秒点亮频次的判断，来实现对规约转换器的各类运行状态进行实时监控。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、在硬件设计上，本发明采用嵌入式中央控制单元+外围模块化通信及辅助单元的模式，使得规约转换器硬件开发成本大大降低，且模块化设计使得整个系统更加可靠稳定，扩展性更好。

2、在软件设计上，本发明采用wince5.0以上操作系统，设计时对软件进行了合理的分层和模块的划分，简化了软件的实现，运行效率更高，配置更灵活。

3、基于实时数据库的规约转换方法，使任意规约之间的转换变得简单且容易，由于采用了数据点之间的映射模型，使得各个规约的实现互不相关，功能更广泛，兼容性更强。

附图说明

图1本发明硬件架构图。

图2本发明软件架构图。

图3启动服务程序的策略流程图。

图4服务程序算法流程图。

图5实时数据库架构图。

具体实施方式

实施例1：

如图1-4所示，本发明所述规约转换器，包括嵌入式中央控制单元、异步通信单元、CAN通信单元、以太网控制单元和状态监控单元，嵌入式中央控制单元与异步通信单元、CAN通信单元和以太网控制单元分别通过光电隔离单元相连，状态监控单元直接与嵌入式中央控制单元相连，异步通信单元、CAN通信单元和以太网控制单元连接外部运行设备，状态监控单元采用多个指示灯实现对各单元运行状态的实时监控，嵌入式中央控制单元内嵌规约转换策略，规约转换策略为：

101、系统上电；

102、操作系统启动，操作系统读取用户文件，启动指定管理程序；

103、管理程序启动，检查当前目录，启动服务程序；

104、服务程序启动，读取配置文件，根据其内嵌的服务程序算法和实时数据库，开始采集数据进行规约转换工作；

105、启动结束。

步骤103中，启动服务程序的策略为：

201、系统上电；

202、硬件初始化，包括复位看门狗，输入输出端口和通信口等；

203、软件初始化，创建监听线程；

204、检查服务程序是否启动，若是转205，否则转208；

205、检查服务程序状态是否正常，若是，点亮运行指示灯，喂狗，转206，若否，停止服务程序，开辟共享内存，转209；

206、检查是否收到网络报文，若是，解析报文执行命令，转207，否则转204；

207、是否退出命令，若是，管理结束，否则转204；

208、检查服务程序是否存在，若是，停止服务程序，开辟共享内存，转209；若否，点亮故障指示灯预警；

209、检查服务程序启动是否成功，若是，点亮运行指示灯，喂狗，转206，若否，点亮故障指示灯预警。

步骤104中，服务程序算法为：

301、系统上电运行；

302、注册接口和规约模块；

303、读取配置文件，生成内存数据库，判断配置是否成功，若是则转304，否则程序退出；

304、打开各接口模块，创建主线程转305，创建通道线程转307，创建接收线程转309，创建发送线程转310；

305、检查各线程工作状态，各界面模块指示灯点亮，判断配置程序是否连接，若是则接收命令应答数据转306，否则返回305；

306、检查是否退出程序，若是则程序退出，否则返回305；

307、规约模块是否收到数据，若是则解析报文数据并刷新实时数据，否则直接刷新实时数据转308；

308、检测规约模块是否有命令发送，若是则组装报文命令，并将报文放入发送缓存，返回307，否则直接返回307；

309、检测接口硬件是否收到数据，若是读取硬件接收缓存，并将数据拷贝到规约模块接收缓存，通知规约模块收到数据，返回，否则直接返回；

310、检测规约模块是否有数据发送，若是将数据拷贝到规约模块发送缓存，向硬件发送数据并通知规约模块发送完成，返回，否则直接返回。

嵌入式中央控制单元还直接连接有复位单元和时钟单元。复位单元包括至少一个看门狗芯片和逻辑处理芯片，用于规约转化器异常时的自动恢复，看门狗芯片采用TPS3705-33D系列，逻辑处理芯片采用74LVC1G125系列；时钟单元包括至少一个GPS模块，主要用于系统的时钟校准，GPS模块采用GPS15XL-W系列。光电隔离单元包括至少一个光电耦合器，光电耦合器采用10兆比特/秒以上比特率的逻辑门光电耦合器，如HCPL061X系列。

嵌入式中央控制单元包括至少一个中央处理器，嵌入式存储器和调试接口，所述中央处理器内嵌规约转换策略。中央处理器可采用基于ARM926EJ-S处理器的系列芯片，包括32位arm指令集和16位thumb指令集，嵌入式存储器至少包括一个32kb片外rom和一个双4kb片内ram。

异步通信单元包括至少6路异步串口通信接口，所述异步串口通信接口至少包括一路9线制TTL接口、一路3线制TTL接口和若干电平转换模块。9线制TTL接口用于硬件流控设备通信(如modem、4G通讯终端等)，3线制TTL接口用于自动流控设备通信，电平转换模块，采用MAX202，SN65LBC184系列等芯片，异步通信接口采用如RS485J/RS232C接口等。

CAN通信单元包括至少一路CAN总线控制器和CAN总线收发器。所述CAN总线控制器为工业级，支持CAN2.0B协议，如SJA1000系列，所述CAN总线收发器采用高速CAN，为CAN控制器提供差动发送和接收性能，如TJA1050系列等。

太网控制单元包括至少3个百兆自适应以太网接口和一个网络隔离变压器，所述自适应以太网接口至少包括一个调试接口和两个远动接口，所述调式接口连接后台监控计算机，用于维护软件通讯，所述远动接口连接调度中心，用于远程通讯调度，所述网络隔离变压器用于增强网络信号，增强抗干扰能力，如11F-05系列产品。

状态监控单元包括电源指示灯、运行指示灯、故障指示灯、读/写指示灯、串口收/发指示灯、CAN口收/发指示灯、以太网口状态指示灯。通过对上述指示灯每秒点亮频次的判断，来实现对规约转换器的各类运行状态进行实时监控。

管理程序与配置程序之间通过串口或网口进行通信，接收配置程序的命令，实现对服务程序的升级、配置文件的下载/上传等功能。此外，管理程序与服务程序之间还通过进程通信，对服务程序每个线程的运行状态进行监视，发现线程死锁时执行重启服务程序操作。管理程序定时对硬件看门狗执行喂狗操作，当管理程序出现死锁时，硬件看门狗会触发系统复位，从而保证系统的正常运行。

服务程序是规约转换器的核心部分，它主要由各种规约模块组成，服务程序具有多种规约模块，可以同时和不同的设备及调度通信，实现数据的采集和转发，包括IEC61850，103，104，部颁CDT等。此外，服务程序还可以和配置程序进行通信，向配置程序发送各个通信接口的实时报文以及各个设备的实时数据等信息。

配置程序运行在通用计算机上，负责针对不同的工程项目，编辑相应的通讯参数、数据点表、映射关系等，最后生成配置文件。它可以通过和管理程序之间的通信，把配置文件下载到中央处理器中，供服务程序运行时使用。

正常情况下，管理程序不断检查服务程序的运行状态以及网络上有没有配置程序发来的命令报文，同时对看门狗进行喂狗，闪烁运行指示灯来指示程序在正常运行。收到配置程序发来的网络报文后，经过解析和对命令分类，分别执行服务程序升级、配置文件下载等操作。当监测到服务程序运行状态出现异常时，管理程序会立即对服务程序进行重启操作。当服务程序不存在或启动服务程序失败时，管理程序会闪烁故障指示灯来提示用户程序运行异常。当管理程序出现异常时，由硬件看门狗来重启系统。通过软硬件的结合，保证了系统的可靠性。

服务程序启动后，首先对各个规约模块进行注册，建立各个规约名称和相对应的规约模块类的关系，以便通过规约名称来动态创建规约模块。然后，服务程序开始读取配置文件，根据配置文件的内容创建各个通道类、规约类、设备类、数据点类的实例等。之后，开始创建各个工作线程，如通道线程、接收线程和发送线程等。完成这些初始化工作后，主线程开始不断对各个工作线程进行状态检测、刷新状态指示灯、应答配置程序的命令等，工作线程则开始进行报文的收发、数据的解析等。

管理程序与服务程序之间的通信采用文件映射的方法来实现，根据启动顺序，先由管理程序建立文件映射对象，并给该对象指定一个唯一的名字，服务程序进程通过这个名字打开此文件映射对象，从而实现两个进程共同使用一块共享存储区。在信号量等同步机制的辅助下，通过一个进程向共享存储区写入数据而另一个进程从共享存储区读出数据的方式，实现管理程序和服务程序两个进程间的数据交换。服务程序创建的每个线程必须定时向共享存储区写入线程刷新消息，管理程序则不断检测各个线程的刷新情况，当发现某个线程长时间不刷新时，就可以认为该线程出现了死锁等异常情况，从而对服务程序进行重启操作。

实时数据库内的数据是按照设备为单位进行组织的，这里的设备是自动化系统中各种装置(如RTU,PLC、保护装置、调度中心、后台监控等)的数据抽象。每个抽象设备对应自动化系统中一个真实设备，或是自定义的虚拟设备。

真实设备通常是下行规约所连接的一个个实际的装置(如图5中的RTU1和RTU2)。常见的数据类型有遥信(YX)、遥测(YC)、遥控(YK)等。根据设备的不同，每个设备具有的数据类型和数据点的数量各不相同。例如:RTU1的遥信点从YX1到YX100，遥测点从YC1到YC10，遥控点从YK1到YK5等，RTU2则只有遥信和遥测数据，遥信点从YX1到YX30，遥测点从YC1到YC5。

虚拟设备一般是和上行规约相连的，它把整个规约转换器虚拟成一个设备，包含了上行规约需要的所有数据。对调度平台或后台监控平台而言，它只和虚拟设备进行通讯，并不需要知道规约转换器实际接了哪些设备。真实设备内的数据点和虚拟设备内的数据点之间有一种映射关系，当真实设备内某个数据点的值发生变化时，因为映射关系，虚拟设备内的相对应的数据点的值就会立即得到同步更新。

图5中，下行规约1模块只需要按照自己的规约采集数据，解析出来后写入自己的设备数据库中(RTU1)，这些值的变化，会自动更新到相关的上行规约虚拟设备中(SCADA,HMI)，上行规约得知数据变化后，即可按照自己的规约进行处理，向调度/后台转发相关数据，从而完成整个规约转换过程。

虚拟设备可以和所有真实设备的数据点建立映射，从而向调度/后台转发所有的数据点。也可以只选择某些设备或某些感兴趣的点来建立映射，即只向调度/后台转发部分数据。例如，在有些远动系统中，规约转换器除了与常规的调度中心通信外，还需要与复示系统通信。针对复示系统，就可以只对遥信、遥测建立映射，而不对遥控点建立映射，从而让复示系统只具有监视功能，不具备控制功能，提高安全性。

Claims (8)

1.一种规约转换器，其特征在于，包括嵌入式中央控制单元、异步通信单元、CAN通信单元、以太网控制单元和状态监控单元，嵌入式中央控制单元与异步通信单元、CAN通信单元和以太网控制单元分别通过光电隔离单元相连，状态监控单元直接与嵌入式中央控制单元相连，异步通信单元、CAN通信单元和以太网控制单元连接外部运行设备，状态监控单元采用多个指示灯实现对各单元运行状态的实时监控，嵌入式中央控制单元内嵌规约转换策略，规约转换策略为：

101、系统上电；

102、操作系统启动，操作系统读取用户文件，启动指定管理程序；

103、管理程序启动，检查当前目录，启动服务程序；

104、服务程序启动，读取配置文件，根据其内嵌的服务程序算法和实时数据库，开始采集数据进行规约转换工作；

105、启动结束。

2.根据权利要求1所述的规约转换器，其特征在于，步骤103中，启动服务程序的策略为：

201、系统上电；

202、硬件初始化；

203、软件初始化，创建监听线程；

204、检查服务程序是否启动，若是转205，否则转208；

205、检查服务程序状态是否正常，若是，点亮运行指示灯，喂狗，转206，若否，停止服务程序，开辟共享内存，转209；

206、检查是否收到网络报文，若是，解析报文执行命令，转207，否则转204；

207、是否退出命令，若是，管理结束，否则转204；

208、检查服务程序是否存在，若是，停止服务程序，开辟共享内存，转209；若否，点亮故障指示灯预警；

209、检查服务程序启动是否成功，若是，点亮运行指示灯，喂狗，转206，若否，点亮故障指示灯预警。

3.根据权利要求1所述的规约转换器，其特征在于，步骤104中，服务程序算法为：

301、系统上电运行；

302、注册接口和规约模块；；

303、读取配置文件，生成内存数据库，判断配置是否成功，若是则转304，否则程序退出；

304、打开各接口模块，创建主线程转305，创建通道线程转307，创建接收线程转309，创建发送线程转310；

305、检查各线程工作状态，各界面模块指示灯点亮，判断配置程序是否连接，若是则接收命令应答数据转306，否则返回305；

306、检查是否退出程序，若是则程序退出，否则返回305；

307、规约模块是否收到数据，若是则解析报文数据并刷新实时数据，否则直接刷新实时数据转308；

308、检测规约模块是否有命令发送，若是则组装报文命令，并将报文放入发送缓存，返回307，否则直接返回307；

309、检测接口硬件是否收到数据，若是读取硬件接收缓存，并将数据拷贝到规约模块接收缓存，通知规约模块收到数据，返回，否则直接返回；

310、检测规约模块是否有数据发送，若是将数据拷贝到规约模块发送缓存，向硬件发送数据并通知规约模块发送完成，返回，否则直接返回。

4.根据权利要求1所述的规约转换器，其特征在于，所述嵌入式中央控制单元包括至少一个中央处理器，嵌入式存储器和调试接口，所述中央处理器内嵌规约转换策略。

5.根据权利要求1所述的规约转换器，其特征在于，所述异步通信单元包括至少6路异步串口通信接口，所述异步串口通信接口至少包括一路9线制TTL接口、一路3线制TTL接口和若干电平转换模块。

6.根据权利要求1所述的规约转换器，其特征在于，CAN通信单元包括至少一路CAN总线控制器和CAN总线收发器。

7.根据权利要求1所述的规约转换器，其特征在于，太网控制单元包括至少3个百兆自适应以太网接口和一个网络隔离变压器，所述自适应以太网接口至少包括一个调试接口和两个远动接口。

8.根据权利要求1所述的规约转换器，其特征在于，所述状态监控单元包括电源指示灯、运行指示灯、故障指示灯、读/写指示灯、串口收/发指示灯、CAN口收/发指示灯、以太网口状态指示灯。

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