基于SPI双机通信的弧光保护系统

涂永飞，王名传（中国能源建设集团镇江华东电力设备制造厂，江苏 镇江 212017）

基于SPI双机通信的弧光保护系统

涂永飞，王名传
（中国能源建设集团镇江华东电力设备制造厂，江苏 镇江 212017）

针对弧光保护系统的实际需要，设计了一种基于SPI的双机通信系统。简要阐述了该系统的设计思路，并给出了具体的实现方法。实验表明，采用该方法能够满足实际工程中的需求，对于其他SPI的应用也有很好的借鉴价值。

弧光保护；SPI；LPC1788；协议

0　引言

在一些重要的用户变电站和发电厂的厂用电系统中［1］，弧光短路是中、低压开关柜内部最严重的故障，由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到速断整定值而不能快速动作切断故障，造成严重的后果。据统计资料表明，近年来，每年每1 000台开关柜就有7台遭到损坏，故障率为 0.7%，农村配电网的概率更高，达 1.2%。有的甚至发展成“火烧连营”的事故，这些配电网事故处理不当甚至会扩大发展为输电网事故，造成重大的经济损失。2010年，云南电网下发了《关于在中低压开关柜加装电弧光保护的通知》，要求在所有的 35 kV和10 kV开关柜中加装电弧光保护，目前南方电网已在逐渐推广。

中国能源建设集团华东电力设备制造厂研制的ZHG-1A型智能弧光保护系统采用紫外光弧光检测和过电流检测双判据原理，具有保护动作速度快、可靠性高等特点。它是一个模块化系统，包括主控单元、电流单元、弧光单元，系统构成示意图如图1所示。

图1　弧光保护系统示意图

1　弧光保护系统主控系统通信结构原理与设计

主控单元是电弧光保护系统的核心部件，负责输入量的采集、测量、计算及逻辑判断，实现系统的各项保护逻辑、与站内监控系统通信等功能。主控系统采用 DSP+双ARM结构，其中一块ARM（A片）采用 NXP公司的 LPC178x芯片负责与站内系统通信，另一块 ARM（B片）同样采用 LPC178x芯片负责液晶显示与DSP通信。在与站内监控系统通信时，A片ARM要把相关数据通过B片ARM传递给DSP，为此两块ARM之间要进行通信。主控系统通信结构如图2所示。

图2　主控系统通信结构

2　SPI通信设计与实现

2.1SPI硬件实现

LPC178x/177x系列的 SSP是一个同步串行端口（SSP）控制器［2］，可控制SPI、4线 SSI或 Microwire总线的操作。SSP可以与总线上的多个主机或从机交互。但在一次给定的数据传输过程中，总线上只能有一个主机与一个从机进行通信。数据传输原则上是全双工模式，4～16位数据的帧由主机发送到从机或由从机发送到主机。SSP控制器共用以下 4个管脚：

（1）SCK：串行时钟管脚，用来同步数据传输的时钟信号。它由主机驱动，从机接收。无论主机往从机写数据还是从从机读数据，它的时钟信号都是由主机的SCK管脚产生，从机不产生时钟信号。

（2）SSEL：帧同步/从机选择管脚，当作主机时此管脚可作为普通的I/O使用；当作从机时此管脚不可用作普通 I/O口，只作为 SSP的从机选择。主机其他的普通I/O管脚也可与从机的SSEL管脚相连，用作从机的片选。

（3）MISO：主机输入从机输出。MISO信号使串行数据从从机传输到主机。

（4）MOSI：MOSI信号使串行数据从主机传输到从机。

另外，本系统在两片ARM之间预留了两根联络线，以便通信不稳定时便于调整。

2.2SPI软件实现

在双机通信过程中，主机发送采用查询方式，从机接收采用中断方式。主机发送数据的同时也在接收数据，从机接收数据的同时也在发送数据。通过配置SSP寄存器，选择SPI模式、设置数据长度和通信速率。由于设置从机接收到第 4个数据时FIFO产生一次接收中断，因此，主机每次发送一组40个数据，从机只取前 37个数据为有效数据，后3个数据接收但作为假数据不用；主机接收的前4个数据也为假数据不用，后 36个数据为有效数据。当一组数据接收完成时，调用数据处理函数进行处理。主机SPI流程图如图3所示。

在SPI通信中，主机向从机发送数据，如何判断数据发送正确及接收完成SPI协议本身并未提供任何规范。在设计中，固定数据发送的个数，定义表1所示的SPI数据帧结构，可以很好地解决这个问题［3］。

图3　主机SPI流程图

表1　SPI数据帧结构

表1中，起始字节表明一帧传输的开始，这里定义为0XFF；标志字节表明此次传输的数据类型，根据特定的应用类型作具体的规定；数据长度表明此次传输的数据长度，用字节数表示；应用服务数据为所要传输的具体应用数据。

当所有数据接收完成时，根据SPI软件协议，标志字节为0XAA表明此组数据为伪数据，可以不作处理，直接丢弃。当起始字节不是0XFF时，即表示此组数据接收数据有误。在通信中，主机每隔一段时间向从机发送数据，从机根据标志字节判定是控制命令还是运行状态数据［4］。当从机接收的是控制命令时，从机等待主机下一帧数据发送的同时，把相应的数据发给主机。

下面给出从机的 SSP1口初始化和 SSP1的收发函数代码。

3　结论

本设计中，两个ARM的主频都为100 MHz，使用公共外设PCLK时钟，通过SSP时钟分频器产生SPCLK时钟。在实验中也考虑过其他方案，由于SPI的接收中断处理方式且又要实现主从机收发同时，发现本方案可行。目前测试结果表明，SPI能很好地满足它们之间高速的双向数据传输要求，其最高传输速率可达 5 Mb/s，解决了实际应用中的双机如何可靠通信等问题，已成功应用于弧光保护系统，也可用于其他需要双机通信的场合。

［1］李从飞，陈凡，鲁雅斌，等.DPR360ARC弧光保护系统设计［J］.电力系统保护与控制，2010，38（12）：125-128.

［2］NXP.LPC178x/7x用户手册 ［EB/OL］.［2011-07-06］.http：//www.cn.nxp.com/documents/other/LPC177x-178x_UM_Simp CHN.pdf.

［3］王杰，王小鹏，赵国辉.采用SPI接口实现双 DSP双向通信和同步［J］.微型机与应用，2010，29（24）：96-98.

［4］高振，罗秋凤.SPI接口与CRC算法在双DSP数据通信中的应用［J］.电子产品世界，2011，18（1）：46-49.

Arc protection system based on SPI bus for dual MCU communication

Tu Yongfei，Wang Mingchuan
（China Energy Engineering Group Zhenjiang East China Electric Power Equipment Factory，Zhenjiang 212017，China）

In order to satisfy the arc protection system actual demand，dual MCU communication system is designed based on SPI.It briefly expounds the design ideas of system and provides the concrete process.Experiments show that the method is effective in engineering practices，and provides a reference to other SPI applications.

arc protection；SPI；LPC1788；protocol

TP273

A

1674-7720（2015）02-0072-02

（2014-09-17）

涂永飞（1983-），通信作者，男，硕士，工程师，主要研究方向：电力系统自动装置的研发，E-mail：tuyongfei@163.com。

王名传（1988-），男，硕士，主要研究方向：电力系统设备研发。