專利名稱：能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式網(wǎng)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于變電站自動化通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，屬于變電站專用通信設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
二.
背景技術(shù)：
變電站自動化系統(tǒng)是指在變電站內(nèi)提供包括通信在內(nèi)的自動化，實(shí)現(xiàn)對變電站內(nèi)設(shè)備和饋入饋出線路的控制、監(jiān)視、保護(hù)、開關(guān)閉鎖和遠(yuǎn)方信息交換。變電站自動化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題就是如何將變電站內(nèi)的IED以及將變電站和遠(yuǎn)方調(diào)度中心通過適當(dāng)?shù)耐ㄐ欧绞铰?lián)結(jié)成網(wǎng)絡(luò)。
早期主要采用RS-232、RS-485等串行總線將站內(nèi)的IED連在一起，采用主從式輪詢方式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的逐漸成熟，由于其簡單易用，組網(wǎng)靈活，開放性等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場總線如CAN、LonWorks、ProfiBus等也越來越多地應(yīng)用于變電站內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)。通信技術(shù)的發(fā)展，造成了變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的多樣性，這給用戶帶來更多選擇的同時(shí)，也帶來了另一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，即如何將這些來自不同廠家的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相互集成，實(shí)現(xiàn)互操作，最大限度地保護(hù)用戶已有的軟硬件投資。另一方面，Internet現(xiàn)已成為社會重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施之一，是信息流通的重要渠道。Internet技術(shù)提升了世界的可接入性，變電站內(nèi)的設(shè)備同樣面臨著數(shù)據(jù)集中、接入、維護(hù)和二次開發(fā)的新課題，現(xiàn)實(shí)的解決方法就是實(shí)現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。
三.

發(fā)明內(nèi)容
1、技術(shù)問題本發(fā)明的目的是基于嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種具有多種接口，能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式網(wǎng)關(guān)。通過該嵌入式網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)低速的串行總線和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和高速以太網(wǎng)之間的互連，構(gòu)建變電站內(nèi)高速、可靠、真正全開放、全分散的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。
2、技術(shù)方案本發(fā)明的能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式網(wǎng)關(guān)包括CPU核心控制模塊、存儲器模塊、CPLD模塊、看門狗定時(shí)器模塊、串行通信模塊、CAN總線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊；其中看門狗定時(shí)器模塊的輸出端接CPU核心控制模塊的輸入端，CPU核心控制模塊的輸出端接串行通信模塊的輸入端，串行通信模塊的輸出端接串行口RS-232/485；CAN總線通信模塊的輸出端接CAN總線；以太網(wǎng)通信模塊的輸出端接以太網(wǎng)；CPU核心控制模塊、存儲器模塊、CPLD模塊、CAN總線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊分別以總線連接的方式與控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線相連接。
看門狗定時(shí)器模塊中可編程看門狗監(jiān)控EEPROM芯片的“RST”端，接CPU核心控制模塊中CPU的“RST”端；CPU的“TX、DX”端通過撥子選擇開關(guān)分別接串行通信模塊中RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片U11的“TI1、RO1”端和RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片U12的“DI、RO”端；串行通信模塊的輸出端，即RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片U11的“A、B”端和RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片U12的“TO1、RI1”端通過撥子開關(guān)S3選擇，接串行口RS-232/485；CAN總線通信模塊的輸出端即CAN總線收發(fā)器U9的“CANH、CANL”端接CAN總線；以太網(wǎng)通信模塊的輸出端即以太網(wǎng)控制器U10的“RXD-、RXD+、TXD-、TXD+”端通過隔離脈沖變壓器U13接以太網(wǎng)；CPU、存儲器模塊中的程序存儲器U5、U6、數(shù)據(jù)存儲器U7、CPLD模塊中的復(fù)雜可編程邏輯器U4、CAN總線通信模塊中的CAN控制器U8、以太網(wǎng)通信模塊中的以太網(wǎng)控制器U8的控制線“ALE、/WRL、/WRH、RD、ROM、RAM、CAN-INT、SJA-RST、CS8900-INT、CS8900-RST、/OE、/LB、/UB等”、地址線“AD0-AD15”、數(shù)據(jù)線“A0-A15”分別與控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線相連接。
本發(fā)明所述及的嵌入式網(wǎng)關(guān)主要布置在變電站層和間隔層之間，實(shí)現(xiàn)低速的RS-232/485串行總線和CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和高速以太網(wǎng)之間的互連，以及串行總線協(xié)議或現(xiàn)場總線協(xié)議到TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同廠商的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)建出真正全開放、全分散的站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)。
嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要由基本80C196KC主控模塊、串行總線通信模塊、CAN總線通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊，以及相應(yīng)的外部接口構(gòu)成。
嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)面向功能，遵循模塊化設(shè)計(jì)方法，采用Tasking C語言編程，方便調(diào)試、維護(hù)和移植。和硬件模塊相對應(yīng)，通信控制器的軟件主要包括主程序模塊，串口驅(qū)動模塊，CAN總線驅(qū)動模塊，以太網(wǎng)驅(qū)動模塊、TCP/IP協(xié)議處理模塊和應(yīng)用層協(xié)議處理模塊。嵌入式網(wǎng)關(guān)和間隔層設(shè)備通過串行總線或現(xiàn)場總線通信，通過裝置的協(xié)議處理模塊，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)幀，通過以太網(wǎng)和變電站層的操作員站、工程師站以及遠(yuǎn)方的監(jiān)控中心通信。反之，將來自上層的TCP/IP數(shù)據(jù)幀通過拆封轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)或者CAN總線數(shù)據(jù)。
由于嵌入式網(wǎng)關(guān)的加入，改進(jìn)了變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使其變成如圖1所示的過程層、間隔層、通信控制層和變電站層4層結(jié)構(gòu)。嵌入式網(wǎng)關(guān)除擔(dān)負(fù)上述的協(xié)議轉(zhuǎn)換作用以外，還負(fù)責(zé)循檢、遙信、遙測和命令等通信任務(wù)協(xié)調(diào)管理，起前置單元的作用。在不設(shè)就地監(jiān)控主站的無人值守或少人值守的變電站中，通信控制器則實(shí)際上還起著遠(yuǎn)方RTU(Remote Terminal Unit)的作用。
3、有益效果針對變電站內(nèi)異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)互操作的現(xiàn)實(shí)問題，并考慮了嵌入式Internet這一技術(shù)發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式網(wǎng)關(guān)。發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)(1)解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互操作性問題通過在站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)中加入這種嵌入式網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)串行總線、CAN總線和以太網(wǎng)的互聯(lián)。這種通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)在于系統(tǒng)的通信建立在串行總線、現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)和TCP/IP混合通信協(xié)議之上，解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互操作性問題。
(2)可以確保站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和可靠性嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)充分考慮了變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和實(shí)時(shí)性等特殊要求，使用雙網(wǎng)冗余策略來保證系統(tǒng)的可靠性。在應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)，除事件報(bào)文由通信控制器主動上發(fā)外，其他的通信任務(wù)依然采用基于“請求/確認(rèn)/重發(fā)”機(jī)制的輪詢方式，以此控制網(wǎng)絡(luò)流量，避免網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重引起多次沖突而造成信息傳輸延時(shí)，保證數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性。
(3)易于實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程控制和維護(hù)選擇事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議作為嵌入式網(wǎng)關(guān)的高層接口，實(shí)現(xiàn)IED的Intranet/Intetnet化，使得現(xiàn)場IED數(shù)據(jù)的收發(fā)都以TCP/IP方式進(jìn)行，這樣可以保證網(wǎng)絡(luò)化的IED具有良好的互操作性。由于以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)能夠方便地實(shí)現(xiàn)互連，對站內(nèi)IED的數(shù)據(jù)訪問可以方便地?cái)U(kuò)展到整個(gè)廣域網(wǎng)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程控制。
(4)廣泛的適用性本發(fā)明介紹的嵌入式網(wǎng)關(guān)雖然是針對變電站自動化系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，但幾乎可不作的改動即能應(yīng)用于其他類似的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。
此外，通過該嵌入式網(wǎng)關(guān)，采用TCP/IP(Transfer Control Protocol/InternetProtocol)協(xié)議這種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問方式，在整個(gè)廣域網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對變電站內(nèi)IED(Intelligent Electronic Device)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問，實(shí)現(xiàn)基于Internet的設(shè)備遠(yuǎn)程控制和維護(hù)。
四.


圖1是加入嵌入式網(wǎng)關(guān)后的變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能原型示意圖。
圖3是嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。其中有CPU核心控制模塊1、存儲器模塊2、CPLD模塊3、看門狗定時(shí)器模塊4、串行通信模塊5、CAN總線通信模塊6、以太網(wǎng)通信模塊7、控制總線CB、地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB。
圖4是以太網(wǎng)接口模塊電路原理圖。
圖5是基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的冗余以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)圖6是嵌入式網(wǎng)關(guān)的控制流程7是嵌入式網(wǎng)關(guān)中以太網(wǎng)接口模塊軟件流程圖。
圖8是用戶數(shù)據(jù)進(jìn)入?yún)f(xié)議棧時(shí)的封裝過程示意圖。
圖9是CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。
圖10是本發(fā)明的嵌入式網(wǎng)關(guān)電路原理圖。
五具體實(shí)施例方式
(一)、嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)按模塊化設(shè)計(jì)方法，主要分成基本80C196KC系統(tǒng)1，串口通信模塊2，CAN總線通信模塊3和以太網(wǎng)通信模塊4等幾個(gè)部分，如圖3所示。
1、基本80C196KC系統(tǒng)基本80C196KC系統(tǒng)1主要包括CPU核心控制模塊(1)，存貯器模塊(2)，可編程邏輯器件模塊(3)和看門狗定時(shí)器模塊(4)。
(1)CPU核心控制模塊CPU核心控制模塊(1)采用了Intel公司的80C196 CPU。80C196KC是Intel公司CHMOS 16位高性能微處理器中的一個(gè)分支，適用于要求實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用場合。與MCS-51系列相比，MCS-96系列在以下幾個(gè)方面提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性①CPU中的算術(shù)邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，而是采用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)。
②在80C196KC內(nèi)部的512字節(jié)寄存器中，24字節(jié)是專用寄存器，其余488字節(jié)通過“垂直窗口”結(jié)構(gòu)都可以作為通用寄存器，所以其通用寄存器的數(shù)量遠(yuǎn)比一般CPU多。
③總線方式可以是8位、16位或8/16位動態(tài)切換，工作方式有正常方式和兩種節(jié)電方式(待機(jī)方式和掉電方式)。此外80C196KC還具有更多的I/O口、中斷向量以及外設(shè)。
(2)存貯器模塊存貯器模塊(2)包括一片32K×16bit的靜態(tài)數(shù)據(jù)存貯器IS61C3216，2片32K×8bit的EPROM 27C256拼裝成的16位程序存貯器。和采用8位的總線方式相比，采用16位的總線方式可以大大加速指令的執(zhí)行速度，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。
(3)可編程邏輯器件模塊80C196KC微處理器的尋址空間較為分散，可用段為(采用無片內(nèi)ROM型芯片時(shí))0100H-1FFDH以及2080H-0FFFFH，傳統(tǒng)的通用譯碼器無法靈活地分配這些空間，采用可編程邏輯器件CPLD芯片實(shí)現(xiàn)地址以字節(jié)為單位的靈活分配。CPLD芯片內(nèi)部以可編程的宏邏輯單元為基礎(chǔ)，可編程的連線集中在一個(gè)全局布線區(qū)。它可以允許使用大規(guī)?？删幊踢壿嬓酒娲鷤鹘y(tǒng)的74LS系列和小規(guī)模GAL邏輯，從而在系統(tǒng)的接口有特殊要求的情況下，只要更改邏輯文件即可滿足用戶要求，使系統(tǒng)靈活方便，而且縮短了開發(fā)周期。本系統(tǒng)中采用XILINX公司生產(chǎn)的型號為XC9572的CPLD。CLPD模塊(3)的主要功能有如下2個(gè)方面(CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示)①地址的鎖存，由于80C196K地址線和數(shù)據(jù)線復(fù)用，通過地址鎖存信號線ALE把16位地址線鎖存起來。同時(shí)通過地址線進(jìn)行地址譯碼，產(chǎn)生的片選信號有靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器芯片IS61C3216片選信號RAM，程序存貯器27C256片選信號ROM，CAN控制器的片選信號SJA1000，以太網(wǎng)控制CS8900的片選信號CS8900。
②控制信號的擴(kuò)展。擴(kuò)展的控制信號有對IS61C3216高低字節(jié)的讀寫控制信號/WE，/OE，/LB，/UB等。
(4)看門狗定時(shí)器模塊看門狗定時(shí)器模塊(4)采用了集成了看門狗定時(shí)器，電壓監(jiān)控和E2PROM三種常用的功能于單個(gè)封裝之內(nèi)的Xicor公司的X25043。這種組合降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路板空間的要求。看門狗定時(shí)器對微控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，在可選的超時(shí)周期之后，X25043看門狗將以復(fù)位信號做出響應(yīng)，有效地增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
2、串行通信模塊串行通信模塊5由MAX232(U12)，MAX485(U11)和撥子開關(guān)(S3)構(gòu)成，它們均從80C196的串口擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)TTL電平和串行電平之間轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中可以用戶根據(jù)需要，用跳線開關(guān)S3選擇RS-232接口或RS-485接口，提供給用戶更多的選擇。同時(shí)，RS-232可以作為現(xiàn)場調(diào)試端口，給現(xiàn)場工程調(diào)試帶來極大方便。
3、CAN總線通信模塊CAN總線通信模塊6由PHILIPS公司的獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000(U8)和Intel公司的CAN總線收發(fā)器82C250(U9)組成。SJA1000實(shí)現(xiàn)CAN總線的邏輯鏈路控制和介質(zhì)訪問控制。82C250則實(shí)現(xiàn)和物理傳輸介質(zhì)的接口和驅(qū)動。
CAN控制器SJA1000主要由實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和與微處理器接口部分電路組成，可完成CAN總線協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，支持CAN2.0A協(xié)議及CAN2.0B協(xié)議，具有BasicCan以及PeliCan兩種工作模式；SJA1000內(nèi)部提供了128個(gè)寄存器，CPU通過8位地址線訪問SJA1000內(nèi)部的寄存器；接受緩沖區(qū)提供了64字節(jié)的FIFO，CAN總線上通過接受過濾器的數(shù)據(jù)首先被放到接受緩沖區(qū)中，接受寄存器作為接受緩沖區(qū)的映射寄存器，當(dāng)接受寄存器中為空時(shí)，接受緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)會填充到接受寄存器中；為了增強(qiáng)錯(cuò)誤處理功能，內(nèi)部提供了特殊功能寄存器，仲裁丟失捕捉寄存器存有關(guān)于丟失仲裁位的位置信息，出錯(cuò)碼捕捉寄存器存儲總線上出現(xiàn)錯(cuò)誤的類型和位置信息。
CAN收發(fā)器82C50是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，提供了對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。
4、以太網(wǎng)通信模塊以太網(wǎng)通信模塊7主要由以太網(wǎng)控制器(U10)、脈沖隔離變壓器(U13)和外圍接口電路構(gòu)成，如圖4所示。
以太網(wǎng)控制器選用了Cirrus Logic公司為工業(yè)控制這類對可靠性要求極高的應(yīng)用場合專門設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)控制器CS8900。CS8900高集成度的設(shè)計(jì)，使其不再需要像其他以太網(wǎng)控制器芯片所必須的外圍器件。CS8900 4K字節(jié)的片上RAM，可以對發(fā)送和接收的報(bào)文完全緩沖。包括Manchester編碼/解碼器，時(shí)鐘恢復(fù)電路，10BASE-T收發(fā)器和完整的AUI接口的前置模擬電路簡化了電路設(shè)計(jì)。10BASE-T收發(fā)器可以直接和隔離變壓器相連，通過RJ-45連接各類屏蔽或非屏蔽雙絞線，并支持接收極性倒置自動檢測和校正。AUI端口則提供了10BASE-2，10BASE-5和10BASE-FL接口。除此之外，CS8900還提供多種功能特性和配置選項(xiàng)。它獨(dú)特的PacketPage結(jié)構(gòu)能夠自動地適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)流量和可用系統(tǒng)資源，大大提升了系統(tǒng)性能。
(二)、通信網(wǎng)絡(luò)的冗余實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)控制命令，事件告警和采樣數(shù)據(jù)快速、可靠傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)通道，是變電站實(shí)現(xiàn)自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一，其性能直接影響變電站自動化系統(tǒng)的整體性能。因此，在工程實(shí)踐中，站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)通常需要采用雙重化冗余設(shè)計(jì)確保站內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shí)時(shí)性。
在變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，最常用同時(shí)也是比較有效的冗余方式是并聯(lián)式熱備用。對采用嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的情況，有多種不同的設(shè)計(jì)方案。一種就是采用設(shè)備的1∶1冗余設(shè)置實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的雙重化設(shè)計(jì)。即通信網(wǎng)絡(luò)是兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，一個(gè)處于運(yùn)行狀態(tài)，一個(gè)處于熱備用狀態(tài)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)獨(dú)立的IP地址、MAC地址、以太網(wǎng)驅(qū)動和TCP/IP協(xié)議棧。當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，處于熱備用狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)立即切換到工作狀態(tài)。這種方案缺點(diǎn)在于應(yīng)用層必須另設(shè)功能復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障處理、網(wǎng)絡(luò)切換、網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后的重啟以及流量控制和分配等功能。這勢必大大增加了應(yīng)用程序的復(fù)雜性。在資源受限的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中這個(gè)問題尤為突出。
另一種可行的方案，就是對前文所述及的硬件實(shí)現(xiàn)方案稍作修改，添加一組以太網(wǎng)控制部件一以太網(wǎng)控制器、隔離變壓器和RJ-45插座，實(shí)現(xiàn)物理層的雙重化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)互為冗余的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路完全獨(dú)立，保證兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理信號隔離和故障隔離，如圖5所示。
這種情況下，每個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)只有一個(gè)IP地址，但有兩個(gè)具有各自MAC地址和以太網(wǎng)驅(qū)動的以太網(wǎng)控制器。TCP/IP協(xié)議棧綁定于其中的一個(gè)以太網(wǎng)控制器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障切換時(shí)，只需把TCP/IP協(xié)議棧和原來的以太網(wǎng)控制器解綁，同時(shí)將協(xié)議棧重新綁定到另一個(gè)以太網(wǎng)控制器即可容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間切換。
(三)、嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化設(shè)計(jì)方法，采用Tasking C語言編程，方便調(diào)試、維護(hù)和移植。和硬件模塊相對應(yīng)，通信控制器的軟件主要包括主程序模塊，串口驅(qū)動模塊，CAN總線驅(qū)動模塊，以太網(wǎng)驅(qū)動模塊、TCP/IP協(xié)議處理模塊和應(yīng)用層協(xié)議處理模塊。本發(fā)明的控制流程如圖6所示。
嵌入式網(wǎng)關(guān)的主要功能在于實(shí)現(xiàn)低速串行總線和現(xiàn)場總線和高速以太網(wǎng)之間的互連，以及串行總線協(xié)議或現(xiàn)場總線協(xié)議到TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)不同廠商的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。因此，軟件設(shè)計(jì)的主要工作在于RS-232/485、CAN總線和以太網(wǎng)驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)以及TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。
以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制(MAC)和邏輯鏈路控制(LLC)，包括沖突檢測，幀頭(Preamble)的產(chǎn)生和檢測，CRC校驗(yàn)和產(chǎn)生等已由CS8900中的802.3 MACEngine實(shí)現(xiàn)，因此，以太網(wǎng)驅(qū)動模塊主要是對其物理接口選擇，工作方式初始化和對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收的處理。中斷方式下，以太網(wǎng)幀發(fā)送接收中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。
TCP/IP協(xié)議處理模塊是將串行總線協(xié)議或現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換到TCP/IP協(xié)議。來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，經(jīng)過如圖8所示的封裝實(shí)現(xiàn)串行總線協(xié)議或現(xiàn)場總線協(xié)議和TCP/IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。
若某一應(yīng)用要將一組數(shù)據(jù)Data傳送給網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，則應(yīng)先確定此數(shù)據(jù)需要采用TCP還是UDP傳輸?shù)膫鬏敺?wù)方式，然后將此數(shù)據(jù)傳送給TCP進(jìn)程或者UDP進(jìn)程，由它們將數(shù)據(jù)加上報(bào)頭后傳送給IP進(jìn)程，IP進(jìn)程通過地址識別協(xié)議ARP將UDP協(xié)議數(shù)據(jù)單元或者TCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的所含的IP地址轉(zhuǎn)換成物理網(wǎng)絡(luò)地址，再加上IP首部后作為IP協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送至鏈路層。如前所述，通信控制器中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的協(xié)議是由CS8900中的MAC Engine實(shí)現(xiàn)，由其再加上以太網(wǎng)首部和尾部成為以太網(wǎng)幀在物理介質(zhì)上傳輸。接收數(shù)據(jù)時(shí)的過程與此相反。
由于應(yīng)用于變電站內(nèi)這樣特殊的應(yīng)用場合，因此嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)確保整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性。同時(shí)還應(yīng)盡可能簡化程序設(shè)計(jì)，減少對存貯空間的需求。因此，實(shí)際應(yīng)用中嵌入式網(wǎng)關(guān)的傳輸層采用無連接但高效率的UDP協(xié)議，采用廣播和組播方式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。由應(yīng)用層采用“請求/確認(rèn)/重發(fā)”機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性。
應(yīng)用層協(xié)議除執(zhí)行簡單網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)外，主要處理應(yīng)用相關(guān)的特定事務(wù)。作為在變電站間隔層和變電站層之間進(jìn)行工作的嵌入式網(wǎng)關(guān)，其應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)主要包括循檢，遙信，遙測，遙調(diào)和遙控等事務(wù)處理。嵌入式網(wǎng)關(guān)向下以串行總線或CAN總線數(shù)據(jù)幀格式主動輪詢現(xiàn)場IEDs中實(shí)時(shí)采樣值，開關(guān)狀態(tài)和事件報(bào)文，并形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。監(jiān)控主站也采用輪詢方式，但以以太網(wǎng)幀格式按一定輪詢周期定時(shí)召喚通信控制器中報(bào)文，一次性地將該通信控制器所管理的所有現(xiàn)場IED中的數(shù)據(jù)召喚回監(jiān)控主站由其分析處理。來自監(jiān)控主站的下行報(bào)文由于數(shù)據(jù)長度較短，需填充至最短以太網(wǎng)幀有效長度(64字節(jié))，而上行報(bào)文一般無需作特別處理即可滿足以太網(wǎng)幀有效長度的限制。通過這種方式有效解決了以太網(wǎng)幀和CAN總線數(shù)據(jù)幀有效長度懸殊的問題。此外，嵌入式網(wǎng)關(guān)還接收來自監(jiān)控主站或遠(yuǎn)方調(diào)度中心地控制命令，下發(fā)給現(xiàn)場的IED，執(zhí)行定值調(diào)整，開關(guān)分合，變壓器分接頭調(diào)整和電容器投切等操作。
權(quán)利要求
1.一種能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，其特征在于該網(wǎng)關(guān)包括CPU核心控制模塊(1)、存儲器模塊(2)、CPLD模塊(3)、看門狗定時(shí)器模塊(4)、串行通信模塊(5)、CAN總線通信模塊(6)、以太網(wǎng)通信模塊(7)；其中看門狗定時(shí)器模塊(4)的輸出端接CPU核心控制模塊(1)的輸入端，CPU核心控制模塊(1)的輸出端接串行通信模塊(5)的輸入端，串行通信模塊(5)的輸出端接串行口(RS-232/485)；CAN總線通信模塊(6)的輸出端接CAN總線；以太網(wǎng)通信模塊(7)的輸出端接以太網(wǎng)；CPU核心控制模塊(1)、存儲器模塊(2)、CPLD模塊(3)、CAN總線通信模塊(6)、以太網(wǎng)通信模塊(7)分別以總線連接的方式與控制總線(CB)、地址總線(AB)、數(shù)據(jù)總線(DB)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，其特征在于看門狗定時(shí)器模塊(4)中可編程看門狗監(jiān)控EEPROM芯片(U2)的“RST”端，接CPU核心控制模塊(1)中CPU(U3)的“RST”端；CPU(U3)的“TX、DX”端通過撥子選擇開關(guān)(S3)分別接串行通信模塊(5)中RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片(U11)的“TI1、RO1”端和RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片(U12)的“DI、RO”端；串行通信模塊(5)的輸出端，即RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片(U11)的“A、B”端和RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片(U12)的“TO1、RI1”端通過撥子開關(guān)(S3)選擇，接串行口(RS-232/485)；CAN總線通信模塊(6)的輸出端即CAN總線收發(fā)器(U9)的“CANH、CANL”端接CAN總線；以太網(wǎng)通信模塊(7)的輸出端即以太網(wǎng)控制器(U10)的“RXD-、RXD+、TXD-、TXD+”端通過隔離脈沖變壓器(U13)接以太網(wǎng)；CPU(U3)、存儲器模塊(2)中的程序存儲器(U5、U6)、數(shù)據(jù)存儲器(U7)、CPLD模塊(3)中的復(fù)雜可編程邏輯器(U4)、CAN總線通信模塊(6)中的CAN控制器(U8)、以太網(wǎng)通信模塊(7)中的以太網(wǎng)控制器(U8)的控制線“ALE、/WRL、/WRH、RD、ROM、RAM、CAN-INT、SJA-RST、CS8900-INT、CS8900-RST、/OE、/LB、/UB等”、地址線“AD0-AD15”、數(shù)據(jù)線“A0-A15”分別與控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線相連接。
全文摘要
能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式網(wǎng)關(guān)是一種用于變電站自動化通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)包括CPU核心控制模塊1、存儲器模塊2、CPLD模塊3、看門狗定時(shí)器模塊4、串行通信模塊5、CAN總線通信模塊6、以太網(wǎng)通信模塊7；其中看門狗定時(shí)器模塊的輸出端接CPU核心控制模塊的輸入端，CPU核心控制模塊的輸出端接串行通信模塊的輸入端，串行通信模塊的輸出端接串行口(RS－232/485)；CAN總線通信模塊的輸出端接CAN總線；以太網(wǎng)通信模塊的輸出端接以太網(wǎng)；CPU核心控制模塊、存儲器模塊、CPLD模塊、CAN總線通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊分別以總線連接的方式與控制總線CB、地址總線AB、數(shù)據(jù)總線DB相連接。
文檔編號H04L12/66GK1491008SQ0315285
公開日2004年4月21日 申請日期2003年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月28日
發(fā)明者胡敏強(qiáng), 吳在軍, 秦申蓓, 鄭建勇, 杜炎森, 王振曦 申請人:東南大學(xué)