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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 、實時響應(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所具有的強大功能實現(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) 備主要是針對變電站系統(tǒng)當中的各種保護工作，面對大量的二次接線。各個間隔層的設(shè)備通過通信網(wǎng)絡(luò)接入到通信層的通信管理器上，通信管理器對數(shù)據(jù)進行管理、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)安全防護能力，同時有利于變電站層其他智能設(shè)備的接入，達到站內(nèi)信息的有效管理，同時提高了系統(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。
通信管理器通過各種各樣的通信端口與間隔層的智能設(shè)備進行通信，做到信息采集、匯總及處理；對各智能單元實現(xiàn)各種監(jiān)視及控制功能；進行規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。因此通信管理器是整個廠站自動化系統(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)的低成本實現(xiàn) ，提供了更高的性價比，并在通信方面有所增強，例如對通用串行總線（USB）的支持。MPC850集成了嵌入式PowerPC 核和1個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個串行通道：1個串行通信控制器（SCC），1個通用串行總線通道（USB ），2個串行管理控制器（SMS），1個I2C（Inter Integrated Circuit）接口 ，和1個串行外圍接口電路（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：嵌入式PowerPC內(nèi)核、系統(tǒng)接口單元以及獨立于系統(tǒng)內(nèi)核的通信 處理模塊，這3個模 塊通過內(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，該處理器是高性能低功耗的精簡指令集（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，能夠在一個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)完成一個 32位的外部接口操作。在50 MHz的頻率下可以達到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32位數(shù)據(jù)寬度的總線接口。他控制著系統(tǒng)的啟動和初始化，總線的操 作、保護以及外部總線。靈活的內(nèi)存控制器和各種各樣的存儲器，包括DRAM，SRAM，PSRAM ，EPROM，F(xiàn)lash，SDRAM，EDO等，另外配置的總線時序控制可以靈活地實現(xiàn)外圍設(shè)備的掛接 。8個片選的資源，8個外部中斷，256 MB的地址空間使系統(tǒng)在內(nèi)存分配，外圍設(shè)備的擴展和管理方面都變得相當?shù)暮啽恪?
MPC850內(nèi)部還具有一個獨立于PowerPC的32位RISC控制器，主要負責(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)域得到了很高的評價。
3通信管理器對通信的要求
通信管理器在變電站系統(tǒng)當中作為一個信息的交換樞紐，擔(dān)負著系統(tǒng)的信息采集、匯總及處理；對各智能單元實現(xiàn)各種監(jiān)視及控制功能；進行規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，對間隔 層的各個設(shè)備進行管理。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 站對通信管理器提出了嚴格的要求。通常在變電站系統(tǒng)中具有多條母線，接入的保護裝置數(shù)量十幾個甚至幾十個，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大，支持多種通信通道，可以靈活的對各個智能設(shè)備實現(xiàn)接入。
在整個變電站系統(tǒng)當中，各個智能裝置在實際的運行過程中需要進行時間同步，因此也要求通信管理器能夠提供精確的對時時間。
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，并用先進的實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks作為高性能、高穩(wěn)定的軟件平臺，能夠直接管理隔離層的各類裝置設(shè)備。擁有8個外部中斷接口，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；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通信管理器裝置擴展靈活，并且 變電站系統(tǒng)對時間同步有著比較嚴格的要求，因此在外部擴展了全球定位系統(tǒng)（Global Pos itioning System，GPS）模塊，這個模塊采用了Rockwell公司的JUPG0221。他的時間精度為 ±40 ns。
4通信管理器的實現(xiàn)
4.1硬件系統(tǒng)設(shè)計
通信管理器裝置硬件電路主要包括通信微處理器MPC850、復(fù)位和時鐘電路、存儲器電路、 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、遙測電路。 硬件連接方框圖如圖3所示。由于通信管理器對以太網(wǎng)口的要求為3個，串行接口要求的數(shù)量 為16個，原有的1個網(wǎng)口，2個串行接口不能滿足其要求，因此采用了CS8900和TL16C554 進行擴展。
通信處理器的內(nèi)核MPC850一方面要通過以太網(wǎng)口或串行接口與間隔層的設(shè)備以及變電站層的后臺進行通信，另外一方面要進行內(nèi)部本身的部分工作，如遙控、遙信、遙測，液晶顯示、GPS。下面分別對這幾個部分進行說明。
(1)以太網(wǎng)接口 MPC850通過SCC（Serial Communications Controllers，串行控制器） 可以實現(xiàn) 快速以太網(wǎng)IEEE802.3協(xié)議，通過媒質(zhì)獨立接口（Media Independent Interface）與10 Mb以太網(wǎng)收 發(fā)器LXT905相連接，再通過隔離變壓器接入以太網(wǎng)。另外2個以太網(wǎng)口通過數(shù)據(jù)總線和 地址總線與處理器連接，實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)速度為10 Mb。MPC850可以直接讀取擴展的2個以太網(wǎng)口CS8900的內(nèi)部所有資源，操作方便簡潔。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DMA通道進行通信。這樣獨立之后，節(jié)約了處理器內(nèi)核的處理時間，提高了效率。
(2)串行接口
MPC850內(nèi)部集成了2個SMC（Serial Manage Controllers，串行管理器）。這2個控制器由CPM管理，他們讀取到的數(shù)據(jù)通過DMA通道傳至PowerPC內(nèi)核。外部由TL16C554擴展的串行接口通過譯碼電路、地址線和數(shù)據(jù)線與MPC850進行連接。譯碼電路實現(xiàn)片選的分配、中斷相應(yīng)。串行接口可以同時實現(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本身所具有的一個通信接口，在實現(xiàn)通信管理器中用于遙信的采樣和 人機界面液晶顯示的數(shù)據(jù)通信。在本系統(tǒng)的SPI通信當中，MPC850作為主，遙測和液晶顯示作為從。SPI通信方式簡單，只有3根數(shù)據(jù)傳輸線：同步時鐘、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的擴展通過系統(tǒng)的一個串行接口以及3個I/O接口實現(xiàn)連接。GPS的PPS（Pulse Per Se conds）管腳在每一秒的開始時刻會由低電平跳轉(zhuǎn)為高電平，這個管腳輸出的上升沿時間精度為+40 ns；同時在GPS的串口輸出了相關(guān)具體的時間（年、月、日、時、分、秒、星期等）和地理坐標的信息。MPC850可以根據(jù)PPS管腳信號的上升沿與整個系統(tǒng)的時間對時，從而得到精確的時間基準。
(5)其他部分電路
在硬件電路當中還有相關(guān)的存儲器、時鐘、復(fù)位電路。整個系統(tǒng)的存儲器具有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，存儲器需要的時序波形可以根據(jù)要求對SIU中的GPCM及UPM相關(guān)的寄存器進行設(shè)置，從而達到靈活擴展存儲空間的要求。MPC850核心運行時鐘頻率為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，時鐘電路的輸入采用了較低的時鐘5 MHz，通過內(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)位的時候，處理器會在這兩種復(fù)位釋放前的CLKOUT最后2個上升沿采樣 來自于數(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，如啟動程序?qū)?yīng)的存儲空間數(shù)據(jù) 位是8、16或者32位，工作時鐘的倍頻因子等。所以必須合理地配置硬件配置字，才能保 證系統(tǒng)的正常運行。
4.2軟件系統(tǒng)設(shè)計
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。硬件相關(guān)代碼包括了以太網(wǎng)驅(qū)動程序、串行接口驅(qū)動程序、SPI驅(qū)動程序以及硬件平臺和操作系統(tǒng)相接的板級支持包（BSP），硬件相關(guān)代碼是嵌入式操作系統(tǒng)對硬件平臺實現(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，這個操作系統(tǒng)的實時性強，可靠性高，任務(wù)之間是通過基于優(yōu)先級的搶占方式進行調(diào)度，中斷的響應(yīng)時間<13μs。應(yīng)用程序是基于嵌入式操作系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)庫為核心，多個外圍任務(wù)模塊最終完成通信管理器的各個功能。
5結(jié)語
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，實現(xiàn)了通信管理器裝置的各種功能。</di
