基于SPI雙機(jī)通信的弧光保護(hù)系統(tǒng)

涂永飛，王名傳（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)鎮(zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212017）

基于SPI雙機(jī)通信的弧光保護(hù)系統(tǒng)

涂永飛，王名傳
（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)鎮(zhèn)江華東電力設(shè)備制造廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212017）

針對(duì)弧光保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一種基于SPI的雙機(jī)通信系統(tǒng)。簡(jiǎn)要闡述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)表明，采用該方法能夠滿足實(shí)際工程中的需求，對(duì)于其他SPI的應(yīng)用也有很好的借鑒價(jià)值。

弧光保護(hù)；SPI；LPC1788；協(xié)議

0　引言

在一些重要的用戶變電站和發(fā)電廠的廠用電系統(tǒng)中［1］，弧光短路是中、低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部最嚴(yán)重的故障，由于電弧電阻的原因，短路電流往往達(dá)不到速斷整定值而不能快速動(dòng)作切斷故障，造成嚴(yán)重的后果。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，近年來(lái)，每年每1 000臺(tái)開(kāi)關(guān)柜就有7臺(tái)遭到損壞，故障率為 0.7%，農(nóng)村配電網(wǎng)的概率更高，達(dá) 1.2%。有的甚至發(fā)展成“火燒連營(yíng)”的事故，這些配電網(wǎng)事故處理不當(dāng)甚至?xí)U(kuò)大發(fā)展為輸電網(wǎng)事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。2010年，云南電網(wǎng)下發(fā)了《關(guān)于在中低壓開(kāi)關(guān)柜加裝電弧光保護(hù)的通知》，要求在所有的 35 kV和10 kV開(kāi)關(guān)柜中加裝電弧光保護(hù)，目前南方電網(wǎng)已在逐漸推廣。

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華東電力設(shè)備制造廠研制的ZHG-1A型智能弧光保護(hù)系統(tǒng)采用紫外光弧光檢測(cè)和過(guò)電流檢測(cè)雙判據(jù)原理，具有保護(hù)動(dòng)作速度快、可靠性高等特點(diǎn)。它是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，包括主控單元、電流單元、弧光單元，系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1　弧光保護(hù)系統(tǒng)示意圖

1　弧光保護(hù)系統(tǒng)主控系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)

主控單元是電弧光保護(hù)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)輸入量的采集、測(cè)量、計(jì)算及邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)邏輯、與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信等功能。主控系統(tǒng)采用 DSP+雙ARM結(jié)構(gòu)，其中一塊ARM（A片）采用 NXP公司的 LPC178x芯片負(fù)責(zé)與站內(nèi)系統(tǒng)通信，另一塊 ARM（B片）同樣采用 LPC178x芯片負(fù)責(zé)液晶顯示與DSP通信。在與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信時(shí)，A片ARM要把相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)B片ARM傳遞給DSP，為此兩塊ARM之間要進(jìn)行通信。主控系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　主控系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

2　SPI通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1SPI硬件實(shí)現(xiàn)

LPC178x/177x系列的 SSP是一個(gè)同步串行端口（SSP）控制器［2］，可控制SPI、4線 SSI或 Microwire總線的操作。SSP可以與總線上的多個(gè)主機(jī)或從機(jī)交互。但在一次給定的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，總線上只能有一個(gè)主機(jī)與一個(gè)從機(jī)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)傳輸原則上是全雙工模式，4～16位數(shù)據(jù)的幀由主機(jī)發(fā)送到從機(jī)或由從機(jī)發(fā)送到主機(jī)。SSP控制器共用以下 4個(gè)管腳：

（1）SCK：串行時(shí)鐘管腳，用來(lái)同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)。它由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，從機(jī)接收。無(wú)論主機(jī)往從機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)還是從從機(jī)讀數(shù)據(jù)，它的時(shí)鐘信號(hào)都是由主機(jī)的SCK管腳產(chǎn)生，從機(jī)不產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。

（2）SSEL：幀同步/從機(jī)選擇管腳，當(dāng)作主機(jī)時(shí)此管腳可作為普通的I/O使用；當(dāng)作從機(jī)時(shí)此管腳不可用作普通 I/O口，只作為 SSP的從機(jī)選擇。主機(jī)其他的普通I/O管腳也可與從機(jī)的SSEL管腳相連，用作從機(jī)的片選。

（3）MISO：主機(jī)輸入從機(jī)輸出。MISO信號(hào)使串行數(shù)據(jù)從從機(jī)傳輸?shù)街鳈C(jī)。

（4）MOSI：MOSI信號(hào)使串行數(shù)據(jù)從主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)。

另外，本系統(tǒng)在兩片ARM之間預(yù)留了兩根聯(lián)絡(luò)線，以便通信不穩(wěn)定時(shí)便于調(diào)整。

2.2SPI軟件實(shí)現(xiàn)

在雙機(jī)通信過(guò)程中，主機(jī)發(fā)送采用查詢(xún)方式，從機(jī)接收采用中斷方式。主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)也在接收數(shù)據(jù)，從機(jī)接收數(shù)據(jù)的同時(shí)也在發(fā)送數(shù)據(jù)。通過(guò)配置SSP寄存器，選擇SPI模式、設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和通信速率。由于設(shè)置從機(jī)接收到第 4個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)FIFO產(chǎn)生一次接收中斷，因此，主機(jī)每次發(fā)送一組40個(gè)數(shù)據(jù)，從機(jī)只取前 37個(gè)數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，后3個(gè)數(shù)據(jù)接收但作為假數(shù)據(jù)不用；主機(jī)接收的前4個(gè)數(shù)據(jù)也為假數(shù)據(jù)不用，后 36個(gè)數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。當(dāng)一組數(shù)據(jù)接收完成時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)進(jìn)行處理。主機(jī)SPI流程圖如圖3所示。

在SPI通信中，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，如何判斷數(shù)據(jù)發(fā)送正確及接收完成SPI協(xié)議本身并未提供任何規(guī)范。在設(shè)計(jì)中，固定數(shù)據(jù)發(fā)送的個(gè)數(shù)，定義表1所示的SPI數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題［3］。

圖3　主機(jī)SPI流程圖

表1　SPI數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

表1中，起始字節(jié)表明一幀傳輸?shù)拈_(kāi)始，這里定義為0XFF；標(biāo)志字節(jié)表明此次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型，根據(jù)特定的應(yīng)用類(lèi)型作具體的規(guī)定；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度表明此次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度，用字節(jié)數(shù)表示；應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)為所要傳輸?shù)木唧w應(yīng)用數(shù)據(jù)。

當(dāng)所有數(shù)據(jù)接收完成時(shí)，根據(jù)SPI軟件協(xié)議，標(biāo)志字節(jié)為0XAA表明此組數(shù)據(jù)為偽數(shù)據(jù)，可以不作處理，直接丟棄。當(dāng)起始字節(jié)不是0XFF時(shí)，即表示此組數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)有誤。在通信中，主機(jī)每隔一段時(shí)間向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)根據(jù)標(biāo)志字節(jié)判定是控制命令還是運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)［4］。當(dāng)從機(jī)接收的是控制命令時(shí)，從機(jī)等待主機(jī)下一幀數(shù)據(jù)發(fā)送的同時(shí)，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)。

下面給出從機(jī)的 SSP1口初始化和 SSP1的收發(fā)函數(shù)代碼。

3　結(jié)論

本設(shè)計(jì)中，兩個(gè)ARM的主頻都為100 MHz，使用公共外設(shè)PCLK時(shí)鐘，通過(guò)SSP時(shí)鐘分頻器產(chǎn)生SPCLK時(shí)鐘。在實(shí)驗(yàn)中也考慮過(guò)其他方案，由于SPI的接收中斷處理方式且又要實(shí)現(xiàn)主從機(jī)收發(fā)同時(shí)，發(fā)現(xiàn)本方案可行。目前測(cè)試結(jié)果表明，SPI能很好地滿足它們之間高速的雙向數(shù)據(jù)傳輸要求，其最高傳輸速率可達(dá) 5 Mb/s，解決了實(shí)際應(yīng)用中的雙機(jī)如何可靠通信等問(wèn)題，已成功應(yīng)用于弧光保護(hù)系統(tǒng)，也可用于其他需要雙機(jī)通信的場(chǎng)合。

［1］李從飛，陳凡，魯雅斌，等.DPR360ARC弧光保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（12）：125-128.

［2］NXP.LPC178x/7x用戶手冊(cè) ［EB/OL］.［2011-07-06］.http：//www.cn.nxp.com/documents/other/LPC177x-178x_UM_Simp CHN.pdf.

［3］王杰，王小鵬，趙國(guó)輝.采用SPI接口實(shí)現(xiàn)雙 DSP雙向通信和同步［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（24）：96-98.

［4］高振，羅秋鳳.SPI接口與CRC算法在雙DSP數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品世界，2011，18（1）：46-49.

Arc protection system based on SPI bus for dual MCU communication

Tu Yongfei，Wang Mingchuan
（China Energy Engineering Group Zhenjiang East China Electric Power Equipment Factory，Zhenjiang 212017，China）

In order to satisfy the arc protection system actual demand，dual MCU communication system is designed based on SPI.It briefly expounds the design ideas of system and provides the concrete process.Experiments show that the method is effective in engineering practices，and provides a reference to other SPI applications.

arc protection；SPI；LPC1788；protocol

TP273

A

1674-7720（2015）02-0072-02

（2014-09-17）

涂永飛（1983-），通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置的研發(fā)，E-mail：tuyongfei@163.com。

王名傳（1988-），男，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)。