嵌入式技术ARM在变电站监控系统前端控制器中的应用———ARM在变

电力监控系统是为配合变电站实现无人值守而增设的电网辅助监控系统. 它的作用是将变电站的设备运行情况、主变压器、断路器、隔离刀闸等的运行状态实时图像、防火防盗等智能设备报警信息传输到监控中心,监控人员可通过实时图像和运动信息对变电站的运行情况进行综合分析、处理.
  1 　系统总体结构
      应用嵌入式技术设计的变电站监控系统,提高了变电站运行和维护的安全性和可靠性,逐步实现电网的可视化监控和调度,使电网调控运行更为安全、可靠.
  
  1. 1 　监控前端
      系统前端由现场控制器、摄像头和传感器组成.现场控制器。设计一块基于小巧的控制板,采用三星公司的S3C2410 处理器,系统特性如下(1)203 MHz 的ARM920 T 内核; (2) 8 个内存bank , 每个ba nk 可寻址128M 内存; (3) 支持从NANDFlash 启动; (4) 3 个UART 接口,一个IIC 接口,两个SPI 接口; ( 5) 24 个外部中断,117 个CP IO;(6) 集成实时时钟, PWM 输出; (7) 多模式管理电源和时钟,可软件切换处理器工作频率; ( 8) 两个USB Host 接口. 在处理器丰富资源的基础上,还进行了相关的配置和扩展, 平台配置64M NANDFlash 和64M SDRAM. 通过以太网控制器芯片CS890O 扩展了一个网口, 另外引出了一个USBHost 接口.
  摄像头选用的是具有USB 接口的外置摄像头,该摄像头的配套芯片是OV511 系列的,OV511 是一个专用的数字摄像IC 到USB 的接口芯片,内含数字摄像IC 接口、DRAM 接口、实时图像压缩引擎、USB 接口、I2C 接口、FIFO 等功能,用于将摄取的数字视频图像直接通过USB 接口送入开发板进行处理.
      传感器是将红外传感器、烟雾传感器等集成到上面,连接到现场控制器. 能够实时监控现场外来人员入侵、仪表过热及其它突发事件.
  1. 2 　通讯网络
      建立变电站内部专用局域网,通过以太网接口和网络上的其他用户互连,摄像头连接到控制板的USB 接口上,负责数据的采集功能,并通过局域网提供给网络客户进行访问. 每个网络摄像头提供唯一的IP ,方便用户对不同的网络摄像头进行监控.
  1. 3 　监控中心
      主要由图像监控中心服务器、图像存储系统、监控客户终端等组成,完成现场图像接收,用户登录管理,优先权的分配,控制信号的协调,图像的实时监控,录像的存储、检索、回放、备份、恢复等.
  2 　系统硬件设计
  2. 1 　硬件总体设计
      本系统硬件开发采用基于ARM 的PC/ 104 嵌入式模块, PC/ 104 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线,IEEE 协会将它定义为IEEE -P996. 1 , 实质上就是一种紧凑型的IEEE - P996(IEEE - P996 是ISA 工业总线规范) .
      硬件系统由ARM 核心板和外围功能扩展板组成,均采用PC/ 104模块,体积小巧,又因为外围模块独立于ARM 处理器模块,可以扩展更多功能。
  
      S3C2410 的芯片结构如图2所示通用的ARM处理器都在片内集成了丰富的外设控制器,ARM 处理器在访问外围设备时, 并不需要对外设进行桥接,对外设的访问都是采用实地址模式. 所有的外设都是连接在AMBA 总线上, 根据地址在系统空间中的分配,通过内部集成了存储器控制器(Memory Cont roller ) 进行访问、控制. 基于ARM的嵌入式系统中并没有非常庞大的架构,只是简单的实现结构.
       视频采集模块采用网眼V3000 摄像头, USB控制器为OV511 , Linux 操作系统支持该驱动模块,通过USB Host 模块与S3C2410 芯片链接.红外传感器模块采用热释电红外传感器,通过I/ O Port 端口模块与S3C2410 芯片链接. 报警电路采用双探测元热释电红外传感器,其结构示意图如图3 所示. 该传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联,用来防止其他红外光引起传感器误动作.另外,当环境温度改变时,两个晶体的参数会同时发生变化,这样可以相互抵消,避免出现检测误差. 该传感器使用时, D 端接电源正极, G端接电源负极,S 端为信号输出.
  
      烟雾火警探测模块由两部分组成:检测发射部分和接受控制部分. 采用nRF401 单片射频收发器,达到了无线传输的目的,能迅速的发出报警信号,方便及时的控制火情检测发射端和接收控制端选用了目前市场上已经成熟的高性能芯片,其外围电路结构简单,实现容易,可靠性强系统由三大芯片互相配合构成,检测装置采用了Motorol a 公司生产的具有声光报警电路的MC14468 芯片, 能实现多点并行检测,配合外围电路可构成多点烟雾报警系统. 无线收发器采用美国Nordic 公司最新推出的基于无线通信的nRF401 型单片射频收发器. 它采用了无线通信和F SK(频移键控) 调制解调技术,工作频率稳定且抗干扰能力强,不需要对数据进行编码,外围电路简单,使用方便. 由于采用低发射功率和高接收灵敏度的设计方案,因此不受无线电管理条例的限制,无须办理许可证. nRF401 的引入是本系统的突出特点之一, 它极大的提高了系统的实时性,这对安全系统是相当重要的.
  2. 2 　基于ARM 处理器的PC/ 104 计算机体系结构
      嵌入式设备都是根据具体应用而设计,具备高度可裁减性等特点,因此很难给各种嵌入式设备的体系结构进行准确的定义. 但是针对实际研发的计算机,根据所采用的ARM 处理器和实际应用需求,还是可以对其体系结构进行标准定义. 如图4 所示,是基于ARM 处理器的PC/ 104嵌入式计算机的系统结构框图.
  
  2. 3 　PC/ 104 总线设计
      在电路设计上, CPL D 采用了XIL INX 的XC95144XL. ARM 的数据、地址总线,以及读写等需要使用的控制信号全部连接到CPLD 上, 作为ARM 处理器访问CPLD 的信号线. 并将CPLD 的部分IO 引出,通过BUFFER 后,全部连接到PC/104 的总线接口上. 这样, ARM 处理器直接访问CPLD ,CPLD 则根据信号线上的变化完成相应的PC/ 104 总线上的操作.
  对于接口设计来说,最主要的就是时序设计. 时序设计正确了, 系统就能正确地工作. 同,CPLD的标准输入输出为L VT TL 电平,输入电平则可以兼容与T TL 电平, 因此虽然LD 可以直接与TTL 电平的总线相连, 但是可能因为一些电气特性、信号完整性方面的问题导致系统的可靠性下降,所以使用了BUF FER 来进行两个电平间的转换,确保系统的稳定性和可靠性.
  ARM 和PC/ 104 的接口如图5 所示.
  
  3 　系统软件设计
  3. 1 　嵌入式操作系统设计
      本系统采用的软件系统为嵌入式Linux 操作系统. Linux 操作系统开放源代码,可裁减, 无版税. 经过多年的发展系统非常稳定,开发技术比较成熟. 嵌入式Linux 有以下优点:
  (1) Linux 的是可以定制和可裁减的. Linux 系统从设计开始就考虑到了系统的定制性和裁减性.不仅Linux 内核可以裁减,而且文件系统也是可以裁减的.
  (2) Linux 是开发源代码的,任何都可以获得其源代码并加以修改. 这对嵌入式开发来说是很必要的.
  (3) Linux 本身支持包括X86 、ARM 等在内的多种硬件平台.
  (4) 系统小巧. 一个功能完备的Linux 内核要求大约1 MB 内存.
  (5) 强大的网络功能. Linux 几乎支持所有的网络协议和网络设备.
       一个嵌入式Linux 系统只需要下面三个基本元素:引导程序、Linux 微内核(由存管理、进程管理和事务处理构成) 和初始化进程. 要实现最低限度的工作能力,还需要添加硬件驱动程序和相应的应用进程,以提供所需功能,如果要让它有更多的功能且保持小型化,还可以加上文件系统、TCP/ IP 网络支持、GUI (图形用户界面) 和设计精简的应用程序,并将其放在ROM、RAM、FLASH 中启动. 由于嵌入式Linux 操作系统的高度灵活性,开发者可以很容易地对它进行定制或作适当开发,来满足实际应用需要这里最主要的一步是剪裁L x 内核,将原先比较庞大的系统内核(相对嵌入式系统来说) 改造成一个小巧的可配置的内核, 并且要保持Linux 的基本功能以及对Linux 应用程序、驱动程序的完全支持.
      uClinux 操作系统不支持设备驱动程序模块化加载方式,因而,我们必须将编写好的驱动程序以直接编译到内核的方式加入.
  (1) 将编写好的驱动程序拷贝到. . / driver s/目录下如t est . c , 并在目录下修改mem. c 、Config. in 和Makefile 文件,在mem. c 中的int __ini t _dev_init ( void) 中添加如下代码:
  # ifdef CONFIG_S3C2410_T EST
  t est_init () ;
  / / 在te st . c 中实现,是设备的初始化函数
  # endif
  ( 2) 修改. . / drivers/  目录下的Config. in文件,在其中适当的位置添加: dep _ t ri stat e‘t estmodule’CONFIG_S3C2410X_ TEST ＄CONFIG_ARCH_ S3C2410 其含义是:只要定义了CONFIG_ARCH_ S3C2410 为y 或m 时, 在配置内核时,Charact er devices 目录分类下就会出现”te st mod2ul e”选项, 它对应CONFIG_ S3C2410_ TEST 的定义. 因此把驱动程序编译到内核, CONF IG _S3C2410_ TEST 定义为y.
  (3) 在. . / drivers/ Makefile 文件中添加:obj - ＄( COF IG _ S3C2410 _ TEST ) + =myt est . o
  Makefile 会根据obj - y 编译并连接对应的源码.
  (4) 在. depend 中增加相应的头文件.
  (5) 然后运行ma ke menuconfig , 在里面选中‘test module’,重新编译内核,将会把myte st . o 编译到内核中去.
  通过以上几步可以将驱动程序编译到内核中去,重新编译内核,则可以执行刚加入的相应应用程序.
  视频驱动程序编译,进入uCLinux 的kernel 目录, 在终端输入make menuconfig 配置内核, 进入usb support , 选中USB OV511Cameral suppo rt . 保存退出后make dep 建立依赖关系、make z Image 产生镜像, 编译完毕, 将编译好的内核烧写入ARM板,则uCLinux 系统就支持该摄像头模块.
  3. 2 　总线控制器实现
      关于PC/ 104总线的设计中,设计的重点是总线控制器的设计,能否完成PC/ 104总线驱动,关键在于控制器能否正常运行PC/ 104总线控制器的工作流程图如图6 所示.
  
  由于CPLD 中的设计代码篇幅较长,在此不做赘述.
  4 　结束语
       变电站监控系统解决了变电站现场的可视化和环境监控问题,是对“四遥”功能的补充,为实现变电站无人值守提供了可靠保证,有极高的使用价值和利用价值. 监控系统的推广应用对提高变电站运行的安全性、可靠性,提高运行管理的科学性,促进管理工作的现代化有着重要的意义. 本课题将ARM应用于变电站监控系统前端控制器,降低了功耗,缩小了设备体积. 同时,利用ARM9 强大的功能,提高了监控视频的精度,提高监控设备的可靠性和稳定性,增强了各项监控功能,具有较强的实用性.
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