MPC850在通信管理器的应用-设计应用

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何宝林1，李明刚2，刘波3（1.南京邮电学院信息工程系江苏南京210003；2.合肥工业大学理学院安徽合肥230008；3.北海银河高科技股份有限公司广西北海536000）

通信管理器作为变电站控制中心的信息枢纽，要求信息处理能力大、通信接口种类丰富、实时响应速度快。摩托罗拉公司提供的PowerPC系列处理器MPC850是专用于通信领域的嵌入式CPU产品。本文描述的就是如何利用MPC850所具有的强大功能实现通信管理器装置。

1概述变电站系统都采用的是分层式结构，按纵向分为间隔层、通信层和变电站层。间隔层的设备主要是针对变电站系统当中的各种保护工作，面对大量的二次接线。各个间隔层的设备通过通信网络接入到通信层的通信管理器上，通信管理器对数据进行管理、规整之后转发至变电站层。这样可以避免用于测量、控制的大批电缆。通信管理器可以有效地提高变电站的网络安全防护能力，同时有利于变电站层其他智能设备的接入，达到站内信息的有效管理，同时提高了系统的可靠性和投资成本。变电站层设备可以针对性的提供设备状态的监视、控制和相关数据的记录。通信管理器通过各种各样的通信端口与间隔层的智能设备进行通信，做到信息采集、汇总及处理；对各智能单元实现各种监视及控制功能；进行规约转换、数据转发。因此通信管理器是整个厂站自动化系统的枢纽。通信管理器在变电站系统中的连接如图1所示。

2MPC850功能介绍MPC850是摩托罗拉公司基于Power体系结构设计的32位多用途通信处理器。他内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种控制领域。他是MPC860应用于通信系统的低成本实现，提供了更高的性价比，并在通信方面有所增强，例如对通用串行总线（USB）的支持。MPC850集成了嵌入式PowerPC核和1个为通信使用的专门的RISC的通信处理器模块（CPM）。MPC850的CPM支持6个串行通道：1个串行通信控制器（SCC），1个通用串行总线通道（USB），2个串行管理控制器（SMS），1个I2C（InterIntegratedCircuit）接口，和1个串行外围接口电路（SPI）。图2是MPC850的内部结构框图。

MPC850内部模块主要有3个：嵌入式PowerPC内核、系统接口单元以及独立于系统内核的通信处理模块，这3个模块通过内部的哈佛结构总线紧密协调地工作。MPC850的PowerPC内核采用了静态设计，该处理器是高性能低功耗的精简指令集（RISC）微处理器，他采用的内核结构具有多分支处理的能力，能够在一个系统时钟周期内完成一个32位的外部接口操作。在50MHz的频率下可以达到66MIPS。另外他还拥有2kB的指令cache和1kB的数据cache。系统接口单元是一个32位数据宽度的总线接口。他控制着系统的启动和初始化，总线的操作、保护以及外部总线。灵活的内存控制器和各种各样的存储器，包括DRAM，SRAM，PSRAM，EPROM，Flash，SDRAM，EDO等，另外配置的总线时序控制可以灵活地实现外围设备的挂接。8个片选的资源，8个外部中断，256MB的地址空间使系统在内存分配，外围设备的扩展和管理方面都变得相当的简便。MPC850内部还具有一个独立于PowerPC的32位RISC控制器，主要负责底层的任务和DMA控制，并且分担内核的一些外围控制工作。这种双处理器的体系结构与传统体系结构的处理器相比具有更高的效率。多个通信通道的大部分工作不需要内核的参与直接完成并行处理，使整个系统的通信吞吐量得到了非常大的提高。因此这款处理器在通信领域得到了很高的评价。3通信管理器对通信的要求通信管理器在变电站系统当中作为一个信息的交换枢纽，担负着系统的信息采集、汇总及处理；对各智能单元实现各种监视及控制功能；进行规约转换、数据转发，对间隔层的各个设备进行管理。由于间隔层的设备数目众多、种类繁多且通信方式多样，因此变电站对通信管理器提出了严格的要求。通常在变电站系统中具有多条母线，接入的保护装置数量十几个甚至几十个，接入的通信方式有RS232/RS485/RS422、CAN网、以太网等。通信管理器因此要求本身的通信处理能力强大，支持多种通信通道，可以灵活的对各个智能设备实现接入。在整个变电站系统当中，各个智能装置在实际的运行过程中需要进行时间同步，因此也要求通信管理器能够提供的对时时间。YHB5501通信管理器装置采用MPC850为，构筑了高性能的硬件平台，并用先进的实时多任务嵌入式操作系统VxWorks作为高性能、高稳定的软件平台，能够直接管理隔离层的各类装置设备。拥有8个外部中断接口，兼于嵌入式操作系统，能够在13μs之内及时的响应外部事件；配备通信处理器模块（CPM）、使以太网、串行接口、SPI、I2C等通信的数据处理的能力加强；以PowerPC为，内部采用哈佛结构的方式、多条指令的处理采用流水线的方式，提高了内核的数据处理能力，因此采用MPC850完够满足变电站对通信管理器数据处理能力的要求。YHB5501通信管理器装置扩展灵活，并且变电站系统对时间同步有着比较严格的要求，因此在外部扩展了定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）模块，这个模块采用了Rockwell公司的JUPG0221。他的时间精度为±40ns。

4通信管理器的实现4.1硬件系统设计通信管理器装置硬件电路主要包括通信微处理器MPC850、复位和时钟电路、存储器电路、调试接口BDM、液晶显示电路、串行接口电路、以太网接口电路和遥控、遥信、遥测电路。硬件连接方框图如图3所示。由于通信管理器对以太网口的要求为3个，串行接口要求的数量为16个，原有的1个网口，2个串行接口不能满足其要求，因此采用了CS8900和TL16C554进行扩展。

通信处理器的内核MPC850一方面要通过以太网口或串行接口与间隔层的设备以及变电站层的后台进行通信，另外一方面要进行内部本身的部分工作，如遥控、遥信、遥测，液晶显示、GPS。下面分别对这几个部分进行说明。(1)以太网接口MPC850通过SCC（SerialCommunicationsControllers，串行控制器）可以实现快速以太网IEEE802.3协议，通过媒质独立接口（MediaIndependentInterface）与10Mb以太网收发器LXT905相连接，再通过隔离变压器接入以太网。另外2个以太网口通过数据总线和地址总线与处理器连接，实现的网络速度为10Mb。MPC850可以直接读取扩展的2个以太网口CS8900的内部所有资源，操作方便简洁。MPC850内部的SCC在以太网模式下，PowerPC内核只需要在指定的内存空间写入需要发送的数据和读取已经接收到的数据，任何其他的操作都由CPM处理，两者之间通过DMA通道进行通信。这样独立之后，节约了处理器内核的处理时间，提高了效率。(2)串行接口MPC850内部集成了2个SMC（SerialManageControllers，串行管理器）。这2个控制器由CPM管理，他们读取到的数据通过DMA通道传至PowerPC内核。外部由TL16C554扩展的串行接口通过译码电路、地址线和数据线与MPC850进行连接。译码电路实现片选的分配、中断相应。串行接口可以同时实现RS232C/RS422/RS485的通信方式，使应用的配置灵活、方便。通信速率可以在300~19200b/s内配置。(3)SPISPI通信接口是MPC850本身所具有的一个通信接口，在实现通信管理器中用于遥信的采样和人机界面液晶显示的数据通信。在本系统的SPI通信当中，MPC850作为主，遥测和液晶显示作为从。SPI通信方式简单，只有3根数据传输线：同步时钟、主到从的数据传输线以及从到主的数据传输线。SPI的通信传输速率可以达到6.25Mb/s，但是考虑到变电站系统工作环境干扰，选取392kb/s。(4)GPS接口GPS的扩展通过系统的一个串行接口以及3个I/O接口实现连接。GPS的PPS（PulsePerSeconds）管脚在每一秒的开始时刻会由低电平跳转为高电平，这个管脚输出的上升沿时间精度为+40ns；同时在GPS的串口输出了相关具体的时间（年、月、日、时、分、秒、星期等）和地理坐标的信息。MPC850可以根据PPS管脚信号的上升沿与整个系统的时间对时，从而得到的时间基准。(5)其他部分电路在硬件电路当中还有相关的存储器、时钟、复位电路。整个系统的存储器具有4MBFlash以及16MBSDRAM，他们分别都是由系统接口单元（SIU）管理，存储器需要的时序波形可以根据要求对SIU中的GPCM及UPM相关的寄存器进行设置，从而达到灵活扩展存储空间的要求。MPC850运行时钟频率为50MHz，但是考虑到系统的抗干扰性以及系统的稳定性，时钟电路的输入采用了较低的时钟5MHz，通过内部的PLL倍频之后升至50MHz。MPC850的复位分为：上电复位、硬件复位、软复位、调试端口复位等，需要注意的是在系统上电复位和硬件复位的时候，处理器会在这两种复位释放前的CLKOUT2个上升沿采样来自于数据总线的复位配置字；复位配置字决定了MPC850的初始化配置，如启动程序对应的存储空间数据位是8、16或者32位，工作时钟的倍频因子等。所以必须合理地配置硬件配置字，才能保证系统的正常运行。4.2软件系统设计通信管理器的系统软件结构如图4所示。层就是上文所介绍的基于MPC850搭建的硬件平台。硬件相关代码包括了以太网驱动程序、串行接口驱动程序、SPI驱动程序以及硬件平台和操作系统相接的板级支持包（BSP），硬件相关代码是嵌入式操作系统对硬件平台实现操作的桥梁。嵌入式操作系统内核采用了WindRiverSystem公司