基于A(yíng)RM9和嵌入式Linux的電力負荷終端系統設計

隨著(zhù)客戶(hù)對電能質(zhì)量要求的逐步提高，傳統的電力網(wǎng)絡(luò )難以滿(mǎn)足發(fā)展要求。為此，提出發(fā)展“全覆蓋、全采集、全預付費”智能電網(wǎng)的設想，以實(shí)現傳統電網(wǎng)的升級。電力用戶(hù)用電信息采集系統——智能電網(wǎng)管理終端，是一種集計算機、通信、用電及計量技術(shù)于一體的智能抄表設備，它具有抄收速度快、計算精度高、抄表實(shí)時(shí)性好、集成度高、可靠性好、結構簡(jiǎn)潔、安裝使用方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，可直接與營(yíng)業(yè)計算機聯(lián)網(wǎng)，對電力用戶(hù)進(jìn)行數據采集計算及控制管理。電能計量自動(dòng)抄表系統實(shí)現了從電能數據采集、傳輸到處理的自動(dòng)化，采用自動(dòng)抄表可以緩解抄表人員的勞動(dòng)強度，降低人為因素造成的抄表誤差，并能迅速統計低壓時(shí)線(xiàn)損，降低用電成本，同時(shí)對加強用電管理，防止國家電力資源流失，對推進(jìn)電能管理現代化具有積極意義。

1 系統組成及工作原理

基于GPRS的負荷控制管理系統，以公共GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )為載體，輔以現場(chǎng)RS485總線(xiàn)等通訊方式，將變電站、大用戶(hù)、公用配變、居民戶(hù)等為主要控制管理對象，實(shí)現從變電站到供電線(xiàn)路再到電力用戶(hù)的綜合供用電監測、控制和管理。其工作流程如圖1所示。

1.1 電力負荷管理終端系統組成

終端主要由5部分組成：電源單元、處理單元、通信單元和GPRS單元，其系統組成原理框圖如圖2所示。

1.2 系統設計方案

采用美國Atmel公司生產(chǎn)的AT91SAM9260CUARM9 CPU芯片為核心硬件架構搭建系統硬件電路。

傳統的低端嵌入式單片機或多片單片機聯(lián)合控制(MCU)作為核心控制器件，實(shí)現對智能化、多任務(wù)的管理終端控制已不能滿(mǎn)足需要。特別在實(shí)現數據上傳、電表數據抄錄、GPRS通信控制、485通信控制、負載控制、大規模數據存儲等多任務(wù)并行方面，傳統的單片機已不適用。原因是：(1)采用低端嵌入式單片機ARM7為采集終端的核心控制器件，可以實(shí)現程序的實(shí)時(shí)性，但其資源相對有限，在數據存儲和管理、實(shí)現USB控制和以太網(wǎng)控制等方面不理想。(2)采用多片單片機聯(lián)合形式實(shí)現如上要求的控制，其性能比采用低端嵌入式計算機ARM7還差，僅將多個(gè)任務(wù)分解，每單個(gè)任務(wù)由相應的一塊單片機完成，這給每塊單片機間的協(xié)調性帶來(lái)壓力，處理不好時(shí)程序運行很不穩定，難以實(shí)現程序的實(shí)時(shí)性。

ARM9系列微處理器在高性能和低功耗方面提供最佳性能。具有以下特點(diǎn)：(1)5級整數流水線(xiàn)，指令執行效率更高。(2)提供1.1MIPS/M Hz 的哈弗結構。(3)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。(4)支持32位的高速AMBA總線(xiàn)接口。(5)全性能的MMU，支持WindowsCE、Lin ux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統。(6)MPU支持實(shí)時(shí)操作系統。(7)支持數據Csche，具有更高的指令和數據處理能力。

采用美國Enfora公司的ENFORA0306-GPRS模塊作為數據上傳核心部件，完成主站軟件的各項操作。與傳統通信方式相比，基于GPRS的無(wú)線(xiàn)數據傳輸有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)成本低廉。(2)建設工程周期短。(3)適應性強。(4)擴展性好。(5)設備維護方便。采用與GSM同樣的無(wú)線(xiàn)調制標準、同樣的頻帶以及同樣的TDMA(時(shí)分多址)幀結構。因此，現有的基站子系統(BSS)可以提供全面的GPRS覆蓋。GPRS引入的分組交換傳輸模式，使原來(lái)采用電路交換模式的GSM傳輸數據方式發(fā)生了根本變化，這在無(wú)線(xiàn)資源稀缺的情況下顯得尤為重要。按電路交換模式而言，在整個(gè)連接期內，用戶(hù)無(wú)論是否傳送數據都將獨占無(wú)線(xiàn)信道。而對分組交換模式，用戶(hù)只有在發(fā)送或接收期內才占用資源，這意味著(zhù)多個(gè)用戶(hù)可以高效共享同一無(wú)線(xiàn)信道，提高了資源利用率。GPRS用戶(hù)計費以通信的數據量為主要依據，其連接時(shí)間可能長(cháng)達數小時(shí)，卻只需支付相對低廉的連接費用，從而提供一種高效、低成本的無(wú)線(xiàn)分組數據業(yè)務(wù)。因此這種數據傳輸方式特別適用于簡(jiǎn)短的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾大量的數據傳輸方式。

采用RS485實(shí)現電表的數據抄錄、電表的用電信息、實(shí)時(shí)監測電表的瞬時(shí)參數以及校時(shí)、結算日設置功能等。RS-485支持一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，允許在電路中有多個(gè)發(fā)送器，且允許一個(gè)發(fā)送器驅動(dòng)多個(gè)負載設備，負載設備可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器的組合單元便于組網(wǎng);通信距離能夠滿(mǎn)足系統的設計要求。所以系統選擇半雙工的RS-485通信標準。終端機與集中器之間通過(guò)RS-485總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，采集器通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)采集用戶(hù)各種遠傳能耗基表的信息，并進(jìn)行換算和存儲;采集器對電量的采集可以直接通過(guò)電表上的RS-485接口接收用戶(hù)的電量信息，也可以通過(guò)采集器上的紅外接口，利用專(zhuān)用的紅外抄表器對采集器進(jìn)行各種能耗信息的讀取。

軟件環(huán)境采用2.6.20版本的嵌入式Linux操作系統，為系統應用軟件提供良好的運行空間。Linux2.6內核中，引入很多有利于嵌入式應用的功能。這些新功能包括實(shí)時(shí)性能的增強、方便的移植性、支持高檔電源管理和I/O系統的改進(jìn)等。這些改進(jìn)使2.6的性能在對比2.4內核有著(zhù)相當大的優(yōu)勢，尤其是對嵌入式設備而言，無(wú)論從運行效率還是設備管理都有較大提升，能更好地處理多任務(wù)滿(mǎn)足終端的控制要求。

智能電網(wǎng)管理終端從硬件和軟件兩方面做防干擾可靠性設計，在保證功能的同時(shí)，盡可能地降低終端的故障率。