电能质量参数的以太网通信的实现

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随着通信技术的发展以及电能质量监测系统对通信需求的不断增长，通信技术开始越来越广泛地被应用在电能质量监测系统 中 。由于电能质量监测系统具有通信数据量大、实时性要求高的特点。因此，相对于效率比较低的 RS.232或RS-485等通信方式，以太网更能满足电能质量监测系统的通信需求 。以太网具有应用广泛、通信速率高等优点，它不仅能够满足电能质量监测系统的通信需求，还能将采集到的数据上传至互联网 。

现在各研发单位大多使用以太网控制器来实现以 太 网 的 连 接。常 用 的 以 太 网 控 制 器 有RTL8019、AX88796L、DM9008和 CS8900A。虽然以太网控制器的使用可以减少系统开销、提高系统稳定性、缩短设计时间，但上述以太网控制器采用的封装均超过 80引脚，不仅结构复杂，而且体积庞大。ENC28J60是-款独立以太网控制器 ，该控制器是由美国微芯科技公司于2005年推出的。

与上述 以太网控 制器相 比，ENC28J60只有 28个引脚，它的应用使得在嵌入式中实现简单且高效易用的远程通信成为可能 。ENC28J60带有行业标准串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)，可作为任何配备有 SPI的控制器的以太网接 口。笔 者 通 过 使 用 独 立 以 太 网控 制 器ENC28J60实现 TM$320F2812(它与外 围电路 -起组成下位机)与Pc机(上位机)之间的通信。

1 通信需求分析在电能质量监测系统中，下位机所采集到的数据主要包括：a.实时数据。指下位机周期性测量的-系列基本电力参数和电能质量参数。基本电力参数主要包括：频率、各相电压有效值、各相电流有效值、线电压有效值、各相有功功率、各相无功功率、各相视在功率、各相功率因数、有功电能、无功电能及视在电能等，共44个参数。电能质量参数主要包括：频率偏差、各相电压偏差、三相电压不平衡度及三相电流不平衡度等，共 56个参数。这些参数都采用 float格式，每个参数有 4个字节的大校由于下位机、上位机传送实时数据时还要加上两个字节的数据以表示当前周期是否出现故障或事件更新，所以传送实时数据时需要传送的数据量为402个字节。

b.谐波数据。指的是各相电压和各相电流的 0～63次谐波畸变度 ，总共有 384个 占有 4个字节的 float型参数。当下位机向上位机传送谐波数据时需要传送 1 536个字节的数据。

C.故障录波数据。指故障发生前、后5个电力信号周期内共640个采样点(每周期 128个采样点)上各相电压和各相电流的瞬时值，总共有3 840个占4字节的 float型参数。由于下位机向上位机传送故障录波数据时还需附加上故障发生的时间信息，从年到毫秒7个参数，每个参数占用2个字节，所以下位机向上位机传送故障录波数据的数据量为 15 374个字节。

收稿日期：2012·10-27(修改稿)第 2期 高吉星等.电能质量参数的以太网通信的实现 213d.事件记录数据。主要记录的是下位机中发生的各种事件，主要包括装置设置事件、越限事件、电能计量事件和 DI/DO事件，共 135种事件类型，每个事件信息的数据需占用 8个字节。因为上位机会在检测到事件发生时会立即对下位机进行访问，所以下位机每次只向上位机传输-个事件的记录，下位机向上位机传送事件记录数据的数据量为 8个字节。

2 硬件设计接口的结构如图 1所示，系统主要由 DSP芯片 TMS320F2812、以太 网控制 器 ENC28J60和以太网口 HR911157A组成。

- GPIOFO SI- LEDB0 RJ45 誉GPIOF1 SO TP0UT 。GPIOF2 SCK - TPOUT- HR91ll57A UCS - Z善 GPIOG4 TPINGPIOG5 RESET - TPIN-图 1 硬件接 口结构示意图在图 1中 GPIOFO～1是 DSP上 SPI外设 的引脚，用于DSP与 ENC28J60之间的数据传递，而其他的则是 DSP的通用引脚，用于 DSP的外部中断、ENC28J60的片淹复位。因为 HR911157A集成有 LED灯和以太网变压器，所以 ENC28J60的 LEDA、LEDB、TPOUT/-和 TPIN/-弓I脚都直接接在 HR911157A上。

ENC28J60接 口 电 路 如 图 2 所 示 ，由 于TMS320F2812与 ENC28J60的 工 作 电 压 都 是3.3V，所以二者之间的连接不需要电平转换；通过将-个 lOp，F电容接在 VCAP引脚与地之间，使 ENC28J60内部集成的2.5V稳压器工作稳定；3op图 2 ENC28J60接 口电路通过在电源引脚接 3。3V电源使 ENC28J60可以驱动外部负载。通过 在 OSC1和 0SC2引脚间接25MHz晶振及接地电容，来满足 ENC28J60的工作频率要求；通过将-个 2k1](精度为 1%)的电阻接在 RBIAS引脚与地之间来满足 ENC28J60的内部模拟电路的需求。

ENC28J60只支持SPI的模式0，0。这种模式不支持时钟极性选择，并且在空闲状态下 SCK会保持低电平。当SCK处于上升沿时，SPI通过 SI引脚将指令和数据传给 ENC28J60；当 SCK处于下降沿时，ENC28J60通过 SO引脚将数据传给SPI。在操作执行时，CS引脚须保持在低电平，当操作完成时则返回高电平。

3 软件设计3.1 传送策略上位机与下位机之间数据传送方式为轮询方式，即上位机依次轮询下位机请求数据，下位机只有在收到上位机的请求时才会向上位机回复数据。下位机会将处理完毕后得到的数据存放在存储器当中，当下位机收到上位机的命令报文时会根据命令报文的内容填写响应报文并发送给上位机。-般情况下上位机会向下位机发送对实时数据的轮询命令，当故障或事件发生时，下位机可以实时数据响应报文中的标志变量通知上位机，使其发送对故障录波与事件数据的轮询命令，由于以太网帧的数据区的长度小于 1 500字节，所以当上位机要从下位读取谐波数据或故障录波数据时，下位机需发送多次的响应报文。

3。2 SPI接口程序设计ENC28J60与 DSP的连接可通过 SPI实现。

DSP中的程序通过 SPI发送指令到 ENC28J60，以实现对其寄存器的设置及数据缓冲区的读写等。

SPI的初始化程序为：void SPI- Init(void)SpiaRegs.SPICCR.al 0xO007；SpiaRegs.SPICTL.all0xOOOe：SpiaRegs.SPIBRR 10；SpiaRegs.SPICCR.bit.SPISW RESET 1；程序首先设置的是 SPI配置寄存器 (SPIC。

CR)，开启 SPI复位模式设置 SPI在上升沿传送数据，传输的字符长度为8；其次设置的是 SPI操作214 化 工 自 动 化 及 仪 表 第4O卷控制寄存器，禁止接收溢出中断，SPICLK信号延时半个周期，设置 SPI为主动模式，禁止 SPI产生发生/接收中断；再次设置 SPI波特率为 300kHz；最后将 SPI从复位模式转换到正常模式。

3.3 ENC28J60初始化在进行以太网通信之前先要对 ENC28J60进行初始化 ，ENC28J60的初始化是通过对其 内部的相关寄存器进行设置来完成的，其初始化步骤如图 3所示。

图 3 ENC28·J60初 始化 流程3.4 以太网通信软件设计以太网通信模型由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，其中物理层的功能由ENC28J60实现，数据链路层主要由以太网驱动程序和 ARP地址解析协议构成 ，网络层使用的是 IP协议，传输层使用的是 TCP协议，应用层则采用了 Modbus/TCP协议 。

3.4.1 Modbus/TCP协议Modbus/TCP是通过在 TCP协议的底层协议中嵌入 Modbus协议作为应用层来实现在 TCP/IP以太网中客户服务器上的 Modbus通信的通信协议。由图4可知标准的Modbus报文由附加地址、功能码、数据及 CRC或 LRC校验组成 。由于Modbus/TCP报文是通过以太网进行传送的，所以在标准的 Modbus报文的基础上去掉了附加地址和校验码 ，加入了 MBAP报文头 ，Modbus/TCP帧的数据格式如图 5所示。MBAP报文头长度为 7个字节，分别表示事务处理标识符、协议标识符、长度和单元标识符。

图 4 通 用 Modbus帧图 5 Modbus/TCP帧Modbus可以对4种类型的数据进行操作，它们分别是：DI状态对应的离散量输入数据，DO状态对应的线圈数据，电能数据、需量数据、电能质量数据对应的输入寄存器数据，参数数据、事件记录数据和备份的电能量数据对应的保持寄存器数据。

3.4.2 上位机与下位机的通信上位机与下位机之间电能质量数据通信的功能是通 过 Modbus/TCP协 议设 置功能 码来实 现的。Modbus处理上位机请求的流程如图 6所示。

Modbus/TCP协议主要完成的功能有 4个 ：实时数据的轮询功能、谐波数据的轮询功能、故障录波数据的轮询功能 、事件数据的轮询功能 。下位机在应答上位机请求的时候会通过以太网控制器来完成数据包的发送 ，发送数据包的次数是 由下位机接收到的指令决定的，如果收到的是实时数据的轮询指令，则发送-个数据包；如果收到的是谐波数据的轮询指令，则发送两个数据包；如果收到的是故障录波数据的轮询指令，则发送 11个数据包 ；如果收到的是事件数据的轮询指令 ，则发送-个数据包。

以太网接收帧的流程为：首先通过 ENC28J60- POLL检查 ENC28J60内的以太网数据包计数器的值判断是否接收到以太网帧；当计数器的值不为0时，将接收到的数据帧从 ENC28J60的以太网缓冲器复制到 DSP内的接收缓冲区中；再检测数据帧的长度，若数据帧的长度为0，则不进行任何操作，若数据帧的长度不为 0则可进行下-步处理；通过检测报文 的标志位来判 断接收帧的类型，如果是 ARP数据报则交由 ARP服务程序进行处理 ，如果是 IP数据报则交 由 IP服务程序进行处理。

以太网发送帧的流程为：首先填写要发送的报文，然后根据发送报文的类型对 目标地址进行设置，如果要发送的是 IP报文，则将 目标地址设置为目标IP地址；如果是ARP请求报文，需将其设置为广播地址；如果是ARP应答报文，需将其设置为对应的本地硬件地址；当要发送的报文的类型不属于以上3种的时候，则不进行任何操作直接进行下-步∮下来还需要为以太网帧添加源硬件地址，并第 2期 高吉星等.电能质量参数的以太网通信的实现 215对其长度进行检查，若帧的长度小于64字节，则将其添加至64字节。当ENC28J60内的MAC准备好发送时 ，通 过 ENC28J60-SEND来发送 以太 网郑4 结束语 尔滨：哈尔滨工业大学，2010。

随着电能质量监测系统对数据不断提高的通 [21 赵文·新型电能质量远程在线监测装置的管理与通信需求，以太网通信将会更加广泛地应用到电能 信系统的研究与实现[DI·北京：北京交通大学，质量监测领域。笔者利用 ENC28J60建立了 DSP 2009·查 接 太粤苎 s：萼 苎 蔷 施研 合了起来，在保证数据处理性能的同时满足了数 [4] L中 ，陶 . 于ErNc 8 60的嵌入式系统以太据的通信需求。实验证明数据传输稳定，可靠性 网接口设计[J]. 河南科技大学学报(自然科学版)，较高，通信速率也能较好地满足要求。 2007。28(3)：49 53。