摘 要: 變電站監(jiān)控系統(tǒng)是針對各地區(qū)電力設施的升級和無人職守變電站設計的電網(wǎng)輔助監(jiān)控系統(tǒng). 應用基于ARM 的PC/ 104嵌入式模塊進行硬件開發(fā),連接在變電站局域網(wǎng)中,實現(xiàn)變電站現(xiàn)場的視頻、溫度、煙霧等情況的監(jiān)控. 該系統(tǒng)安全性強、可靠性高、便于擴展.
電力監(jiān)控系統(tǒng)是為配合變電站實現(xiàn)無人值守而增設的電網(wǎng)輔助監(jiān)控系統(tǒng). 它的作用是將變電站的設備運行情況、主變壓器、斷路器、隔離刀閘等的運行狀態(tài)實時圖像、防火防盜等智能設備報警信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,監(jiān)控人員可通過實時圖像和運動信息對變電站的運行情況進行綜合分析、處理.
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
應用嵌入式技術設計的變電站監(jiān)控系統(tǒng),提高了變電站運行和維護的安全性和可靠性,逐步實現(xiàn)電網(wǎng)的可視化監(jiān)控和調(diào)度,使電網(wǎng)調(diào)控運行更為安全、可靠.
1. 1 監(jiān)控前端
系統(tǒng)前端由現(xiàn)場控制器、攝像頭和傳感器組成.現(xiàn)場控制器。設計一塊基于小巧的控制板,采用三星公司的S3C2410 處理器,系統(tǒng)特性如下(1)203 MHz 的ARM920 T 內(nèi)核; (2) 8 個內(nèi)存bank , 每個ba nk 可尋址128M 內(nèi)存; (3) 支持從NANDFlash 啟動; (4) 3 個UART 接口,一個IIC 接口,兩個SPI 接口; ( 5) 24 個外部中斷,117 個CP IO;(6) 集成實時時鐘, PWM 輸出; (7) 多模式管理電源和時鐘,可軟件切換處理器工作頻率; ( 8) 兩個USB Host 接口. 在處理器豐富資源的基礎上,還進行了相關的配置和擴展, 平臺配置64M NANDFlash 和64M SDRAM. 通過以太網(wǎng)控制器芯片CS890O 擴展了一個網(wǎng)口, 另外引出了一個USBHost 接口.
攝像頭選用的是具有USB 接口的外置攝像頭,該攝像頭的配套芯片是OV511 系列的,OV511 是一個專用的數(shù)字攝像IC 到USB 的接口芯片,內(nèi)含數(shù)字攝像IC 接口、DRAM 接口、實時圖像壓縮引擎、USB 接口、I2C 接口、FIFO 等功能,用于將攝取的數(shù)字視頻圖像直接通過USB 接口送入開發(fā)板進行處理.
傳感器是將紅外傳感器、煙霧傳感器等集成到上面,連接到現(xiàn)場控制器. 能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場外來人員入侵、儀表過熱及其它突發(fā)事件.
1. 2 通訊網(wǎng)絡
建立變電站內(nèi)部專用局域網(wǎng),通過以太網(wǎng)接口和網(wǎng)絡上的其他用戶互連,攝像頭連接到控制板的USB 接口上,負責數(shù)據(jù)的采集功能,并通過局域網(wǎng)提供給網(wǎng)絡客戶進行訪問. 每個網(wǎng)絡攝像頭提供唯一的IP ,方便用戶對不同的網(wǎng)絡攝像頭進行監(jiān)控.
1. 3 監(jiān)控中心
主要由圖像監(jiān)控中心服務器、圖像存儲系統(tǒng)、監(jiān)控客戶終端等組成,完成現(xiàn)場圖像接收,用戶登錄管理,優(yōu)先權的分配,控制信號的協(xié)調(diào),圖像的實時監(jiān)控,錄像的存儲、檢索、回放、備份、恢復等.
2 系統(tǒng)硬件設計
2. 1 硬件總體設計
本系統(tǒng)硬件開發(fā)采用基于ARM 的PC/ 104 嵌入式模塊, PC/ 104 是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線,IEEE 協(xié)會將它定義為IEEE -P996. 1 , 實質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE - P996(IEEE - P996 是ISA 工業(yè)總線規(guī)范) .
硬件系統(tǒng)由ARM 核心板和外圍功能擴展板組成,均采用PC/ 104模塊,體積小巧,又因為外圍模塊獨立于ARM 處理器模塊,可以擴展更多功能。
S3C2410 的芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示通用的ARM處理器都在片內(nèi)集成了豐富的外設控制器,ARM 處理器在訪問外圍設備時, 并不需要對外設進行橋接,對外設的訪問都是采用實地址模式. 所有的外設都是連接在AMBA 總線上, 根據(jù)地址在系統(tǒng)空間中的分配,通過內(nèi)部集成了存儲器控制器(Memory Cont roller ) 進行訪問、控制. 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)中并沒有非常龐大的架構(gòu),只是簡單的實現(xiàn)結(jié)構(gòu).
視頻采集模塊采用網(wǎng)眼V3000 攝像頭, USB控制器為OV511 , Linux 操作系統(tǒng)支持該驅(qū)動模塊,通過USB Host 模塊與S3C2410 芯片鏈接.紅外傳感器模塊采用熱釋電紅外傳感器,通過I/ O Port 端口模塊與S3C2410 芯片鏈接. 報警電路采用雙探測元熱釋電紅外傳感器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示. 該傳感器將兩個特性相同的熱釋電晶體逆向串聯(lián),用來防止其他紅外光引起傳感器誤動作.另外,當環(huán)境溫度改變時,兩個晶體的參數(shù)會同時發(fā)生變化,這樣可以相互抵消,避免出現(xiàn)檢測誤差. 該傳感器使用時, D 端接電源正極, G端接電源負極,S 端為信號輸出.
煙霧火警探測模塊由兩部分組成:檢測發(fā)射部分和接受控制部分. 采用nRF401 單片射頻收發(fā)器,達到了無線傳輸?shù)哪康?能迅速的發(fā)出報警信號,方便及時的控制火情檢測發(fā)射端和接收控制端選用了目前市場上已經(jīng)成熟的高性能芯片,其外圍電路結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)容易,可靠性強系統(tǒng)由三大芯片互相配合構(gòu)成,檢測裝置采用了Motorol a 公司生產(chǎn)的具有聲光報警電路的MC14468 芯片, 能實現(xiàn)多點并行檢測,配合外圍電路可構(gòu)成多點煙霧報警系統(tǒng). 無線收發(fā)器采用美國Nordic 公司最新推出的基于無線通信的nRF401 型單片射頻收發(fā)器. 它采用了無線通信和F SK(頻移鍵控) 調(diào)制解調(diào)技術,工作頻率穩(wěn)定且抗干擾能力強,不需要對數(shù)據(jù)進行編碼,外圍電路簡單,使用方便. 由于采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度的設計方案,因此不受無線電管理條例的限制,無須辦理許可證. nRF401 的引入是本系統(tǒng)的突出特點之一, 它極大的提高了系統(tǒng)的實時性,這對安全系統(tǒng)是相當重要的.
2. 2 基于ARM 處理器的PC/ 104 計算機體系結(jié)構(gòu)
嵌入式設備都是根據(jù)具體應用而設計,具備高度可裁減性等特點,因此很難給各種嵌入式設備的體系結(jié)構(gòu)進行準確的定義. 但是針對實際研發(fā)的PC/ 104 嵌入式計算機,根據(jù)所采用的ARM 處理器和實際應用需求,還是可以對其體系結(jié)構(gòu)進行標準定義. 如圖4 所示,是基于ARM 處理器的PC/ 104嵌入式計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.
2. 3 PC/ 104 總線設計
在電路設計上, CPL D 采用了XIL INX 的XC95144XL. ARM 的數(shù)據(jù)、地址總線,以及讀寫等需要使用的控制信號全部連接到CPLD 上, 作為ARM 處理器訪問CPLD 的信號線. 并將CPLD 的部分IO 引出,通過BUFFER 后,全部連接到PC/104 的總線接口上. 這樣, ARM 處理器直接訪問CPLD ,CPLD 則根據(jù)信號線上的變化完成相應的PC/ 104 總線上的操作.
對于接口設計來說,最主要的就是時序設計. 時序設計正確了, 系統(tǒng)就能正確地工作. 同,CPLD的標準輸入輸出為L VT TL 電平,輸入電平則可以兼容與T TL 電平, 因此雖然LD 可以直接與TTL 電平的總線相連, 但是可能因為一些電氣特性、信號完整性方面的問題導致系統(tǒng)的可靠性下降,所以使用了BUF FER 來進行兩個電平間的轉(zhuǎn)換,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.
ARM 和PC/ 104 的接口如圖5 所示.
3 系統(tǒng)軟件設計
3. 1 嵌入式操作系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)采用的軟件系統(tǒng)為嵌入式Linux 操作系統(tǒng). Linux 操作系統(tǒng)開放源代碼,可裁減, 無版稅. 經(jīng)過多年的發(fā)展系統(tǒng)非常穩(wěn)定,開發(fā)技術比較成熟. 嵌入式Linux 有以下優(yōu)點:
(1) Linux 的是可以定制和可裁減的. Linux 系統(tǒng)從設計開始就考慮到了系統(tǒng)的定制性和裁減性.不僅Linux 內(nèi)核可以裁減,而且文件系統(tǒng)也是可以裁減的.
(2) Linux 是開發(fā)源代碼的,任何都可以獲得其源代碼并加以修改. 這對嵌入式開發(fā)來說是很必要的.
(3) Linux 本身支持包括X86 、ARM 等在內(nèi)的多種硬件平臺.
(4) 系統(tǒng)小巧. 一個功能完備的Linux 內(nèi)核要求大約1 MB 內(nèi)存.
(5) 強大的網(wǎng)絡功能. Linux 幾乎支持所有的網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡設備.
一個嵌入式Linux 系統(tǒng)只需要下面三個基本元素:引導程序、Linux 微內(nèi)核(由存管理、進程管理和事務處理構(gòu)成) 和初始化進程. 要實現(xiàn)最低限度的工作能力,還需要添加硬件驅(qū)動程序和相應的應用進程,以提供所需功能,如果要讓它有更多的功能且保持小型化,還可以加上文件系統(tǒng)、TCP/ IP 網(wǎng)絡支持、GUI (圖形用戶界面) 和設計精簡的應用程序,并將其放在ROM、RAM、FLASH 中啟動. 由于嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的高度靈活性,開發(fā)者可以很容易地對它進行定制或作適當開發(fā),來滿足實際應用需要這里最主要的一步是剪裁L x 內(nèi)核,將原先比較龐大的系統(tǒng)內(nèi)核(相對嵌入式系統(tǒng)來說) 改造成一個小巧的可配置的內(nèi)核, 并且要保持Linux 的基本功能以及對Linux 應用程序、驅(qū)動程序的完全支持.
uClinux 操作系統(tǒng)不支持設備驅(qū)動程序模塊化加載方式,因而,我們必須將編寫好的驅(qū)動程序以直接編譯到內(nèi)核的方式加入.
(1) 將編寫好的驅(qū)動程序拷貝到. . / driver s/cha r 目錄下如t est . c , 并在目錄下修改mem. c 、Config. in 和Makefile 文件,在mem. c 中的int __ini t chr_dev_init ( void) 中添加如下代碼:
# ifdef CONFIG_S3C2410_T EST
t est_init () ;
/ / 在te st . c 中實現(xiàn),是設備的初始化函數(shù)
# endif
( 2) 修改. . / drivers/ char 目錄下的Config. in文件,在其中適當?shù)奈恢锰砑? dep _ t ri stat e‘t estmodule’CONFIG_S3C2410X_ TEST ＄CONFIG_ARCH_ S3C2410 其含義是:只要定義了CONFIG_ARCH_ S3C2410 為y 或m 時, 在配置內(nèi)核時,Charact er devices 目錄分類下就會出現(xiàn)”te st mod2ul e”選項, 它對應CONFIG_ S3C2410_ TEST 的定義. 因此把驅(qū)動程序編譯到內(nèi)核, CONF IG _S3C2410_ TEST 定義為y.
(3) 在. . / drivers/ char/ Makefile 文件中添加:obj - ＄( COF IG _ S3C2410 _ TEST ) + =myt est . o
Makefile 會根據(jù)obj - y 編譯并連接對應的源碼.
(4) 在char/ . depend 中增加相應的頭文件.
(5) 然后運行ma ke menuconfig , 在里面選中‘test module’,重新編譯內(nèi)核,將會把myte st . o 編譯到內(nèi)核中去.
通過以上幾步可以將驅(qū)動程序編譯到內(nèi)核中去,重新編譯內(nèi)核,則可以執(zhí)行剛加入的相應應用程序.
視頻驅(qū)動程序編譯,進入uCLinux 的kernel 目錄, 在終端輸入make menuconfig 配置內(nèi)核, 進入usb support , 選中USB OV511Cameral suppo rt . 保存退出后make dep 建立依賴關系、make z Image 產(chǎn)生鏡像, 編譯完畢, 將編譯好的內(nèi)核燒寫入ARM板,則uCLinux 系統(tǒng)就支持該攝像頭模塊.
3. 2 總線控制器實現(xiàn)
關于PC/ 104總線的設計中,設計的重點是總線控制器的設計,能否完成PC/ 104總線驅(qū)動,關鍵在于控制器能否正常運行PC/ 104總線控制器的工作流程圖如圖6 所示.
由于CPLD 中的設計代碼篇幅較長,在此不做贅述.
4 結(jié)束語
變電站監(jiān)控系統(tǒng)解決了變電站現(xiàn)場的可視化和環(huán)境監(jiān)控問題,是對“四遙”功能的補充,為實現(xiàn)變電站無人值守提供了可靠保證,有極高的使用價值和利用價值. 監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應用對提高變電站運行的安全性、可靠性,提高運行管理的科學性,促進管理工作的現(xiàn)代化有著重要的意義. 本課題將ARM應用于變電站監(jiān)控系統(tǒng)前端控制器,降低了功耗,縮小了設備體積. 同時,利用ARM9 強大的功能,提高了監(jiān)控視頻的精度,提高監(jiān)控設備的可靠性和穩(wěn)定性,增強了各項監(jiān)控功能,具有較強的實用性.
