基于STM32单片机的C37.94光口单盘设计

摘要

电力系统是一个庞大复杂的系统，在电力生产过程中有可能发生故障和异常情况，而电网在发生故障后会造成很严重的后果，所以各个变电站之间的高压输电线路通常使用电力继电保护设备来监督和检测线路上出现的各类故障和异常情况，如短路、过载等。
　　目前电力网继电保护系统中的光纤通信接口，主要使用C37.94标准，为使其安全有效接入同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)光传输网，本课题分析了C37.94标准的保护设备国内外发展现状，针对数字复用设备中C37.94标准接口卡国内产品较缺乏的情况、目前国内主流继电保护厂商继电保护设备采用的不同光接口标准对复用通道的影响较大、其他厂家替代方案存在缺陷等问题，根据C37.94标准的接口要求及数字复用设备的通信模式，提出了基于STM32系列单片机C37.94标准光接口单盘设计方案。
　　本文主要是研究C37.94标准的光口接入板卡，实现对C37.94标准光口的光纤通信的接入、复用传输。对接入的光信号进行告警提醒，同时进行保护倒换和光口自动关断(Automatic Laser Shutdown/Reduction，ALS)相关的管理保护等措施，保证接入和输出的工作的正常有效执行。
　　本课题来源企业项目，课题中，采用普通ST光纤接口模块，通过FPGA实现对C37.94通信标准的解析，通过单片机来实现整个接口管理和功能实现。本文主要对单盘的硬件架构和各功能模块进行了详细设计，介绍了系统的硬件架构和MCU、FPGA结构的设计及管脚功能，同时详细介绍了板间协议(Iternal BoardCommunication，IBC)接口功能模块、FPGA驱动模块及保护倒换功能模块的软件设计方法;规范了与上位机的通信协议，单盘和网管盘的通信采用的异步串口通信方式，设计相应的私有通信协议，并详细的说明了相关的传输报文的格式和内容;对上位机单盘侧的嵌入式开发进行了详细的设计，上位机的开发主要是进行VxWorks的嵌入式开发，本文只进行了新增板卡相关的嵌入式开发工作;最后对单盘的软硬件和功能进行系统测试，完成了FPGA读写、外置FLASH的读写、电源电压、波纹的稳定性测试，以及MCU的上电复位信号、E1信号的时序和C37.94标准的光口指标进行测试，同时对串口通信功能和相应业务功能进行全面的测试。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状综述

1．3 研究的主要内容

第2章 系统架构及硬件实现

2．1 系统硬件架构

2．2 硬件系统功能实现

2．2．1 MCU模块

2．2．2 FPGA模块

2．3 芯片引脚描述

第三章 TP单盘的软件设计

3．1 软件的总体设计

3．1．1 系统功能

3．1．2 系统结构设计

3．2 网管通信模块设计

3．2．1 IBC层的工作原理

3．2．2 单盘启动命令的处理

3．2．3 调试命令模块

3．3 FPGA驱动模块设计

3．3．1 读写数据模块

3．3．2 程序加载驱动

3．3．3 应用接口函数

3．4 核心层保护倒换模块设计

3．4．1 保护倒换原理介绍

3．4．2 保护倒换状态机的逻辑算法

3．4．3 保护倒换网管通信配置

3．5 其他主要功能模块设计

3．5．1 ALS模块设计

3．5．1 ALS模块设计

第四章 网管与单盘的通信协议设计

4．1 数据传输规则及设备类型

4．2 信息帧格式及定义

4．3 查询模块定义

4．3．1 告警和状态信息查询(01)

4．3．2 订货信息内容查询

4．4 配置信息模块定义

4．5 其他操作模块定义

4．5．1 命令信息定义

4．5．2 读版本信息操作

4．5．3 其它命令内容

第五章 网管侧系统软件设计

5．1 运行环境描述

5．2 软件系统架构及功能实现

5．2．1 总体架构概述

5．2．2 功能实现

5．2．3 TP板卡的具体实现

5．3 网管与单盘通信法则

5．3．1 概述

5．3．2 网管侧局端反向配置流程

5．3．3 网管侧局端轮询流程

5．3．4 网管侧局端配置完成流程

第六章 TP单盘的测试

6．1 硬件相关测试

6．1．1 单盘CLI测试方法

6．1．2 单板电源测试

6．1．3 单板信号质量测试

6．1．4 单板信号时序测试

6．1．5 C37．94光口指标测试

6．2 串口通信测试

6．3 系统主要功能测试

6．3．1 整体测试

6．3．2 具体功能测试

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 不足及展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的学术论文