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ARM嵌入式系統在GIS在線監(jiān)測中的應用

時間:2007-12-07 10:34:00來源:caojing

導語:?應用測試結果表明:基于ARM 和uClinux 中TCP/IP 協議棧的以太網通信,可以實現GIS 在線監(jiān)測系統的互操作性。
摘 要:為滿足IEC61850 標準對變電站自動化系統及智能設備提出的互操作性、實時性和穩(wěn)定性要求,將32b處理器ARM (advanced RISC machine) 及嵌入式操作系統uClinux引入封閉式組合電器(GIS) 的在線監(jiān)測領域。根據GIS在線監(jiān)測的需要,設計了以太網通信和CAN (controller area network) 總線通信的硬件電路及軟件。應用測試結果表明:基于ARM 和uClinux 中TCP/IP 協議棧的以太網通信,可以實現GIS 在線監(jiān)測系統的互操作性,并保證在通信功能上的長期穩(wěn)定性;以ARM 為核心的嵌入式系統硬件,可以保證監(jiān)測裝置的穩(wěn)定性、實時性和可擴充性。故基于ARM 和uClinux 的GIS 在線監(jiān)測系統可以滿足IEC61850 標準對互操作性、穩(wěn)定性和實時性的要求。 關鍵詞: 斷路器 在線監(jiān)測系統 嵌入式系統 互操作性 引言 GIS (gas insulated switchgear) 是輸配電和變電領域有著廣泛和重要應用的電力設備。GIS的封閉性結構加大了運行維護的難度,其故障隱患更難發(fā)現,可能造成的損失會更大。為了能夠實時地、準確地了解GIS 運行狀態(tài),及時發(fā)現和消除故障隱患,對GIS 實行在線監(jiān)測就顯得尤為重要。 為了規(guī)范電力行業(yè)自動化系統發(fā)展,國際電工委員會提出IEC61850 標準,它針對變電站自動化系統及智能設備提出了互操作性和穩(wěn)定性的要求。互操作性是指在兩個或兩個以上的系統之間可以直接、有效地共用數據和信息。另外,該體系還要求自動化系統在通信功能上具備長期穩(wěn)定性,可在較長時間內適應通信技術的快速發(fā)展。 鑒于IEC61850 體系對變電站自動化系統提出的確要求,本文對國內主要幾種變電站在線監(jiān)測系統進行了研究。在現有在線監(jiān)測系統中,通常采用現場總線CAN (controller area network) 作為系統的主通信方式,裝置中多采用16 位單片機為核心。該模式在運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與其他系統進行深層次的互操作; 其次,芯片對外接口相對單一,難以保證系統功能的自由配置,局部功能調整往往要影響到整個系統。研究表明,在ARM (advanced RISC machine)上運行的嵌入式操作系統uClinux 實現以太網通信,能夠保證GIS在線監(jiān)測系統的互操作性和在通信功能上的長期穩(wěn)定性,故將ARM 嵌入式系統引入GIS 在線監(jiān)測研究領域。 一、基于ARM 的嵌入式系統 ARM 采用先進微控制器總線結構AMBA (advanced microcontroller bus architecture) 的模塊化設計,具有綜合、快速和高性能價格比的優(yōu)點 。在ARM 處理器中具備ICE-RT 功能單元,通過它可以在代碼的任何部分,甚至于在ROM 中設置斷點,這就降低了裝置調試難度,為裝置的穩(wěn)定性奠定了基礎。 在ARM 處理器中,采用32b定長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 個階段:取指、譯碼和執(zhí)行。流水線允許幾個操作同時進行,在執(zhí)行第1條指令期間,第2條指令開始譯碼,同時第3條指令從存儲器中被取出,故取指、譯碼和執(zhí)行3部分可以同時進行,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,為操作系統的引入奠定了基礎。傳統的嵌入式系統一般不用操作系統,故操作系統的引入就為嵌入式系統賦予新的內涵,也成為區(qū)別于傳統嵌入式系統的一個明顯特征。嵌入式操作系統將替代傳統的由手工編制的監(jiān)控程序或調度程序,成為重要的基礎組件,使程序員只需面向操作系統進行應用程序的開發(fā)。嵌入式操作系統正在轉變成為ARM 應用軟件的基礎。 二、系統在GIS 在線監(jiān)測上的應用 基于ARM嵌入式系統,GIS 在線監(jiān)測裝置的設計主要包括裝置的內部框架、硬件配置和軟件配置等。基于IEC61850 標準的變電站自動化系統(如圖2 所示) 具有一個顯著的特點:在自動化系統中,層與層之間都采取以太網通信的方式(基于TCP/IP) ,取代了傳統系統中的各種現場總線通信方式(如Lonworks,CAN 以及RS-485 等)。
圖2 在線監(jiān)測系統框圖
三、基于ARM 嵌入式系統的硬件框架 采用ARM 嵌入式系統之后,硬件電路原理圖(如圖3 所示) 按照功能主要分為以下幾個模塊: 1) ARM CPU 模塊該部分電路是嵌入式系統的核心,本系統采用AT91M40800,它基于ARM7TDMI 內核,其專門為工業(yè)控制而制造,各項指標均能達到工業(yè)級別。 2) CPLD 擴展電路 該電路的主要功能是對CPU 芯片的外圍功能進行擴充。對于功能要求比較復雜的電路,一般都采用CPU+CPLD 的模式,采用該模式的原因主要有兩個方面:a) CPU 作為系統的核心,無法、也沒有必要滿足所有用戶的具體功能要求,只需給用戶以標準的外部總線接口EB I (external bus interface)即可,讓用戶根據自己的需要進行必要的功能擴展;b) CPLD 用在電路設計中有以下幾點優(yōu)勢:可方便地實現地址譯碼;編程方式簡便,可方便地通過軟件編程實現各種邏輯器件的功能; 時鐘延遲可達納秒級,特別適合在線監(jiān)測領域的應用,具有高可靠性。 3) 閃存FLASH 模塊 閃存芯片在系統斷電之后,能夠永久保存系統進行重新啟動所需的原始軟件設置和數據。本文選用ATMEL公司生產的AT49BV1614 閃存芯片,該芯片容量為2MB,芯片上存儲嵌入式操作系統uClinux 內核、系統啟動程序以及用戶程序等。
圖3 基于ARM 的嵌入式系統原理圖
4) 現場總線CAN 接口電路 這部分電路是用于裝置內部主板與其他數據采集板之間的通信。CAN 的通訊速度可以高達1Mb/s (距離在40m以內) ;CAN 對通信介質沒有苛刻的限制,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)定性和性價比,所以在裝置的內部采用CAN 實現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上增強了裝置內部通信的穩(wěn)定性。裝置中CAN 總線通信電路如圖4 所示,SJA1000 為工業(yè)級的CAN 通信控制器,82C250 是CAN 總線驅動器,其中4 個光耦是用于光電隔離,以達到減小通信干擾,同時可以實現通信板的帶電插拔。
圖4 雙CAN 通信接口電路
5) 以太網模塊 電路中采用CS8900A 工業(yè)級以太網芯片,可以達到10Mb/s 的網絡速度,在線監(jiān)測裝置通過這部分接口電路與系統的高層(如上位機等) 和其他監(jiān)測裝置進行數據的傳輸共享,實現互操作。 四、基于ARM 嵌入式系統的軟件框架 系統的軟件主要包括3 方面:uCbootloader、uClinux 和應用軟件。uCbootloader 用于硬件系統初始化,uClinux 是嵌入式操作系統,而應用程序是用戶根據具體要求開發(fā)出來實現特定功能的程序模塊。硬件系統上電后,運行uCbootloader 對硬件系統配置進行初始化,將檢測到的硬件轉交給操作系統,由它進行統一支配; 用戶程序是建立在uClinux之上,并由它負責引導啟動。 1) 嵌入式操作系統uClinux 本裝置選用uClinux 作為嵌入式操作系統主要考慮到以下幾個因素: a) 選用的AT9M40800 沒有內存管理單元; b) 對Linux- X 裁剪得到的uClinux 內核很小(約900 kB) ,但仍保留了Linux 系統的穩(wěn)定性、強大的網絡功能和出色的文件系統等優(yōu)點; c) uClinux 擁有一個完整的TCP/IP 協議棧,使GIS 監(jiān)測裝置能夠實現標準的以太網通信功能。考慮到系統的實時性要求,本系統采用內核加載方式,將內核的壓縮文件放在FLASH 上,系統啟動時讀取壓縮文件在內存中解壓,然后運行。 2) 用戶程序 本嵌入式系統中的所有應用程序是采用標準C語言編寫,編譯的過程是在Linux 系統下建立的交叉編譯器中進行。根據嵌入式系統要實現的功能,應用程序主要分為以下幾部分:以太網通信、CAN 總線通信和串口通信程序等。下面仔細討論一下以太網通信和CAN 總線的通信: a) 以太網通信 TCP/IP 協議是一種成熟的、廣泛使用的高層網絡協議,因為它具有良好的開放性,在變電站通信系統中廣泛采用。基于TCP/IP 的通信程序主要有兩部分:服務器和客戶端。服務器和客戶端可以運行于上位機與監(jiān)測裝置上,用于收集數據,并發(fā)送相應的網絡報文。以客戶端程序為例,客戶端程序主要包括以下功能環(huán)節(jié):建立socket 套接字、向server請求連接、封裝數據、接收數據和發(fā)送數據,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,SOCK- STREAM ,0) ;     .     connect (sockfd,&their- addr,sizeof (st ructsockaddr) ) ;     .     send (sockfd,buf,MAXDA TA S IZE,0) ;     .     recv (sockfd,buf,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。初始化程序設置CAN控制器中的各個寄存器,包括模式寄存器、時分寄存器和輸出控制器等。由于這些寄存器只能在復位期間設置,故必須在通信開始之前就對CAN 控制器進行初始化。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,再啟動發(fā)送命令即可(如圖5 所示); 接收程序與發(fā)送程序類似,只需要將數據從接收緩沖區(qū)中取出即可。 在設計CAN 通信模式的時候,采用多主的通信方式,即CAN 總線上每個節(jié)點都可以任意地向其他節(jié)點發(fā)送和接收報文,每個節(jié)點上的通信程序具有相似性,故只要把一個節(jié)點的通信程序調通后,其他的節(jié)點上的通信程序可以仿效之。
圖5 CAN 總線發(fā)送程序流程圖
五、系統應用測試 1) 系統的互操作性 在GIS 監(jiān)測裝置中建立設備狀態(tài)數據庫,開設服務器和客戶端,并實時地更新數據庫的狀態(tài)值。然后啟動GIS 在線監(jiān)測系統,在系統運行中進行互操作性測試,測試得出:a) 以太網的數據傳送速度可以達到10Mb/s;b) 監(jiān)測系統的上位機能夠通過以太網對監(jiān)測裝置發(fā)送請求和接收數據,實現上位機與監(jiān)測裝置之間的數據共享,即互操作;c) 兩臺或多臺監(jiān)測裝置之間能夠通過以太網進行通信,實現必要的數據交換。 2) 監(jiān)測裝置的穩(wěn)定性 根據IEC1000 標準推薦,采用4 級試驗等級對GIS 監(jiān)測裝置進行穩(wěn)定性的測試。試驗內容主要包括工頻磁場、高頻干擾、靜電放電干擾和浪涌干擾等9 項測試,測試結果表明監(jiān)測裝置存在部分電磁兼容設計缺陷。但是,經過裝置結構局部調整之后,可以達到IEC1000 的4 級標準;另外,對裝置進行了溫度特性測試、機械特性測試和穩(wěn)定性測試,試驗結果表明,GIS 監(jiān)測裝置能夠達到電力系統二次設備穩(wěn)定性的要求,其穩(wěn)定性得到檢驗。 3) 系統的開放性與可擴充性 GIS 在線監(jiān)測系統運行之后,對系統的開放性與可擴充性進行測試。通過以太網對監(jiān)測系統增設一臺工作站,并將該工作站用于與其他系統的通信。擴充之后,監(jiān)測系統工作正常,并能夠利用擴充的工作站與其他系統進行通信。 六、結語 在ARM 處理器上運行嵌入式操作系統uClinux,可以實現以太網通信功能;將ARM 嵌入式系統應用于GIS 在線監(jiān)測系統中,可以滿足IEC61850標準提出的互操作性和穩(wěn)定性要求;利用以太網和CAN 總線通信的GIS 在線監(jiān)測系統具有開放性和可擴充性。

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