DNP3.0在基于DSP的FTU中的實(shí)現(xiàn)

摘要：饋線終端單元(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)品市場上的一種主流通信規(guī)約。它既可作為FTU(Feeder Terminal Unit，饋線終端單元)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。雖然可以通過采用主—從結(jié)構(gòu)來解決，但這樣無疑要增加成本。DSP(數(shù)字信號處理器)恰恰以數(shù)學(xué)計(jì)算(如快速傅立葉變換)而見長，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)控一路柱上開關(guān)，故而在這種測控量不多的情況下，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(以下簡稱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)總線是16位的，尋址時(shí)是以字(WORD)為單位，而且TI提供的C語言中也沒有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)換的問題。另外，大多數(shù)DSP利用外接UART(通用異步收發(fā)器)來實(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)；為了滿足較長數(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)。

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/寫寄存器，高8位恒為0，向ADTR寫數(shù)據(jù)即可啟動(dòng)串口發(fā)送。ASPCR用來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)于這類芯片有很多文章介紹過，在此不再贅述。

3 軟件部分

3.1 編程語言

采用C語言開發(fā)DSP程序不僅可讀性和可移植性都很好，還能大大加快開發(fā)速度。但用C語言實(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編語句來完成通信模塊程序的編寫，除極少數(shù)采用匯編語言以外，絕大部分采用C語言編寫。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

由于F206中的數(shù)據(jù)總線為16位，故而TI提供的C語言(以下簡稱TI C)與標(biāo)準(zhǔn)C語言的數(shù)據(jù)類型略有不同。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中卻沒有這一數(shù)；據(jù)類型，在用結(jié)構(gòu)體類型定義具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，都是按字(WORD)對齊的，因此只能將DNP3.0數(shù)據(jù)格式中的BYTE定義為16位無符號整數(shù)WORD，將DNP3.0中的WORD定義為32位無符號整數(shù)DWORD。接收數(shù)據(jù)時(shí)將每個(gè)字節(jié)都存儲(chǔ)至一個(gè)字的低8位，發(fā)送時(shí)則只取每個(gè)字的低8位，這樣雖然浪費(fèi)了一半的存儲(chǔ)器空間，但程序編寫容易，效率也較高。

根據(jù)DNP3.0的層次結(jié)構(gòu)定義三個(gè)結(jié)構(gòu)體——鏈路層DL_LAYER、傳輸層T_LAYER和應(yīng)用層APP_LAYER，每個(gè)結(jié)構(gòu)體再按照DNP3.0中相應(yīng)層規(guī)定的字段去逐個(gè)定義相應(yīng)的成員即可。如鏈路層包括報(bào)頭和n個(gè)數(shù)據(jù)塊，報(bào)頭又包括起始字、長度、控制字節(jié)等字段，控制字節(jié)按比特位又包括功能碼、方向位和幀計(jì)數(shù)位等。鏈路層結(jié)構(gòu)定義為：

(1)DL層控制字

typedef struct{

WORD b0-3_FuncCode:4,/*功能碼*/

b4_FCV:1 /*幀計(jì)數(shù)有效位*/

b5_FCB:1， /*幀計(jì)數(shù)位*/

b6_PRM:l /*主站標(biāo)志位*/

b7_DIR:1; /*方向位*/

}DL_CONTROL；

(2)DL層報(bào)頭

typedef struct{

DWORD dwStart； /*起始字*/

WORD wLength； /*長度*/

DL_CONTROL DLCtrl； /*控制字*/

DWORD dwDest； /*目的地址*/

DWORD dwSource； /*源地址*/

DWORD dwCRC； /*校驗(yàn)碼*/

}DL_HEADER；

(3)DL層數(shù)據(jù)塊

typedef struct{

WORD awUserData[l6] /*用戶數(shù)據(jù)*/

DWORD dwCRC； /*校驗(yàn)碼*/

}DL_DATABLOCK；

3.3 流程圖

DNP3.0已經(jīng)詳細(xì)規(guī)定了協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)及每一層的功能，程序的層次結(jié)構(gòu)只要與其一致就會(huì)非常清晰，編程時(shí)只需遵照這些層次間的數(shù)據(jù)流向編寫相應(yīng)的函數(shù)即可。物理層對應(yīng)串口收發(fā)中斷子程序，鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層在接收與發(fā)送時(shí)各有一套函數(shù)去處理，以對應(yīng)串口的全雙工工作方式。其中，鏈路層接收處理流程如圖3所示。

3.4 ASP的相關(guān)程序

3.4.1 ASP的寄存器定義

ioport unsigned portFFF4；

#define ADTR portFFF4 /*收發(fā)寄存器*/

ioport unsigned portFFF5；

#define ASPCR poaFFF5 /*控制寄存器*/

ioport unsigned portFFF6；

#define IOSR poaFFF6 /*I/O狀態(tài)寄存器*/

ioport unsigned portFFF7；

#define BRD portFFF7 /*波特率發(fā)生器*/

3.4.2 初始化ASP

void InitASP(){ /*初始化異步串口*/

ASPCR=0xE080； /*RIM=1L:允許接收中斷，

STB=0:一位停止位*/

IOSR=0xl800； /*THRE=1:ADTR空*/

BRD=0x0020； /*20MHz/38400bps*/

}

3.4.3 異步串口呻斷服務(wù)子程序

void interrupt aspint(){

if((IOSR & 0x0l00)==0x0l00){

Recv()；} /*有接收數(shù)據(jù)*/

if((IOSR & 0x0400)==0x0400){

……；} /*幀錯(cuò)誤處理*/

if((IOSR & 0x0800)==0x0800){

Send()；} /*可以發(fā)送數(shù)據(jù)*/

*IFR=0x20； /*清中斷標(biāo)志*/；

asm("clrc INTM") /開中斷*/；

}

由于采用F206的片內(nèi)串口作為通信工具，充分利用了DSP的片內(nèi)集成外設(shè)，不僅使得通信模塊可靠性較高，而且接口方法簡單，ASP的控制和讀寫通過幾個(gè)寄存器就可完成，非常方便。采用本文所介紹的方法編寫的以DNP3.0為規(guī)約的通信子程序流程清晰，符合模塊化的要求。自現(xiàn)場投入試運(yùn)行以來，整個(gè)通信模塊工作穩(wěn)定可靠，能迅速響應(yīng)主站請求，主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)確。但是隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)TU還應(yīng)具備至少一個(gè)現(xiàn)場總線接口(如CAN總線接口)。這樣不光通信質(zhì)量有保證，還可以簡化通信規(guī)約(只保留一個(gè)應(yīng)用層即可)，這應(yīng)該是FTU通信方式的一個(gè)發(fā)展方向.