基于lwIP的电力系统2M通道测试仪的研制.doc

基于IwIP的电力系统2M通道测试仪的研制颜云松宋锦海司庆华（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市210003）摘要：当前电力系统二次设备跨站之间的主要接曰方式采用E1接口，长期以来二次设备生 产厂家对2M通道的应用层功能测试都是采用基于RS232串曰通信的方式，将2M通道上的通 讯信息通过RS232串I」传送到后台分析软件，通常RS232串口的通讯速率不高，对2M通道 的数据不能完全实时保存，不利于装置程序问题的分析和定位随着电了和计算机技术的发 展，便携式电脑上已经很少配置传统的串口，这给工程现场的调试和维护人员带来不便木 文介绍了采用高性价比的ARM处理器和10M网络接口芯片的方案，并对uC/OS-II操作系统 和IwIP协议栈的移植进行了研究，实现了 2M通道数据的实时I阿络化测试关键词：2M通道、ARM、IwIP、uC/OS-IL安全稳定控制The development of 2M channel test device based on IwIPYAN Yunsong, SONG Jinhai, SI Qinghua（NARI Group Corporation, State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing, 210003, China） ABSTRACT: At present the power system communication of the secondary equipment between stations mainly use El interface. For a long time, the test of 2M channel application layer is based on RS232 serial communication. The real-time data of 2M channel is sent to the back-analysis software through the RS232 serial port .Because the RS232 serial communications speed is not high enough, the real-time data of 2M-channel can not be completely saved, which brings trouble to problems analysis and location. With the development of electronic and computer technology, a portable computer has hardly been equipped with a traditional serial port, which gives the project engineer inconvenience. This article uses cost-effective ARM processor and 10M network interface chip program. It describes the uC / OS-II operating system, migration of IwIP TCP/IP protocol stack, and achieves 2M-channel data real-time test network-based.KEY WORDS: 2M channel, ARM, IwIP, uC / OS-II, security and stability control system。

引言通信技术的发展带动了电力系统通信方式的改变目前，基于SDH （同步数字体系） 的电信网技术已经成为电力系统远距离通信的主要方式作为电信传输网的主要网络终端节 点，2M接口和64K接口在变电站继电保护装置和安全稳定控制装置中大量应用当前，市 场存在许多2M误码测试仪，这些测试仪多用于电信2M线路的开通、验收与维护，主要进 行误码率的测试，测试的对象属于2M通道的链路物理层而对于继电保护厂家的工程调试 人员或者是变电站的廿常运维人员来说，更多的是关心基于2M通信的应用层的问题长期以来，各个厂家多采用带RS232接口和2M接口的通信板，通过RS232接I」和PC 机相连，日行编写通信板和PC机调试程序来建立2M接口的调试系统由于RS232接口速 度一般在500kbps以下，所以无法实现对2M接口数据的长时间不丢失保存另外，随着 USB接曰的普及，串口正从笔记木电脑上消失，如果要用串口，就必须外接USB转串口线, 这给工程调试人员带来了麻烦O本文提出一•神低成木的2M通道测试方案，采用ARM7内核的处理器，10M速度的网 络接曰芯片，外加HDLC编解码芯片组成硬件平台在操作系统的选择上，uC/OS-II以其 小型化和实时性早已成为轻量型嵌入式系统的不二选择，尤其是其底层中断可直接配置添 加，以及所有代码可跟踪调试的特性，给产品开发和问题定位带来了很大的便捷。

本文将从电力系统2M通道测试功能需求分析入手，简单介绍IwIP的主要特性，提出 该系统的总体实现方案对该系统的硬件平台设计、下位机软件设计、PC机软件设计中的 主要问题做了分析与介绍，最后总结了该系统在实际使用中遇到的问题，提出了改进措施1测试功能需求变电站自动化系统中用到2M曰传送实时信息的装置大体上有光纤差动保护和安全稳 定控制装置，其中，安全稳定控制装置根据控制复杂度的不同，存在多路2M通道通信的需 求这两种应用的框图如图1和图2图1光纤差动保护2M通信示意图图2电网安全稳定控制系统通信结构图对于比较复杂的稳定控制系统，由图2可知，主站装置和子站装置通常带有多个2M接 口继电保护装置之间和安全稳定控制装置之间主要交互数据和命令信息，在交互实时电气 量信息时，2M通道上实时地进行数据交换；另外还进行等时间间隔的握手信息传送，以此 来判断装置的通断，在通信中断的情况下，装置要报通信异常并闭锁目前，一般来说，差 动保护装置之间传送实时信息的时间间隔是不到1ms,而稳定控制装置之间传送实时信息的 时间间隔为l-10ms,而传送数据帧的长度一般不会超过32 Byteso根据以上的分析，2M通道测试仪系统平台必须满足两个要求：1） 要能提供定时中断；2） 如果考虑2个2M通道的同时测试，那么跟PC机之间的上行接口的速度必须大于 614.4kbps；2总体实现方案基于以上的分析，综含考虑成木和性能，以及装置的便携性，利用单片机做数据发生和 采集板，在pc机上做测试界面，两者之间通过网线连接。

图3 2M通道通信测试方案图CPU选用基于16/32位ARM7TDMI-S内核的微控制器，带有256K字节的内部高速 Flash存储器128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率 下运行，对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%, 而性能的损失却很小在网络接曰芯片的选择上，选用10M速度的集成了以太网MAC层 和PHY层的网络控制芯片随着1 OOM, 1000M网络接口芯片的推出，10M速度网络接口 芯片已经逐步退出工业设计的舞台木文前血已经估算了木测试系统的数据量为614.4kbps, 在这样的低端应用场合，考虑到成本问题，选择10M的网络芯片比较合适当前运用于工业控制的能完整支持TCP/IP协议栈的操作系统有Linux、Vxworks、Wince 等，但是这些操作系统的开发成本和复杂度都比较大uC/OS-II是完全用C语言编写的开 源的小型操作系统，它能和应用程序任务一起编译并进行下载调试，最多能支持64个任务 ⑴目前，uC/OS-II还不支持免费的TCP/IP协议栈，所以如果要支持网络通信，必须自己 移植在众多比较流行的TCP/IP协议栈中，IwIP是轻量级的协议栈中间件，通过抽象操作平 台接口，基于它编写的网络应用程序可以跨OS平台使用。

操作系统抽象了硬件，中间件又 抽象了操作系统，所以应用程序变得更容易移植IwIP既可以在无操作系统情况下依靠回 调函数运行，也可以在有OS情况下以兼容Socket插口方式工作或者使用白己内部的接口函 数⑵IwIP支持ARP、DHCP、ICMP、UDP、TCP、DNS等协议，对于大多数的应用场合 来说，已经足够了3硬件平台设计2M通道测试仪的硬件平台采用基于ARM的具有以太网、USB接口的平台平台带两 路E1/64K测试接口同时附带两路外触发触点输入接口，当有信号输入时可以启动测试系 统进行通讯实时记录原理框图如图4 o总线图4 2M通道测试仪硬件平台图⑶4下位机软件设计在谈下位机软件设计之前，必须先对IwIP的实现机制和应用有比较深入的了解，1WIP 的TCP/IP线程是由众多的函数组织起来的一个整体函数，从系统运行的角度看，它就是一 个函数或是一个任务在建立IwIP的TCP/IP线程的时候,它又会建立一个网络接收的线程, 这个网络接收线程负责接收网络数据包，并给TCP/IP线程发送消息通知它来处理IwIP的 脉结如图5所示，鉴于木文的篇幅，在此不对该机制做更深入的探讨嵌入式软件设计的要点一般有三个，一是构建应用的数据结构；二是建立合理的任务; 三是根据实时操作系统的特点处理好任务的优先级和任务间通信的问题。

下位机实时通讯监 测软件的设计也可以从这三个方面入手在木系统中，存在两个中断服务，一个是uC/OS-II系统木身的时钟节拍中断，这个采 用CPU的定时器0来实现，中断的时间间隔为4ms,它的主要作用是用来触发操作系统进 行任务调度和延时管理；另一个是根据继电保护装置的功能需求给系统产生的1200HZ的外 部中断，它的主要作用是定时收发2M通道的数据；为了保证等间隔发送继电保护装置需要 的握手或交互信息，把外部中断的优先级设为最高图 5 IwIP TCP/IP_THREAD 脉络图除了 IwIP协议栈自身建立的两个任务之外，应用程序还需要两个任务，一是包含服务 器功能的PC机数据接收任务，在这个任务里面将打开TCP/IP服务套接字，等待PC机的连 接，建立链接以后，随时接收PC机的设置命令；二是往PC机传送数据任务，当链接已经 建立，并且通道接收缓冲区有数据等待发送的时候，就不断地通过网络向PC机发送通道数 据；综上所述这几个任务之间的关系如图6所示这些任务的优先级依次为，底层网络数据 包接收任务netif_rece, tcpip_thread,应用层网络数据包发送任务send_packet_to_pc,应用 层网络数据包接收任务socket_service。

考虑到uC/OS-II的任务4ms调度一次，并且是抢占式的调度方式，在此期间，从2M 通道来的数据必然会造成积压，所以有必要给2M通道数据建立接收缓冲区，为了编程与操 作的方便，采用循环缓冲的方式另外，为了最大程度的利用网络带宽，把TCP/IP数据包 的长度设为最大5 PC机软件设计PC机软件与下位机软件通过TCP/IP协议进行通信，采用Socket编程Socket是应用 层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后 面对用户来说，一组简单的接口就是全部Socket编程的示意图如图7所示Server图7 Socket编程程序框架PC机软件是2M通道测试仪的客户端，主要包括两大功能：一是设置测试仪需要发送的正常数据、握手信号、命令为了模拟2M通道的。