《ARM嵌入式系统在GIS在线监测中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ARM嵌入式系统在GIS在线监测中的应用.docx（11页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、ARM嵌入式系统在GIS在线监测中的应用caojing导语：应用测试结果说明：基于ARM和uClinux中TCP/IP协议栈的以太网通讯，可以实现GIS在线监测系统的互操纵性。摘要：为知足IEC61850标准对变电站自动化系统及智能设备提出的互操纵性、实时性和稳定性要求，将32b处理器ARMadvancedRISCmachine及嵌入式操纵系统uClinux引入封闭式组合电器GIS的在线监测领域。根据GIS在线监测的需要，设计了以太网通讯和CANcontrollerareanetwork总线通讯的硬件电路及软件。应用测试结果说明：基于ARM和uClinux中TCP/IP协议栈的以太网通讯，可以
2、实现GIS在线监测系统的互操纵性，并保证在通讯功能上的长期稳定性；以ARM为核心的嵌入式系统硬件，可以保证监测装置的稳定性、实时性和可扩大性。故基于ARM和uClinux的GIS在线监测系统可以知足IEC61850标准对互操纵性、稳定性和实时性的要求。关键词：断路器在线监测系统嵌入式系统互操纵性GISgasinsulatedswitchgear是输配电和变电领域有着广泛和重要应用的电力设备。GIS的封闭性构造加大了运行维护的难度，其故障隐患更难发现，可能造成的损失会更大。为了可以实时地、准确地理解GIS运行状态，及时发现和消除故障隐患，对GIS实行在线监测就显得尤为重要。为了标准电力行业自动化
3、系统开展，国际电工委员会提出IEC61850标准，它针对变电站自动化系统及智能设备提出了互操纵性和稳定性的要求。互操纵性是指在两个或者两个以上的系统之间可以直接、有效地共用数据和信息。另外，该体系还要求自动化系统在通讯功能上具备长期稳定性，可在较长时间内适应通讯技术的快速开展。鉴于IEC61850体系对变电站自动化系统提出确实要求，本文对国内主要几种变电站在线监测系统进展了研究。在现有在线监测系统中，通常采用现场总线CANcontrollerareanetwork作为系统的主通讯方式，装置中多采用16位单片机为核心。该形式在运行中已显示出局限性，例如CAN作为主通讯方式限制了本系统与其他系统进
4、展深层次的互操纵;其次，芯片对外接口相对单一，难以保证系统功能的自由配置，部分功能调整往往要影响到整个系统。研究说明，在ARMadvancedRISCmachine上运行的嵌入式操纵系统uClinux实现以太网通讯，可以保证GIS在线监测系统的互操纵性和在通讯功能上的长期稳定性，故将ARM嵌入式系统引入GIS在线监测研究领域。一、基于ARM的嵌入式系统ARM采用先进微控制器总线构造AMBAadvancedmicrocontrollerbusarchitecture的模块化设计，具有综合、快速和高性能价格比的优点。在ARM处理器中具备ICE-RT功能单元，通过它可以在代码的任何局部，甚至于在RO
5、M中设置断点，这就降低了装置调试难度，为装置的稳定性奠定了根底。在ARM处理器中，采用32b定长指令和三段流水线指令操纵如图1所示，指令执行分为3个阶段：取指、译码和执行。流水线允许几个操纵同时进展，在执行第1条指令期间，第2条指令开场译码，同时第3条指令从存储器中被取出，故取指、译码和执行3局部可以同时进展，这就保证了处理器的高速处理性能。图1三段流水线操纵微控制器性能的进步，为操纵系统的引入奠定了根底。传统的嵌入式系统一般不用操纵系统，故操纵系统的引入就为嵌入式系统赋予新的内涵，也成为区别于传统嵌入式系统的一个明显特征。嵌入式操纵系统将替换传统的由手工编制的监控程序或者调度程序，成为重要的
6、根底组件，使程序员只需面向操纵系统进展应用程序的开发。嵌入式操纵系统正在转变成为ARM应用软件的根底。二、系统在GIS在线监测上的应用基于ARM嵌入式系统，GIS在线监测装置的设计主要包括装置的内部框架、硬件配置和软件配置等。基于IEC61850标准的变电站自动化系统如图2所示具有一个显著的特点：在自动化系统中，层与层之间都采取以太网通讯的方式基于TCP/IP，取代了传统系统中的各种现场总线通讯方式如Lonworks，CAN以及RS-485等。图2在线监测系统框图三、基于ARM嵌入式系统的硬件框架采用ARM嵌入式系统之后，硬件电路原理图如图3所示按照功能主要分为以下几个模块：1ARMCPU模块
7、该局部电路是嵌入式系统的核心，本系统采用AT91M40800，它基于ARM7TDMI内核，其专门为工业控制而制造，各项指标均能到达工业级别。2CPLD扩展电路该电路的主要功能是对CPU芯片的外围功能进展扩大。对于功能要求比拟复杂的电路，一般都采用CPU+CPLD的形式，采用该形式的原因主要有两个方面：aCPU作为系统的核心，无法、也没有必要知足所有用户的详细功能要求，只需给用户以标准的外部总线接口EBIexternalbusinterface即可，让用户根据自己的需要进展必要的功能扩展；bCPLD用在电路设计中有以下几点上风：可方便地实现地址译码；编程方式简便，可方便地通过软件编程实现各种逻辑
8、器件的功能;时钟延迟可达纳秒级，十分合适在线监测领域的应用，具有高可靠性。3闪存FLASH模块闪存芯片在系统断电之后，可以永久保存系统进展重新启动所需的原始软件设置和数据。本文选用ATMEL公司消费的AT49BV1614闪存芯片，该芯片容量为2MB，芯片上存储嵌入式操纵系统uClinux内核、系统启动程序以及用户程序等。图3基于ARM的嵌入式系统原理图4现场总线CAN接口电路这局部电路是用于装置内部主板与其他数据收集板之间的通讯。CAN的通讯速度可以高达1Mb/s间隔在40m以内；CAN对通讯介质没有苛刻的限制，可以为双绞线、同轴电缆或光纤等，比拟灵敏；其中，最重要的是CAN通讯具有很高的稳定
9、性和性价比，所以在装置的内部采用CAN实现主板与辅板之间的通讯是工业控制装置中最流行的方法。CAN总线作为ARM的外围电路，采用了双CAN形式，这在快速通讯的根底上增强了装置内部通讯的稳定性。装置中CAN总线通讯电路如图4所示，SJA1000为工业级的CAN通讯控制器，82C250是CAN总线驱动器，其中4个光耦是用于光电隔离，以到达减小通讯干扰，同时可以实现通讯板的带电插拔。图4双CAN通讯接口电路5以太网模块电路中采用CS8900A工业级以太网芯片，可以到达10Mb/s的网络速度，在线监测装置通过这局部接口电路与系统的高层如上位机等和其他监测装置进展数据的传输分享，实现互操纵。四、基于AR
10、M嵌入式系统的软件框架系统的软件主要包括3方面：uCbootloader、uClinux和应用软件。uCbootloader用于硬件系统初始化，uClinux是嵌入式操纵系统，而应用程序是用户根据详细要求开发出来实现特定功能的程序模块。硬件系统上电后，运行uCbootloader对硬件系统配置进展初始化，将检测到的硬件转交给操纵系统，由它进展统一支配;用户程序是建立在uClinux之上，并由它负责引导启动。1嵌入式操纵系统uClinux本装置选用uClinux作为嵌入式操纵系统主要考虑到以下几个因素：a选用的AT9M40800没有内存治理单元；b对Linux-X裁剪得到的uClinux内核很小
11、约900kB，但仍保存了Linux系统的稳定性、强大的网络功能和出色的文件系统等优点；cuClinux拥有一个完好的TCP/IP协议栈，使GIS监测装置可以实现标准的以太网通讯功能。考虑到系统的实时性要求，本系统采用内核加载方式，将内核的压缩文件放在FLASH上，系统启动时读取压缩文件在内存中解压，然后运行。2用户程序本嵌入式系统中的所有应用程序是采用标准C语言编写，编译的经过是在Linux系统下建立的穿插编译器中进展。根据嵌入式系统要实现的功能，应用程序主要分为以下几局部：以太网通讯、CAN总线通讯和串口通讯程序等。下面仔细讨论一下以太网通讯和CAN总线的通讯：a以太网通讯TCP/IP协议是
12、一种成熟的、广泛使用的高层网络协议，由于它具有良好的开放性，在变电站通讯系统中广泛采用。基于TCP/IP的通讯程序主要有两局部：效劳器和客户端。效劳器和客户端可以运行于上位机与监测装置上，用于采集数据，并发送相应的网络报文。以客户端程序为例，客户端程序主要包括以下功能环节：建立socket套接字、向server恳求连接、封装数据、接收数据和发送数据，最后释放套接字，如下面的程序片断所示。mainintargc，char3argv.sockfd=socketAF-INET，SOCK-STREAM，0;connectsockfd，&their-addr，sizeofstructsockaddr;s
13、endsockfd，buf,MAXDATASIZE，0;recvsockfd，buf,MAXDATASIZE，0;closesockfd;bCAN总线通讯CAN总线通讯软件主要由初始化程序、发送程序和接收程序3局部组成。初始化程序设置CAN控制器中的各个存放器，包括形式存放器、时分存放器和输出控制器等。由于这些存放器只能在复位期间设置，故必须在通讯开场之前就对CAN控制器进展初始化。CAN发送程序主要是将要发送的信息帧送到发送缓冲区中去，再启动发送命令即可如图5所示；接收程序与发送程序类似，只需要将数据从接收缓冲区中取出即可。在设计CAN通讯形式的时候，采用多主的通讯方式，即CAN总线上每个节
14、点都可以任意地向其他节点发送和接收报文，每个节点上的通讯程序具有相似性，故只要把一个节点的通讯程序调通后，其他的节点上的通讯程序可以仿效之。图5CAN总线发送程序流程图五、系统应用测试1系统的互操纵性在GIS监测装置中建立设备状态数据库，开设效劳器和客户端，并实时地更新数据库的状态值。然后启动GIS在线监测系统，在系统运行中进展互操纵性测试，测试得出：a以太网的数据传送速度可以到达10Mb/s；b监测系统的上位机可以通过以太网对监测装置发送恳求和接收数据，实现上位机与监测装置之间的数据分享，即互操纵；c两台或者多台监测装置之间可以通过以太网进展通讯，实现必要的数据交换。2监测装置的稳定性根据I
15、EC1000标准推荐，采用4级试验等级对GIS监测装置进展稳定性的测试。试验内容主要包括工频磁场、高频干扰、静电放电干扰和浪涌干扰等9项测试，测试结果说明监测装置存在局部电磁兼容设计缺陷。但是，经过装置构造部分调整之后，可以到达IEC1000的4级标准；另外，对装置进展了温度特性测试、机械特性测试和稳定性测试，试验结果说明，GIS监测装置可以到达电力系统二次设备稳定性的要求，其稳定性得到检验。3系统的开放性与可扩大性GIS在线监测系统运行之后，对系统的开放性与可扩大性进展测试。通过以太网对监测系统增设一台工作站，并将该工作站用于与其他系统的通讯。扩大之后，监测系统工作正常，并可以利用扩大的工作站与其他系统进展通讯。在ARM处理器上运行嵌入式操纵系统uClinux，可以实现以太网通讯功能；将ARM嵌入式系统应用于GIS在线监测系统中，可以知足IEC61850标准提出的互操纵性和稳定性要求；利用以太网和CAN总线通讯的GIS在线监测系统具有开放性和可扩大性。0