入式TCPIP协议的高速电网络数据采集系统

1、第卷第期年月仪器仪表学报嵌入式协议的高速电网络数据采集系统鲁力，张波（华南理大学电力学院广州）摘要：根据电能质域监测系统对检测装瓮高速数据采集和传输的可靠性要求，提出了一种基于嵌入式协议的电网络数据采集与传输系统。分析了该电网络数据传输系统的原理和结构，设计了该系统的硬件，完成了网络通信芯片驱动的编写、嵌入式协议栈的实现，以及数据传输系统的优化等。由此研制出一台基于（）的高速数据采集与分析系统，结果验证了该系统高速实时数据采集时的可靠性，其综合特性优于现有的电网络数据采集系统。关键词：高速数据采集；嵌入式协议：中图分类号：文献标识码：国家标准学科分类代码：（，。，）：，（），酣：；引言现代工业

2、生产和科学研究对数据采集的要求越来越高。特别是像电力生产与传输这类领域，电网的安全运行直接关系到国家经济命脉与人民生命财产安全，冈此对电网运行状况的监测显得尤为重要，这就对电网状态数据采集的实时性与可靠性提出了更高的要求。当前电力系统对电网运行状况的监测多采用总线或基于数据采集卡的监测装置。总线凶其硬件设计简单、控制方便、成本低廉等优点应用十分广泛。采用差分方式传输，传输距离最大可达，但速度并不高，以内可达，远距离收稿日期：时则只能达到，另外由于总线网络是主从结构，任何时刻只允许一台网络终端发送数据，这使得的应用受到了很大限制；数据采集卡的传输速度高，早期基于总线的数据采集卡速度较慢，不能实现

3、板卡的即插即用，已经逐渐被淘汰。现在普遍使用的是基于总线的数据采集卡，位总线的峰值传输速率可达。但是受工控机内部插槽的限制，数据采集卡安装的数日有限，安装麻烦，并且驱动的编写也非常复杂。“；最近兴起的总线设备可以实现即插即用，最高通信速度达到，但是其通信距离过短，最长仪，不便于分布式安装“。以太网技术的飞速发展给数据采集技术增添了新的活力。以太网采用的介质访问控制方式，实仪器仪表学报第卷时性强、通信速度高、网络布线方便，并且便于不同设备生产商设备的兼容。以太网通信的诸多优势使之在业监控现场的应用前景十分广阔“。本文以以太网为基础，设计出一台基于与嵌入式协议的高速电网数据采集与分析系统，并对网络

4、通信芯片驱动的编写、嵌人式协议栈的实现，以及数据传输系统的优化进行了详细的论述。数据采集系统的整体结构及硬件设计数据采集系统的结构从图可见，若干个位于检测现场的数据采集模块通过交换机与上位机相连检测到的实时电网数据采用咿协议传输到主机处理。各数据采集模块以的速度对电网波形进行采样，同时进行电能质量计算，上位机仅仅负责数据的后续处理、数据库操作以及波形实时显示。当数据采集模块的采样速率为时，其通信速率将达到，冈此模块中采用了的网络通信芯片，上位机采用或是的网卡。在该系统中，原始数据的采集与传输以及电能质量的计算均是在数据采集模块中进行的，所以数据采集模块是该系统的核心。远程精测数据采集模块图数据

5、采集系统的结构图数据采集模块的硬件设计数据采集模块的硬件结构如图所示，它以为核心，该款是，公司系列中性能最高的一款，内置位的高精度采样模块，主频高达，在完成采样数据处理与传输的同时可以实时计算出电网频率、电压有效值、各次谐波有效值、畸变率等电能数据。网络通信芯片采用公司的，全双：收发速度可达，兼容标准，可以很容易地升级到更高速率的芯片。各模块通过交换机连至上位机，交换机是分频复用的，独享带宽，町以满足多路同时数据传输。涮一渺答若渔南器图数据采集模块硬件结构罔高速电网络数据采集的软件设计对于数据采集模块来说软件的设计关系到数据采集的精确性与稳定性，高速的数据采集系统更是对系统软件的设计提的更高的

6、要求。模块的软件设计包括网络芯片的驱动、协议栈的实现以及实时采样算法。舢驱动的实现的驱动就是通过对芯片内部的各寄存器编程操作来实现芯片的复位、初始化以及数据收发等底层作。内部的寄存器映射到个页面，每个页面均有个寄存器地址。其中前个页面是兼容标准的，所以初始化过程一般只对前页的寄存器进行操作，这样可以保证与标准的兼容，提高代码的可移植性。芯片上电后首先要进行复位，通常复位要对芯片的复位引脚施加一个大于的高电平脉冲，然后对芯片寄存器的复位地址进行任意的读写操作。复位操作后要等待后才能对芯片进行初始化操作以确保复位正确。芯片初始化要完成数据的帧结构、收发、中断等设置。芯片内部有两块，一块的用于存储该

7、芯片的地址，另外一块的双口访问用于发送与接收数据的缓冲。参见图，数据的读写操作以页为单位，每页个字节，共有页，要将其分为发送缓冲区和接收缓冲区。一般情况下将页设置为发送缓冲区，刚好可以存储个最大的以太网包，后页用于接收数据缓冲。缓冲区的操作通过、五个指针操作来实现。其中为发送页起始页地址，和为接收缓冲区的起始页和结束页地址。接收缓冲区首尾相接，形成环形结构，是网卡写内存指针，指向当前正在写的贞面的下一页。指向接收缓冲区第个第期鲁力等：嵌入式协议的高速电网络数据采集系统可用的页面，当指向时须由用户移至，等于则表示数据接收缓冲（全部被存满，若不读取数据的话就会导致数据溢出。一÷鼹吣发送缓

8、冲堡冲阵缓冲区缓砖区接收缓冲区妥冲”一冲一堡壁堕！图的环形接收缓冲双口访问的读写可分为远程访问和本地访问：对的数据读写为远程访问：与网络之间的数据交换为本地访问。发送数据时首先通过远程访问将待发数据写入数据缓冲区，然后启动远程操作，将发送缓冲区的数据发送至网络。发送缓冲区采用双缓冲结构，个页面分成两个大小区域，可以容纳两个网络数据包，发送缓冲区轮流发送数据，提高了发送效率。数据接收采用中断方式，接收缓冲区收到数据后发送接收中断信号，由读取数据。需注意的是，用户必须自己修改指针的值，当该指针指向接收缓冲区的最后一贞后应将其移至第一页。协议栈的实现数据采集模块实时数据的传输采用协议，这罩所涉及的协

9、议其实是一系列通信协议的集合。嵌入式协议对完整的通信协议进行了裁剪仪实现了、协议，既保证了数据的高速可靠的传输，又提高了传输的效率“。协议是分层实现的，如图所示，最底层的是网络接口层，这一层对硬件进行直接操作，即网络通信芯片的驱动层，上面已详细介绍。接下来是网络层，网络层实现了、和协议。协议是地址解析协议，负责实现网络设备地址和物理地址的转换。在本系统中则负责获取上位机的物理地址和对上位机请求的应答。是网际控制报文协议，实现网络状况信息的传递。模块是整个协议栈的中心环节，它接收来自网络的输入数据包，同时也接收来自上层协议的输出数据包，为数据包选择路由，或者将其发往一个网络接口，或者将其交给本机

10、的上层协议软件。高层应川程模块、，模块驱动￥竺叟嘲一鱼电赫头电数据以电网数据一一一一一一弋萝一一一一一一一一一彳卜一、电“数据刈映电网数抛二南睾以人网帧以人网帧图协议的分层结构与数据收发过程传输层实现了和协议，这是保证数据采集系统数据高速、正确传输的核心所在。为不可靠的连接提供可靠的、具有流鲢控制的、端到端的数据传输。模块巾包含个关键过程：数据输入、数据输；乜和超时重发。协议提供无连接的通信，虽然不能保证数据传输的可靠性，但是效率非常高。¨。应用层为上层应用程序通过传输层的协议来收发数据提供接口。数据的收发过程数据的发送就是将采集并初步处理后的数据依次通过各层协议封装后，最后形成一个

11、完整的以太网数据包并通过芯片发送出去：接收过程相反，来自以太网的数据包通过各协议层时被剥去包头并进行校验，校验尤误则交付上层协议处理，出错则丢弃。数据帧的发送与接收过程如图所示。采样程序主程序数据采集系统关键在于数据的精确采集与可靠传输。在本模块中，数据的实时采集与分析计算同时进行。数据采集与传输在中断中完成，各中断之间的时间间隔则进行电能质肇数据的分析。数据采样中断的触发信号来自检测模块上的锁相环，锁相环的作用是自动跟随电网波形变化并等间隔采样。采样触发信号启动转换器，对采样后的数据进行校正并以的格式存储。格式是一种以整数来代替浮点数进行运算的格式，由于是定点，在数学运算时以格式运算来代替浮

12、点运算可以极大地提高运算精度和仪器仪表学报第卷速度。数据的发送也是在中断中完成，采样数据及分析结果均以单周期发送。由于数据包的发送比较耗时，不能在两个采样间隔之间将一个周波的数据发送完毕，为了保证数据采样的实时性，数据的发送采用优先级较低的自定义中断。在进行数据实时采样传输的同时还能够同步计算出主要的电能质量参数，这包括三相电流或电压有效值、次以内的谐波值、畸变率，以及实时频率等。数据传输系统的优化对于高速数据采集系统来说，数据传输的速度至关重要。网络通信虽然速度不及数据采集卡，但其安装布线的简便性和抗干扰性却是数据采集卡所无法比拟的。为了提高数据传输的速度还得对整个系统进行优化，影响网络传输

13、速度的瓶颈有两方面：一个是与网络芯片的接口时序，另一个是协议栈的实现。 通过接口来访问外部设备，访问可分为个阶段：前导（）、有效（）和跟随（），各阶段的等待周期数由软件设定。其中前导阶段是指从该存储区片选信号有效，待访问地址出现在地址总线到渎写信号有效为止；有效阶段即读写信号有效的阶段，此，寸网络芯片的进行读写：跟随阶段是指读写信号失效后，片选信号继续有效的时间。“。氇是高速外设，只有读写时序设置与其相对应的时序一致时，才能充分发挥芯片的性能。 协议栈的实现计算量较大，占用了有限的计算资源，因此嵌入式协议应根据实际情况在保证传输速度与可靠性的基础上尽量精简。协议的数据计算主要来自校验码的计算，

14、其中包括包头、包头和包头的校验码。包头的校验码仅仅是针对包头的计算，对于每一个数据采集模块来说，其自身和主机的、地址，以及每次发送的数据包长度都是同定的，可以预先计算好存储在芯片内；在网络通信距离近、干扰较小的情况下，通信出错率很低，若对传输速度要求高但可靠性无严格要求则可考虑取消和包头的校验，这样可以省掉绝大部分的计算；协议在数据传输时由于不需要保持固定的连接，也不需要等待接收方的回应，以及超时莺发的实现，所以在传输小容量大数量的数据包时效率要比协议高得多，用协议取代协议并在应用层中辅以其他手段保证网络通信的可靠性也不失于一种提高传输速度的方法。系统开发和应用在本系统中，主要数据的计算已经在

15、中完成。上位￥，传上来的数据进行后续处理。与数据采集卡和基于总线的数据传输接口不同，它们需要自己编写驱动程序，这就需要开发者对操作系统以及底层驱动了如指掌，开发难度相当大。而对于采用协议的系统来说，由于操作系统均已安装网卡驱动与的全部协议，开发者只需编程凋用网络函数或是应用控件就日以完成数据的收发，再利用、或是等高级开发具很容易开发出功能强大的应用软件。本系统的桌面软件采用设计，可以对多路电网电压或电流波形进行实时显示，电能质量数据在显示的同时存人数据库以便后查询分析。通过软件还可以对不同时段的电能质量进行比较分析，绘制趋势图、柱状图等。另外该系统还实现了电能质量数据的远程监控，远程控制以及打

16、印等多种功能。图、是将本系统应用于某变电站谐波检测的实测图，应用结果表明，其综合性能优于现有谐波检测装置。图电能质量波形及数据显示界面图数据库查询及柱状图显示第期鲁力等：嵌入式协议的高速电网络数据采集系统结论 本套系统采用以太网进行高速数据传输，克服了以往电力系统中广泛采用的总线传输速度不够，数据采集卡限于工控机插槽数目以及集中式采集布线复杂等缺陷。既町将采集模块分布式的安装在采集现场义可将多个采集模块集中安装在一个开芙柜内，同时接人网络的采集模块数鼍不受限制。由于该系统的绝大部分数据计算已经在数据采集模块中完成，上位机仪完成数据库操作和网络访问，闪此完全町以用等嵌入式系统来实现上位机的功能，节省没备成本与体积。另外网络通信模式使系统很容易接入现在通行的现场总线，便于数据的集中监测。随着网络技术发展的口新月异以及工业以太嘲的广泛应用，相信该高速数据采集系统的设计理念具有广阔的应用前景。 参考文献苗强，何风有，邓世建基丁总线的变电所嘛测系统设计仪器仪表学报，（）：，（）：张索莉，陈宇基于总线的探地雷达数据采集系统仪器仪表学报，（）：，（）：张兴莲，王智慧，李元元基于的与间的通信低压电器，：，：杨鹏，赵琦业以太网的发展及其技术特点微计算机信息，（）：，（）：关守平，姚勇，刘海龙嵌入式系统网络接口模块设计及应用仪器仪表学报，（）：，（）：王力生，梅岩，曹南洋轻量级嵌入式协议