ARM嵌入式系統(tǒng)在GIS在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.

1、ARM 嵌入式系統(tǒng)在 GIS 在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用摘要：為滿足 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及智能設(shè)備提出的互操作性、 實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求，將 32b 處理器 ARM(advancedRISCmachine 及嵌入式操作 系統(tǒng)uCIinux 引入封閉式組合電器(GIS)的在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。根據(jù) GIS 在線監(jiān)測(cè)的 需要，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信和 CAN(controllerareanetwork) 總線通信的硬件電路 及軟件。應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明：基于 ARM 和 uCIinux 中 TCP/IP 協(xié)議棧的以太網(wǎng)通 信，可以實(shí)現(xiàn) GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的互操作性，并保證在通信功能上的長(zhǎng)期 摘 要：為滿

2、足 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及智能設(shè)備提出的互操作 性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求，將 32b 處理器 ARM (advaneed RISC machine)及嵌 入式操作系統(tǒng) uCIinux 引入封閉式組合電器(GIS) 的在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。根據(jù) GIS 在線監(jiān)測(cè)的需要，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信和CAN(controIIer area network) 總線 通信的硬件電路及軟件。應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明：基于ARM 和 uCIinux 中 TCP/P協(xié)議棧的以太網(wǎng)通信，可以實(shí)現(xiàn) GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的互操作性，并保證在通信 功能上的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；以 ARM 為核心的嵌入式系統(tǒng)硬件，可以保證監(jiān)測(cè)裝置的 穩(wěn)

3、定性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)充性。 故基于 ARM 和 uCIinux 的 GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可 以滿足 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)互操作性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求。 關(guān)鍵詞： 斷路器；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；互操作性引言GIS (gas insuIated switchgear) 是輸配電和變電領(lǐng)域有著 廣泛和重要應(yīng)用的電力設(shè)備。GIS 的封閉性結(jié)構(gòu)加大了運(yùn)行維護(hù)的難度，其故 障隱患更難發(fā)現(xiàn)，可能造成的損失會(huì)更大。為了能夠?qū)崟r(shí)地、準(zhǔn)確地了解 GIS 運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患，對(duì) GIS 實(shí)行在線監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。為了規(guī)范電力行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展，國際電工委員會(huì)提出IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)，它針對(duì)

4、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及智能設(shè)備提出了互操作性和穩(wěn)定性 的要求?；ゲ僮餍允侵冈趦蓚€(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)之間可以直接、有效地共用數(shù) 據(jù)和信息。另外，該體系還要求自動(dòng)化系統(tǒng)在通信功能上具備長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可 在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)適應(yīng)通信技術(shù)的快速發(fā)展。鑒于 IEC61850 體系對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)提出的確要求，本 文對(duì)國內(nèi)主要幾種變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中， 通常采用現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN (controIIer area network) 作為系統(tǒng)的主通信方式， 裝置中多采用 16 位單片機(jī)為核心。該模式在運(yùn)行中已顯示出局限性，例如 CAN 作為主通信方式限制了本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行深層次的互操作 ;

5、 其次，芯片對(duì) 外接口相對(duì)單一，難以保證系統(tǒng)功能的自由配置， 局部功能調(diào)整往往要影響到 整個(gè)系統(tǒng)。 研究表明， 在 ARM (advancedRISC machine) 上運(yùn)行的嵌入式操作 系統(tǒng) uCIinux 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，能夠保證 GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的互操作性和在通信功能上的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，故將 ARM 嵌入式系統(tǒng)引入 GIS 在線監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域?；?ARM 的嵌入式系統(tǒng)ARM 采用先進(jìn)微控制器總線結(jié)構(gòu) AMBA （adva needmicrocontroller bus architecture）的模塊 化設(shè)計(jì)，具有綜合、快速和高性能價(jià)格比的優(yōu)點(diǎn)。在 ARM 處理器中具備 ICE-RT

6、功能單元，通過它可以在代碼 的任何部分，甚至于在 ROM 中設(shè)置斷點(diǎn)，這就降低了裝置調(diào)試難度，為裝置的 穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。在 ARM 處理器中，采用 32b 定長(zhǎng)指令和三段流水線指令操作（ 如圖 1 所示 ） ，指令執(zhí)行分為 3 個(gè)階段：取指、譯碼和執(zhí)行。流水線允許幾 個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，在執(zhí)行第 1 條指令期間，第 2 條指令開始譯碼，同時(shí)第 3 條 指令從存儲(chǔ)器中被取出，故取指、譯碼和執(zhí)行 3 部分可以同時(shí)進(jìn)行，這就保證 了處理器的高速處理性能。圖 1 三段流水線操作微控制器性能的提高，為操作系統(tǒng)的引入奠定了基礎(chǔ)。傳統(tǒng) 的嵌入式系統(tǒng)一般不用操作系統(tǒng)，故操作系統(tǒng)的引入就為嵌入式系統(tǒng)賦予新的 內(nèi)涵

7、，也成為區(qū)別于傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)明顯特征。嵌入式操作系統(tǒng)將替代 傳統(tǒng)的由手工編制的監(jiān)控程序或調(diào)度程序，成為重要的基礎(chǔ)組件，使程序員只 需面向操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。嵌入式操作系統(tǒng)正在轉(zhuǎn)變成為ARM 應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)。系統(tǒng)在 GIS 在線監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)，GIS 在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)主要包括裝 置的內(nèi)部框架、硬件配置和軟件配置等?；?IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化 系統(tǒng)（如圖2 所示） 具有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：在自動(dòng)化系統(tǒng)中，層與層之間都采 取以太網(wǎng)通信的方式 （基于 TCP/IP） ，取代了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場(chǎng)總線通信 方式（如 Lon works，CAN 以及 RS

8、-485 等）。圖 2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的硬件框架采用 ARM 嵌入式系統(tǒng)之后，硬件電路原理圖（如圖 3 所示）按照功能主要分為以下幾個(gè)模塊：1）ARMCPU 莫塊該部分電路是嵌入式系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)采用 AT91M0800，它基于 ARM7TDM 內(nèi)核，其專門為工業(yè)控制而制造，各項(xiàng)指標(biāo) 均能達(dá)到工業(yè)級(jí)別。2）CPLD 擴(kuò)展電路該電路的主要功能是對(duì) CPU 芯片的外圍功能進(jìn)行擴(kuò)充。對(duì)于 功能要求比較復(fù)雜的電路，一般都采用 CPU+CPL 的模式，采用該模式的原因 主要有兩個(gè)方面： a) CPU 作為系統(tǒng)的核心，無法、也沒有必要滿足所有用戶的 具體功能要求，只需給用戶以標(biāo)

9、準(zhǔn)的外部總線接口 EB I (external bus interface) 即可，讓用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行必要的功能擴(kuò)展； b) CPLD 用在 電路設(shè)計(jì)中有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：可方便地實(shí)現(xiàn)地址譯碼；編程方式簡(jiǎn)便，可方便 地通過軟件編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯器件的功能 ; 時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級(jí)，特別適合在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，具有高可靠性。3) 閃存 FLASH 莫塊閃存芯片在系統(tǒng)斷電之后，能夠永久保存系統(tǒng)進(jìn)行重新啟動(dòng)所需的原始軟件設(shè)置和數(shù)據(jù)。本文選用 ATME 公司生產(chǎn)的 AT49BV1614 閃存芯 片，該芯片容量為 2MB 芯片上存儲(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng) uCIinux 內(nèi)核、系統(tǒng)啟動(dòng) 程序以及用戶程序等。圖 3

10、 基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)原理圖4) 現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN 接口電路這部分電路是用于裝置內(nèi)部主板與其他數(shù)據(jù)采集板之間的通信。CAN 的通訊速度可以高達(dá) 1Mb/s (距離在 40m 以內(nèi))；CAN 對(duì)通信介質(zhì)沒 有苛刻的限制，可以為雙絞線、 同軸電纜 或者光纖等，比較靈活；其中，最重 要的是 CAN通信具有很高的穩(wěn)定性和性價(jià)比，所以在裝置的內(nèi)部采用CAN 實(shí)現(xiàn)主板與輔板之間的通信是工業(yè)控制裝置中最流行的方法。CAN 總線作為 ARM 的外圍電路， 采用了雙 CAN 模式， 這在快速通信的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了裝置內(nèi)部通信的 穩(wěn)定性。裝置中CAN總線通信電路如圖4所示， SJA1000為工業(yè)級(jí)的CAN通信

11、控制器， 82C250是 CAN 總線驅(qū)動(dòng)器，其中 4 個(gè)光耦是用于光電隔離，以達(dá)到 減小通信干擾，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)通信板的帶電插拔。圖 4 雙 CAN 通信接口電路5) 以太網(wǎng)模塊電路中采用 CS8900AT業(yè)級(jí)以太網(wǎng)芯片，可以達(dá)到 10Mb/s 的網(wǎng)絡(luò)速度，在線監(jiān)測(cè)裝置通過這部分接口電路與系統(tǒng)的高層 (如上位機(jī)等 ) 和 其他監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸共享，實(shí)現(xiàn)互操作?；?ARM 嵌入式系統(tǒng)的軟件框架系統(tǒng)的軟件主要包括 3 方面： uCbootIoader 、 uCIinux 和應(yīng) 用軟件。 uCbootIoader 用于硬件系統(tǒng)初始化， uCIinux 是嵌入式操作系統(tǒng)，而 應(yīng)用程序是用戶根據(jù)

12、具體要求開發(fā)出來實(shí)現(xiàn)特定功能的程序模塊。硬件系統(tǒng)上 電后，運(yùn)行uCbootIoader 對(duì)硬件系統(tǒng)配置進(jìn)行初始化，將檢測(cè)到的硬件轉(zhuǎn)交 給操作系統(tǒng)，由它進(jìn)行統(tǒng)一支配 ; 用戶程序是建立在 uCIinux 之上，并由它負(fù) 責(zé)引導(dǎo)啟動(dòng)。1) 嵌入式操作系統(tǒng) uCIinux本裝置選用 uCIinux 作為嵌入式操作系統(tǒng)主要考慮到以下幾個(gè)因素：a) 選用的 AT9M40800 沒有內(nèi)存管理單元；b) 對(duì) Linux- X 裁剪得到的 uClinux 內(nèi)核很小 ( 約 900 kB) ，但仍保留了 Linux 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)等 優(yōu)點(diǎn)；c) uClinux 擁有一個(gè)完整的 TC

13、P/IP 協(xié)議棧，使 GIS 監(jiān)測(cè)裝 置能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信功能。考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)采用內(nèi)核加載方式，將內(nèi)核的壓縮文件放在FLASH 上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存中解壓，然后運(yùn)行。2) 用戶程序本嵌入式系統(tǒng)中的所有應(yīng)用程序是采用標(biāo)準(zhǔn) C 語言編寫， 編譯的過程是在 Linux 系統(tǒng)下建立的交叉編譯器中進(jìn)行。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)要實(shí) 現(xiàn)的功能，應(yīng)用程序主要分為以下幾部分：以太網(wǎng)通信、CAN 總線通信和串口通信程序等。下面仔細(xì)討論一下以太網(wǎng)通信和CAN 總線的通信：a) 以太網(wǎng)通信TCP/IP 協(xié)議是一種成熟的、廣泛使用的高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因?yàn)?它具有良好的開放性，在變電站通信系統(tǒng)中廣泛

14、采用?；?TCP/IP 的通信程 序主要有兩部分：服務(wù)器和客戶端。服務(wù)器和客戶端可以運(yùn)行于上位機(jī)與監(jiān)測(cè) 裝置上，用于收集數(shù)據(jù)，并發(fā)送相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。以客戶端程序?yàn)槔?，客戶?程序主要包括以下功能環(huán)節(jié)：建立 socket 套接字、向 server 請(qǐng)求連接、封裝 數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，最后釋放套接字，如下面的程序片斷所示。main ( int argc ， char 3 argv ) .sockfd= socket (A F- IN ET ， SOCKS-TREAM， 0) ;send (sockfd ， buf ,M AXDA TA S IZE， 0) ;recv (sockfd ， b

15、uf,MAXDA TA S IZE， 0) ;clo se (sockfd) ;b) CAN 總線通信CAN 總線通信軟件主要由初始化程序、發(fā)送程序和接收程序3 部分組成。初始化程序設(shè)置 CAN 空制器中的各個(gè)寄存器，包括模式寄存器、 時(shí)分connect (sockfd， &their- addr， sizeof (st ructsockaddr) ) ;寄存器和輸出控制器等。由于這些寄存器只能在復(fù)位期間設(shè)置，故必須在 通信開始之前就對(duì) CAN 控制器進(jìn)行初始化。CAN 發(fā)送程序主要是將要發(fā)送的信 息幀送到發(fā)送緩沖區(qū)中去，再啟動(dòng)發(fā)送命令即可 (如圖 5 所示)； 接收程序與發(fā)送

16、程序類似，只需要將數(shù)據(jù)從接收緩沖區(qū)中取出即可。在設(shè)計(jì) CAN 通信模式的時(shí)候，米用多主的通信方式，即 CAN 總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以任意地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的通信 程序具有相似性，故只要把一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信程序調(diào)通后，其他的節(jié)點(diǎn)上的通信 程序可以仿效之。圖 5 CAN 總線發(fā)送程序流程圖系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試1) 系統(tǒng)的互操作性在 GIS 監(jiān)測(cè)裝置中建立設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，開設(shè)服務(wù)器和客戶 端，并實(shí)時(shí)地更新數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)值。然后啟動(dòng) GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行 中進(jìn)行互操作性測(cè)試，測(cè)試得出： a) 以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送速度可以達(dá)到 10Mb/s；b) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)能夠通過以太網(wǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送請(qǐng)求和接收數(shù) 據(jù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與監(jiān)測(cè)裝置之間的數(shù)據(jù)共享，即互操作； c) 兩臺(tái)或多臺(tái)監(jiān)測(cè)裝 置之間能夠通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)交換。2) 監(jiān)測(cè)裝置的穩(wěn)定性根據(jù) IEC1000 標(biāo)準(zhǔn)推薦，米用 4 級(jí)試驗(yàn)等級(jí)對(duì) GIS 監(jiān)測(cè)裝 置進(jìn)行穩(wěn)定性的測(cè)試。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括工頻磁場(chǎng)、高頻干擾、靜電放電干擾 和浪涌干擾等 9 項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明監(jiān)測(cè)裝置存在部分電磁兼容設(shè)計(jì)缺陷。 但是，經(jīng)過裝置結(jié)構(gòu)局部調(diào)整之后，可以達(dá)到 IEC1000 的 4 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；另外，對(duì) 裝置進(jìn)行了溫度特性測(cè)試、機(jī)械特性測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明， GIS 監(jiān)測(cè)裝置能夠達(dá)到電力系統(tǒng)二次設(shè)備穩(wěn)定性的