涂永飛, 聶光輝
?。ㄦ?zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004）
摘要：介紹了弧光保護裝置如何通過W5100芯片實現(xiàn)雙網(wǎng)口。裝置采用W5100的兩個端口實現(xiàn)了TCP和UDP，然后通過兩者的結(jié)合完成以太網(wǎng)IEC103通信，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：弧光保護；以太網(wǎng)IEC103；W5100；UDP；TCP
0引言
IEC103傳輸規(guī)約是國際電工委員會為了在不同保護設(shè)備和控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息互換的目的而制定的繼電保護設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)［1］，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的繼電保護裝置采用以太網(wǎng)IEC103規(guī)約。本文主要結(jié)合鎮(zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠公司ZHG1A型弧光保護裝置，詳細介紹以太網(wǎng)IEC103在弧光保護裝置中的實現(xiàn)方法。
1ZHG-1A型智能弧光保護裝置的硬件設(shè)計方案
ZHG-1A型智能弧光保護裝置依據(jù)紫外光弧光檢測和過電流檢測雙判據(jù)原理，具有保護動作速度快、可靠性高等特點［2］。裝置采用“DSP+雙ARM”架構(gòu)，其中DSP作為主CPU，負(fù)責(zé)電壓、電流的采集計算和保護邏輯，一片ARM負(fù)責(zé)液晶顯示和DSP通信，另一片ARM主要負(fù)責(zé)與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信，通信規(guī)約采用以太網(wǎng)IEC103和Modbus。整個裝置的硬件設(shè)計方案如圖1所示。
2以太網(wǎng)IEC103的硬件設(shè)計方案
大多數(shù)以太網(wǎng)接入設(shè)備采用MCU+以太網(wǎng)控制芯片（如RTL8019AS,DM9008等），然后通過軟件實現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，這種方式對開發(fā)人員的軟硬件設(shè)計能力要求較高。
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，硬件協(xié)議棧芯片越來越便宜，因此本裝置采用韓國WIZnet公司生產(chǎn)的W5100，使用它不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進行簡單的端口(Socket)編程［3］。本裝置使用兩片W5100，分別采用直接總線接口和SPI總線接口方式來實現(xiàn)弧光保護裝置的兩路以太網(wǎng)通信。
2.1W5100的SPI總線接口
LPC1788的SSP0口與W5100的SPI相連。P0［16］和P0［27］ 用作普通的I/0管腳。 P0［16］作為W5100的SPI從模式選擇，P0［27］用作W5100復(fù)位，W5100剛上電時一定要復(fù)位且持續(xù)時間不小于2 μs。由于此管腳為LPC1788的開漏極管腳，所以要接上拉電阻(圖中未畫出)。/INT管腳與EINT1相連。/SEN腳接高電平，使能W5100的SPI模式。W5100的SPI接口框圖如圖2所示。
2.2W5100的直接總線接口
W5100的直接總線接口采用15位地址線，8位數(shù)據(jù)線。在直接總線方式下，/CS必不可少，用于MCU訪問W5100內(nèi)部寄存器或存儲器。/WR為寫使能，/RD為讀使能。以上管腳與LPC1788的外部存儲控制器模塊（EMC）相連［4］。/INT引腳與EINT0管腳相連。/RESET為W5100的復(fù)位腳，/SEN腳接低電平，禁止W5100的SPI模式。W5100的直接總線接口框圖如圖3所示。
3以太網(wǎng)IEC103的軟件設(shè)計
弧光保護裝置是國內(nèi)最近幾年才出現(xiàn)的新裝置，IEC 608705103描述了兩種信息交換的方法：第一種方法是基于嚴(yán)格規(guī)定的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元和傳輸“標(biāo)準(zhǔn)化”報文的應(yīng)用過程，第二種方法使用通用分類服務(wù)，以傳輸幾乎所有可能的信息［5］。本裝置采用第二種方法。
本裝置采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP的客戶機服務(wù)器模型進行通信。規(guī)約采用以太網(wǎng)UDP報文與TCP報文相結(jié)合［6］的格式，應(yīng)用規(guī)約控制信息（APCI）采用與IEC104相似的格式。W5100共有四個端口，分別是S0，S1，S2，S3。在這里端口S0用作TCP通信，置為TCP客戶端模式,TCP端口號為2404；端口S1置為UDP模式，UDP端口號為1032。上電初始化后，就已建立了UDP連接。通信開始時，主站定時向弧光保護裝置發(fā)送廣播報文，裝置通過UDP收到主站的IP地址和端口號后，主動與主站建立TCP連接。整個鏈路建立后，主站與裝置利用TCP報文進行信息傳輸，采用的報文格式如圖4所示。
W5100接收到一幀數(shù)據(jù)后,/INT腳輸出低電平,引起LPC1788的外部中斷，置位外部中斷標(biāo)志。當(dāng)TCP建立連接，通信正常時，主程序每隔10 ms調(diào)用網(wǎng)絡(luò)報文處理程序。在以太網(wǎng)IEC103報文進行接收的過程中，對接收成功的一串報文首先要進行幀校驗，先查看報頭0x68,再查看接收數(shù)據(jù)的長度，最后再看接收序列號和發(fā)送序列號，采用IEC104相似的規(guī)約控制信息，能夠防止報文丟失和報文重復(fù)傳送。當(dāng)接收的報文正確無誤時，再通過發(fā)送序列號判斷報文是I格式、S格式還是U格式。如果接收的報文是I格式，則按照通用分類服務(wù)對報文進行解析，響應(yīng)報文，最后組織相應(yīng)報文發(fā)給主站。以太網(wǎng)IEC103網(wǎng)絡(luò)處理流程如圖5所示。
本設(shè)計中以太網(wǎng)IEC103采用平衡傳輸方式。通常情況下裝置采用一問一答方式傳輸實時數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生開入量變位、壓板狀態(tài)改變、裝置發(fā)生動作、告警等事件時，裝置會即時將這些變化信息主動上傳到主站。
主函數(shù)中的W5100直接總線接口方式程序如下:
……
if(Bus_GulTick) //外部中斷,置1
{ Bus_GulTick=0;
Bus_W5100_Interrupt_Process();
}
if(Bus_NetWork.netloop)//10 ms執(zhí)行1次
{
Bus_NetWork.netloop=0;
if(Bus_NetWork.OnLink==DISCONNECTED)
Bus_ProcessAboutUDP(); //UDP
else
Bus_ProcessAboutNet(); //TCP
}
……
建立TCP和UDP連接程序如下：
if(Bus_S0_State==0)
{//建立TCP連接
if(Bus_S0_Mode==TCP_CLIENT)
{
if(Bus_Socket_Connect(0)==W5100_TRUE)
Bus_S0_State=S_INIT;
else
Bus_S0_State=0;
}}
if(Bus_S1_State==0)
{//建立UDP連接
if(Bus_Socket_UDP(1)==W5100_TRUE)
Bus_S1_State=S_INIT|S_CONN;
else
Bus_S1_State=0;
}
4結(jié)束語
在弧光保護產(chǎn)品中實現(xiàn)以太網(wǎng)IEC103規(guī)約是廠家面對的問題。裝置采用LPC1788+兩片W5100實現(xiàn)了IEC103網(wǎng)絡(luò)方式。W5100中的兩個端口一個用于UDP，一個用于TCP，使得裝置與主站鏈接靈活，通信傳輸可靠。經(jīng)過現(xiàn)場的運行測試，實現(xiàn)了弧光保護裝置長期在線、實時監(jiān)測，滿足了通信要求，對其他產(chǎn)品實現(xiàn)以太網(wǎng)IEC103具有借鑒意義。
參考文獻
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