??? 摘 要: 饋線終端單元(FTU)是配電自動化系統(tǒng)中的重要組成部分，以DSP為核心構成的FTU具有運算速度快和精度高等特點，而DNP3.0則是FTU與配網主站通信的主流規(guī)約。討論了在DSP平臺上實現(xiàn)DNP3.0的特殊性,介紹了DSP片內異步串口" title="串口">串口的使用方法，給出了程序的主要流程圖和數據結構以及涉及串行通信的C語言源碼。
??? 關鍵詞: 分布式網絡規(guī)約? 數字信號處理器?? 配電自動化? 饋線終端單元? 異步串行口
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??? DNP(Distributed Network Protocol，分布式網絡規(guī)約)是HARRIS公司推出的一種遠動通信規(guī)約" title="通信規(guī)約">通信規(guī)約，是目前電力系統(tǒng)自動化產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）與配網主站之間的規(guī)約，又可作為RTU與調度主站之間的規(guī)約。由于目前我國的大部分配電自動化（DA）產品都支持DNP3.0，為使產品更具兼容性和標準性，F(xiàn)TU有必要采用DNP3.0作為其與配網主站之間的通信規(guī)約。
??? FTU作為配電自動化系統(tǒng)(DAS)中重要的組成部分，除擔負最基本的測量與控制任務外，還要與中心子站或主站進行通信。某些FTU還具有微機保護功能,故而其核心部分一般采用高檔次的16位或32位單片機。但在交流采樣的情況下，單片機計算U、I有效值以及P、Q等參數往往力不從心，導致實時性較差。雖然可以通過采用主-從結構來解決，但這樣無疑要增加成本。DSP（數字信號處理器）恰恰以數學計算(如快速傅立葉變換)而見長，雖然它的控制功能遜于單片機，但由于FTU只負責監(jiān)控一路柱上開關，故而在這種測控量不多的情況下，如果不需要就地保護功能，一片DSP還是完全能夠勝任的。TMS320F206(以下簡稱F206)是TI公司生產的TMS320C2000系列中的一款主流DSP，它屬于16位定點DSP，可應用于電機控制以及工業(yè)自動化和電力行業(yè)中，價格接近普通16位單片機。FTU以一片TMS320F206為核心，并輔以A/D轉換器等外圍器件，即可完成測控、參數計算和通信等任務。
??? 由于DNP3.0幀格式中的基本單元是8位整型數（BYTE字節(jié)），而F206中的數據總線是16位的，尋址時是以字（WORD）為單位，而且TI提供的C語言中也沒有8位整型數，這樣在F206平臺上實現(xiàn)DNP3.0時就存在一個8位/16位轉換的問題。另外，大多數DSP利用外接UART(通用異步收發(fā)器)來實現(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片內異步串口實現(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，其結構如圖1所示。它基于IEC 870-5標準，采用了ISO七層模型中的三層：物理層、數據鏈路層" title="鏈路層">鏈路層和應用層" title="應用層">應用層，其結構為增強協(xié)議結構。這種分層結構使得數據傳送的可靠性大大提高，同時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；為了滿足較長數據包的傳送，又增加了一個偽傳輸層。發(fā)送數據時它可以將較長的應用層報文拆分為多個短幀然后多幀傳送，反之，接收時將短幀組裝成完整的應用層報文。
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2 系統(tǒng)硬件
2.1結構框圖
?? ?硬件結構框圖如圖2所示。
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2.2?F206片內異步串行口介紹[2～3]
??? F206片內具有一個8位全雙工ASP（Asynchronous Serial Port，異步串行口），可以完成并行數據與串行數據的相互轉換，并可以產生可屏蔽硬件中斷TXRXINT。有關的外部引腳共6個：發(fā)送端TX、接收端RX、IO0、IO1、IO2、IO3,一般情況下只使用TX和RX就足夠了（另外還有一根地線）。
??? 與編程有關的片內16位寄存器共4個：異步數據發(fā)送和接收寄存器ADTR、異步串口控制寄存器ASPCR、I/O" title="I/O">I/O狀態(tài)寄存器IOSR、波特率除數寄存器BRD，均映射至I/O空間。ADTR為讀/寫寄存器，高8位恒為0，向ADTR寫數據即可啟動串口發(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)，BIT11為發(fā)送寄存器空指示位THRE，BIT8為接收數據準備就緒位DR。BRD用作波特率發(fā)生器，BRD值＝CLKOUT1頻率/(16×波特率)。
?? ?值得注意的是，F(xiàn)206片內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位數據位、1或2位停止位。另外幾種特殊格式不予支持，如6或7位數據位、1.5位停止位等。為適應現(xiàn)場各種可能的通信方式，還應當擴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TL16C550。關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語言實現(xiàn)某些硬件控制不如匯編方便，且實時性不如匯編[1]。因此采用在C程序中直接嵌入匯編語句來完成通信模塊程序的編寫，除極少數采用匯編語言以外，絕大部分采用C語言編寫。
3.2 數據結構定義
?? ?由于F206中的數據總線為16位，故而TI提供的C語言（以下簡稱TI C）與標準 C語言的數據類型略有不同。char、unsigned char、int和short均為16位，enum也為16位。相應地，sizeof(int)和sizeof(short)的結果為1，而不是2，這一點在計算幀長度時尤為重要，習慣于標準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中卻沒有這一數據類型，在用結構體類型定義具體的數據結構時，都是按字(WORD)對齊的，因此只能將DNP3.0數據格式中的BYTE定義為16位無符號整數WORD,將DNP3.0中的WORD定義為32位無符號整數DWORD。接收數據時將每個字節(jié)都存儲至一個字的低8位，發(fā)送時則只取每個字的低8位，這樣雖然浪費了一半的存儲器空間，但程序編寫容易，效率也較高。
??? 根據DNP3.0的層次結構定義三個結構體——鏈路層DL_LAYER、傳輸層T_LAYER和應用層APP_LAYER，每個結構體再按照DNP3.0中相應層規(guī)定的字段去逐個定義相應的成員即可。如鏈路層包括報頭和n個數據塊，報頭又包括起始字、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、方向位和幀計數位等。鏈路層結構定義為：
?? ?（1）DL層控制字
?? ?typedef struct{
??? ?? ?WORD?b0-3_FuncCode:4, /*功能碼*/
???????? ????b4_FCV:1, ??/*幀計數有效位*/
?????????????b5_FCB:1, ??/*幀計數位*/
???????? ????b6_PRM:1, ??/*主站標志位*/
???????? ????b7_DIR:1; ??/*方向位*/
??? }DL_CONTROL;
??? （2）DL層報頭?
?? ?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; ???/*校驗碼*/
??? }DL_HEADER;
??? (3)DL層數據塊?
??? typedef? struct{??
????????WORD awUserData[16];??/*用戶數據*/
????? ??DWORD dwCRC; ???/*校驗碼*/
????????}DL_DATABLOCK;
3.3 流程圖
??? DNP3.0已經詳細規(guī)定了協(xié)議的層次結構及每一層的功能，程序的層次結構只要與其一致就會非常清晰，編程時只需遵照這些層次間的數據流向編寫相應的函數即可。物理層對應串口收發(fā)中斷子程序，鏈路層、傳輸層和應用層在接收與發(fā)送時各有一套函數去處理，以對應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。
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3.4 ASP的相關程序
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 portFFF5??/*控制寄存器*/
??? ioport unsigned portFFF6;
??? #define IOSR portFFF6??/*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=1:允許接收中斷,STB=0:一位停止位*/
??? ??IOSR=0x1800;???/*THRE=1:ADTR空 */
??? ??BRD=0x0020;???/*20MHz/38400bps*/
??? }
3.4.3 異步串口中斷服務子程序
??? void interrupt aspint(){
??? ??if( (IOSR & 0x0100) == 0x0100 ){
??? ????? Recv();}???/*有接收數據*/
??? ??if((IOSR & 0x0400) == 0x0400 ){
???? ?? ? ......;}????/*幀錯誤處理*/
?? ?if((IOSR & 0x0800) == 0x0800 ){
??? ??Send();}????/*可以發(fā)送數據*/
?? ?*IFR = 0x20; ???/*清中斷標志*/;
?? ?asm(' clrc INTM')???/*開中斷*/;
??? }
?? ?由于采用F206的片內串口作為通信工具，充分利用了DSP的片內集成外設，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)場投入試運行以來，整個通信模塊工作穩(wěn)定可靠，能迅速響應主站請求，主動上報數據，及時準確。但是隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，F(xiàn)TU還應具備至少一個現(xiàn)場總線接口（如CAN總線接口）。這樣不光通信質量有保證，還可以簡化通信規(guī)約（只保留一個應用層即可），這應該是FTU通信方式的一個發(fā)展方向。
參考文獻
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2 張衛(wèi)寧.TMS320C2000系列DSPs原理及應用．北京:國防工業(yè)出版社,2002.4
3 TMS320C20X? User’s Guide．Texas Instruments Incorporated，April 1999
4 蔡運清. IEC 870-5系列及DNP3.0規(guī)約簡介．電力系統(tǒng)自動化，1998；22
5 徐丙垠,張懌寧.淺談DNP3.0規(guī)約．電力自動化設備，1999;19(2)