一种具有加密解密功能的iec61850通信规约转换soc芯片及实现方法
【专利摘要】本发明公开一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片及实现方法，包括高性能ARM微处理器、片内总线、以太网模块、高级加密解密AES模块、储存模块、通信接口模块、时钟模块，DMA模块、复位模块、PLL锁相环模块。所述片内总线包括AHB高速系统总线与APB低速外设总线，并通过AHB2APB Bridge桥模块连接。本发明实现了传统变电站通信采用的IEC103规约与国际通信标准协议IEC61850规约转换，将传统规约转换器的所有功能集成在一块芯片上，提高了规约转换可靠性，降低了成本，并支持光纤通信与高级加密解密，提高了数据传输的速率和安全性。
【专利说明】
一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片及实现方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力通信的技术领域，特别涉及一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片及实现方法。
【背景技术】
[0002 ] IEC61850标准作为国际电力系统自动化领域通信唯一的全球通用标准，通过对变电站设备通信的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现电力系统的无缝通信。IEC61850具有互操作性、自由配置、稳定性、开放性、完整性等特点，随着我国智能变电站的全面发展，电力系统通信规约统一采用IEC61850标准是变电站智能化的重要部分。
[0003]国内传统一、二次设备供应商由于大都以生产制造见长，所生产的继电保护设备主要还是采用IEC103标准，但是新技术的开发能力相对薄弱，对IEC61850系列标准的认识不足，开发成本大等原因导致很多终端厂家最后放弃了自己开发，而采取设备外接IEC61850规约转换器作为过渡解决方案。目前设备接入IEC61850规约转换器主要采用外接盒装IEC61850规约转换器的方式或者向厂商预留的通信插口插入IEC61850规约转换卡方式实现规约转换，但是这些方式存在硬件线路连接复杂，结构复杂，体积大，投入成本高等问题。另外IEC61850标准在安全性方面还没有做出相应的规范，如何在实现变电站统一采用IEC61850通信标准后，保证通信数据的机密性和完整性，确保电力系统通信安全性是变电站实现智能化的关键问题。
[0004]随着电力自动化设备片上系统的快速发展，将IEC61850规约转换芯片化，有助于降低变电站智能设备的开发成本和难度、缩短开发周期，简化硬件电路，并将安全模块集成到芯片中，有助于电力系统通信数据的安全性和可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片及实现方法，实现IEC103标准转换为IEC61850标准的转换，并集成高级加密解密AES模块到芯片中，提高了通信数据的安全性和可靠性。
[0006]本发明的第一个目的通过下述技术方案实现:
[0007]一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，所述规约转换SOC芯片包括高性能ARM微处理器、片内总线、以太网模块、高级加密解密AES模块、储存模块、通信接口模块、时钟模块、DMA模块；
[0008]所述片内总线包括AHB高速系统总线与APB低速外设总线，并通过AHB2APB Bridge桥模块连接；
[0009]所述以太网模块包括以太网MAC控制器及物理接口收发器PHY;
[0010]所述存储模块包括ROM、EFLASH、SRAM存储器及SDRAM控制器；
[0011]所述通信接口模块包括UART、SPI及I2C接口；
[0012]所述时钟模块包括RTC Controller实时时钟控制器、watch dog看门狗、Timer计时器以及0SC32K晶振；
[0013]所述高性能ARM微处理器、以太网模块，高级加密解密AES模块，储存模块、DMA模块与所述AHB高速系统总线连接；
[0014]所述通信接口模块、时钟模块与APB低速外设总线连接。
[0015]进一步地，所述高性能ARM微处理器为32位ARM926E J-S高性能处理器，用于实现IECl 03规约与IEC61850规约的相互转换；
[0016]所述32位ARM926EJ-S高性能处理器在Kei 14开发环境下编写，芯片嵌入UCOS-1I实时操作程序，通过指令控制芯片内各模块，实现规约数据接收、IEC103规约与IEC61850数据规约间的转化、规约数据发送、任务执行、工作状态监测功能。
[0017]进一步地，所述高级加密解密AES模块采用128bits的分组长度和128bits密钥长度的AES算法，加密模式采用CBC分组模式，用于实现通信数据的加密和解密功能。
[0018]进一步地，所述ROM存储器为片内集成的16KB R0M，用于存储SOC芯片的控制程序；
[0019]所述EFLASH存储器为片内集成1M EFLASH，用于存储boot loader程序和规约转换配置文件；
[0020]所述SRAM存储器为片内集成16KBSRAM，用于规约转换中数据的存储；
[0021 ]所述SDRAM控制器用于扩展外部SDRAM存储器，满足芯片工作时实时操作系统和规约转换程序内存的需求。
[0022]进一步地，所述以太网模块包括2个10/100M自适应以太网MAC控制器及2个物理接口收发器PHY，分别用于支持以太网口以及光纤口连接。
[0023]进一步地，所述DMA模块用于存储模块与外部设备之间的数据传输;通过配置DMA模块建立所述存储模块与通信接口模块、所述高性能ARM微处理器与存储模块、所述AES模块与存储模块以及所述以太网模块与AES模块之间的直接存取通道，提高数据传输的速率。
[0024]进一步地，所述通信接口模块包括2个UART接口、2个SPI接口、2个I2C接口；上述2个UART接口分别支持RS232物理接口以及RS485物理接口，用于接收发送IEC103规约数据；上述SPI接口和I2C接口为扩展功能接口，用于连接外部的设备；
[0025]所述时钟模块包括RTC Controller实时时钟控制器、watch dog看门狗、Timer计时器以及0SC32K晶振，其中RTC Contro 11 er实时时钟控制器的实时时钟由32KHz晶振驱，为芯片提供实时时钟，同步芯片内各种时钟信号;所述watch dog看门狗为芯片运行状态提供实时监测，防止在干扰下出现程序跑飞;所述Timer定时器为芯片程序提供计数、中断功能。
[0026]进一步地，所述规约转换SOC芯片还包括:复位模块和PLL锁相环模块；
[0027]所述复位模块与所述高性能ARM微处理器连接，发送复位信号；与所述watch dog看门狗连接，接收复位信号；
[0028]所述PLL锁相环模块用于对时钟的分频和倍频，产生多级时钟，校准各级时钟幅度与相位。
[0029]本发明的另一个目的通过下述技术方案实现:
[0030]一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片的实现方法，包括下列步骤:
[0031 ] S1、IEC103标准规约转IEC61850标准规约过程如下:
[0032]当所述规约转换SOC芯片通过通信接口模块的UART接口接收到IEC103规约数据包，数据包将存储在存储模块的SDRAM存储器中，由ARM926EJ-S高性能处理器从SDRAM存储器读取数据，完成IEC103规约的数据向IEC61850规约转换;转换后的数据包存储到存储模块的SDRAM存储器中，经高级加密解密AES模块从SDRAM存储器读取数据包完成加密后再次存储到SDRAM存储器中，经以太网模块的以太网控制器MAC和物理接口收发器PHY后将数据包发到以太网口或光纤网口 ；
[0033]当所述规约转换SOC芯片从以太网口或光纤口接收到IEC103规约数据包，数据包经过以太网模块的物理接口收发器PHY和以太网控制器MAC后，存储在存储模块的SDRAM存储器中，由ARM926EJ-S高性能处理器从SDRAM存储器读取数据，完成IEC103规约的数据向IEC61850规约转换;转换后的数据包存储到存储模块的SDRAM存储器中，经高级加密解密AES模块从SDRAM存储器读取数据包完成加密后再次存储到SDRAM存储器中，经以太网模块的以太网控制器MAC和物理接口收发器PHY后，将数据包发到以太网口或光纤网口；
[0034]S2、IEC61850标准规约转IEC103标准规约过程如下:
[0035]当所述规约转换SOC芯片从以太网口或光纤口接收到IEC61850规约数据包，数据包经过以太网模块的物理接口收发器PHY和以太网控制器MAC后，存储在存储模块的SDRAM存储器中，由高级加密解密AES模块从SDRAM存储器读取数据包完成解密后再次存储到SDRAM存储器中，ARM926EJ-S高性能处理器从SDRAM存储器读取数据，完成IEC61850规约的数据向IEC103规约转换;转换后的数据包存储到存储模块的SDRAM存储器中，经通信接口模块的UART接口输出或者通过以太网模块向以太网口和光纤网口输出。
[0036]进一步地，所述IEC103标准规约转IEC61850标准规约或IEC61850标准规约转IEC103标准规约之前还包括:
[0037]SO、所述规约转换SOC芯片上电启动后，先完成高性能ARM微处理器ARM926EJ-S和各功能模块的复位功能，然后从存储模块的EFLASH存储器中读取boot loader程序和规约转换配置文件。
[0038]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0039]I)本发明实现了电力通信规约IEC103标准转换为IEC61850标准，为变电站自动化通信规约实现统一提供过渡的解决方案。
[0040]2)本发明实现了规约转换器芯片化取代了现有的盒装规约转换器和规约转换卡，简化了外接硬件线路，提高规约转化的可靠性，降低电力智能设备开发成本和难度。
[0041 ] 3)本发明将高级加密解密AES模块集成到芯片中，提高了变电站通信数据的安全。
[0042]4)本发明将MAC与PHY集成于芯片上，不用需要外置PHY芯片。
[0043]5)本发明片内集成FLASH，ROM及SRAM存储器，减少外接存储器的数量。
[0044]6)本发明支持光纤接口，提高数据传输的速率和可靠性。
【附图说明】
[0045]图1是本发明提出的具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片的结构框图。
【具体实施方式】
[0046]为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0047]实施例一
[0048]本实施例提出的一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，现代电力系统保护设备生产中通过内置该SOC芯片，即可以实现规约转换的功能。
[0049]其结构如图1所示，其结构包括高性能ARM微处理器、片内总线、以太网模块、高级加密解密AES模块、储存模块、通信接口模块、时钟模块、DMA模块、复位模块、PLL锁相环模块。所述片内总线包括AHB高速系统总线与AI3B低速外设总线，并通过AHB2Aro Bridge桥模块连接;所述以太网模块包括以太网MAC控制器及物理接口收发器PHY;所述存储模块包括ROM,EFLASH,SRAM及SDRAM控制器;所述通信接口模块包括UART、SPI及I2C接口 ；所述时钟模块包括RTC ControlIer实时时钟控制器、watch dog看门狗、Timer计时器以及0SC32K晶振；高性能ARM微处理器、以太网模块，高级加密解密AES模块，储存模块、DMA模块与AHB高速系统总线连接;通信接口模块、时钟模块与APB低速外设总线连接。
[0050]上述高性能ARM微处理器为ARM公司的32位ARM926EJ-S高性能处理器，用于实现IEC103规约于IEC61850规约相互转换。32位ARM926EJ-S高性能处理器在Keil4开发环境下编写，芯片嵌入UCOS-1I实时操作程序，通过指令控制芯片内各模块，实现规约数据接收，IEC103规约与IEC61850数据规约间的转化，规约数据发送，任务执行，工作状态监测等功會K。
[0051 ] 上述高级加密解密AES模块采用128bits的分组长度和128bits密钥长度法的AES算法，加密模式采用CBC分组模式，用于实现通信数据的加密和解密功能。
[0052]上述存储模块包括:ROM、EFLASH、SRAM存储器及SDRAM控制器，其中片内集成的16KB ROM用于存储SOC芯片的控制程序，片内集成10M EFLASH用于存储boot loader程序和规约转换配置文件，片内集成16KB SRAM用于规约转换中数据的存储，SDRAM控制器用于扩展外部SDRAM存储器，满足芯片工作时实时操作系统和规约转换程序内存的需求。
[0053]上述以太网模块包括2个10/100M自适应以太网MAC控制器及2个物理接口收发器PHY，支持以太网口以及光纤口连接。
[0054]上述DMA模块用于存储模块与外部设备之间的数据传输;通过配置DMA模块建立存储模块与通信接口模块、高性能ARM微处理器与存储模块、AES模块与存储模块以及以太网模块与AES模块之间的直接存取通道，提高数据传输的速率。
[0055]上述通信接口模块包括2个UART接口、2个SPI接口、2个I2C接口 WART接口包括I个接口支持RS232物理接口，I个接口支持RS485物理接口，用于接收发送IEC103规约数据；SP1、I2C接口为扩展功能接口，用于连接外部的设备。
[0056]上述时钟模块包括RTC Controller实时时钟控制器、watch dog看门狗、Timer计时器以及0SC3 2K晶振。其中RTC Contro 11 er实时时钟控制器的实时时钟由32KHz晶振驱，为芯片提供实时时钟，同步芯片内各种时钟信号;watch dog看门狗为芯片运行状态提供实时监测，防止在干扰下出现程序跑飞;Timer定时器为芯片程序提供计数、中断等功能。
[0057]上述复位模块与高性能ARM微处理器连接，发送复位信号；与watchdog看门狗连接，接收复位信号。
[0058]上述PLL锁相环模块用于对时钟的分频和倍频，产生多级时钟，校准各级时钟幅度与相位。
[0059]实施例二
[0060]本实施例公开了一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片的实现方法，所述的通信规约转换SOC芯片实现功能具体过程如下:
[0061 ] 1.所述芯片上电启动后，先完成高性能ARM微处理器ARM926EJ-S和各功能模块的复位功能，然后从存储模块EFLASH读取boot loader程序和规约转换配置文件。
[0062]2.1EC103标准规约转IEC61850标准规约过程如下:
[0063](I)当所述IEC61850通信规约转换SOC芯片通过通信接口模块的UART接口接收到IEC103规约数据包，数据包将存储在存储模块SDRAM中，由ARM926EJ-S从SDRAM读取数据，完成IEC103规约的数据向IEC61850规约转换。转换后的数据包存储到存储模块的SDRAM中，经AES加密解密模块从SDRAM读取数据包完成加密后再次存储到SDRAM中，经以太网模块的以太网控制器MAC和物理接口收发器PHY后将数据包发到以太网口或光纤网口。
[0064](2)当所述IEC61850通信规约转换SOC芯片从以太网口或光纤口接收到IEC103规约数据包，数据包经过以太网模块的物理接口收发器PHY和以太网控制器MAC后，存储在存储模块SDRAM中，由ARM926EJ-S从SDRAM读取数据，完成IEC103规约的数据向IEC61850规约转换。转换后的数据包存储到存储模块的SDRAM中，经AES加密解密模块从SDRAM读取数据包完成加密后再次存储到SDRAM中，经以太网模块的以太网控制器MAC和物理接口收发器PHY后，将数据包发到以太网口或光纤网口。
[0065]3.1EC61850标准规约转IEC103标准规约过程如下:
[0066]当所述IEC61850通信规约转换SOC芯片从以太网口或光纤口接收到IEC61850规约数据包，数据包经过以太网模块的物理接口收发器PHY和以太网控制器MAC后，存储在存储模块SDRAM中，由AES加密解密模块从SDRAM读取数据包完成解密后再次存储到SDRAM中，ARM926EJ-S从SDRAM读取数据，完成IEC61850规约的数据向IEC103规约转换。转换后的数据包存储到存储模块的SDRAM中，经通信接口模块的UART接口输出或者通过以太网模块向以太网口和光纤网口输出。
[0067]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，其特征在于，所述规约转换SOC芯片包括高性能ARM微处理器、片内总线、以太网模块、高级加密解密AES模块、储存模块、通信接口模块、时钟模块、DMA模块； 所述片内总线包括AHB高速系统总线与APB低速外设总线，并通过AHB2APBBridge桥模块连接； 所述以太网模块包括以太网MAC控制器及物理接口收发器PHY; 所述存储模块包括ROM、EFLASH、SRAM存储器及SDRAM控制器； 所述通信接口模块包括UART、SPI及I2C接口 ； 所述时钟模块包括RTC ControlIer实时时钟控制器、watch dog看门狗、Timer计时器以及0SC32K晶振； 所述高性能ARM微处理器、以太网模块，高级加密解密AES模块，储存模块、DMA模块与所述AHB高速系统总线连接； 所述通信接口模块、时钟模块与APB低速外设总线连接。2.根据权利要求1所述的一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，其特征在于，所述高性能ARM微处理器为32位ARM926EJ-S高性能处理器，用于实现IEC103规约与IEC61850规约的相互转换； 所述32位ARM926EJ-S高性能处理器在Kei 14开发环境下编写，芯片嵌入UCOS-1I实时操作程序，通过指令控制芯片内各模块，实现规约数据接收、IEC103规约与IEC61850数据规约间的转化、规约数据发送、任务执行、工作状态监测功能。3.根据权利要求1所述的一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，其特征在于，所述高级加密解密AES模块采用128bits的分组长度和128bits密钥长度的AES算法，加密模式采用CBC分组模式，用于实现通信数据的加密和解密功能。4.根据权利要求1所述的一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，其特征在于， 所述ROM存储器为片内集成的16KB R0M，用于存储SOC芯片的控制程序； 所述EFLASH存储器为片内集成10M EFLASH，用于存储boot loader程序和规约转换配置文件； 所述SRAM存储器为片内集成16KB SRAM，用于规约转换中数据的存储； 所述SDRAM控制器用于扩展外部SDRAM存储器，满足芯片工作时实时操作系统和规约转换程序内存的需求。5.根据权利要求1所述的一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，其特征在于， 所述以太网模块包括2个10/100M自适应以太网MAC控制器及2个物理接口收发器PHY，分别用于支持以太网口以及光纤口连接。6.根据权利要求1所述的一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，其特征在于， 所述DMA模块用于存储模块与外部设备之间的数据传输;通过配置DMA模块建立所述存储模块与通信接口模块、所述高性能ARM微处理器与存储模块、所述AES模块与存储模块以及所述以太网模块与AES模块之间的直接存取通道，提高数据传输的速率。7.根据权利要求1所述的一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，其特征在于， 所述通信接口模块包括2个UART接口、2个SPI接口、2个I2C接口 ；上述2个UART接口分别支持RS232物理接口以及RS485物理接口，用于接收发送IEC103规约数据；上述SPI接口和I2C接口为扩展功能接口，用于连接外部的设备； 所述时钟模块包括RTC ControlIer实时时钟控制器、watch dog看门狗、Timer计时器以及0SC32K晶振，其中RTC Controller实时时钟控制器的实时时钟由32KHz晶振驱，为芯片提供实时时钟，同步芯片内各种时钟信号;所述watch dog看门狗为芯片运行状态提供实时监测，防止在干扰下出现程序跑飞;所述Timer定时器为芯片程序提供计数、中断功能。8.根据权利要求1所述的一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片，其特征在于， 所述规约转换SOC芯片还包括:复位模块和PLL锁相环模块； 所述复位模块与所述高性能ARM微处理器连接，发送复位信号；与所述watch dog看门狗连接，接收复位信号； 所述PLL锁相环模块用于对时钟的分频和倍频，产生多级时钟，校准各级时钟幅度与相位。9.一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片的实现方法，其特征在于，包括下列步骤: 51、IEC103标准规约转IEC61850标准规约过程如下: 当所述规约转换SOC芯片通过通信接口模块的UART接口接收到IEC103规约数据包，数据包将存储在存储模块的SDRAM存储器中，由ARM926EJ-S高性能处理器从SDRAM存储器读取数据，完成IEC103规约的数据向IEC61850规约转换；转换后的数据包存储到存储模块的SDRAM存储器中，经高级加密解密AES模块从SDRAM存储器读取数据包完成加密后再次存储到SDRAM存储器中，经以太网模块的以太网控制器MAC和物理接口收发器PHY后将数据包发到以太网口或光纤网口； 当所述规约转换SOC芯片从以太网口或光纤口接收到IEC103规约数据包，数据包经过以太网模块的物理接口收发器PHY和以太网控制器MAC后，存储在存储模块的SDRAM存储器中，由ARM926EJ-S高性能处理器从SDRAM存储器读取数据，完成IEC103规约的数据向IEC61850规约转换;转换后的数据包存储到存储模块的SDRAM存储器中，经高级加密解密AES模块从SDRAM存储器读取数据包完成加密后再次存储到SDRAM存储器中，经以太网模块的以太网控制器MAC和物理接口收发器PHY后，将数据包发到以太网口或光纤网口； 52、IEC61850标准规约转IEC103标准规约过程如下: 当所述规约转换SOC芯片从以太网口或光纤口接收到IEC61850规约数据包，数据包经过以太网模块的物理接口收发器PHY和以太网控制器MAC后，存储在存储模块的SDRAM存储器中，由高级加密解密AES模块从SDRAM存储器读取数据包完成解密后再次存储到SDRAM存储器中，ARM926EJ-S高性能处理器从SDRAM存储器读取数据，完成IEC61850规约的数据向IEC103规约转换;转换后的数据包存储到存储模块的SDRAM存储器中，经通信接口模块的UART接口输出或者通过以太网模块向以太网口和光纤网口输出。10.根据权利要求9所述的一种具有加密解密功能的IEC61850通信规约转换SOC芯片的实现方法，其特征在于， 所述IEC103标准规约转IEC61850标准规约或IEC61850标准规约转IEC103标准规约之前还包括: SO、所述规约转换SOC芯片上电启动后，先完成高性能ARM微处理器ARM926EJ-S和各功能模块的复位功能，然后从存储模块的EFLASH存储器中读取boot loader程序和规约转换配置文件。
【文档编号】H04L9/06GK105871894SQ201610327046
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】李梦诗, 王颖凯, 谢昭群, 夏候凯顺, 吴青华
【申请人】华南理工大学