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DNP3.0在基于DSP的FTU中的實(shí)現(xiàn)
摘要：饋線(xiàn)終端單元(FTU)是配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的重要組成部分，以DSP為核心構(gòu)成的FTU具有運(yùn)算速度快和精度高等特點(diǎn)， 而DNP3.0則是FTU與配網(wǎng)主站通信的主流規(guī)約。討論了在DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)DNP3.0的特殊性，介紹了DSP片內(nèi)異步串口的使用方法，給出了程序的主要流程圖和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及涉及串行通信的C語(yǔ)言源碼。DNP (Distributed Network Protocol，分布式網(wǎng)絡(luò)規(guī)約)是HARRIS公司推出的一種遠(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約，是目前電力系統(tǒng)自動(dòng)化產(chǎn)品市場(chǎng)上的一種主流通信規(guī)約。它既可作為FTU(Feeder Terminal Unit，饋線(xiàn)終端單元)與配網(wǎng)主站之間的規(guī)約，又可作為RTU與調(diào)度主站之間的規(guī)約。由于目前我國(guó)的大部分配電自動(dòng)化(DA)產(chǎn)品都支持DNP3.0，為使產(chǎn)品更具兼容性和標(biāo)準(zhǔn)性，F(xiàn)TU有必要采用DNP3.0作為其與配網(wǎng)主站之間的通信規(guī)約。
FTU作為配電自動(dòng)化系統(tǒng)(DAS)中重要的組成部分，除擔(dān)負(fù)最基本的測(cè)量與控制任務(wù)外，還要與中心子站或主站進(jìn)行通信。某些FTU還具有微機(jī)保護(hù)功能，故而其核心部分一般采用高檔次的16位或32位單片機(jī)。但在交流采樣的情況下，單片機(jī)計(jì)算U、I有效值以及P、Q等參數(shù)往往力不從心，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差。雖然可以通過(guò)采用主—從結(jié)構(gòu)來(lái)解決，但這樣無(wú)疑要增加成本。DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)恰恰以數(shù)學(xué)計(jì)算(如快速傅立葉變換)而見(jiàn)長(zhǎng)，雖然它的控制功能遜于單片機(jī)，但由于FTU只負(fù)責(zé)監(jiān)控一路柱上開(kāi)關(guān)，故而在這種測(cè)控量不多的情況下，如果不需要就地保護(hù)功能，一片DSP還是完全能夠勝任的。TMS320F206(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F206) 是TI公司生產(chǎn)的TMS320C2000系列中的一款主流DSP，它屬于16位定點(diǎn)DSP，可應(yīng)用于電機(jī)控制以及工業(yè)自動(dòng)化和電力行業(yè)中，價(jià)格接近普通16位單片機(jī)。FTU以一片TMS320F206為核心，并輔以A/D轉(zhuǎn)換器等外圍器件，即可完成測(cè)控、參數(shù)計(jì)算和通信等任務(wù)。
由于DNP3.0幀格式中的基本單元是8位整型數(shù)(BYTE字節(jié))，而F206中的數(shù)據(jù)總線(xiàn)是16位的，尋址時(shí)是以字(WORD)為單位，而且TI提供的C語(yǔ)言中也沒(méi)有8位整型數(shù)，這樣在F206平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)DNP3.0時(shí)就存在一個(gè)8位/16位轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。另外，大多數(shù)DSP利用外接UART(通用異步收發(fā)器)來(lái)實(shí)現(xiàn)串行通信。本文著重討論如何在保證程序清晰和高效的前提下利用F206片內(nèi)異步串口實(shí)現(xiàn)以DNP3.0為通信協(xié)議的串行通信。
1 DNP3.0簡(jiǎn)介[4～5]
DNP3.0為純軟件的通信協(xié)議，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它基于IEC 870-5標(biāo)準(zhǔn)，采用了ISO七層模型中的三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其結(jié)構(gòu)為增強(qiáng)協(xié)議結(jié)構(gòu)。這種分層結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)傳送的可靠性大大提高，同時(shí)也便于軟件編程的模塊化。物理層一般采用普通的RS232或RS485；鏈路層采用CRC校驗(yàn)；為了滿(mǎn)足較長(zhǎng)數(shù)據(jù)包的傳送，又增加了一個(gè)偽傳輸層。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)它可以將較長(zhǎng)的應(yīng)用層報(bào)文拆分為多個(gè)短幀然后多幀傳送，反之，接收時(shí)將短幀組裝成完整的應(yīng)用層報(bào)文。
2 系統(tǒng)硬件
2.1 結(jié)構(gòu)框圖
硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
2.2 F206片內(nèi)異步串行口介紹[2～3]
F206片內(nèi)具有一個(gè)8位全雙工ASP(Asynchronous SerialPort，異步串行口)，可以完成并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，并可以產(chǎn)生可屏蔽硬件中斷TXRXINT。有關(guān)的外部引腳共6個(gè)：發(fā)送端TX、接收端RX、IO0、IO1、IO2、I03，一般情況下只使用TX和RX就足夠了(另外還有一根地線(xiàn))。
與編程有關(guān)的片內(nèi)16位寄存器共4個(gè)：異步數(shù)據(jù)發(fā)送和接收寄存器ADTR、異步串口控制寄存器AS-PCR、I/O狀態(tài)寄存器IOSR、波特率除數(shù)寄存器BRD，均映射至I/O空間。ADTR為讀/寫(xiě)寄存器，高8位恒為0，向ADTR寫(xiě)數(shù)據(jù)即可啟動(dòng)串口發(fā)送。ASPCR用來(lái)控制串口的工作方式，BIT8為發(fā)送中斷屏蔽TIM，BIT7為接收中斷屏蔽RIM，BIT6為停止位選擇STB。IOSR反映串口的工作狀態(tài)，BITll為發(fā)送寄存器空指示位THRE，BIT8為接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒位DR。BRD用作波特率發(fā)生器，BRD值=CLKOUTl頻率/(16×波特率)。
值得注意的是，F(xiàn)206片內(nèi)串口與通用異步串口略有不同。它只支持最常見(jiàn)的1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1或2位停止位。另外幾種特殊格式不予支持，如6或7位數(shù)據(jù)位、1.5位停止位等。為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)各種可能的通信方式，還應(yīng)當(dāng)擴(kuò)展一路以上的通用異步收發(fā)器(UART)，本例采用TI公司的單路異步串口TLl6C550。關(guān)于這類(lèi)芯片有很多文章介紹過(guò)，在此不再贅述。
3 軟件部分
3.1 編程語(yǔ)言
采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP程序不僅可讀性和可移植性都很好，還能大大加快開(kāi)發(fā)速度。但用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)某些硬件控制不如匯編方便，且實(shí)時(shí)性不如匯編[1]。因此采用在C程序中直接嵌入?yún)R編語(yǔ)句來(lái)完成通信模塊程序的編寫(xiě)，除極少數(shù)采用匯編語(yǔ)言以外，絕大部分采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。
3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義
由于F206中的數(shù)據(jù)總線(xiàn)為16位，故而TI提供的C語(yǔ)言(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TI C)與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類(lèi)型略有不同。char、unsigned char、int和short均為16位，enum也為16位。相應(yīng)地，sizeof(int)和sizeof(short)的結(jié)果為1，而不是2，這一點(diǎn)在計(jì)算幀長(zhǎng)度時(shí)尤為重要，習(xí)慣于標(biāo)準(zhǔn)C的編程人員一定要特別注意。
由于DNP3.0幀格式中的基本單元是字節(jié)，而TI C中卻沒(méi)有這一數(shù)；據(jù)類(lèi)型，在用結(jié)構(gòu)體類(lèi)型定義具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，都是按字(WORD)對(duì)齊的，因此只能將DNP3.0數(shù)據(jù)格式中的BYTE定義為16位無(wú)符號(hào)整數(shù)WORD，將DNP3.0中的WORD定
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