原创 101规约在基于TMS320F2812的FTU中的实现

作者:陶维青 王骏 来源:微计算机信息

内容摘要：馈线终端单元(FTU)是配电网馈线自动化系统的主要装置，101规约则是我国电力行业标准。本文讨论了基于新型DSP芯片TMS320F2812的FTU设计，着重介绍了如何利用TMS320F2812的异步串口实现101规约，并给出了涉及异步串口的硬件原理图和C语言源码。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

关键词： 101规约  TMS320F2812  FTU  串行通信

 1 引言

101规约即DL/T634.5 101-2002,等同采用国际电工委员会制定的IEC60870-5-101基本远动任务配套标准，是我国电力行业标准，也是我国大多数电力自动化产品支持或将要支持的通信规约。所以，使用101规约作为FTU与配电网主站的通信规约，可以使产品间具有更好的兼容性、开放性和标准性。

快速、准确传输故障信息是实现配电网馈线自动化系统的关键，因而，作为馈线自动化系统主要装置的FTU，要实时检测电网运行状态，即时判断、记录、隔离故障，恢复非故障段线路运行,并快速向主站发送记录数据、执行主站下发的命令。随着交流采样技术的发展，数据处理量的加大，以单片机为核心芯片的传统FTU已难以满足实时性的要求；而目前FTU大都采用AD 2185 DSP外加单片机或CPLD、FPGA等进行硬件外扩，电路复杂，成本高，无疑增加了开发难度、周期和所需费用，并降低了系统的可靠性。TI公司推出的新型32位定点DSP芯片TMS320F2812 (以下简称F2812) 则很好的解决了这一矛盾，它不但具有150M的主频和高速运算处理能力，而且有着丰富的片内外设资源，控制功能极其强大，在几乎不需要任何硬件功能模块外扩的情况下就可以满足FTU所有功能要求。因而，本文基于F2812进行了FTU设计，着重论述了如何利用F2812内部异步串口实现101规约。

2  101规约简介

       101规约只采用了OSI 7层模型中的物理层、数据链路层和应用层，这样简化了结构，满足了传送数据时实时快速性的要求。物理层定义了接口电路标准和网络结构，一般采用RS232或RS485。数据链路层主要是在通信设备之间建立可靠的数据传输通道，它需要将输入的数据分成数据块，组成数据帧并进行传送，同时还要处理接收端发来的应答帧；101规约采用的传输帧格式有3种，如图1所示。应用层为用户使用窗口，它的报文仅包含一个应用服务数据单元；应用服务数据单元包含了数据、控制命令等各种信息的统一编码，其格式见图2。链路层的用户数据就是由应用服务数据单元组成 。

单点帧“E5”用来表示无所请求的数据；固定帧则主要用作命令或确认；而可变帧主要用作数据传输，如时钟同步、SCADA数据等。

3硬件设计

3.1 系统硬件结构框图

在系统硬件结构设计上，将FTU分为上下两层板。下面一层是信息采集和控制板，它包括PT、CT、光电耦合器、控制继电器、串口电平转换芯片等组成的数据采集、数字信号控制和通信等模块；上面一层是CPU板，它包括DSP、锁存器等组成的数据处理、数字信号开入或开出等模块。这样的设计使得FTU结构层次化，模块化，抗干扰性强，而且方便和简化了系统的调试工作。系统的硬件结构框图见图3。

3.2 异步串口电路部分

<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />3.2.1 F2812异步串口介绍

       F2812片内带有两个全双工SCI (Serial Communication Interface,串行通信接口)，一般看作UART。每个串口收发器各带有一个16级深度的FIFO，可以减少对CPU的使用率，同时也防止数据丢失。波特率可通过波特率选择器从串行时钟频率中选取，有64K种 。

系统复位后，默认串口为普通串行通信方式；只有当FIFO发送寄存器中SCIFFENA位（BIT14）置1时，才使能带FIFO的通信方式。此后，读写串口收发缓存器，便可将数据移出或移入FIFO缓存单元。

需要注意的是，每执行一次发送或接收中断，都要用软件清除一次对串口中断的应答信号；并且在使用带FIFO的通信方式时，还要清除一次发送或接收中断标志。否则，CPU无法响应下次中断。另外，接收、发送缓存器的低8位才是有效的数据缓存位。

3.2.2 异步串口驱动电路

如图4所示，F2812的两个异步串口，经过光电耦合器HCPL2631隔离和RS232驱动芯片转换电平后与外界通信，其中，串口B可以选择为RS485通信方式。应用时，串口B只能选择RS232和RS485通信方式中的一种；在硬件上，通过对电阻R241和R242有选择的焊接，以区分RS232和RS485通信通道；在软件上，对于RS232通信方式，串口B用法与串口A完全一样，下面会详细讨论；对于RS485通信方式，由于RS485为半双工通信方式，所以要用软件输出数字信号经光电隔离后对MAX1486的DE引脚加以控制，以实现数据发送和接收间的切换。

图4异步串口驱动电路

4 软件设计   

4.1 整体设计思想

       对于数据结构，参照101规约规定的帧结构和应用服务数据单元格式，所有传输数据均可由三种结构体来定义，即由启动字符、帧长度、控制字以及地址字组成的报头结构体，按应用服务数据单元格式定义的数据单元结构体，由帧校验和结束字符组成的报尾结构体；这三种结构体内部可以再细分，如数据单元标识可定义为由数据单元类型、传送原因和公共地址组成的结构体。具体应用时，单点帧只有一个固定字符，不需要定义变量；固定帧只用到了报头和报尾结构体，其中帧长度为定值，不需要传送；可变帧用到了这三种结构体。

       对于程序结构，由于101规约规定了传输帧的格式只有三种，所以在接收和发送数据处理时，均严格按帧的格式来划分模块，按帧格式中的数据顺序来发送数据，程序实现起来方便，而且可以使程序结构化，模块化，便于维护。

值得注意的是，101规约规定了帧格式中的基本单元为字节，而且F2812异步串口的收发缓存也只有8位有效数据位，但TI的C语言中没有这一数据类型，它的基本单元是字；所以，按字定义数据，在接收和发送数据时只取每个字的低8位，这样虽然浪费了一半的存储器空间,但程序编写容易,效率也较高 。

4.2 程序流程

       整个通信程序流程思路为：接收中断函数根据帧与帧之间的时间间隔，区分出每一帧，并将已接收完的一帧数据存入内存，然后打开接收数据处理函数；在接收数据处理函数中按帧的起始字不同，分辨出此帧数据是固定帧还是可变帧数据，再按不同帧的格式进行校验，在地址、长度、帧校验和、结束字符均检验正确后，进入固定帧或可变帧解包处理模块；在帧解包处理模块中，根据此帧数据的功能码和用户数据，设置相应的处理标志，完成后打开发送数据处理函数；在发送数据处理函数中，根据接收数据处理函数所设置的处理标志和主程序设置的处理标志，对相应的具体数据按帧的三种结构进行打包，打包结束后，使能F2812发送中断；发送中断将打包完成的一帧数据发送出去，全部发完后，关闭发送中断。至此，一次完整的收发数据处理过程结束。

可见，整个程序各个部分均参照101规约中帧的格式来编写，以接收数据处理函数为例，给出了其流程图，见图5。

4.3串口程序源码     

4.3.1 串口初始化

以串口A为例，主要的寄存器设置如下：

SciaRegs.SCICCR.all=0x7; //一停止位，八数据位，无校验位

SciaRegs.SCICTL1.all=0x3; //使能接收和发送

SciaRegs.SCICTL2.all= 0x3; //使能接收和发送中断

SciaRegs.SCIHBAUD=0x3; 

SciaRegs.SCILBAUD=0xCF; // 0x3CF＝37.5M /(4800bps×8) -1 

SciaRegs.SCIFFTX.all=0xE020; //FIFO及其发送中断使能，级位为0

SciaRegs.SCIFFRX. all="0x2021"; //FIFO接收中断使能，级位为1

SciaRegs.SCICTL1.bit.SWRESET=1; //SCIA使能，脱离复位状态

4.3.2 串口接收、发送中断服务子程序

interrupt void SCIARec (void) {

while (SciaRegs. SCIFFRX. bit. RXFIFST!= 0) {

receive[nRec++]=SciaRegs. SCIRXBUF &0xFF;

//接收FIFO不空，则可读取数据到缓存receive[]

……}

SciaRegs. SCIFFRX. bit. RXFFINTCLR="1"; 

// 清除接收中断标志

PieCtrl. PIEACK. bit. ACK9 = 1;

// 清除中断应答信号

}

interrupt void SCIASend(void) {

while(SciaRegs. SCIFFTX. bit. TXFFST<16){

SciaRegs. SCITXBUF="send"[nSen++] &0xFF; 

//发送FIFO未满，则可将缓存send[]中数据写入

……}

SciaRegs. SCIFFTX. bit. TXINTCLR="1";

//清除发送中断标志

PieCtrl. PIEACK. bit. ACK9 = 1; 

//清除中断应答信号

}

   要注意的是，本程序中设置的 FIFO 接收中断级位为1；若设为大于1的数，则需要用查询方式接收最后的数据。

5  101规约在FTU中的实现

根据配电网馈线自动化系统的要求，FTU主要实现了101规约中的以下功能集：链路复位，链路请求，总召唤，分组召唤（遥测，遥信），遥控，遥信变位，顺序事件记录（SOE），时钟同步，参数下载，文件传输等命令。这些命令都是101规约应用层向用户开放的使用接口，它们的传输均由帧传输来完成，所以对这些命令数据的接收和发送处理均可在上述的数据、程序结构中方便实现。

由于电网中电磁干扰较大，本FTU在与电网直接接触电路部分均用电压、电流互感器和光电耦合隔离器进行了隔离，在硬件上加入了看门狗电路定期进行自检，程序跑飞时即时复位，并在软件上加入了冗余代码进行保护，具有较高的抗干扰能力。在通信时，串口FIFO的使用使得数据传送更加快速、安全，并减少了对CPU的时间占用；同时，本FTU利用了F2812片上的双串口和CAN总线接口资源，可以按RS485或CAN总线方式级联多台FTU或其它设备并行运行，以满足多种现场需求。

参考文献：

1、  夏远福,江道灼,黄民翔 .101规约在馈线自动化系统中的应用. 继电器，2002,30(10)

2、  申斌,孙同景,等 .DNP3.0在基于DSP的FTU中的实现. 电子技术应用，2004,06

3、 Norwegian IEC 870-5-101 User Conventions, 2000

4、  TMS320F281x Data Sheet .Texas Instruments Incorporated, 2002