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通信管理器作為變電站控制中心的信息樞紐，要求信息處理能力大、通信接口種類豐富 、實(shí)時(shí)響應(yīng)速度快。摩托羅拉公司提供的PowerPC系列處理器MPC850是專用于通信領(lǐng)域的嵌入式CPU產(chǎn)品。
本文描述的就是如何利用MPC850所具有的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)通信管理器裝置。
1概述
變電站系統(tǒng)都采用的是分層式結(jié)構(gòu)，按縱向分為間隔層、通信層和變電站層。間隔層的設(shè) 備主要是針對(duì)變電站系統(tǒng)當(dāng)中的各種保護(hù)工作，面對(duì)大量的二次接線。各個(gè)間隔層的設(shè)備通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)接入到通信層的通信管理器上，通信管理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、規(guī)整之后轉(zhuǎn)發(fā)至變電站層。這樣可以避免用于測(cè)量、控制的大批電纜。通信管理器可以有效地提高變電站的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力，同時(shí)有利于變電站層其他智能設(shè)備的接入，達(dá)到站內(nèi)信息的有效管理，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性和投資成本。變電站層設(shè)備可以針對(duì)性的提供設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視、控制和相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄。
通信管理器通過(guò)各種各樣的通信端口與間隔層的智能設(shè)備進(jìn)行通信，做到信息采集、匯總及處理；對(duì)各智能單元實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)視及控制功能；進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。因此通信管理器是整個(gè)廠站自動(dòng)化系統(tǒng)的樞紐。通信管理器在變電站系統(tǒng)中的連接如圖1所示。
2MPC850功能介紹
MPC850是摩托羅拉公司基于Power體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的32位多用途通信處理器。他內(nèi)部集成了微處理器和常用外圍組件，可用于各種控制領(lǐng)域。他是MPC860應(yīng)用于通信系統(tǒng)的低成本實(shí)現(xiàn) ，提供了更高的性價(jià)比，并在通信方面有所增強(qiáng)，例如對(duì)通用串行總線（USB）的支持。MPC850集成了嵌入式PowerPC 核和1個(gè)為通信使用的專門的RISC的通信處理器模塊（CPM）。MPC850 的 CPM支持6個(gè)串行通道：1個(gè)串行通信控制器（SCC），1個(gè)通用串行總線通道（USB ），2個(gè)串行管理控制器（SMS），1個(gè)I2C（Inter Integrated Circuit）接口 ，和1個(gè)串行外圍接口電路（SPI）。圖2是MPC850的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。
MPC850內(nèi)部模塊主要有3個(gè)：嵌入式PowerPC內(nèi)核、系統(tǒng)接口單元以及獨(dú)立于系統(tǒng)內(nèi)核的通信 處理模塊，這3個(gè)模 塊通過(guò)內(nèi)部的哈佛結(jié)構(gòu)總線緊密協(xié)調(diào)地工作。
MPC850的PowerPC內(nèi)核采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)，該處理器是高性能低功耗的精簡(jiǎn)指令集（RISC） 微處理器，他采用的內(nèi)核結(jié)構(gòu)具有多分支處理的能力，能夠在一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成一個(gè) 32位的外部接口操作。在50 MHz的頻率下可以達(dá)到66 MIPS。另外他還擁有2 kB的指令cache和1 kB的數(shù)據(jù)cache。
系統(tǒng)接口單元是一個(gè)32位數(shù)據(jù)寬度的總線接口。他控制著系統(tǒng)的啟動(dòng)和初始化，總線的操 作、保護(hù)以及外部總線。靈活的內(nèi)存控制器和各種各樣的存儲(chǔ)器，包括DRAM，SRAM，PSRAM ，EPROM，F(xiàn)lash，SDRAM，EDO等，另外配置的總線時(shí)序控制可以靈活地實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的掛接 。8個(gè)片選的資源，8個(gè)外部中斷，256 MB的地址空間使系統(tǒng)在內(nèi)存分配，外圍設(shè)備的擴(kuò)展和管理方面都變得相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)便。
MPC850內(nèi)部還具有一個(gè)獨(dú)立于PowerPC的32位RISC控制器，主要負(fù)責(zé)底層的任務(wù)和DMA控制 ，并且分擔(dān)內(nèi)核的一些外圍控制工作。這種雙處理器的體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的處理器相比具有更高的效率。多個(gè)通信通道的大部分工作不需要內(nèi)核的參與直接完成并行處理，使整個(gè)系統(tǒng)的通信吞吐量得到了非常大的提高。因此這款處理器在通信領(lǐng)域得到了很高的評(píng)價(jià)。
3通信管理器對(duì)通信的要求
通信管理器在變電站系統(tǒng)當(dāng)中作為一個(gè)信息的交換樞紐，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)的信息采集、匯總及處理；對(duì)各智能單元實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)視及控制功能；進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)間隔 層的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行管理。由于間隔層的設(shè)備數(shù)目眾多、種類繁多且通信方式多樣，因此變電 站對(duì)通信管理器提出了嚴(yán)格的要求。通常在變電站系統(tǒng)中具有多條母線，接入的保護(hù)裝置數(shù)量十幾個(gè)甚至幾十個(gè)，接入的通信方式有RS232/RS485/RS422、CA N網(wǎng)、以太網(wǎng)等。通信管理器因此要求本身的通信處理能力強(qiáng)大，支持多種通信通道，可以靈活的對(duì)各個(gè)智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)接入。
在整個(gè)變電站系統(tǒng)當(dāng)中，各個(gè)智能裝置在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中需要進(jìn)行時(shí)間同步，因此也要求通信管理器能夠提供精確的對(duì)時(shí)時(shí)間。
YHB5501通信管理器裝置采用MPC850為核心，構(gòu)筑了高性能的硬件平臺(tái)，并用先進(jìn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks作為高性能、高穩(wěn)定的軟件平臺(tái)，能夠直接管理隔離層的各類裝置設(shè)備。擁有8個(gè)外部中斷接口，兼于嵌入式操作系統(tǒng)，能夠在13μs之內(nèi)及時(shí)的響應(yīng)外部事件；配備通信處理器模塊（CPM）、使以太網(wǎng)、串行接口、SPI、I2C等通信的數(shù)據(jù)處理的能力加強(qiáng)；以PowerPC為核心，內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)的方式、 多條指令的處理采用流水線的方式，提高了內(nèi)核的數(shù)據(jù)處理能力，因此采用MPC850完全能夠 滿足變電 站對(duì)通信管理器數(shù)據(jù)處理能力的要求。YHB5501通信管理器裝置擴(kuò)展靈活，并且 變電站系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步有著比較嚴(yán)格的要求，因此在外部擴(kuò)展了全球定位系統(tǒng)（Global Pos itioning System，GPS）模塊，這個(gè)模塊采用了Rockwell公司的JUPG0221。他的時(shí)間精度為 ±40 ns。
4通信管理器的實(shí)現(xiàn)
4.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通信管理器裝置硬件電路主要包括通信微處理器MPC850、復(fù)位和時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器電路、 調(diào)試接口BDM、液晶顯示電路、串行接口電路、以太網(wǎng)接口電路和遙控、遙信、遙測(cè)電路。 硬件連接方框圖如圖3所示。由于通信管理器對(duì)以太網(wǎng)口的要求為3個(gè)，串行接口要求的數(shù)量 為16個(gè)，原有的1個(gè)網(wǎng)口，2個(gè)串行接口不能滿足其要求，因此采用了CS8900和TL16C554 進(jìn)行擴(kuò)展。
通信處理器的內(nèi)核MPC850一方面要通過(guò)以太網(wǎng)口或串行接口與間隔層的設(shè)備以及變電站層的后臺(tái)進(jìn)行通信，另外一方面要進(jìn)行內(nèi)部本身的部分工作，如遙控、遙信、遙測(cè)，液晶顯示、GPS。下面分別對(duì)這幾個(gè)部分進(jìn)行說(shuō)明。
(1)以太網(wǎng)接口 MPC850通過(guò)SCC（Serial Communications Controllers，串行控制器） 可以實(shí)現(xiàn) 快速以太網(wǎng)IEEE802.3協(xié)議，通過(guò)媒質(zhì)獨(dú)立接口（Media Independent Interface）與10 Mb以太網(wǎng)收 發(fā)器LXT905相連接，再通過(guò)隔離變壓器接入以太網(wǎng)。另外2個(gè)以太網(wǎng)口通過(guò)數(shù)據(jù)總線和 地址總線與處理器連接，實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)速度為10 Mb。MPC850可以直接讀取擴(kuò)展的2個(gè)以太網(wǎng)口CS8900的內(nèi)部所有資源，操作方便簡(jiǎn)潔。MPC850內(nèi)部的SCC在以太網(wǎng)模式下，PowerPC 內(nèi)核只需要在指定的內(nèi)存空間寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)和讀取已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)，任何其他的操作都由CPM處理，兩者之間通過(guò)DMA通道進(jìn)行通信。這樣獨(dú)立之后，節(jié)約了處理器內(nèi)核的處理時(shí)間，提高了效率。
(2)串行接口
MPC850內(nèi)部集成了2個(gè)SMC（Serial Manage Controllers，串行管理器）。這2個(gè)控制器由CPM管理，他們讀取到的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA通道傳至PowerPC內(nèi)核。外部由TL16C554擴(kuò)展的串行接口通過(guò)譯碼電路、地址線和數(shù)據(jù)線與MPC850進(jìn)行連接。譯碼電路實(shí)現(xiàn)片選的分配、中斷相應(yīng)。串行接口可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)RS232C/RS422/RS485的通信方式，使 應(yīng)用的配置靈活、方便。通信速率可以在300~19 200 b/s內(nèi)配置。
(3)SPI
SPI通信接口是MPC850本身所具有的一個(gè)通信接口，在實(shí)現(xiàn)通信管理器中用于遙信的采樣和 人機(jī)界面液晶顯示的數(shù)據(jù)通信。在本系統(tǒng)的SPI通信當(dāng)中，MPC850作為主，遙測(cè)和液晶顯示作為從。SPI通信方式簡(jiǎn)單，只有3根數(shù)據(jù)傳輸線：同步時(shí)鐘、主到從的數(shù)據(jù)傳輸線以及從到主的數(shù)據(jù)傳輸線。SPI的通信傳輸速率最高可以達(dá)到6.25 Mb/s，但是考慮到變電站系統(tǒng)工作環(huán)境干擾，選取392 kb/s。
(4)GPS接口
GPS的擴(kuò)展通過(guò)系統(tǒng)的一個(gè)串行接口以及3個(gè)I/O接口實(shí)現(xiàn)連接。GPS的PPS（Pulse Per Se conds）管腳在每一秒的開(kāi)始時(shí)刻會(huì)由低電平跳轉(zhuǎn)為高電平，這個(gè)管腳輸出的上升沿時(shí)間精度為+40 ns；同時(shí)在GPS的串口輸出了相關(guān)具體的時(shí)間（年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等）和地理坐標(biāo)的信息。MPC850可以根據(jù)PPS管腳信號(hào)的上升沿與整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間對(duì)時(shí)，從而得到精確的時(shí)間基準(zhǔn)。
(5)其他部分電路
在硬件電路當(dāng)中還有相關(guān)的存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、復(fù)位電路。整個(gè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器具有4 MB Flash 以及16 MB SDRAM，他們分別都是由系統(tǒng)接口單元（SIU）管理，存儲(chǔ)器需要的時(shí)序波形可以根據(jù)要求對(duì)SIU中的GPCM及UPM相關(guān)的寄存器進(jìn)行設(shè)置，從而達(dá)到靈活擴(kuò)展存儲(chǔ)空間的要求。MPC850核心運(yùn)行時(shí)鐘頻率為50 MHz，但是考慮到系統(tǒng)的抗干擾性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，時(shí)鐘電路的輸入采用了較低的時(shí)鐘5 MHz，通過(guò)內(nèi)部的PLL倍頻之后升至50 MHz。MPC850 的復(fù)位分為：上電復(fù)位、硬件復(fù)位、軟復(fù)位、調(diào)試端口復(fù)位等，需要注意的是在系統(tǒng)上電復(fù)位和硬件復(fù)位的時(shí)候，處理器會(huì)在這兩種復(fù)位釋放前的CLKOUT最后2個(gè)上升沿采樣 來(lái)自于數(shù)據(jù)總 線的復(fù)位配置字；復(fù)位配置字決定了MPC850的初始化配置，如啟動(dòng)程序?qū)?yīng)的存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù) 位是8、16或者32位，工作時(shí)鐘的倍頻因子等。所以必須合理地配置硬件配置字，才能保 證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
4.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通信管理器的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。最底層就是上文所介紹的基于MPC850搭建的硬件平 臺(tái)。硬件相關(guān)代碼包括了以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序、串行接口驅(qū)動(dòng)程序、SPI驅(qū)動(dòng)程序以及硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)相接的板級(jí)支持包（BSP），硬件相關(guān)代碼是嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)操作的橋梁。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核采用了Wind River System公司的VxWorks，這個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，任務(wù)之間是通過(guò)基于優(yōu)先級(jí)的搶占方式進(jìn)行調(diào)度，中斷的響應(yīng)時(shí)間<13μs。應(yīng)用程序是基于嵌入式操作系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，多個(gè)外圍任務(wù)模塊最終完成通信管理器的各個(gè)功能。
5結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)以嵌入式通信微處理器MPC850為核心，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks，充分發(fā)揮了M PC850在通信方面的控制處理能力，實(shí)現(xiàn)了通信管理器裝置的各種功能。</di
