雙高嵌入式工控機(jī)平臺在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞　電力系統(tǒng)　嵌入式80X86 CPU　LonWorks網(wǎng)絡(luò)　DSP技術(shù)
分類號　TM 73　TP 39

APPLICATION OF DOUBLE HIGH EMBEDDED INDUSTRIAL CONTROL
COMPUTER PLATFORM IN POWER SYSTEMS

Chen Yi(Beijing Control Industrial Computer Company, 100080, Beijing, China)

Keywords　power systems　embedded 80X86 CPU　LonWorks network　DSP technology

0　引言

　　保證高度可靠性，提高運(yùn)行性能，同時還能靈活應(yīng)用和便于擴(kuò)展是電力系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控設(shè)計的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，主要采用兩種平臺：專用結(jié)構(gòu)平臺和通用工控平臺。前者主要采用8051，80C196等單片機(jī)作主CPU，以RS—485，CAN和LonWorks作為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，大多采用單板或自定義的小總線，有較強(qiáng)的針對性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，整體性能和可靠性較高，但存在著通用性、可擴(kuò)充性以及系統(tǒng)升級等方面的不足。后者通常采用目前廣泛使用的STD總線工控機(jī)、工業(yè)PC和PC104等總線，結(jié)構(gòu)通用性、可擴(kuò)充性較好，也易于系統(tǒng)的升級，但是由于采用通用結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)有較多的冗余，總線的“金手指”、過多的插件和扁平電纜也降低了系統(tǒng)的可靠性。
　　為此，北京康拓工業(yè)電腦公司開發(fā)出能滿足高可靠性、高性能，又有較好通用性和可擴(kuò)充性，適合電力系統(tǒng)的工控機(jī)平臺。整個系統(tǒng)采用模塊化插件結(jié)構(gòu)，模板之間通過可靠的并行總線互聯(lián)；系統(tǒng)包括以80X86和LonWorks網(wǎng)絡(luò)為核心的主控板及高性能、功能獨(dú)立的智能I/O。目前已在一些保護(hù)監(jiān)控方面開始應(yīng)用。

1　模塊化插件結(jié)構(gòu)

　　從“開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組合設(shè)計方法”的思想來看，系統(tǒng)的設(shè)計仍采用模塊化的插件結(jié)構(gòu)，模板之間采用總線結(jié)構(gòu)連接是一種較好的方法，利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級。
1.1　插件結(jié)構(gòu)
　　電力系統(tǒng)中信號線與I/O模板的連接一般采用繞接的方式，如歐式48芯繞接頭；同時要求I/O接口從模板后端引出,前模板主要是人機(jī)接口，如液晶接口和小鍵盤接口，使用通用的STD或PC總線結(jié)構(gòu)的工控機(jī)都很難滿足此要求。因此插件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)VME雙高尺寸，機(jī)箱是6U高度，上半部分是I/O總線，直接給出繞接方式的接口，下半部分是數(shù)據(jù)、地址和控制三總線(見圖1)。

圖1　模板結(jié)構(gòu)框圖
Fig.1　The structure of module

1.2　總線
　　采用插件結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，廣泛使用標(biāo)準(zhǔn)并行底板總線。它能以簡單的硬件支持高速數(shù)據(jù)傳輸和處理，并使整個系統(tǒng)具備較高的兼容性及靈活的配置。
　　采用96芯歐式針孔結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，插針方式比“金手指”方式接觸更可靠，特別是在對可靠性要求較高的惡劣環(huán)境中，插針整個包在插座里，與外界環(huán)境隔離，更能抵御惡劣環(huán)境的影響。
　　信號采用標(biāo)準(zhǔn)ISA定義。ISA是最適合80X86的總線。對于采用80X86的系統(tǒng)，只需加上總線驅(qū)動芯片就可基本滿足目前ISA的要求，同時也可以最大限度地利用目前與80X86配套的芯片，顯然這些芯片的價格也比較適宜。
1.3　功能的獨(dú)立性
　　模塊之間通過總線互聯(lián)，模板和總線之間通過總線驅(qū)動芯片將三總線和板外總線隔離，減少模板間的干擾。
　　整個系統(tǒng)可分為事務(wù)性模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊。事務(wù)性模塊由80X86和LonWorks網(wǎng)絡(luò)主控CPU完成：處理網(wǎng)絡(luò)操作，協(xié)議轉(zhuǎn)換；人機(jī)接口（如小鍵盤、液晶顯示）；利用模板上的大規(guī)模非易失存儲單元，保存數(shù)據(jù)采集處理模塊上的數(shù)據(jù)；利用板上的日歷鐘、串行口等完成其他事務(wù)性操作；還可操作一些開關(guān)量輸入和輸出，以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)采集處理模塊的開入、開出的不足。數(shù)據(jù)采集處理模塊主要是以DSP為核心的智能A/D，它肩負(fù)著模擬量的采集、處理及一些重要的出口控制功能。一個系統(tǒng)中可以有多塊數(shù)據(jù)采集處理模塊。因此事務(wù)性處理模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊以及由事務(wù)性處理模塊控制的開入/開出，可有效實(shí)現(xiàn)一個系統(tǒng)內(nèi)的分散控制和集中管理。
　　系統(tǒng)功能的獨(dú)立性也標(biāo)志著系統(tǒng)整體可靠性的提高。主CPU的功能獨(dú)立，智能A/D的功能獨(dú)立，所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)，任何一者的非災(zāi)難性的失效（如電源與地由于芯片擊穿而短路），都不會造成其他模板失效。每個模塊獨(dú)立運(yùn)行，使模板之間可以互相監(jiān)督。
　　功能的獨(dú)立性可根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模靈活配置，事務(wù)性處理較少的系統(tǒng)可以V40為主控模塊，事務(wù)性處理較多的可采用386EX，甚至是ST公司486PC。同樣數(shù)據(jù)采集處理模塊可選擇16路、32路、64路，甚至更多路模擬量輸入，可采用高性能如TMS320C32，低性能如TMS320F206，甚至是80C196。在所有同一類型的模塊中，除主CPU不同外，力求其他硬件功能模塊都保持一致，這樣可以使軟件在主控模塊中匯編級兼容，在其他模塊中C語言級兼容，方便用戶系統(tǒng)的移植。

2　智能通信

　　根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，采用無中心控制模式，使控制節(jié)點(diǎn)盡量靠近被控設(shè)備。變電站層和單元層可以都使用統(tǒng)一的LonWorks網(wǎng)絡(luò)，采用相同的通信協(xié)議。
　　變電站層包括全站(網(wǎng))性的用于本站監(jiān)控的監(jiān)控主機(jī)、系統(tǒng)和用于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工程師站，一般裝在控制室中。單元層的設(shè)備一般放在現(xiàn)場，按照分布式系統(tǒng)的原則，各單元之間沒有電路連接，可以通過網(wǎng)絡(luò)對等(peer to peer)交換數(shù)據(jù)。當(dāng)一個單元的監(jiān)控、保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)故障或異常，可以僅停下該單元設(shè)備進(jìn)行檢查處理，不影響其它單元。
　　LonWorks技術(shù)，符合ISO的7層開放網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有效地解決互操作性問題。作為現(xiàn)場總線，在變電站自動化系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用。

3　以80X86為核心的主控模塊

　　80年代以來，相繼推出以80X86為核心的PC機(jī)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、辦公自動化、商業(yè)、家庭等領(lǐng)域，也相應(yīng)地在電力系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
　　V40(uPD70208)是一種高性能的CMOS、全靜態(tài)嵌入式8位微處理器芯片(相當(dāng)于80188)。V40集成了許多外圍器件，在軟件上完全和8088 CPU兼容。386EX是Intel公司1994年推出的、適合工業(yè)控制32位高性能的嵌入式CPU。采用CMOS工藝和靜態(tài)器件設(shè)計，完全符合工業(yè)現(xiàn)場的低功耗、高可靠性、能夠在惡劣環(huán)境中使用的要求。
　　除了上述CPU，主控模塊還包括總線部分、系統(tǒng)復(fù)位、電源管理等。總線匹配、總線驅(qū)動和總線隔離主要完成總線對主控模塊的隔離，同時保證三總線驅(qū)動芯片的個數(shù)只與系統(tǒng)模塊的個數(shù)有關(guān)。系統(tǒng)的復(fù)位可以根據(jù)需求采用復(fù)位輸出或輸入。采用輸出方式時，主控CPU能夠?qū)ζ渌０暹M(jìn)行復(fù)位；如果采用輸入方式，系統(tǒng)有一個總的電平監(jiān)測和看門狗復(fù)位輸出，對系統(tǒng)其他模塊進(jìn)行復(fù)位控制。
　　大容量只讀電子盤，用于存儲用戶程序；大容量可讀寫的電子盤，采用M—System公司的DOC2000，最大空間可達(dá)100 MB,作為大規(guī)模的數(shù)據(jù)保存；高可靠可讀非易失存儲器,采用高可靠E²PROM，用于存儲定值。
　　主CPU模塊還包含日歷鐘、液晶控制和小鍵盤控制，可方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。

4　數(shù)字信號處理器DSP

　　DSP與目前通用的CPU不同，是一種為了達(dá)到快速數(shù)學(xué)運(yùn)算而具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器?？焖俚闹噶钪芷?、哈佛結(jié)構(gòu)、流水操作、專用的乘法器、特殊的DSP指令，再加上集成電路優(yōu)化設(shè)計，可使DSP的指令周期達(dá)200 ns。
　　DSP具有相當(dāng)強(qiáng)大的處理能力，在相同的主頻下，甚至比目前最先進(jìn)的個人計算機(jī)要快10倍～50倍。DSP不再單純作為數(shù)據(jù)采集，還同時肩負(fù)以往由主CPU完成的主要運(yùn)算功能。采用DSP為核心的智能A/D，完全可以獨(dú)立完成電力系統(tǒng)中一個獨(dú)立的功能模塊，例如在保護(hù)中，可以直接通過DSP發(fā)出保護(hù)動作，不必上傳到主CPU，可以大大加快系統(tǒng)的反應(yīng)時間。因此智能A/D同時具有開關(guān)量輸入/輸出的功能。