能實現異構網絡互聯的嵌入式網關的製作方法
2023-09-20 08:38:40 1
專利名稱：能實現異構網絡互聯的嵌入式網關的製作方法
技術領域：
本發明是一種用於變電站自動化通信系統的實現異構網絡互聯的嵌入式網關，屬於變電站專用通信設備的技術領域。
二.
背景技術：
變電站自動化系統是指在變電站內提供包括通信在內的自動化，實現對變電站內設備和饋入饋出線路的控制、監視、保護、開關閉鎖和遠方信息交換。變電站自動化的一個關鍵技術問題就是如何將變電站內的IED以及將變電站和遠方調度中心通過適當的通信方式聯結成網絡。
早期主要採用RS-232、RS-485等串行總線將站內的IED連在一起，採用主從式輪詢方式，實現設備互聯。隨著現場總線技術的逐漸成熟，由於其簡單易用，組網靈活，開放性等優點，現場總線如CAN、LonWorks、ProfiBus等也越來越多地應用於變電站內的通信網絡。通信技術的發展，造成了變電站內通信網絡的多樣性，這給用戶帶來更多選擇的同時，也帶來了另一個現實問題，即如何將這些來自不同廠家的異構網絡相互集成，實現互操作，最大限度地保護用戶已有的軟硬體投資。另一方面，Internet現已成為社會重要的基礎信息設施之一，是信息流通的重要渠道。Internet技術提升了世界的可接入性，變電站內的設備同樣面臨著數據集中、接入、維護和二次開發的新課題，現實的解決方法就是實現設備網絡化。
三.
發明內容
1、技術問題本發明的目的是基於嵌入式乙太網技術，設計一種具有多種接口，能實現異構網絡互聯的嵌入式網關。通過該嵌入式網關，可以實現低速的串行總線和現場總線網絡和高速乙太網之間的互連，構建變電站內高速、可靠、真正全開放、全分散的數據通信網絡。
2、技術方案本發明的能實現異構網絡互聯的嵌入式網關包括CPU核心控制模塊、存儲器模塊、CPLD模塊、看門狗定時器模塊、串行通信模塊、CAN總線通信模塊、乙太網通信模塊；其中看門狗定時器模塊的輸出端接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；乙太網通信模塊的輸出端接乙太網；CPU核心控制模塊、存儲器模塊、CPLD模塊、CAN總線通信模塊、乙太網通信模塊分別以總線連接的方式與控制總線、地址總線、數據總線相連接。
看門狗定時器模塊中可編程看門狗監控EEPROM晶片的「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分別接串行通信模塊中RS-485電平轉換晶片U11的「TI1、RO1」端和RS-232電平轉換晶片U12的「DI、RO」端；串行通信模塊的輸出端，即RS-485電平轉換晶片U11的「A、B」端和RS-232電平轉換晶片U12的「TO1、RI1」端通過撥子開關S3選擇，接串行口RS-232/485；CAN總線通信模塊的輸出端即CAN總線收發器U9的「CANH、CANL」端接CAN總線；乙太網通信模塊的輸出端即乙太網控制器U10的「RXD-、RXD+、TXD-、TXD+」端通過隔離脈衝變壓器U13接乙太網；CPU、存儲器模塊中的程序存儲器U5、U6、數據存儲器U7、CPLD模塊中的複雜可編程邏輯器U4、CAN總線通信模塊中的CAN控制器U8、乙太網通信模塊中的乙太網控制器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」、數據線「A0-A15」分別與控制總線、地址總線、數據總線相連接。
本發明所述及的嵌入式網關主要布置在變電站層和間隔層之間，實現低速的RS-232/485串行總線和CAN(Controller Area Network)現場總線網絡和高速乙太網之間的互連，以及串行總線協議或現場總線協議到TCP/IP協議的轉換，實現不同廠商的異構網絡互聯，構建出真正全開放、全分散的站內通信網絡。
嵌入式網關的硬體結構採用模塊化設計方法，主要由基本80C196KC主控模塊、串行總線通信模塊、CAN總線通信模塊和乙太網通信模塊，以及相應的外部接口構成。
嵌入式網關的軟體設計面向功能，遵循模塊化設計方法，採用Tasking C語言編程，方便調試、維護和移植。和硬體模塊相對應，通信控制器的軟體主要包括主程序模塊，串口驅動模塊，CAN總線驅動模塊，乙太網驅動模塊、TCP/IP協議處理模塊和應用層協議處理模塊。嵌入式網關和間隔層設備通過串行總線或現場總線通信，通過裝置的協議處理模塊，將現場數據封裝成TCP/IP數據幀，通過乙太網和變電站層的操作員站、工程師站以及遠方的監控中心通信。反之，將來自上層的TCP/IP數據幀通過拆封轉換成串行數據或者CAN總線數據。
由於嵌入式網關的加入，改進了變電站自動化系統的結構，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層結構。嵌入式網關除擔負上述的協議轉換作用以外，還負責循檢、遙信、遙測和命令等通信任務協調管理，起前置單元的作用。在不設就地監控主站的無人值守或少人值守的變電站中，通信控制器則實際上還起著遠方RTU(Remote Terminal Unit)的作用。
3、有益效果針對變電站內異構通信網絡互聯實現互操作的現實問題，並考慮了嵌入式Internet這一技術發展趨勢，設計並實現了一種能實現異構網絡互聯的嵌入式網關。發明具有下列優點(1)解決了異構網絡互操作性問題通過在站內通信網絡中加入這種嵌入式網關，可以實現串行總線、CAN總線和乙太網的互聯。這種通信網絡的特點在於系統的通信建立在串行總線、現場總線、乙太網和TCP/IP混合通信協議之上，解決了異構網絡互操作性問題。
(2)可以確保站內通信網絡實時性和可靠性嵌入式網關的軟硬體設計充分考慮了變電站內通信網絡的數據傳輸可靠性和實時性等特殊要求，使用雙網冗餘策略來保證系統的可靠性。在應用層協議設計時，除事件報文由通信控制器主動上發外，其他的通信任務依然採用基於「請求/確認/重發」機制的輪詢方式，以此控制網絡流量，避免網絡負載過重引起多次衝突而造成信息傳輸延時，保證數據傳輸實時性。
(3)易於實現基於Internet的遠程控制和維護選擇事實標準的TCP/IP協議作為嵌入式網關的高層接口，實現IED的Intranet/Intetnet化，使得現場IED數據的收發都以TCP/IP方式進行，這樣可以保證網絡化的IED具有良好的互操作性。由於乙太網和網際網路能夠方便地實現互連，對站內IED的數據訪問可以方便地擴展到整個廣域網範圍內，實現基於Internet的遠程控制。
(4)廣泛的適用性本發明介紹的嵌入式網關雖然是針對變電站自動化系統而設計的，但幾乎可不作的改動即能應用於其他類似的數據傳輸領域。
此外，通過該嵌入式網關，採用TCP/IP(Transfer Control Protocol/InternetProtocol)協議這種標準的數據訪問方式，在整個廣域網範圍內實現對變電站內IED(Intelligent Electronic Device)數據的遠程訪問，實現基於Internet的設備遠程控制和維護。
四.
圖1是加入嵌入式網關後的變電站自動化系統結構示意圖。
圖2是嵌入式網關的功能原型示意圖。
圖3是嵌入式網關的硬體結構框圖。其中有CPU核心控制模塊1、存儲器模塊2、CPLD模塊3、看門狗定時器模塊4、串行通信模塊5、CAN總線通信模塊6、乙太網通信模塊7、控制總線CB、地址總線AB、數據總線DB。
圖4是乙太網接口模塊電路原理圖。
圖5是基於嵌入式網關的冗餘乙太網實現圖6是嵌入式網關的控制流程7是嵌入式網關中乙太網接口模塊軟體流程圖。
圖8是用戶數據進入協議棧時的封裝過程示意圖。
圖9是CPLD內部結構框圖。
圖10是本發明的嵌入式網關電路原理圖。
五具體實施例方式
(一)、嵌入式網關的硬體結構嵌入式網關的硬體結構按模塊化設計方法，主要分成基本80C196KC系統1，串口通信模塊2，CAN總線通信模塊3和乙太網通信模塊4等幾個部分，如圖3所示。
1、基本80C196KC系統基本80C196KC系統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)和看門狗定時器模塊(4)。
(1)CPU核心控制模塊CPU核心控制模塊(1)採用了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分支，適用於要求實時處理、實時控制的應用場合。與MCS-51系列相比，MCS-96系列在以下幾個方面提高了系統的實時性①CPU中的算術邏輯單元不採用常規的累加器結構，而是採用寄存器-寄存器結構。
②在80C196KC內部的512位元組寄存器中，24位元組是專用寄存器，其餘488位元組通過「垂直窗口」結構都可以作為通用寄存器，所以其通用寄存器的數量遠比一般CPU多。
③總線方式可以是8位、16位或8/16位動態切換，工作方式有正常方式和兩種節電方式(待機方式和掉電方式)。此外80C196KC還具有更多的I/O口、中斷向量以及外設。
(2)存貯器模塊存貯器模塊(2)包括一片32K×16bit的靜態數據存貯器IS61C3216，2片32K×8bit的EPROM 27C256拼裝成的16位程序存貯器。和採用8位的總線方式相比，採用16位的總線方式可以大大加速指令的執行速度，提高系統的實時性能。
(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(採用無片內ROM型晶片時)0100H-1FFDH以及2080H-0FFFFH，傳統的通用解碼器無法靈活地分配這些空間，採用可編程邏輯器件CPLD晶片實現地址以字節為單位的靈活分配。CPLD晶片內部以可編程的宏邏輯單元為基礎，可編程的連線集中在一個全局布線區。它可以允許使用大規模可編程邏輯晶片替代傳統的74LS系列和小規模GAL邏輯，從而在系統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，使系統靈活方便，而且縮短了開發周期。本系統中採用XILINX公司生產的型號為XC9572的CPLD。CLPD模塊(3)的主要功能有如下2個方面(CPLD內部結構框圖如圖8所示)①地址的鎖存，由於80C196K地址線和數據線復用，通過地址鎖存信號線ALE把16位地址線鎖存起來。同時通過地址線進行地址解碼，產生的片選信號有靜態數據存儲器晶片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，乙太網控制CS8900的片選信號CS8900。
②控制信號的擴展。擴展的控制信號有對IS61C3216高低字節的讀寫控制信號/WE，/OE，/LB，/UB等。
(4)看門狗定時器模塊看門狗定時器模塊(4)採用了集成了看門狗定時器，電壓監控和E2PROM三種常用的功能於單個封裝之內的Xicor公司的X25043。這種組合降低了系統成本並減少了對電路板空間的要求。看門狗定時器對微控制器提供了獨立的保護系統。當系統故障時，在可選的超時周期之後，X25043看門狗將以復位信號做出響應，有效地增強了系統的可靠性。
2、串行通信模塊串行通信模塊5由MAX232(U12)，MAX485(U11)和撥子開關(S3)構成，它們均從80C196的串口擴展，實現TTL電平和串行電平之間轉換。在實際應用中可以用戶根據需要，用跳線開關S3選擇RS-232接口或RS-485接口，提供給用戶更多的選擇。同時，RS-232可以作為現場調試埠，給現場工程調試帶來極大方便。
3、CAN總線通信模塊CAN總線通信模塊6由PHILIPS公司的獨立CAN總線控制器SJA1000(U8)和Intel公司的CAN總線收發器82C250(U9)組成。SJA1000實現CAN總線的邏輯鏈路控制和介質訪問控制。82C250則實現和物理傳輸介質的接口和驅動。
CAN控制器SJA1000主要由實現CAN總線協議部分和與微處理器接口部分電路組成，可完成CAN總線協議的物理層和數據鏈路層的功能，支持CAN2.0A協議及CAN2.0B協議，具有BasicCan以及PeliCan兩種工作模式；SJA1000內部提供了128個寄存器，CPU通過8位地址線訪問SJA1000內部的寄存器；接受緩衝區提供了64位元組的FIFO，CAN總線上通過接受過濾器的數據首先被放到接受緩衝區中，接受寄存器作為接受緩衝區的映射寄存器，當接受寄存器中為空時，接受緩衝區中的數據會填充到接受寄存器中；為了增強錯誤處理功能，內部提供了特殊功能寄存器，仲裁丟失捕捉寄存器存有關於丟失仲裁位的位置信息，出錯碼捕捉寄存器存儲總線上出現錯誤的類型和位置信息。
CAN收發器82C50是CAN協議控制器和物理總線的接口，提供了對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力。
4、乙太網通信模塊乙太網通信模塊7主要由乙太網控制器(U10)、脈衝隔離變壓器(U13)和外圍接口電路構成，如圖4所示。
乙太網控制器選用了Cirrus Logic公司為工業控制這類對可靠性要求極高的應用場合專門設計的乙太網控制器CS8900。CS8900高集成度的設計，使其不再需要像其他乙太網控制器晶片所必須的外圍器件。CS8900 4K字節的片上RAM，可以對發送和接收的報文完全緩衝。包括Manchester編碼/解碼器，時鐘恢復電路，10BASE-T收發器和完整的AUI接口的前置模擬電路簡化了電路設計。10BASE-T收發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，並支持接收極性倒置自動檢測和校正。AUI埠則提供了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。它獨特的PacketPage結構能夠自動地適應不斷變化的網絡流量和可用系統資源，大大提升了系統性能。
(二)、通信網絡的冗餘實現變電站內通信網絡是實現控制命令，事件告警和採樣數據快速、可靠傳輸的高速數據通道，是變電站實現自動化的關鍵技術之一，其性能直接影響變電站自動化系統的整體性能。因此，在工程實踐中，站內通信網絡通常需要採用雙重化冗餘設計確保站內數據傳輸的可靠性，實時性。
在變電站內通信網絡設計中，最常用同時也是比較有效的冗餘方式是並聯式熱備用。對採用嵌入式網關實現異構網絡互聯的情況，有多種不同的設計方案。一種就是採用設備的1∶1冗餘設置實現網絡的雙重化設計。即通信網絡是兩個完全獨立的系統，一個處於運行狀態，一個處於熱備用狀態。每個網絡節點都有一個獨立的IP位址、MAC地址、乙太網驅動和TCP/IP協議棧。當處於運行狀態的網絡出現故障時，處於熱備用狀態的網絡立即切換到工作狀態。這種方案缺點在於應用層必須另設功能複雜的網絡管理模塊，實時監測網絡運行狀況，實現網絡故障處理、網絡切換、網絡恢復後的重啟以及流量控制和分配等功能。這勢必大大增加了應用程式的複雜性。在資源受限的嵌入式系統設計中這個問題尤為突出。
另一種可行的方案，就是對前文所述及的硬體實現方案稍作修改，添加一組乙太網控制部件一乙太網控制器、隔離變壓器和RJ-45插座，實現物理層的雙重化設計，實現互為冗餘的兩個網絡鏈路完全獨立，保證兩個網絡的物理信號隔離和故障隔離，如圖5所示。
這種情況下，每個嵌入式網關只有一個IP位址，但有兩個具有各自MAC地址和乙太網驅動的乙太網控制器。TCP/IP協議棧綁定於其中的一個乙太網控制器。當網絡故障切換時，只需把TCP/IP協議棧和原來的乙太網控制器解綁，同時將協議棧重新綁定到另一個乙太網控制器即可容易實現網絡之間切換。
(三)、嵌入式網關的軟體設計嵌入式網關的軟體設計遵循模塊化設計方法，採用Tasking C語言編程，方便調試、維護和移植。和硬體模塊相對應，通信控制器的軟體主要包括主程序模塊，串口驅動模塊，CAN總線驅動模塊，乙太網驅動模塊、TCP/IP協議處理模塊和應用層協議處理模塊。本發明的控制流程如圖6所示。
嵌入式網關的主要功能在於實現低速串行總線和現場總線和高速乙太網之間的互連，以及串行總線協議或現場總線協議到TCP/IP協議的轉換，最終實現不同廠商的異構網絡互聯。因此，軟體設計的主要工作在於RS-232/485、CAN總線和乙太網驅動程序實現以及TCP/IP協議的實現。
乙太網的介質訪問控制(MAC)和邏輯鏈路控制(LLC)，包括衝突檢測，幀頭(Preamble)的產生和檢測，CRC校驗和產生等已由CS8900中的802.3 MACEngine實現，因此，乙太網驅動模塊主要是對其物理接口選擇，工作方式初始化和對乙太網數據幀發送和接收的處理。中斷方式下，乙太網幀發送接收中斷服務程序流程如圖7所示。
TCP/IP協議處理模塊是將串行總線協議或現場總線協議轉換到TCP/IP協議。來自應用程式的數據，經過如圖8所示的封裝實現串行總線協議或現場總線協議和TCP/IP協議之間的轉換。
若某一應用要將一組數據Data傳送給網絡中的另一個節點，則應先確定此數據需要採用TCP還是UDP傳輸的傳輸服務方式，然後將此數據傳送給TCP進程或者UDP進程，由它們將數據加上報頭後傳送給IP進程，IP進程通過地址識別協議ARP將UDP協議數據單元或者TCP協議數據單元中的所含的IP位址轉換成物理網絡地址，再加上IP首部後作為IP協議數據單元傳送至鏈路層。如前所述，通信控制器中數據鏈路層和物理層的協議是由CS8900中的MAC Engine實現，由其再加上乙太網首部和尾部成為乙太網幀在物理介質上傳輸。接收數據時的過程與此相反。
由於應用於變電站內這樣特殊的應用場合，因此嵌入式網關的軟體設計應確保整個通信網絡的實時性和可靠性。同時還應儘可能簡化程序設計，減少對存貯空間的需求。因此，實際應用中嵌入式網關的傳輸層採用無連接但高效率的UDP協議，採用廣播和組播方式，保證數據傳輸的實時性。由應用層採用「請求/確認/重發」機制保證數據傳輸可靠性。
應用層協議除執行簡單網絡管理任務外，主要處理應用相關的特定事務。作為在變電站間隔層和變電站層之間進行工作的嵌入式網關，其應用層軟體設計主要包括循檢，遙信，遙測，遙調和遙控等事務處理。嵌入式網關向下以串行總線或CAN總線數據幀格式主動輪詢現場IEDs中實時採樣值，開關狀態和事件報文，並形成實時資料庫。監控主站也採用輪詢方式，但以乙太網幀格式按一定輪詢周期定時召喚通信控制器中報文，一次性地將該通信控制器所管理的所有現場IED中的數據召喚回監控主站由其分析處理。來自監控主站的下行報文由於數據長度較短，需填充至最短乙太網幀有效長度(64位元組)，而上行報文一般無需作特別處理即可滿足乙太網幀有效長度的限制。通過這種方式有效解決了乙太網幀和CAN總線數據幀有效長度懸殊的問題。此外，嵌入式網關還接收來自監控主站或遠方調度中心地控制命令，下發給現場的IED，執行定值調整，開關分合，變壓器分接頭調整和電容器投切等操作。
權利要求
1.一種能實現異構網絡互聯的嵌入式網關，其特徵在於該網關包括CPU核心控制模塊(1)、存儲器模塊(2)、CPLD模塊(3)、看門狗定時器模塊(4)、串行通信模塊(5)、CAN總線通信模塊(6)、乙太網通信模塊(7)；其中看門狗定時器模塊(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；乙太網通信模塊(7)的輸出端接乙太網；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)、乙太網通信模塊(7)分別以總線連接的方式與控制總線(CB)、地址總線(AB)、數據總線(DB)相連接。
2.根據權利要求1所述的能實現異構網絡互聯的嵌入式網關，其特徵在於看門狗定時器模塊(4)中可編程看門狗監控EEPROM晶片(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(S3)分別接串行通信模塊(5)中RS-485電平轉換晶片(U11)的「TI1、RO1」端和RS-232電平轉換晶片(U12)的「DI、RO」端；串行通信模塊(5)的輸出端，即RS-485電平轉換晶片(U11)的「A、B」端和RS-232電平轉換晶片(U12)的「TO1、RI1」端通過撥子開關(S3)選擇，接串行口(RS-232/485)；CAN總線通信模塊(6)的輸出端即CAN總線收發器(U9)的「CANH、CANL」端接CAN總線；乙太網通信模塊(7)的輸出端即乙太網控制器(U10)的「RXD-、RXD+、TXD-、TXD+」端通過隔離脈衝變壓器(U13)接乙太網；CPU(U3)、存儲器模塊(2)中的程序存儲器(U5、U6)、數據存儲器(U7)、CPLD模塊(3)中的複雜可編程邏輯器(U4)、CAN總線通信模塊(6)中的CAN控制器(U8)、乙太網通信模塊(7)中的乙太網控制器(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」、數據線「A0-A15」分別與控制總線、地址總線、數據總線相連接。
全文摘要
能實現異構網絡互聯的嵌入式網關是一種用於變電站自動化通信系統的實現異構網絡互聯的嵌入式網關，該網關包括CPU核心控制模塊1、存儲器模塊2、CPLD模塊3、看門狗定時器模塊4、串行通信模塊5、CAN總線通信模塊6、乙太網通信模塊7；其中看門狗定時器模塊的輸出端接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；乙太網通信模塊的輸出端接乙太網；CPU核心控制模塊、存儲器模塊、CPLD模塊、CAN總線通信模塊、乙太網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、數據總線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 優先權日2003年8月28日
發明者胡敏強, 吳在軍, 秦申蓓, 鄭建勇, 杜炎森, 王振曦 申請人:東南大學