变电站自动化系统中基于硬件协议栈的嵌入式以太网基础的实现

变电站自动化系统中基于硬件协议栈的嵌入式以太网基础的实现摘要：嵌入式以太网技术作为一种信息交流模式在变电站自动化系统（SAS）中的应用越来越广泛。

本文首先介绍了嵌入式以太网在SAS中关于的电流应用情况。

然后分析SAS中基于以太网的协议层以及TCP与UDP之间的差异，UDP/IP由于其实时性而被选择作为变电站层与隔离层之间设备的交流协议。

然后提出一种基于硬件协议栈的嵌入式以太网的新的实现。

这种设计方案很容易实现，设计成本显著降低，开发周期短。

关键词：嵌入式以太网变电站自动化系统硬件协议栈UDP W3100Α传统地说，变电站自动化系统可根据其功能的不同分为三个截然不同的逻辑层：变电站层、隔离层和网络层。

变电站层与隔离层通过通信总线连接，通常实施供应商特定的通信协议。

此外，引进基于微处理器的电子产品作为交换和保护设备使更换隔离层和网络层之间的各级总线成为可能。

1998年，世界通用的标准IEC61850被定义，同时达成协议以以太网作为变电站层总线的通信基础。

如今以太网越来越广泛应用于解决个人电脑与工业网络之间骨干应用程序高速交换信息的问题，此协议正是依据这样的事实而达成的。

如今，智能电子设备（IED）已经广泛应用于SAS的隔离层，嵌入式以太网技术也被引进智能电子设备中。

嵌入式以太网技术在SAS中的应用有两种模式：（1）每一个隔离层都有一个嵌入式以太网接口；（2）多个IED通过RS485/CAN总线连接，它们分别通过通讯管理单元连接到一个嵌入式以太网接口接入以太网。

由于大多设备都位于低电压SAS中的隔离层，通常安装在较低层中，所以很难引进实时操作系统以及与之相关的以太网通信协议。

本文提出了新的基于硬件协议栈的嵌入式以太网实现方式。

它需要的硬件资源较少且容易实现，能显著降低开发成本和缩短开发周期。

1 协议层基于嵌入式以太网的SAS中的协议层如表1所示，IEC60870-5-103和IEC60870-5-104协议在应用层使用。

继电保护器件的信息被IEC60870-5-103的ASDU包装。

由IEC60870-5-104提供的ASDU和APCI组成集成的APDU。

传输层采用TCP或者UDP协议。

TCP的提供具有高可靠性，因为它是一个面向连接的通信协议。

但是它的传输速度比较缓慢，且只支持同等级别的信息交流。

以太网的顶部上的UDP是一种无连接协议。

没有连接建立或终止过程是必要的，因为如此可以创建较小的负载。

但同时UDP协议的可靠性也会降低。

UDP的数据结构简单并且容易被组织。

它拥有实时特性，告诉和具备多点传播的能力。

所以在本文中UDP协议被选择作为变电站层和隔离层设备之间的通信协议。

IP/ICMP/IGMP被应用在网络层中。

链路层采用ARP和MAC。

2 硬件设计嵌入式以太网的实现有两种传统方法。

一种是由高性能的处理器和嵌入式控制芯片组成其硬件平台，还引进了实时操作系统及其TCP/IP协议。

设计人员可通过软件实现TCP/IP 协议。

另一种方案的硬件平台由低性能的处理器、硬件协议栈和以太网控制芯片组成，在低压变电站中，硬件平台的配置水平相对较低。

考虑到成本，兼容性，可靠性和生产的开发周期，嵌入式操作系统并未被引入。

本文将结采用第二种方案，并通过TMS320F2812数字信号处理器和W3100Α芯片来实现。

2.1W3100A芯片简介W3100Α是一种大规模集成电路硬件协议栈，此芯片通过简单的安装TCP / IP协议栈为高速互联网连接数字设备提供了一种简单，低成本的解决方案。

它为系统设计者提供了一种快速简便的为任意产品加载以太网联网功能的方法。

实现这个LSI系统，可以显着地减少软件开发成本。

W3100A芯片包含TCP / IP协议栈（如TCP，UDP，IP，ARP和ICMP协议），以及数据链路控制和MAC协议，如以太网协议。

它还提供了一个套接字API（应用程序编程接口），它是类似Windows套接字API。

设计人员可以轻松实现软件的使用套接字API。

该芯片为上层提供MCU总线接口，并支持标准的MII接口接入下层以太网。

W3100A的方框图如图2所示。

W3100Α的寄存器可分为四类：（1）与命令，状态及中断相关的控制寄存器；（2）为网关地址，子网掩码，源IP地址，源HA（硬件地址）和超时值而设置的系统寄存器；（3）指针寄存器，用于管理发送和接收数据;（4）通道寄存器，控制每个信道的操作的。

读者可参考文献[7]寄存器的详细定义。

2.2线路设计TMS320F2812数字信号处理器是一款高度集成，高性能的解决方案需求的控制应用程序，因此被选为本方案的微处理器。

瑞昱RTL8201芯片被选定为以太网物理层器件，接入以太网MAC层时它采用媒体独立接口（MII）进行数据传输。

DSP与W3100Α之间使用中断技术进行通信。

线路的设计方案如图3所示。

另外，变电站内的通信要求很高的可靠性，所以引入了双重以太网技术。

使用两块编号为1#、2#的W3100A芯片，使用不同的中断在一确保不同信道之间的通信。

例如NMI中断被用在1#以太网中。

当一个信道通信失败是另一个可选的信道则被选择。

如图3所示，次模型总使用了一条15bit地址线和8bit数据线，/CS,/RD,/WR.以及/INT。

由于DSP的访问时序从时钟模式到外部时钟模式再到非时钟模式变化，所以设计师DSP的访问时序必须被慎重考虑。

3 软件设计基于嵌入式以太网的IED有两种工作模式：服务模式和客户模式。

在SAS中每个IED 都可视为一个节点。

本文中将使用IED的客户模式。

3.1 初始化系统的初始化包括DSP的初始化、W3100Α的初始化，串口初始化、网络配置初始化以及SOCKET的初始化。

其中最重要的是关于W3100Α和网络配置的初始化。

W3100Α的初始化可由API的功能——initW3100Α()来完成，为了使用W3100Α，需要设立运行W3100Α所需的基本寄存器。

这些基本寄存器包括GAR（网关地址寄存器），SMR （子网屏蔽寄存器），SHAR（源硬件地址寄存器）和SIPR（源IP地址寄存器）。

GAR，SMR 和SIPR，提供W3100A操作所需的网络信息，它们需要根据操作环境来具体设置。

SHAR是W3100A用在MAC层的硬件地址寄存器，它需要使用由制造商提供的默认地址。

当上述寄存器设置好后，W3100Α便可以在网络中被激活。

网络配置中包括每个通道的TX和RX内存大小的设置，源MAC，源IP，网关，W3100Α将要使用到的子网掩码也要设定到指定的值。

部分初始化程序如下：rCanShu.IPAddr1[0] = 192;rCanShu.IPAddr1[1] = 168;rCanShu.IPAddr1[2] = 8;rCanShu.IPAddr1[3] = 1;for(i=0; i<6; i++){rCanShu.IPMac1[i] = 11;rCanShu.IPMac2[i] = 22;}rCanShu.IPGate1[0] = 192;rCanShu.IPGate1[1] = 168;rCanShu.IPGate1[2] = 8;rCanShu.IPGate1[3] = 254;rCanShu.IPMask1[0] = 255;rCanShu.IPMask1[1] = 255;rCanShu.IPMask1[2] = 255;rCanShu.IPMask1[3] = 0;initW3100A(1); // W3100 initializationInitNetConfig(1);// netwok configuration3.2 中断服务程序的设置中断服务程序的流程图图4中所示DSP能够通过检查通道中断状态寄存器的状态来识别相应通道中断的发生。

通过往中断状态寄存器中相应的位上写1来清除中断信号，是系统能够接受新的中断信号。

中断屏蔽寄存器用来屏蔽与每一位对应的中断寄存器所产生的中断。

中断屏蔽寄存器中某一位被设置为1时，相应的中断寄存器的中断信号被启用。

3.3 主程序的设计主程序利用代码调试器智能电子设备开发，主程序的流程图如图5所示，包含六个部分：初始化模块、套接字创建模块、网络联接模块、数据发送模块、数据接收模块和套接字关闭模块。

W3100A提供的套接字API与windows所提供的套接字API相似。

这使得编程变得比较容易。

在程序中，UDP/IP被选择用于发送和接收数据。

为了使用W3100Α芯片的UDP，套接字的初始化之前相应的通道CX_SOPR（套接字选项/协议寄存器的通道X）的协议字段需要设置为SOCK_DGRAM（0X02）。

类似于TCP，UDP传输被激活，其端口处接收到的所有数据可以被保存，在数据处理之前为了确认相应的数据，DSP需要分析的数据的标头信息来验证发送IP地址和端口。

数据的发送和接收是此程序中最为重要的部分，对数据发送和接收的过程是相似的，下面简要介绍数据的发送过程。

API的sendto()可用来发送数据。

首先应计算自由缓冲区（FBS）的大小，然后与发送缓冲区（SBS）的大小相比较，如果FBS的空间大于SBS，则程序往下执行，否则返回继续计算。

然后检查以前的发送命令，如果前面的命令仍然被激活，该程序一直等待，否则程序继续执行。

数据的发送过程如图6所示。

4 结论应用嵌入式以太网技术在变电站综合自动化系统的通信模式是一种新的趋势。

用TMS320F2812和W3100Α实现嵌入式以太网能显著降低开发成本，实时特性明显，还能拥有最短的开发周期。

在硬件上安装TCP/IP栈可以轻松实现通信协议。

本文提出的嵌入式以太网的实施计划已在“在继电保护装置的嵌入式以太网应用”项目中被验证。

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