Dit artikel beschrijft de interne architectuur voor gegevensoverdracht van het regionale stabiliteitsregelingsapparaat en gaat in op de maatregelen die in elke schakel zijn genomen om de betrouwbaarheid van de gegevensoverdracht te verbeteren. Het gaat daarbij met name om het verbeterde ontwerp van programma’s voor dual-port RAM op de GPS-interfacekaart en de toepassing van FIFO op de analoge data-acquisitiekaart, het gebruik van complexe programmeerbare logische apparaten (CPLD) voor de implementatie van de logische besturing van de data-acquisitie en de cyclische redundantiecontrole (CRC), evenals het ontwerp van het netwerkcommunicatieprotocol op de applicatielaag van het ARCnet-netwerk. Deze maatregelen zijn in principe eenvoudig en gemakkelijk te implementeren, en theoretische analyse en gerichte experimenten tonen aan dat ze de betrouwbaarheid van de gegevensoverdracht effectief kunnen verbeteren.
De regionale stabiliteit bedieningsapparaat kan de stabiliteitsgrens van het systeem effectief verbeteren door informatie uit te wisselen tussen verschillende knooppunten van het elektriciteitsnet en op verschillende locaties passende regelmaatregelen te nemen, afhankelijk van de bedrijfsmodus en storingsomstandigheden van het gehele netwerk. Het apparaat werd in maart 1997 in gebruik genomen in drie onderstations en twee elektriciteitscentrales van het oostelijke elektriciteitsnet van Heilongjiang. Zonder ingrijpende wijzigingen in de netwerkstructuur zorgde het voor een langdurige, veilige werking van het oostelijke elektriciteitsnet onder hoge stabiliteitslimieten en verlichtte het het probleem van het stroomtekort in de oostelijke elektriciteitscentrale.
Uit de logbestanden van de hoofdcomputer blijkt dat de betrouwbaarheid van de gegevensoverdracht binnen het apparaat tijdens langdurig gebruik verder moet worden verbeterd. Dit komt voornamelijk tot uiting in: ① De door de lagere computer geüploade datapakketten gaan verloren; ② Er zitten duidelijk foutieve gegevens in sommige datapakketten (de afwijking van de werkelijke waarde is te groot). De betrouwbaarheid van de gegevensoverdracht is een belangrijk onderdeel van de algehele betrouwbaarheid van het stabiliteitsregelapparaat. In sommige extreme gevallen zal langdurig (zoals meer dan 10 opeenvolgende cycli) verlies of verkeerde overdracht van gegevensberichten ertoe leiden dat het apparaat de huidige status van het elektriciteitsnet verkeerd inschat, en zelfs storingen veroorzaakt.
Dit artikel gaat uit van de interne architectuur voor gegevensoverdracht van het regionale stabiliteitsregelsysteem, analyseert mogelijke problemen in elke schakel van de gegevensoverdracht en stelt een reeks passende maatregelen voor om deze problemen aan te pakken, die vervolgens ook worden geïmplementeerd.
Systeem voor gegevensoverdracht
Het regionale stabiliteitsregelsysteem heeft een hiërarchische structuur van bovenste en onderste computers om een flexibele configuratie mogelijk te maken en te voldoen aan de eisen van diverse toepassingen. De netwerkcommunicatie tussen de bovenste en onderste computers verloopt via de ARCnet-netwerkkaart. De lagere computer is een industriële STD-bus met een master-slave CPU-structuur. Alleen de masterprocessor V40 kan de bus aansturen en toegang krijgen tot busbronnen. De slaveprocessor heeft geen directe toegang tot busbronnen. De processors kunnen worden gezien als intelligente I/O op de bus; ze voeren alleen bepaalde specifieke functies uit en nemen niet deel aan beslissingen op systeemniveau.
Het interne gegevensoverdrachtssysteem van het regionale stabiliteitsregelsysteem wordt weergegeven in figuur 1. De transmissieverbinding waarmee de analoge en schakelgegevens die door elke insteekkaart van de slave-computer worden verzameld, naar het geheugen van de hostcomputer worden verzonden, omvat hoofdzakelijk: ① De hoofdbesturingsprocessor V40-kaart en de GPS-interfacekaart wisselen status- en tijdinformatie uit via dual-port RAM; ② De V40-kaart verkrijgt de verzamelde analoge en digitale gegevens van de A/D-conversiekaart en de schakelingangkaart via de I/O-poortresponsmethode; ⑧ De communicatie tussen de bovenste en onderste computers wordt gerealiseerd door het industriële token-netwerk ARCnet.
Gegevensoverdracht via GPS-interfacekaart
De gegevens die worden uitgewisseld tussen de hoofdbesturingsprocessor (V40-kaart) en de microcontroller op de GPS-interfacekaart omvatten voornamelijk: ① Nuttige tijd- en statusinformatie die is geëxtraheerd uit de communicatieberichten van de GPS-ontvanger. Deze informatie wordt als tijdstempels toegevoegd aan de analoge grootheden die via synchrone verzameling worden verkregen, en schakelt gegevensberichten; ② commando- en statusbytes om een gecoördineerde werking van de master-slave CPU-structuur te waarborgen.
De gegevensuitwisseling tussen de master- en slave-CPU’s vindt regelmatig plaats en de timing is complex en veranderlijk. Het DS1609 dual-port RAM van Dallas Company is gekozen als gegevensbuffer en geheugen. De GPS-interfacekaart kan via de dual-port RAM-methode indirect deelnemen aan de besluitvorming op systeemniveau van de lagere computer. Hardwareontwerp van de DS1609
Het is eenvoudig en gemakkelijk te implementeren, maar de eisen die aan de bijbehorende softwareprogrammering worden gesteld, zijn relatief hoog. Dit komt doordat beide uiteinden tegelijkertijd toegang hebben tot de geheugeneenheid, maar de chip zelf geen hardware-logica biedt voor het oplossen van toegangscondflicten. Potentiële toegangsconflicten moeten worden vermeden door middel van softwareontwerpmethoden. Anders kan dit leiden tot lees-/schrijfconflicten en schrijf-/schrijfconflicten voor hetzelfde adres, wat kan leiden tot verkeerd gelezen gegevens, onzekerheid over de gegevensinhoud en andere problemen. Weerspiegeld in de GPS-interfacekaart zal dit toegangsconflict er direct toe leiden dat de hoofdbesturingsprocessor V40-kaart foutieve gegevens ontvangt, wat het fenomeen van “pseudo-verlies” van datapakketten veroorzaakt, dat wil zeggen het datapakket is daadwerkelijk geüpload naar de hostcomputer, maar vanwege de fout in de header-vlagbit kan het niet worden herkend door de hostcomputer, waardoor de gegevens niet effectief kunnen worden gebruikt.
De verbeterde GPS-interfacekaart maakt gebruik van het concept van de “mailbox-methode” en combineert het daadwerkelijke dataverkeer en de stroomrichting om programma’s voor dual-port RAM te ontwerpen. De belangrijkste ontwerpuitgangspunten van de “mailbox-methode” zijn: ① De mailbox zelf kan garanderen dat er geen lees-/schrijfconflicten en schrijf-/schrijfconflicten optreden. Dit kan worden bereikt door de inhoud van een paar mailbox-vlaggegeheugens op te vragen. In speciale gevallen kan dit ook worden geïmplementeerd met één enkel geheugen; ② De mailbox is een indicatie van de lees- en schrijfstatus aan beide zijden van het opslaggedeelte. Deze informatie kan worden gebruikt om diverse mogelijke conflicten te voorkomen.
Bij het ontwerpen van een dual-port RAM-programma met behulp van de “mailbox-methode” moet op het volgende worden gelet: ① Voordat toestemming voor een schrijfbewerking op een bepaalde opslageenheid wordt verkregen, moet de bijbehorende mailbox worden geraadpleegd, en het recht op de schrijfbewerking moet onmiddellijk worden vrijgegeven nadat de schrijfbewerking op die opslageenheid is voltooid; ② Bij het standaard dual-port RAM heeft een bepaalde kant een hogere prioriteit om het schrijfrecht te verkrijgen. De zijde met een lagere prioriteit moet het vlaggegeheugen ⒉ keer opvragen tijdens het verkrijgen van de schrijftoegang (de 2 opvraagvertragingen worden bepaald op basis van de werkelijke snelheid van de master- en slave-CPU's) om ervoor te zorgen dat in geen geval meer dan één zijde tegelijkertijd schrijftoegang kan verkrijgen voor hetzelfde opslaggedeelte.
De voordelen van het gebruik van de “mailbox-methode” bij het ontwerpen van een dual-port RAM-programma zijn: ① Zelfs als er niet zorgvuldig rekening wordt gehouden met de timing van gerelateerde programma’s aan beide zijden van het dual-port RAM, kan deze methode garanderen dat er geen lees-/schrijfconflicten en schrijf-/schrijfconflicten optreden, wat met name geschikt is voor communicatiesystemen met frequente en complexe timing; ② De onderlinge afhankelijkheid van programma's aan beide zijden van het dual-port RAM wordt verminderd, wat de structurering en modularisering van het programmaontwerp vergemakkelijkt en de onderhoudbaarheid en overdraagbaarheid van het programma verbetert.
Gegevensoverdracht via A/D-conversiekaart
De oorspronkelijke A/D-conversiekaart maakt gebruik van een single-chip microcomputer en dual-port RAM om de functies van data-acquisitie en gegevensuitwisseling met het onderliggende computersysteem te realiseren. Systemen met een single-chip microcomputer en dual-port RAM bestaan uit een groot aantal chips, en hun stroomverbruik en warmteontwikkeling zijn aanzienlijk. Slechte warmteafvoer beïnvloedt de stabiliteit van de werking van het circuit. Net als bij de GPS-interfacekaart moet bij de programmering van dual-port RAM rekening worden gehouden met veel factoren. Wanneer er op een industriële locatie sterke elektromagnetische interferentie optreedt, wordt de gegevensoverdracht beïnvloed, wat ertoe leidt dat er onmiddellijk een grote hoeveelheid ongeldige gegevens verschijnt. Op dat moment kan de horizontale pariteitscontrole die door de oorspronkelijke A/D-conversiekaart wordt gebruikt, geen even aantal fouten detecteren en niet aan de vereisten voldoen.
Uit de analyse blijkt dat het besturingssignaal van het systeem naar de A/D-conversiekaart bedoeld is om het bemonsteren te starten. Dit signaal wordt geleverd door de netwerkbrede synchrone bemonsteringspuls die door de GPS-interfacekaart wordt verzonden en wordt volledig in hardware geïmplementeerd.Op deze manier worden de gegevens die door de A/D-conversiekaart via de bus worden verzonden, allemaal in één richting gestuurd, voornamelijk analoge grootheden.
Gegevens en de bijbehorende controlecode, evenals de statusinformatie van de kaarten (zoals de FIFO-status, de status ‘gegevens gereed’ van de A/D-conversiekaart, enz.). Let op het enkele gegevensoverdracht Gezien de richting en de vaste gegevensuitvoervolgorde van deze kaart, en rekening houdend met de hoeveelheid gegevens die moet worden gebufferd, is gekozen voor de asynchrone FIFO IDT7201 van IDT ter vervanging van het oorspronkelijke dual-port RAM. De lees- en schrijfbewerkingen van de FIFO kunnen alleen sequentieel worden uitgevoerd. De lees- en schrijfbewerkingen vereisen alleen de /W- en /R-signalen om deel te nemen aan de besturing en hebben niets te maken met het adresignaal, dus het interfacecircuit is eenvoudig; tegelijkertijd zorgen de hardware-eigenschappen van de FIFO ervoor dat het onmogelijk is dat er tijdens het gebruik conflicten optreden. In het geval van lees-schrijfconflicten is de betrouwbaarheid hoog en is de bijbehorende programmering eenvoudig en gemakkelijk te implementeren.
De besturingslogica van de A/D-omzettingskaart wordt gerealiseerd door een complex programmeerbaar logisch apparaat (CPLD), en er is gekozen voor de MAX7000-serie chip van ALTERA om het oorspronkelijke single-chip microcomputersysteem te vervangen. De voordelen van de MAX7000 zijn: ① De programmering wordt uitgevoerd door logische functiemodules met vaste verbindingscircuits aan te passen, waardoor de maximale vertraging tussen de ingang en uitgang voorspelbaar is; ② De verbindingen tussen de logische blokken zijn geconcentreerd en hebben een hogere werkfrequentie; ③ Hoog integratieniveau, geschikt voor het implementeren van complexere toestandsmachines en besturingscircuits.
Het toestandsdiagram van de CPLD op de A/D-conversiekaart wordt weergegeven in figuur 2. De door de CPLD geïmplementeerde besturingslogica omvat voornamelijk: ① A/D-conversie, zoals het starten van de conversie, het wisselen van kanalen, het wachten op gegevens, het opslaan van gegevens, enz.; ② Weergave van statusinformatie op de kaart, zoals de FIFO-status, de voortgang van de trunk-toestandsmachine, een reeks vlaggen voor het einde van de gegevensbemonstering, enz. Dit zorgt ervoor dat de hoofdbesturingsprocessor V40-kaart de bemonsteringsgegevens in realtime en nauwkeurig kan verkrijgen; ③ Implementatie van cyclische redundantiecontrole (CRC) op een reeks verzamelde gegevens.
Zoals te zien is in figuur 1, moet een grote hoeveelheid analoge gegevens eerst via de STD-bus, de ARCnet-netwerkkaart van de onderste computer en de netwerkkaart van de bovenste computer worden geleid, voordat deze uiteindelijk naar het geheugen van de bovenste computer kan worden verzonden voor gebruik. Het verkrijgen van analoge gegevens die over het gehele netwerk gesynchroniseerd zijn, is een essentieel onderdeel van de gegevensoverdracht. Ring, om de hoge betrouwbaarheid van de analoge gegevens te waarborgen tijdens het verzenden van de A/D-conversiekaart naar de hostcomputer, is het noodzakelijk om foutcontrole uit te voeren op de gegevenspakketten. Wanneer blijkt dat er een plotselinge fout zit in de gegevens die door de hostcomputer worden ontvangen, wordt het gebruik van deze gegevensset gestaakt om de betrouwbaarheid van de gegevensoverdracht te verbeteren.
De A/D-conversiekaart maakt in eerste instantie gebruik van horizontale pariteitscontrole, dat wil zeggen dat de pariteitscontrole wordt uitgevoerd op dezelfde bit van elk teken binnen dezelfde gegevensgroep, waarna uiteindelijk een controlewoord wordt verkregen. Dit foutdetectiesysteem is eenvoudig en gemakkelijk te implementeren, maar wanneer er een even aantal burstfouten optreedt in de bits die bij de XOR-bewerking horen, zal dit systeem
Trefwoorden: Internet of Things gateway
