基于S3C44BOX的遠程監測系統的設計與實(shí)現

摘 要：本文所論述的基于S3C44B0X的遠程監測系統是SJY-1發(fā)電機射頻監測儀的組成部分之一，具備數據采集、存儲及無(wú)線(xiàn)通信等功能，支持SMS傳送和PC聯(lián)機傳送兩種通信方式，支持告警功能。實(shí)驗結果表明，該系統實(shí)時(shí)性好，性能可靠，實(shí)用性強。對于設計通信數據量較小的遠程監測系統具有良好的推廣和應用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：遠程監測；嵌入式；S3C44B0X

引言
發(fā)電機是電力系統的核心，隨著(zhù)單機容量的不斷增大，其運行可靠性顯得尤為重要。對于發(fā)電機而言，并網(wǎng)運行后實(shí)現在線(xiàn)監測和診斷已成為一項亟待解決的課題。其主要目的在于：檢出發(fā)電機在初始階段出現的缺陷，以便有計劃地安排檢修，減少強迫停機次數，避免事故的發(fā)生；延長(cháng)發(fā)電機平均無(wú)故障時(shí)間及縮短平均修理時(shí)間，降低發(fā)電機的維護費和提高發(fā)電機的可用性。
發(fā)電機運行狀態(tài)監測原理
發(fā)電機長(cháng)期運行后，絕緣性能漸趨劣化，而絕緣結構的劣化是各種劣化的綜合表征。目前，射頻監測法是較為常用的監測發(fā)電機絕緣狀態(tài)的方法。
本文論述的遠程監測系統配合在線(xiàn)運行的SJY-1射頻監測儀，通過(guò)監測射頻儀的輸出信號，進(jìn)行初步的故障診斷。如何確定射頻監測儀的示值變化與發(fā)電機定子絕緣狀況變化趨勢的關(guān)系是監測與診斷中極為重要的問(wèn)題。根據發(fā)電機定子絕緣變化的過(guò)程具有“模糊態(tài)”的特點(diǎn)，其監測可劃分為良好、中介過(guò)渡、注意、警告、危險等幾個(gè)區域，發(fā)電機的絕緣狀態(tài)與SJY-1射頻儀的信號電平具有一定的函數關(guān)系。
當SJY-1射頻監測儀檢測信號低于300 mV或在此附近擺動(dòng)，而且測量值與發(fā)電機負荷無(wú)關(guān)的情形下，發(fā)電機系統的放電總量是微小的，此時(shí)表明發(fā)電機系統的絕緣狀況良好；當SJY-1射頻監測儀檢測信號電平高于1000 mV，表明在整個(gè)發(fā)電機系統中放電量比較大，應該引起維修人員的注意。
然而，考慮到1000 mV并非發(fā)電機定子內部放電判斷的絕對界限，因此不能規定射頻信號一旦達到某一特定值就一定要維修檢查。發(fā)電機絕緣從最初的缺陷發(fā)展成為故障所需的時(shí)間與故障類(lèi)型各不相同，相對而言，信號的長(cháng)期變化可給評判提供更為豐富的信息。為了得到信號的長(cháng)期變化數據，本監測系統采用設定告警門(mén)限與告警次數累計相結合的方法。首先，用戶(hù)設定告警門(mén)限值(一般可設為1000 mV)，告警次數累計為N。然后在實(shí)際運行過(guò)程中，當射頻儀的監測值超過(guò)告警門(mén)限值時(shí)，告警累計次數加一，反之則減一。只有當告警累計次數≥N時(shí)，即發(fā)電機絕緣狀態(tài)長(cháng)期處于告警范圍中時(shí)，監測系統才認為當前的發(fā)電機存在絕緣故障可能，從而啟動(dòng)短消息告警程序，通知維修人員及時(shí)排查。

系統的總體設計
考慮到SJY-1射頻監測儀會(huì )自動(dòng)把mV級電壓(0mV~10000 mV)轉換成mA級電流輸出(0mA~20mA)，所以本監測系統實(shí)際監測的信號是mA級的電流。為方便用戶(hù)操作，本系統在提供告警門(mén)限值設置時(shí)仍采用mV級電壓?jiǎn)挝?，而在內部程序處理時(shí)完成數值單位的轉換。
系統的總體設計框圖如圖1所示。射頻儀產(chǎn)生的0mA~20mA的電流轉換成電壓信號后輸出至數據采集模塊，然后微處理器對采集的數據進(jìn)行監測。一旦發(fā)現異常情況，則通過(guò)GSM模塊TC35i終端發(fā)送告警短消息給維修人員。
本系統采用S3C44B0X作為微處理器，針對SJY-1射頻監測儀產(chǎn)生的電流信號變化較為緩慢的特點(diǎn)，使用其內部定時(shí)器所產(chǎn)生的中斷，以每秒12次的采樣速率啟動(dòng)ADC，轉換后的數據經(jīng)過(guò)初步平滑處理后存入數據緩沖。當緩沖區滿(mǎn)時(shí)，將數據轉存至固態(tài)硬盤(pán)中。若系統檢測到有故障發(fā)生時(shí)，啟動(dòng)告警程序，發(fā)送短消息給維修人員。維修人員可以通過(guò)系統與PC聯(lián)機讀出固態(tài)硬盤(pán)中的歷史數據，存入數據庫，并分析故障產(chǎn)生的原因及解決方案。

系統的硬件組成
本系統中以微處理器S3C44B0X為核心的小系統由外部程序存儲器、LCD顯示、UART串口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及鍵盤(pán)組成。在此基礎上，本系統對S3C44B0X小系統的外圍電路進(jìn)行了擴展，增加了ADC模塊、存儲模塊、串口通信模塊和GSM模塊。
本系統的輸入信號為射頻儀產(chǎn)生的4mA～20mA的電流信號，經(jīng)精密電阻后轉換成0V～4V電壓輸入至4通道、12位、并行/串行ADC芯片ADS7824。設計時(shí)選用了通道0作為原始信號的輸入，保留其余三路信號以備將來(lái)開(kāi)發(fā)所用。同時(shí)選用了串行工作模式。ADC模塊的電路如圖2所示。為保證電路板是單電源，本設計的ADC模塊中采用了DC-DC轉換器，給隔離放大器提供其所需的雙電源。
考慮到系統需要大容量的數據存儲，要求存儲芯片體積小、功耗低，所以選用了三星公司的NAND結構Flash存儲器件——16MB的K9F2808來(lái)作為本系統的固態(tài)硬盤(pán)。其電源電壓為2.7V~3.6V，按頁(yè)讀寫(xiě)，按塊擦除。
本系統的串行通信模塊由兩部分組成：PC通信和Modem通信。S3C44B0X提供兩個(gè)DB9串口，分別是UART0和UART1。系統設計時(shí)將UART0用于連接PC，進(jìn)行簡(jiǎn)單的數據傳輸及接收，并采用MAX3221作為電平轉換芯片。UART1則作為全功能串口，經(jīng)過(guò)MAX3243電平轉換后與Modem通信。由于S3C44B0X未提供RS-232通信所需的諸如DCD(載波檢測)、DTR(數據終端準備好)、DSR(數據準備好)和RIC(振鈴指示)等專(zhuān)用的I/O口，因此本設計中選用其通用的I/O口替代，由軟件模擬這些握手信號。
此外，系統還要求其GSM模塊支持短消息服務(wù)，具備標準的RS-232接口以及SIM卡接口，并能直接用AT命令對其進(jìn)行接口。因此，采用了內置TC35i無(wú)線(xiàn)模塊的西門(mén)子TC35i終端作為系統的GSM模塊，通過(guò)全功能串口UART1與之通信。
　　
系統的軟件設計
系統軟件設計包括下位機軟件設計和PC機軟件設計。前者主要由人機交互模塊、數據采集與存儲模塊，以及短消息發(fā)送模塊(流程如圖3所示)組成，而后者又包括串口通信模塊、主界面和數據庫設計兩部分。
人機交互模塊由LCD顯示器和鍵盤(pán)組成，負責設定系統的參數，如告警閾值，告警計數門(mén)限值、短消息服務(wù)中心號碼和維修人員手機號碼等。如前所述，本系統在提供告警閾值設置時(shí)采用mV級電壓，并通過(guò)內部程序完成數值單位的轉換。此外，考慮到維修人員需要把固態(tài)硬盤(pán)中的數據導入PC中，所以軟件設計中還專(zhuān)門(mén)設定了PC數據轉存功能。當指定的按鍵中斷產(chǎn)生時(shí)，軟件將自動(dòng)屏蔽其他中斷，啟動(dòng)數據轉存子程序，從而將固態(tài)硬盤(pán)中的數據按頁(yè)讀出，并通過(guò)串口傳送給PC。
數據采集與存儲模塊主要負責采樣和硬盤(pán)K9F2808的讀寫(xiě)。采樣頻率為每秒12次，由MCU內部定時(shí)器中斷啟動(dòng)。
短消息發(fā)送模塊主要負責用戶(hù)數據區編碼以及告警短消息的發(fā)送。本設計中，MCU與TC35i終端的通信速率設定為19200bps，使用AT指令集進(jìn)行通信。AT指令是基于字符的命令結構，有TEXT模式和PDU模式，還有早期使用的BLOCK模式。其中，PDU模式在GSM移動(dòng)設備中使用最為普遍。本設計也是采用的該模式。
在PC機軟件設計中，串口通信模塊負責PC機與下位機之間數據的收發(fā)，而主界面和數據庫的設計是為了更好的實(shí)現對系統的遠程監測功能。

結語(yǔ)
本設計實(shí)現了基于S3C44B0X的遠程監測系統。實(shí)驗表明，該系統實(shí)時(shí)性好、性能可靠、實(shí)用性強。此外，由于短消息業(yè)務(wù)具有永遠在線(xiàn)、不需撥號、價(jià)格便宜、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，所以該系統還特別適用于一些通信數據量較小的應用?！?/P>