專利名稱：能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作的信息集成服務(wù)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種實(shí)現(xiàn)變電站信息集成的通用硬件平臺(tái)和數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，屬 于電力系統(tǒng)變電站自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
變電站內(nèi)不同廠家的各種智能設(shè)備，比如保護(hù)裝置、智能電度表、集中電度 采集器、直流屏、消弧線圈控制裝置、小電流接地選線裝置、絕緣檢測(cè)裝置、獨(dú) 立的VQC裝置、故障錄波器等都要連到監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)等信息處理主站。這些設(shè)備由 于生產(chǎn)年代和技術(shù)水平各不相同，各生產(chǎn)廠家各自執(zhí)行自己的通信模式，造成不 同廠家設(shè)備之間通信連接困難，特別在低電壓等級(jí)變電站和老站改造中，這種情 況更為普遍。通信是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信包括現(xiàn)場(chǎng)智能電 子設(shè)備(Intelligent Electronic Device,正D)之間的通信、現(xiàn)場(chǎng)智能電子設(shè)備與站級(jí) 監(jiān)控系統(tǒng)的通信，以及現(xiàn)場(chǎng)智能電子設(shè)備和遠(yuǎn)方調(diào)度的通信。目前我國(guó)變電站自 動(dòng)化系統(tǒng)采用的通信網(wǎng)絡(luò)種類繁多，應(yīng)用規(guī)約各異，例如站端到遠(yuǎn)方調(diào)度就有 正C60870-5-101、 CDT、 SC-1801、 u4F、 DNP3.0等規(guī)約。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約不統(tǒng)一，造成各廠商間產(chǎn)品難以互聯(lián)和互操作，由此帶來(lái)大 量規(guī)約轉(zhuǎn)換和調(diào)試工作量，給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)不便，并給系統(tǒng)的可靠運(yùn)行留下隱患。因此，能高效、經(jīng)濟(jì)、方便地進(jìn)行各個(gè)層面(包括間隔層和站控層、站控層和 調(diào)度端)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，能適應(yīng)現(xiàn)存的各種通信介質(zhì)(包括同步/異步的 RS-232/RS485/RS422串口、 CAN總線以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)等)，能滿足高速實(shí)時(shí)性 能要求，且方便工程實(shí)施和調(diào)試的變電站信息集成服務(wù)器就成了各廠家變電站自 動(dòng)化系統(tǒng)的核心組成部分之一，其性能的優(yōu)劣和使用的方便性和普適性決定著整 套自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)水準(zhǔn)和市場(chǎng)認(rèn)同度。同時(shí)，對(duì)于用戶來(lái)講，開放的系統(tǒng)、靈活的配置將有利于利用已有的軟硬件 資源，節(jié)省投資和長(zhǎng)期使用系統(tǒng)的方便，因此變電站信息集成服務(wù)器的開放性、靈活性及可擴(kuò)展性方面的考慮就顯得非常重要；再者，由于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn) 方終端數(shù)據(jù)非常龐大，在滿足可靠性的基礎(chǔ)上如何降低造價(jià)，形成最合理的配置， 也是非常重要的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型^目的是合理規(guī)劃嵌入式系統(tǒng)有限的硬件資源，基于 強(qiáng)實(shí)時(shí)性的嵌入式操作系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和規(guī)約體系，研制高性能、高開放 性、高可靠性以及低成本的能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作的信息集成服務(wù)器， 實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備的互聯(lián)和互操作，為信息集成、共享和進(jìn)行綜合處理提供數(shù)據(jù) 服務(wù)平臺(tái)。技術(shù)方案嵌入式變電站信息集成服務(wù)器負(fù)責(zé)收集變電站內(nèi)部各繼電保護(hù)、 測(cè)控裝置的運(yùn)行信息，上傳到遠(yuǎn)方控制中心，同時(shí)下發(fā)控制命令到保護(hù)、測(cè)控裝 置，實(shí)現(xiàn)與控制中心的信息遠(yuǎn)傳與交互。在廠站建立變電站信息集成服務(wù)器的目 標(biāo)是建立變電站統(tǒng)一的信息采集與數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，為有關(guān)專業(yè)服務(wù)。本實(shí)用新型的嵌入式變電站信息集成服務(wù)器由核心處理模塊、以太網(wǎng)通信接口模 塊、CAN總線通信接口模塊、串行通信接口模塊和開關(guān)量輸入輸出模塊組成；其中， 核心處理模塊由處理器AT91RM9200、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、并行閃存、NAND 閃存、電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器AT24C512和實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗定時(shí)器、復(fù)雜可 編程邏輯器件XC95144和外圍輔助電路共同構(gòu)成一個(gè)基本的嵌入式系統(tǒng)；處理器 AT91RM9200的調(diào)試串口端DBGU、串口 0端USARTO、串口 1端USART1 、串口 2端USART2、串口 3端USART3分別與串行通信接口模塊相接，處理器AT91RM9200 的以太網(wǎng)控制器端EMAC、數(shù)據(jù)線端DB 31: O與以太網(wǎng)通信接口模塊相接，處理 器AT91RM9200的數(shù)據(jù)線端DB 7: 0接CAN總線通信接口模塊，處理器 AT91RM9200的復(fù)雜可編程邏輯器件XC95144與開關(guān)量輸入輸出模塊相接。由于目前電力系統(tǒng)通信規(guī)約不統(tǒng)一、通信介質(zhì)復(fù)雜多樣的現(xiàn)狀，本發(fā)明所述 的變電站信息集成服務(wù)器的功能表現(xiàn)為通信接口轉(zhuǎn)換、規(guī)約轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。嵌 入式變電站信息集成服務(wù)器的內(nèi)部與外部信息交互結(jié)構(gòu)如附圖1所示。嵌入式變電站信息集成服務(wù)器內(nèi)部功能劃分為2層。第1層為數(shù)據(jù)采集層， 主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)正D的通信與數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換，構(gòu)建裝置內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)， 同時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)軟硬件設(shè)置的安全通道下發(fā)的正D控制命令進(jìn)行操作；第2層為數(shù)據(jù)服務(wù)層，響應(yīng)遠(yuǎn)方控制中心的數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求，分類檢索實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，同時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)軟硬件設(shè)置的安全通道下發(fā)的直接正D 命令進(jìn)行特殊服務(wù)。嵌入式變電站信息集成服務(wù)器是一種廠站級(jí)的系統(tǒng)，它的基本功能是(1) 提供豐富的正D接入的通信接口。這些接口包括各類型串口 (RS-232/RS422，RS-485)、各類現(xiàn)場(chǎng)總線(例如CAN，LonWorks)接口，以及以太網(wǎng)接 口(10/100Mbps)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程層設(shè)備的直接控制，還應(yīng)提供一定數(shù)量的開關(guān)量 接口。(2) 通信規(guī)約轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。向下兼容目前的正D常用通信協(xié)議，向上支 持CDT、正C60870-5-101/104等標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)動(dòng)規(guī)約。同時(shí)，支持授權(quán)的遠(yuǎn)方操作、控 制和整定。(3) 大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并提供數(shù)據(jù)服務(wù)很明顯，這樣的裝置應(yīng)具有大量的通信接口處理能力、實(shí)時(shí)多任務(wù)處理能力、 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和存儲(chǔ)管理與數(shù)據(jù)服務(wù)能力。綜合國(guó)內(nèi)外研究方案，考慮到變 電站自動(dòng)化系統(tǒng)高可靠性、高實(shí)時(shí)性以及低成本的要求，本發(fā)明以專門為工控場(chǎng) 合設(shè)計(jì)32位RISC微處理器ARM (Advanced RISC Machine) AT91RM9200為基 本硬件平臺(tái)，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks開發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用軟件。從硬件角度看，嵌入式變電站信息集成服務(wù)器主要起通信接口轉(zhuǎn)換，以及提 供對(duì)過(guò)程層設(shè)備直接操作的接口。按模塊化方法設(shè)計(jì)，嵌入式變電站信息集成服 務(wù)器硬件平臺(tái)主要包括以下模塊AT91RM9200核心處理模塊、以太網(wǎng)通信接口 模塊、CAN總線通信接口模塊、串行通信接口模塊和開關(guān)量輸入輸出模塊，如附 圖2所示。兩路以太網(wǎng)和兩路RS-232串行通信接口構(gòu)成上行通道，通過(guò)HUB或 者M(jìn)odem與調(diào)度主站相連，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)方調(diào)度通信；四路CAN總線接口構(gòu)成下行 通道，實(shí)現(xiàn)與間隔層保護(hù)、測(cè)控設(shè)備通信； 一路RS-485串行通信接口用于雙機(jī)互 連,構(gòu)成主備雙通信服務(wù)器系統(tǒng),另一路RS485串行接口用于接收GPS對(duì)時(shí)信號(hào)， 一路3線制串口作為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試通道；多路開入開出通道，直接對(duì)過(guò)程層設(shè)備進(jìn)行 操作。從軟件角度看，嵌入式變電站信息集成服務(wù)器主要起通信規(guī)約轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 發(fā)作用，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集中后轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)度主站，并構(gòu)建裝置內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，支 持一定深度的數(shù)據(jù)回溯。同時(shí)，支持授權(quán)的遠(yuǎn)方操作、控制和整定，支持現(xiàn)場(chǎng)配置功能。嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)以嵌入式實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng)VxWorks為支撐環(huán)境，按"功能獨(dú)立"的模塊化基本原則設(shè)計(jì)，主要包括 下列模塊系統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)配置模塊、下行通道數(shù)據(jù)請(qǐng)求和處理模塊、上 行通道數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊等，如附圖3所示。其中下行通道數(shù)據(jù)請(qǐng) 求和處理模塊，及上行通道數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)封裝了中斷和中斷所驅(qū)動(dòng)的任務(wù)。有益效果本實(shí)用新型通過(guò)合理規(guī)劃硬件資源，研制了高性能、高開放性、 高可靠性以及低成本的嵌入式變電站信息集成服務(wù)器，并基于嵌入式實(shí)時(shí)性操作 系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和規(guī)約體系，開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了不同廠商設(shè) 備的互聯(lián)和互操作，為實(shí)現(xiàn)信息集成、共享和進(jìn)行綜合處理提供了數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。 發(fā)明取得了下列有益效果-(1) 解決了變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作問(wèn)題能適應(yīng)變電站現(xiàn)存的各種通信介質(zhì)(包括同步/異步的RS-232/RS485/RS-422 串口、 CAN總線以及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)等)，能高效、經(jīng)濟(jì)、方便地進(jìn)行各個(gè)層面(包 括間隔層和站控層、站控層和調(diào)度端)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和 互操作。(2) 解決了變電站信息集成問(wèn)題采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和規(guī)約體系，不僅能實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備的互聯(lián)和互操作，更 為信息共享、合理分配硬件資源和進(jìn)行后臺(tái)綜合處理提供了可能。(3) 系統(tǒng)開放、配置靈活 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了基于擴(kuò)展槽的標(biāo)準(zhǔn)卡件，可以根據(jù)用戶需求靈活配置硬件資源。對(duì)于用戶來(lái)講，開放的系統(tǒng)、靈活的配置將有利于利用已有的軟硬件資 源，節(jié)省投資和長(zhǎng)期使用系統(tǒng)的方便。再者，由于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)遠(yuǎn)方終端數(shù) 據(jù)非常龐大，在滿足可靠性的基礎(chǔ)形成最合理的配置，可以進(jìn)一步降低造價(jià)。(4) 廣泛的適用性嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的硬件平臺(tái)雖然最初是針對(duì)變電站自動(dòng)化的需 求而研制開發(fā)的，但由于其結(jié)構(gòu)的靈活性、自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力， 亦可以作為分布式控制、網(wǎng)絡(luò)測(cè)控等系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，具有廣泛的適用性。


圖l是嵌入式變電站信息集成服務(wù)器內(nèi)部與外部信息交換示意圖。圖2是嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的硬件電路原理框圖。 圖3是嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的軟件功能模塊劃分示意圖。 圖4是嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的以太網(wǎng)第一通道Ol的電路原理框圖。 圖5是嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的以太網(wǎng)第二通道02的電路原理框圖。 圖6是嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的CAN總線通信接口模塊3的電路原理 框圖。圖7是嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的串行通信接口模塊4的電路原理框圖。 圖8是嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的開關(guān)量輸入輸出模塊5的電路原理框圖。圖9是嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖。
具體實(shí)施方式
嵌入式變電站信息集成服務(wù)器由核心處理模塊1、以太網(wǎng)通信接口模塊2、CAN 總線通信接口模塊3、串行通信接口模塊4和開關(guān)量輸入輸出模塊5組成；其中， 核心處理模塊1由處理器AT91RM920011、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器12、并行閃 存13、 NAND閃存14、電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器AT24C51215和實(shí)時(shí)時(shí)鐘16、 看門狗定時(shí)器17、復(fù)雜可編程邏輯器件XC9514418和外圍輔助電路共同構(gòu)成一個(gè) 基本的嵌入式系統(tǒng)；處理器AT91RM920011的調(diào)試串口端DBGU、串口 0端 USARTO、串口 1端USART1 、串口 2端USART2、串口 3端USART3分別與串行 通信接口模塊4相接，處理器AT91RM9200的以太網(wǎng)控制器端EMAC、數(shù)據(jù)線端 DB 31:0與以太網(wǎng)通信接口模塊2相接，處理器AT91RM920011的數(shù)據(jù)線端DB 7: 0接CAN總線通信接口模塊3，處理器AT91RM920011的復(fù)雜可編程邏輯器件 XC95144與開關(guān)量輸入輸出模塊5相接。一、嵌入式變電站信息集成服務(wù)器硬件平臺(tái)嵌入式變電站信息集成服務(wù)器硬件平臺(tái)按模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括以下模 塊核心處理模塊l、以太網(wǎng)通信接口模塊2、 CAN總線通信接口模塊3、串行 通信接口模塊4和開關(guān)量輸入輸出模塊5。1、 AT91RM9200核心處理模塊嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的核心處理模塊1包括中央處理器 AT91RM920011、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器12、并行閃存13、 NAND閃存14、電 可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器AT24C512和實(shí)時(shí)時(shí)鐘16、看門狗定時(shí)器17、復(fù)雜可編 程邏輯電路XC9514418等外圍輔助電路，它們共同構(gòu)成一個(gè)基本的嵌入式系統(tǒng)。 (1)中央處理器硬件平臺(tái)的性能主要表現(xiàn)在中央處理器的選擇上。本發(fā)明的中央處理器選擇 型號(hào)為AT91RM9200的處理器芯片，它是一款專門為工業(yè)控制場(chǎng)合設(shè)計(jì)的基于 ARM920T內(nèi)核的32位RISC體系結(jié)構(gòu)微處理器，它以簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)、高效的指令集， 為用戶提供了一個(gè)全新的系統(tǒng)解決方案來(lái)建立高端通信系統(tǒng)。引入處理器AT91RM9200，使嵌入式變電站信息集成服務(wù)器具備以下優(yōu)越性(1) 降低產(chǎn)品成本。相比Intel系列、PowerPC系列中央處理器，ARM系列 微處理器具有極高的性價(jià)比。(2) 簡(jiǎn)化通信服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步降低硬件成本。處理器 AT91RM9200自帶5路串口和一路10/100Mbps以太網(wǎng)控制器，并具有USB2.0、 SPI、TWI串行通信接口，使得嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的外圍電路大大減少。(3) 提高硬件裝置的可靠性和實(shí)時(shí)性。處理器AT91RM9200是工業(yè)級(jí)芯片， 運(yùn)算速度可以達(dá)到200MIPS，外設(shè)訪問(wèn)速度為60MHz。綜上所述，處理器AT91RM9200芯片具有比傳統(tǒng)Intel系列、PowerPC系列中 央處理器更低的價(jià)格、更強(qiáng)大的性能，更適合嵌入式變電站信息集成應(yīng)用。(2) 存儲(chǔ)器為了保證嵌入式變電站信息集成服務(wù)器能夠處理盡可能多的數(shù)據(jù)，裝置配備 了多種大容量存儲(chǔ)器，主要包括64Mbyte的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器12用于運(yùn) 行程序和加載數(shù)據(jù)，4Mbyte的并行閃存13用于固化操作系統(tǒng)、程序和存放數(shù)據(jù)， 256Mbyte的NAND閃存14用于存放文件系統(tǒng)，64Kbyte的AT24C51215用于存放 定值和啟動(dòng)數(shù)據(jù)。(3) 外圍輔助電路雖然處理器AT91RM920011內(nèi)部自帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗定時(shí)器，但為保證裝 置運(yùn)行的可靠性，外擴(kuò)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片16和看門狗定時(shí)器芯片17來(lái)保證精確的計(jì) 時(shí)和可靠的監(jiān)視作用，為微控制器提供獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，有效地增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。為解決部分芯片總線時(shí)序不匹配問(wèn)題，以及擴(kuò)展開入開出信號(hào)、接口的片選 與讀寫信號(hào)，裝置設(shè)計(jì)采用了XC9514418。為了保證安全和3.3V/5V系統(tǒng)的電平變換，處理器AT91RM920011除了與同 歩動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器之間采用地址/數(shù)據(jù)線直接相連的方式，其他外圍芯片均通 過(guò)緩沖芯片再與處理器AT91RM920011連接。2、以太網(wǎng)通信接口模塊嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的以太網(wǎng)通信接口模塊2由兩大部分構(gòu)成。以 太網(wǎng)第一通道01利用型號(hào)為AT91RM9200處理器內(nèi)嵌的10/100Mbps以太網(wǎng)控制 器EMAC 21，外擴(kuò)一片10/100Mbps全雙工以太網(wǎng)收發(fā)器LXT97122，加之隔離 變壓器23和RJ45接頭24、光纖收發(fā)器25構(gòu)成一路以太網(wǎng)通道。LXT971是工業(yè)級(jí)的10/100Mbps以太網(wǎng)收發(fā)器，采用3.3V供電，可以直接與 處理器AT91RM920011連接而無(wú)須電平轉(zhuǎn)換，但需采用25MHz有源晶振為其提供 時(shí)基信號(hào)。處理器AT91RM9200內(nèi)嵌的EMAC模塊可以很方便地與LXT971連接， 只要將EMAC模塊中的ETX (發(fā)送)引腳、ERX (接收)引腳和ECON (控制引 腳)分別對(duì)應(yīng)地與LXT971的ETX (發(fā)送)引腳、ERX (接收)引腳和ECON (控 制引腳)連接即可。全雙工以太網(wǎng)收發(fā)器LXT971直接和隔離變壓器相連，通過(guò) RJ45連接各類屏蔽或非屏蔽雙絞線。LXT971提供3個(gè)信號(hào)燈引腳，本裝置將其 配置為SPEED、 LINK、 RECE信號(hào)，分別表示速度、連接、接收信號(hào)。為了接入 光纖線路，以太網(wǎng)第一通道Ol還預(yù)留了光纖接口。 LXT971可以直接連接光纖收 發(fā)器，故只需將接收/發(fā)送信號(hào)和光纖收發(fā)器連接即可，如附圖4所示。以太網(wǎng)第二通道02通過(guò)外擴(kuò)以太網(wǎng)控制器LAN91C111芯片26、隔離變壓器 27和RJ45接頭28構(gòu)成。LAN91C111是工業(yè)級(jí)的10/100M以太網(wǎng)控制器，集成以 太網(wǎng)收發(fā)器，具有8K字節(jié)的收發(fā)緩沖區(qū)，支持全雙工和半雙工通信。LAN91C111 與處理器AT91RM920011連接只須將數(shù)據(jù)(DB) /地址(AB)線連接，然后再連 接一些讀、寫、中斷、片選等控制信號(hào)(CON)，如附圖5所示。LAN91C111也是3.3V供電，其數(shù)據(jù)線/地址線可以與處理器AT91RM920011 直接連接。LAN91C111的讀、寫、中斷控制引腳直接連接處理器AT91RM920OU 的相應(yīng)管腳，處理器AT91RM9200 11通過(guò)一個(gè)I/O引腳連接LAN91C111的復(fù) 位引腳(在對(duì)LAN91C111進(jìn)行操作前必須先復(fù)位)。LAN91C111的命令和數(shù)據(jù)通過(guò)相同的數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，通過(guò)不同的地址和格式信息加以區(qū)分。LAN91C111只 提供2個(gè)信號(hào)燈引腳，本裝置將其配置為SPEED、 LINK信號(hào)。3、 CAN總線通信接口模塊CAN總線通信接口模塊由4路CAN總線通信通道組成，每路CAN總線通信通道 均由CAN控制器SJAIOOO 31、高速光隔32和CAN收發(fā)器82C25033構(gòu)成。SJAIOOO 芯片與芯片AT91RM9200間采用并行方式連接。由于芯片SJAIOOO采用 Intel/Motorola時(shí)序，與處理器AT91RM9200的總線時(shí)序不匹配，需要通過(guò)芯片 XC95144 18進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換。本文設(shè)定SJAIOOO為Intel時(shí)序，與處理器AT91RM9200 連接的邏輯電路如附圖6所示。處理器AT91RM9200靈活的外部總線配置可以很方便的通過(guò)芯片XC95144得 到Intel時(shí)序。處理器AT91RM9200的外部中斷引腳或因引腳復(fù)用或因其他芯片已 經(jīng)全部占用，因此利用處理器AT91RM9200的脈沖捕捉引腳作為CAN控制器的中 斷輸入引腳。4片SJAIOOO的中斷信號(hào)經(jīng)過(guò)或門運(yùn)算后再接入處理器AT91RM9200 的捕捉引腳，任意一路SJAIOOO的接收信號(hào)都會(huì)令處理器AT91RM9200響應(yīng)CAN 接收中斷。四片SJAIOOO采用統(tǒng)一的讀信號(hào)、寫信號(hào)、ALE信號(hào)，但片選信號(hào)通 過(guò)地址線加以區(qū)分。三位地址信號(hào)通過(guò)芯片XC95144內(nèi)部的3/8譯碼器分別對(duì)四 片SJAIOOO進(jìn)行片選。為了將SJAIOOO的控制信號(hào)與其他外設(shè)加以區(qū)分，其讀、 寫、片選、ALE信號(hào)均與/NCS4信號(hào)做或與運(yùn)算，以保證在/NCS4信號(hào)有效的前 提下其控制信號(hào)才有效。ALE信號(hào)與一般的寫信號(hào)通過(guò)3/8譯碼器的DO位加以區(qū) 分。處理器AT91RM9200的低8位數(shù)據(jù)線與SJAIOOO的8位數(shù)據(jù)線相連，對(duì) SJAIOOO進(jìn)行操作時(shí)，處理器AT91RM9200設(shè)為8位操作模式。為了防止SJAIOOO 之間的相互干擾，每片SJAIOOO采用獨(dú)立晶振。另外，由于SJAIOOO是5V供電， SJAIOOO和處理器AT91RM9200之間需電平轉(zhuǎn)換芯片以確保邏輯電平匹配。4、 串行通信接口模塊嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的串行通信接口模塊4由處理器AT91RM9200 自帶的標(biāo)準(zhǔn)串行通信控制器SCCO 41、 RS232電平轉(zhuǎn)換電路MAX20342、標(biāo)準(zhǔn)九 針插座DB943構(gòu)成一路RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通道；串行通信控制器SCC144、 RS232 電平轉(zhuǎn)換電路MAX20345、標(biāo)準(zhǔn)九針插座DB9 46構(gòu)成另一路標(biāo)準(zhǔn)RS232串行通 道。這兩路配置為標(biāo)準(zhǔn)RS232的串口用于上行數(shù)據(jù)通道。串行通信控制器SCC247、 RS485電平轉(zhuǎn)換電路MAX48548、兩腳插座49構(gòu)成一路RS485串行通道，作 為GPS信號(hào)接入通道。串行通信控制器SCC3410、 RS485電平轉(zhuǎn)換電路MAX485 411、兩腳插座412構(gòu)成另一路RS485串行通道，用作雙機(jī)互聯(lián)通道。處理器 AT91RM9200帶有的一路調(diào)試串口 DBS413 ，加之RS232電平轉(zhuǎn)換電路 MAX203414、標(biāo)準(zhǔn)九針插座DB9415配置為簡(jiǎn)單的三線制RS232串口作為現(xiàn)場(chǎng)調(diào) 試通道。為了增強(qiáng)抗干擾能力，在串行通信控制器和對(duì)應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路之間均 設(shè)計(jì)高速光隔，如附圖7所示。標(biāo)準(zhǔn)串口與三線制串口的區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)串口擁有控制信號(hào)(CONO、 C0N1)， 具有更高的通信可靠性和抗干擾能力。與RS232串行總線相比，RS485串行總線 通信除了發(fā)送/接收信號(hào)外，還需一路控制信號(hào)。本發(fā)明采用處理器AT91RM9200 的普通IO引腳(102、 103)作為RS485總線的控制信號(hào)。五路串口都通過(guò)工業(yè)級(jí) 高速光隔與處理器AT91RM9200隔離，均采用工業(yè)級(jí)抗靜電干擾RS232收發(fā)器芯 片(MAX203)和RS485收發(fā)器芯片(MAX485)。 RS232總線采用普通的DB9接 頭作為物理層的通信接口， RS485總線物理層接口則采用普通的兩腳插座。為了 增加通信的抗干擾能力，五路串口之間互相還采用隔離DC/DC開關(guān)電源進(jìn)行隔離。5、開關(guān)量輸入輸出模塊嵌入式變電站信息集成服務(wù)器的開關(guān)量輸入輸出模塊5共包括8路開入和8 路開出通道。開入信號(hào)經(jīng)光隔51后進(jìn)入XC95144 18;開出信號(hào)由XC95144 18 擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)功率放大52、光隔53后觸發(fā)出口繼電器54，如附圖8所示。開入開 出信號(hào)最終均通過(guò)XC95144與處理器AT91RM9200連接，處理器AT91RM9200 通過(guò)數(shù)據(jù)線DB、地址線AB、片選信號(hào)CS經(jīng)XC95144邏輯變換對(duì)開入開出的具 體通道進(jìn)行選擇。(二)、嵌入式變電站信息集成服務(wù)器軟件體系軟件功能上，嵌入式變電站信息集成服務(wù)器主要起通信規(guī)約轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 作用，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集中后轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)度主站，并構(gòu)建裝置內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，支持 一定深度的數(shù)據(jù)回溯。同時(shí)支持授權(quán)的遠(yuǎn)方操作、控制和整定，支持現(xiàn)場(chǎng)配置功 能。就具體通信規(guī)約而言，下行通道支持正C60870-5-103規(guī)約(以下簡(jiǎn)稱103規(guī) 約)，上行通道支持CDT、正C60870-5-101 (以下簡(jiǎn)稱101規(guī)約)、IEC60870-5-104 規(guī)約(以下簡(jiǎn)稱104規(guī)約)。按"功能獨(dú)立"的模塊化設(shè)計(jì)基本原則，通信服務(wù)器軟件體系包括下列模塊系 統(tǒng)初始化模塊、系統(tǒng)配置模塊、下行通道數(shù)據(jù)請(qǐng)求和處理模塊、上行通道數(shù)據(jù)處 理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊等，如附圖3所示。其中下行通道數(shù)據(jù)請(qǐng)求和處理模塊 與上行通道數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)封裝了中斷和中斷所驅(qū)動(dòng)的任務(wù)。"功能獨(dú)立"的模塊可以降低開發(fā)、測(cè)試、維護(hù)等階段的代價(jià)。但是"功能 獨(dú)立"并不意味著模塊之間保持絕對(duì)的孤立。系統(tǒng)要完成某項(xiàng)任務(wù)，需要各個(gè)模 塊相互配合才能實(shí)現(xiàn)，此時(shí)模塊之間就要進(jìn)行信息交流。根據(jù)上述對(duì)通信服務(wù)器 的軟件系統(tǒng)功能分析，給出其數(shù)據(jù)流圖，如附圖9所示。軟件體系結(jié)構(gòu)采用雙層客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)結(jié)構(gòu)。對(duì)下行通道，通 信服務(wù)器扮演客戶機(jī)角色，請(qǐng)求現(xiàn)場(chǎng)智能電子裝置的數(shù)據(jù)。對(duì)上行通道，通信服 務(wù)器扮演服務(wù)器角色，響應(yīng)調(diào)度主站的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。上行通道數(shù)據(jù)處理模塊與下行 通道數(shù)據(jù)請(qǐng)求和處理模塊有直接的信息交換CDT/101/104任務(wù)下傳遙控、遙調(diào)、 定值讀寫等命令到103任務(wù)，103任務(wù)執(zhí)行上述命令，并上傳返校命令及命令執(zhí)行 結(jié)果至CDT/101/104任務(wù)。同時(shí)，上行通道數(shù)據(jù)處理模塊和下行通道數(shù)據(jù)請(qǐng)求和 處理模塊共同維護(hù)著裝置內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，103任務(wù)收集裝置的遙信、遙測(cè)和 SOE信息，存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，供CDT/101/104任務(wù)査詢讀取。核心處理模塊1中的處理器AT91RM920011通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總 線與同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器12、并行閃存13和NAND閃存14相接；處理器 AT91RM920011通過(guò)兩線接口 "TWI"與電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器AT24C51215 相接，通過(guò)串行外設(shè)接口SPI與實(shí)時(shí)時(shí)鐘16相接，通過(guò)RESET管腳與看門狗定時(shí) 器17相接。處理器AT91RM920011內(nèi)嵌的10/100Mbps以太網(wǎng)控制器EMAC21的發(fā)送端 ETX、接收端ERX、控制端ECON分別接10/100Mbps全雙工以太網(wǎng)收發(fā)器 LXT97122的發(fā)送端ETX、接收端ERX、控制端ECON，加之隔離變壓器23和連 接頭RJ4524、光纖收發(fā)器25構(gòu)成以太網(wǎng)第一通道01;處理器AT91RM920011數(shù) 據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CON分別接以太網(wǎng)控制器LAN91C11126的 數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CON，再加之隔離變壓器27和連接頭RJ45 接頭28構(gòu)成以太網(wǎng)第二通道02。控制總線CAN總線通信接口模塊3由4路控制總線CAN總線通信通道組成； 每路控制總線CAN總線通信通道均由控制總線CAN控制器SJA100031、高速光隔32和控制總線CAN收發(fā)器82C25033構(gòu)成。串行通信接口模塊4由處理器AT91RM920011自帶的標(biāo)準(zhǔn)串行通信控制器 SCC041 、 RS232電平轉(zhuǎn)換電路MAX20342、標(biāo)準(zhǔn)九針插座DB943構(gòu)成一路RS232 標(biāo)準(zhǔn)串行通道；串行通信控制器SCC144、 RS232電平轉(zhuǎn)換電路MAX20345、標(biāo)準(zhǔn) 九針插座DB946構(gòu)成另一路標(biāo)準(zhǔn)RS232串行通道；串行通信控制器SCC247、RS485 電平轉(zhuǎn)換電路MAX48548、兩腳插座49構(gòu)成一路RS485串行通道，作為全球定位 系統(tǒng)GPS信號(hào)接入通道；串行通信控制器SCC3410、 RS485電平轉(zhuǎn)換電路 MAX485411、兩腳插座412構(gòu)成另一路RS485串行通道，用作雙機(jī)互聯(lián)通道；處 理器AT91RM920011帶有的一路調(diào)試串口 DBS413，加之RS232電平轉(zhuǎn)換電路 MAX203414、標(biāo)準(zhǔn)九針插座DB9415配置為簡(jiǎn)單的三線制RS232串口作為現(xiàn)場(chǎng)調(diào) 試通道；串行通信控制器和對(duì)應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路之間均設(shè)計(jì)高速光隔離器。開關(guān)量輸入輸出模塊5共包括8路開入和8路開出通道；開入信號(hào)經(jīng)光隔51隔 離后進(jìn)入復(fù)雜可編程邏輯器件XC9514418;開出信號(hào)由復(fù)雜可編程邏輯器件 XC9514418擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)功率放大52、光隔離器53輸出驅(qū)動(dòng)出口繼電器54;開入開 出信號(hào)均通過(guò)復(fù)雜可編程邏輯器件XC9514418與處理器AT91RM920011的數(shù)據(jù)線 DB、地址線AB、片選信號(hào)CS相接?；谇度胧綄?shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks為支撐環(huán)境開發(fā)嵌入式變電站信息集成服務(wù)器軟件，應(yīng)用VxWorks提供的豐富的通信和任務(wù)調(diào)度機(jī)制，嵌入式變電站信息集成服務(wù)器可以很好的實(shí)現(xiàn)上述功能要求。
權(quán)利要求1、一種能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作的信息集成服務(wù)器，其特征在于該變電站信息集成服務(wù)器由核心處理模塊(1)、以太網(wǎng)通信接口模塊(2)、CAN總線通信接口模塊(3)、串行通信接口模塊(4)和開關(guān)量輸入輸出模塊(5)組成；其中，核心處理模塊(1)由處理器AT91RM9200(11)、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(12)、并行閃存(13)、NAND閃存(14)、電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器AT24C512(15)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘(16)、看門狗定時(shí)器(17)、復(fù)雜可編程邏輯器件XC95144(18)和外圍輔助電路共同構(gòu)成一個(gè)基本的嵌入式系統(tǒng)；處理器AT91RM9200(11)的調(diào)試串口端DBGU、串口0端USART0、串口1端USART1、串口2端USART2、串口3端USART3分別與串行通信接口模塊(4)相接，處理器AT91RM9200(11)的以太網(wǎng)控制器端EMAC、數(shù)據(jù)線端DB 310與以太網(wǎng)通信接口模塊(2)相接，處理器AT91RM9200(11)的數(shù)據(jù)線端DB 70接CAN總線通信接口模塊(3)，處理器AT91RM9200(11)的復(fù)雜可編程邏輯器件XC95144(18)與開關(guān)量輸入輸出模塊(5)相接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作的信息集成服務(wù) 器，其特征在于核心處理模塊(1)中的處理器AT91RM9200 (11)通過(guò)地址總 線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(12)、并行閃存(13)和 NAND閃存(14)相接；處理器AT91RM9200 (11)通過(guò)兩線接口 "TWI"與電 可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器AT24C512 (15)相接，通過(guò)串行外設(shè)接口 SPI與實(shí)時(shí) 時(shí)鐘(16)相接，通過(guò)RESET管腳與看門狗定時(shí)器(17)相接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作的信息集成服務(wù) 器，其特征在于處理器AT91RM9200(11)內(nèi)嵌的10/100Mbps以太網(wǎng)控制器EMAC(21)的發(fā)送端ETX、接收端ERX、控制端ECON分別接10/100Mbps全雙工以 太網(wǎng)收發(fā)器LXT971 (22)的發(fā)送端ETX、接收端ERX、控制端ECON，加之隔 離變壓器(23)和連接頭RJ45 (24)、光纖收發(fā)器(25)構(gòu)成以太網(wǎng)第一通道01; 處理器AT91RM9200 (11)數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CON分別接 以太網(wǎng)控制器LAN91C111 (26)的數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB和控制總線CON， 再加之隔離變壓器(27)和連接頭RJ45接頭(28)構(gòu)成以太網(wǎng)第二通道02。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作的信息集成服務(wù)器，其特征在于控制總線CAN總線通信接口模塊(3)由4路控制總線CAN總 線通信通道組成；每路控制總線CAN總線通信通道均由控制總線CAN控制器 SJA1000 (31)、高速光隔(32)和控制總線CAN收發(fā)器82C250 (33)構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作的信息集成服務(wù) 器，其特征在于串行通信接口模塊(4)由處理器AT91RM9200 (11)自帶的標(biāo) 準(zhǔn)串行通信控制器SCCO (41)、 RS232電平轉(zhuǎn)換電路MAX203 (42)、標(biāo)準(zhǔn)九針 插座DB9 (43)構(gòu)成一路RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通道；串行通信控制器SCC1 (44)、 RS232電平轉(zhuǎn)換電路MAX203 (45)、標(biāo)準(zhǔn)九針插座DB9 (46)構(gòu)成另一路標(biāo)準(zhǔn) RS232串行通道；串行通信控制器SCC2(47)、RS485電平轉(zhuǎn)換電路MAX485(48)、 兩腳插座(49)構(gòu)成一路RS485串行通道，作為全球定位系統(tǒng)GPS信號(hào)接入通 道；串行通信控制器SCC3 (410)、 RS485電平轉(zhuǎn)換電路MAX485 (411)、兩腳 插座(412)構(gòu)成另一路RS485串行通道，用作雙機(jī)互聯(lián)通道；處理器AT91RM9200(ll)帶有的一路調(diào)試串口 DBS(413)，加之RS232電平轉(zhuǎn)換電路MAX203(414)、 標(biāo)準(zhǔn)九針插座DB9 (415)配置為簡(jiǎn)單的三線制RS232串口作為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試通道； 串行通信控制器和對(duì)應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路之間均設(shè)計(jì)高速光隔離器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作的信息集成服務(wù) 器，其特征在于開關(guān)量輸入輸出模塊(5)共包括8路開入和8路開出通道；開 入信號(hào)經(jīng)光隔(51)隔離后進(jìn)入復(fù)雜可編程邏輯器件XC95144 (18);開出信號(hào) 由復(fù)雜可編程邏輯器件XC95144 (18)擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)功率放大(52)、光隔離器(53) 輸出驅(qū)動(dòng)出口繼電器(54);開入開出信號(hào)均通過(guò)復(fù)雜可編程邏輯器件XC95144(18)與處理器AT91RM9200 (11)的數(shù)據(jù)線(DB)、地址線(AB)、片選信號(hào) (CS)相接。
專利摘要能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備互聯(lián)和互操作的信息集成服務(wù)器由核心處理模塊(1)、以太網(wǎng)通信接口模塊(2)、CAN總線通信接口模塊(3)、串行通信接口模塊(4)和開關(guān)量輸入輸出模塊(5)組成；其中，核心處理模塊(1)由處理器AT91RM9200(11)、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(12)、并行閃存(13)、NAND閃存(14)、電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器AT24C512(15)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘(16)、看門狗定時(shí)器(17)、復(fù)雜可編程邏輯器件XC95144(18)和外圍輔助電路共同構(gòu)成一個(gè)基本的嵌入式系統(tǒng)；采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和規(guī)約體系，研制高性能、高開放性、高可靠性以及低成本的嵌入式變電站信息集成服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備的互聯(lián)和互操作，為信息集成、共享和進(jìn)行綜合處理提供數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK201097205SQ20072004536
公開日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月28日
發(fā)明者吳在軍, 張如瑤, 科 徐, 杜炎森, 楊曉靜, 秦申蓓, 竇曉波, 胡敏強(qiáng) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)