通信論文基于嵌入ARM和LINUX的遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)控儀設(shè)計(jì)

1、基于嵌入arm和linux的遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)控儀設(shè)計(jì) 孫立國（九臺市農(nóng)電有限公司，長春130500）摘要：大量電力電子裝置及非線性負(fù)荷在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，使電能質(zhì)量問題日益突出。電能質(zhì)量問題不僅危害電力系統(tǒng)本身的安全及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對系統(tǒng)中的用戶也造成嚴(yán)重威脅。因此，對電能質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)測具有十分重要的意義?；赼rmlinux的嵌入式電能質(zhì)量監(jiān)測儀，不僅數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)、人機(jī)交互性好、系統(tǒng)升級簡單，而且能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并可在此基礎(chǔ)上向微型化、高度智能化等方向發(fā)展，以滿足不同場合的需求，具有較大的使用價值和廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：arm；嵌入式；linux；電能質(zhì)量 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的

2、規(guī)模越來越大，電能用戶逐漸增加，特別是非線性負(fù)載的應(yīng)用，使電能的質(zhì)量問題日趨嚴(yán)重。電能質(zhì)量主要由3個要素決定：電壓的波動、頻率的偏差以及波形的畸變程度（即諧波問題）。諧波是電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，電力網(wǎng)絡(luò)中存在的諧波成分超過一定程度就會引起嚴(yán)重危害，因此，為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行和分析電網(wǎng)運(yùn)行的狀況，需要對電網(wǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)（如三相電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)以及各類諧波成分的參量等）進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。 arm（advanced risc machine）是一類32位嵌入式微處理器，其體積小、功耗低、成本低、性能高，支持thumb（16位）arm（32位）雙指令集1，能很好地兼容8位l6位器件。由

3、于農(nóng)村電網(wǎng)所處地理位置偏僻，甚至有的處于地理位置危險地帶，這就給專業(yè)人員現(xiàn)場電網(wǎng)監(jiān)測帶來困難。而且，單個測量儀器（如電壓表監(jiān)測儀器）只能監(jiān)測單項(xiàng)電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)（如電壓），并需要人工抄寫，缺乏統(tǒng)計(jì)分析功能，實(shí)時性差，監(jiān)測周期長。 目前，嵌入式技術(shù)很流行，本系統(tǒng)以s3c2410芯片為主處理器，加入電網(wǎng)監(jiān)測的一些外圍設(shè)備，組成嵌入式電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程監(jiān)測，可直接獲得對影響電能質(zhì)量的波形畸變、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡度等指標(biāo)進(jìn)行的分析和顯示2。因此，設(shè)計(jì)一套農(nóng)村電網(wǎng)電能綜合質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，具有重大意義。 1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 在電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)中，電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由電網(wǎng)監(jiān)測儀（以

4、arm9芯片為核心，具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的智能化電網(wǎng)參數(shù)綜合測試設(shè)備，通過電網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測儀實(shí)現(xiàn)對各個監(jiān)測點(diǎn)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的測量與記錄，并且通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器中）、一臺linux服務(wù)器（連接到internet，用于保存監(jiān)測儀在一定時間內(nèi)保存整點(diǎn)時刻的電壓、電流數(shù)據(jù)，保存月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）客戶端計(jì)算機(jī)和web瀏覽器組成。 2電網(wǎng)監(jiān)測儀硬件設(shè)計(jì) 電網(wǎng)監(jiān)測儀由基于arm9微處理器、電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、lcd顯示人機(jī)交互模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等構(gòu)成。電網(wǎng)監(jiān)測儀的arm9微處理器用以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理等控制功能，并通過以太網(wǎng)控制器芯片接入internet。電網(wǎng)監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)如圖1。 電網(wǎng)監(jiān)測儀的核心芯片采用三星公

5、司的s3c24lox。該芯片采用arm92ot核，內(nèi)部分別集成16 k指令cache和數(shù)據(jù)cache并采用32位精簡指令集，帶有全性能的mmu，適于設(shè)計(jì)移動手持產(chǎn)品設(shè)備，具有性能高、功耗低、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性。其外部接口單元豐富，包含lc驅(qū)動器、nandflash驅(qū)動器、sdram接口、usb主從接口31、c總線接口、觸摸屏接口以及豐富的gpio口等。電路設(shè)計(jì)主要由以下部分組成：電源電路、arm9處理器、nand flash存儲器、sdram存儲器、調(diào)試串口、usb主設(shè)備接口以及以太網(wǎng)接口。其設(shè)計(jì)理念參考了當(dāng)前市場上眾多的開發(fā)板及嵌入式單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，并融入最新掌上電腦手持設(shè)備的特點(diǎn)，是

6、一款功能強(qiáng)大的嵌入式電腦平臺，非常適合網(wǎng)絡(luò)和多媒體應(yīng)用。 其中，電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊以完成數(shù)據(jù)采集和邏輯控制任務(wù)、同步采樣和ad轉(zhuǎn)換電路為主，采用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)取樣頻率和信號基波頻率的準(zhǔn)確跟蹤，保證采樣頻率和信號基波頻率的比值為固定值64，實(shí)現(xiàn)信號的同步采樣3。 網(wǎng)絡(luò)控制芯片采用的是crrus公司生產(chǎn)的全面支持ieee 8023標(biāo)準(zhǔn)的cs8900a以太網(wǎng)控制器，片內(nèi)集成了isa總線接口，可以直接和有isa總線的微處理器系統(tǒng)無縫連接。其主要完成數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)控制器與嵌入式處理器相連，擴(kuò)展以太網(wǎng)接口，以實(shí)現(xiàn)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場電網(wǎng)監(jiān)控單元在硬件層次上的直接互聯(lián)。 lcd采用夏普8寸屏lqo8

7、0v3，用于顯示監(jiān)測到的電網(wǎng)參數(shù)的波動情況，并方便調(diào)試參數(shù)及控制系統(tǒng)。在軟件上采用基于qt opia完成用戶圖形界面，以便用戶在現(xiàn)場觀看電網(wǎng)參數(shù)的各種圖形分析，例如電壓、電流的波動情況以及各時期的電網(wǎng)參數(shù)等。用戶可以現(xiàn)場通過usb鼠標(biāo)對電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時控制，如電網(wǎng)電壓、電流的變比以及無功參數(shù)的實(shí)時調(diào)節(jié)等。 客戶端分布在互聯(lián)網(wǎng)的每個角落，并通過本系統(tǒng)內(nèi)建服務(wù)器獲得電網(wǎng)監(jiān)測界面，從中獲得電網(wǎng)監(jiān)測儀器測量得到的電能參數(shù)。通過internet訪問本地服務(wù)器，遠(yuǎn)程監(jiān)視電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，獲得電網(wǎng)的數(shù)據(jù)和信息，對可能的故障進(jìn)行分析和診斷。 3電網(wǎng)參數(shù)實(shí)時采集 在嵌入式linux環(huán)境下，該工作需要分兩步來完成，

8、程序流程如圖2所示。 第一部分是通過驅(qū)動程序?qū)d進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，以便用戶態(tài)程序得到采樣數(shù)據(jù)；第二部分是用戶態(tài)程序?qū)⒉蓸訑?shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)讀出，然后進(jìn)行fft處理。最后保存數(shù)據(jù)。該程序是周期性程序，所以將其安排成一個系統(tǒng)守護(hù)進(jìn)程。它們的實(shí)現(xiàn)過程是：內(nèi)核態(tài)程序是通過定時器1來產(chǎn)生定時中斷，在中斷服務(wù)程序中將上次ad采樣數(shù)據(jù)存入內(nèi)核態(tài)緩存中，并啟動ad進(jìn)行下次數(shù)據(jù)的采集。 當(dāng)采樣到128個數(shù)據(jù)點(diǎn)之后，就設(shè)置采樣完成標(biāo)志，以便用戶態(tài)程序得到該標(biāo)志。用戶態(tài)程序通過設(shè)備文件來打開指定設(shè)備，它會對采樣完成標(biāo)志進(jìn)行監(jiān)測。 當(dāng)該標(biāo)志設(shè)置為有效后，用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來將內(nèi)核態(tài)緩存讀到用戶態(tài)緩存。

9、用戶程序得到采樣數(shù)據(jù)后，就對這些采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到功率因數(shù)及各次諧波有效值等。 4電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信 在本電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中，服務(wù)器端與客戶端之間的數(shù)據(jù)通信流程如圖2所示。在服務(wù)器端采用嵌入式linux操作系統(tǒng)，客戶端采用java開發(fā)環(huán)境。用戶服務(wù)程序完成的任務(wù)是響應(yīng)用戶的請求4。當(dāng)用戶要得到現(xiàn)場數(shù)據(jù)時，它先會向服務(wù)器發(fā)送連接請求，得到連接響應(yīng)后就發(fā)送一個電網(wǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)包給用戶。若收到客戶端發(fā)來繼續(xù)接受數(shù)據(jù)的命令，則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包；否則，停止發(fā)送5。為保證通信的完整性，用戶最后必須發(fā)送關(guān)閉連接請求，服務(wù)器收到關(guān)閉連接請求時，會繼續(xù)返回到監(jiān)聽狀態(tài)。值得注意的是，當(dāng)用戶收到電網(wǎng)參數(shù)時，會同時得到一個校驗(yàn)碼，用戶必須根據(jù)校驗(yàn)算法檢驗(yàn)返回的數(shù)據(jù)的正確性。如果返回的數(shù)據(jù)接收有誤，必須要再次與服務(wù)器連接，直到得到正確的數(shù)據(jù)為止。 5電網(wǎng)電能參數(shù)顯示 由于實(shí)時監(jiān)測界面顯示的電網(wǎng)數(shù)據(jù)變化之快，使用戶對某段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化趨勢了解不夠準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)分析中最直觀和最有效