基于以太网通信技术的智能型低压断路器

     摘要: 提出一种基于以太网通信技术的新型低压断路器智能控制器设计方法。以DSP 芯片TMS320F2812 和太网控制器RTL8019AS 为，搭建了智能控制器的硬件电路和以太网通信接口电路，并给出了部分软件设计。调试结果表明，该系统可通过直接的以太网通信方式实现较好地交互。

　　0 引言

　　低压断路器作为供配电系统中的重要电器元件之一，其作用是保护电气配电网络和工业设备免受短路、过载等故障的损坏。智能控制器是实现低压断路器智能操作的部件，其基本任务是通过对电网参数的采集和处理来给出相应的控制信息。随着通信技术和网络技术在配电系统中的应用，以及工业控制网络化的发展，实现现场级的EtherNet /Internet 通信成为断路器智能控制器的发展趋势。

　　本文在实现断路器智能控制器各种选择性保护、显示、故障记录、自诊断、试验以及控制等功能的基础上，提出一种基于以太网通信技术的新型断路器智能控制器设计方法。

　　1 工业以太网技术特点

　　近年来，工业以太网技术以其不断提高的性能和迅速降低的成本，使得新一代的工业自动化网络几乎都建立在以太网基础之上，使之成为当前的技术热点，并有望成为新一代低压电器设备通信和控制的主流技术。

　　以太网技术优势有:① 数据传输速率高，目前已达到100 Mb /s，并能提供足够的带宽;② 能在同一总线上运行不同的传输协议;③ 在整个网络中，运用变互式和开放的数据存取技术;④ 允许使用不同的物理介质和构成不同的拓朴结构。

　　以太网用于工业控制的改进如下:

　　(1) 实时性。实时性是信息网与工控网主要的差别，现代的工控网都采用周期与非周期报文两种机制。周期报文用于传递控制命令、实测数据等时间要求高的少量参数，具有高的优先级和简单的报文结构，保证快速性;非周期报文用于参数设置、程序上载/、系统配置等操作，优先级低，但可完成复杂操作。工业以太网是利用以太网的资源实现工业通信的要求，许多标准都采用有连接的TCP / IP 传递非周期报文，而利用无应答的报文结构简单的UDP 规约传递周期报文，同时通过专用的硬件处理协议以提高速度。当然，以太网的冲突会造成数据帧的破坏，并需要经过延时重发，如果冲突几率提高就不能保证实时性，好在以太网的通信速率很高，只要适当控制网络负荷量，网络的实时性可以解决，各种不同组织对此都有不同的解决方案，从而产生不同的结果。

　　(2) 安全性。以太网是开放的网络，如今控制管理一体化的网络方便了管理和远程操作，但也带来安全问题，如何防止外界对控制系统的干预是需要考虑的问题。

　　(3) 工业使用环境的要求。在商业用环境下发展起来的以太网，转到工业应用时，很多部件(如电缆、连接器、路由器、网卡) 都需要作环境适应性修改。

　　(4) 时钟同步。分散控制系统的时钟同步技术是为网络提供一个共同的时间基准，同步决定了所记录事件的时间，高的时间基准对于系统是非常重要的。

　　2 智能控制器总体结构

　　设计的低压断路器智能控制器的总体结构如图1 所示。电压互感器(PT) 和电流互感器(CT)分别检测供电线路中的电压和电流信号，并将其转换为模拟电路可处理的电平信号，经过调理电路的采样、滤波、放大等处理，送入DSP 芯片TMS320F2812 自带的A/D 转换模块，从而转换为数字信号供DSP 进行运算和处理，运算结果与整定值比较，输出符合预设保护特性的逻辑电平信号，这些信号经放大后可直接驱动脱扣执行机构，使断路器动作。

　　各种故障保护的动作电流和时间整定值通过液晶显示和键盘设定，并预先存储在Flash 中。同时，通过以太网控制器来实现系统与远端监控中心的以太网通信。

图1 低压断路器智能控制器总体结构

　　3 以太网接口模块

　　设计采用以太网控制器RTL8019AS 与TMS320F2812 相连，通过网络隔离器后，接入以太网中。RTL8019AS 是一种兼容NE2000 的高集成度的以太网控制器，它实现了以太网媒介访问层(MAC)和物理层(PHY)的所有功能，包括数据帧的组装/拆分与收发、地址识别、编码校验、曼彻斯特编解码、接收噪声抑制、输出脉冲成形、超时重传、链路完整性检测、信号极性检测与纠正等。按数据链路的不同，可将RTL8019AS 内部划分为远程DMA 通道和本地DMA 通道2 个部分。本地DMA 完成控制器与网络的数据交换;主处理器收发数据只需对远程DMA 操作。当主处理器要向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS 的发送缓冲区中，然后发出传送命令，RTL8019AS 会在完成上一帧的发送后，进行此帧的发送。RTL8019AS 接收数据时，将接收到的数据通过MAC 比较，CRC 校验后，通过FIFO 方式存到接收缓冲区中，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。主处理器再通过远程DMA 通道读取这一帧数据。

　　RTL8019AS 的外部总线符合标准，它与主控制器有3 种接口模式，即PnP 模式、RT 模式和跳线模式，在文中采用便于应用的跳线模式来选择/端口和中断。智能控制器以太网硬件接口电路图如图2 所示。

图2 智能控制器以太网硬件接口电路

　　为方便使用外部地址和数据总线在微控制器上增加存储空间，采用了具有64 kB × 8 存储空间的E2PROM 芯片24C512。它具有2 总线接口功能，功耗小，宽电源电压(2. 5 ～ 6. 0 V)，工作电流约为3 mA，静态电流随电源电压不同为30 ～110 μA，其连接电路原理图如图3 所示。

　　4 智能控制器软件设计

　　4. 1 μC/OS-II 嵌入式操作系统的应用

　　为了解决多任务协调困难的问题，将嵌入式操作系统移植到TMS320F2812 上。目前，可供选择的操作系统很多，如μC /OS-II、vxWorks、pSOS、nuclear、Linux、WinCE 等，其中μC /OS-II 嵌入式操作系统是一个完整的、源代码公开的、可移植可固化的、可裁剪的占先式实时多任务内核，将其作为智能脱扣器的操作系统，可提高系统的可靠性;降低开发成本，缩短开发时间和调试时间。将μC /OS-II 移植到TMS320F2812 上，主要工作是对OS_CPU. H、OS_CPU_C. C 及OS_CPU_A. ASM3个文件的改写。

图3 外部存储器连接电路

　　4. 2 μC/OS-II 的移植和LwIP 的移植

　　移植就是使一个实时内核能在目标微处理器或微控制器上运行。μC /OS-II 的结构以及它与硬件的关系如图4 所示。

图4 μC/OS-II 的体系结构

　　移植工作主要包括以下几个方面内容:

　　(1) 用#define 设置一些常量的值(OS_CPU.H)。

　　(2) 声明10 个数据类型(OS_CPU. H)。

　　(3) 用#define 声明3 个宏(OS_CPU. H)。

　　(4) 用C 语言编写6 个简单的函数( OS _CPU_C. C)。

　　(5) 编写4 个汇编语言函数(OS_CPU_A.S)。

　　LwIP 协议栈在设计时就充分考虑了将来的移植问题，因此，把所有与硬件、操作系统和编译器等相部分独立出来，放在/src /arch 目录下。因此，要将LwIP 移植到μC /OS-II 上，主要是通过修改该目录下的文件，其他文件一般不应修改。与μC /OS-II 的移植类似，LwIP 的移植主要包括与微处理器和编译器相关部分、与操作系统相关部分和网络设备驱动程序等3 个部分。

　　4. 3 应用程序的开发

　　应用程序的开发主要包括网口转串口程序和串口转网口程序的设计，网口转串口程序的设计包括网口接收任务、串口发送任务和串口发送中断程序的设计，串口转网口程序的设计包括串口接收中断程序和网口发送任务的设计。以太网的数据传输包括TCP 和UDP 两种方式，LwIP 协议栈对这2 种数据传输方式均支持。基于可靠性的考虑，在此选择用TCP 的方式传输数据。应用程序的任务就是建立起以太网中传送的基于TCP传输方式的数据包和不同端口号(PORT) 的串口的对应关系，使得服务器能够准确地接收和发送数据。TCP Server 接收任务流程图如图5 所示，其他应用程序的流程图限于篇幅不再一一给出。

图5 TCP Server 接收任务流程

　　4. 4 嵌入式Web 服务器的实现

　　并发处理多个客户请求功能的实现有多种方法，现采用的方法是:当有新的客户请求时，申请一个新的TCP 连接数据结构记录该客户的各种信息，直到与该客户相关的处理结束后则释放掉该数据结构供其他连接使用。由于本系统功能比较简单，多只允许5 个客户端同时连接，超过5个连接部分的请求系统将会忽略，这时客户端得不到任何回应。该系统的Web 服务器主要提供IP 地址、网关地址、母串口波特率和子串口波特率等参数信息。因此，这里可以利用固定的主页模板，在每次响应客户请求的时候在模板中嵌入所需的数据，这些数据具有固定的格式，从而实现了生成具有实时动态数据页面的功能。所有数据文件均以标准的HTML(超文本标注语言)格式存储、传输和浏览。

　　4. 5 远程配置程序和网上在线更新功能实现

　　Telnet 客户进程可以使用标准的网络虚拟终端(NVT)同其他一些非Telnet 服务器进程进行数据交互。这里即是利用这个特性，设计了一个简单的可以用标准Telnet 客户端登录的类似标准Telnet 的服务器，实现了Telnet 远程配置功能，服务器的端口号为88。对于该系统，由于具有网络接口，因此，可通过网络接收需要更新的程序等信息，然后再利用已实现的Flash烧写程序将程序烧写进Flash中，即可实现网上在线更新程序的功能。

　　5 结语

　　为实现断路器的以太网通信和智能化等功能，设计了一种基于以太网通信技术的新型断路器智能控制器。经现场样机调试结果表明:该系统在实现较好地保护、测量、监控等功能的基础上能够通过直接的以太网通信方式与网络上的远程监控主机进行交互。该设计不仅具有很高的使用价值，同时，对工业控制网络中其他智能电器的设计也提供了一定的参考价值。

  

参考文献:

[1]. TMS320F2812  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F2812+_1116432.html.
[2]. RTL8019AS  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RTL8019AS+_1096173.html.
[3]. 24C512 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/24C512_32376.html.