PPC 405EP在電力監測系統中的應用

1 引言

目前，作為監測系統核心器件的微處理器一般采用高性能單片機、數字信號處理器(DSP)等提高系統的處理速度。但是，隨著(zhù)電力系統監測趨于多功能、智能化、可視化的發(fā)展。上述單一的器件已不能完全滿(mǎn)足要求。本文介紹了一種新型嵌入式微處理器PPC 405EP以及基于PPC 405EP的電力監測系統，能夠滿(mǎn)足高實(shí)時(shí)性、良好的人機交互和多種通信方式要求。

2 PPC 405EP微處理器

20世紀90年代，IBM和Motorola以及Apple公司共同開(kāi)發(fā)了32位/64位PowerPC系列微處理器，主要應用于PC、網(wǎng)絡(luò )通訊、工業(yè)控制領(lǐng)域。PowerPC靈活的體系結構可實(shí)現多種專(zhuān)用系統。PPC405EP是IBM/AMCC公司高性能嵌入式32位RISC，運算速度高達333 MI/s，內部集成微處理器的常用外圍組件，特別適用于工業(yè)控制領(lǐng)域，為實(shí)現低成本系統，提供了高性?xún)r(jià)比。PPC 405EP的主要特點(diǎn)為：16 KB數據Cache，16 KB指令Cache，寫(xiě)緩沖區;虛擬內存管理單元MMU;2個(gè)10/100 Mb/s以太網(wǎng)控制器;SDRAM控制器;2個(gè)UART;外圍接口總線(xiàn)，直接

支持8位、16位SRAM和外圍其他設備;可編程中斷控制器，支持7個(gè)外部和19個(gè)內部的邊沿或電平觸發(fā)中斷：PCI V2.2接口標準模塊;DMA控制模塊，可對8位、16位、32位的數據進(jìn)行操作;I2C系統總線(xiàn)模塊;通用可編程I/O口(GPIO);可編程定時(shí)/計數器：支持JTAG板級測試。

3 在線(xiàn)監測系統的設計

被監測設備傳輸的電壓電流信號經(jīng)電流電壓互感器變換后.再經(jīng)信號調理電路放大、濾波，送入數據采集板。采集板內的單片機控制A/D采樣或判斷開(kāi)關(guān)信號變化，完成各種數值運算，與預設的報警限定值作比較。如果在報警范圍內，申請占用CAN總線(xiàn)向嵌入式主模板發(fā)送數據，與此同時(shí)，嵌入式主模板監聽(tīng)綜自網(wǎng)絡(luò )中的報文，采用103/104協(xié)議解析獲得設備狀態(tài)等信息(例如：開(kāi)關(guān)狀態(tài))。嵌入式主模板把采集板傳輸的故障信息和故障發(fā)生時(shí)解析的報文存入CF卡同時(shí)以短信方式通知相關(guān)人員，人們可以通過(guò)監視器瀏覽、分析這些故障文件。其原理框圖如圖1所示。

3.1 數據采集及信號預處理模塊

考慮設備監測點(diǎn)較多，而且系統需要處理的任務(wù)種類(lèi)繁多，既有數據采樣、計算、監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )報文等周期性任務(wù)，又有通信、人機交互等隨機性事件。因此在硬件設計上，選用單片機完成數據采集、分析計算以減輕PPC 405EP的負擔。每塊采集板要完成8路4 mA～20 mA模擬信號采樣或者16路開(kāi)關(guān)量信號輸入，選用Philip公司的P89LV51RD2能很好滿(mǎn)足采集要求。

AD7939是ADI公司生產(chǎn)的8通道、低功耗(13.5 mW)模/數轉換器，其分辨率為12-bit，最高采樣頻率達1.5 MS/s。AD7939與單片機接口簡(jiǎn)單，不需其他外圍電路，大大簡(jiǎn)化電路設計。值得注意的是，AD7939具有數字電源與模擬電源，數字噪聲很容易干擾A/D轉換結果。為了提高抗干擾能力，數字電源由模擬電源經(jīng)過(guò)由22μF、0.1μF和電感組成的π型濾波器后產(chǎn)生，數字地與模擬地接電感濾波后連接在一起。

3.2 基于PPC 405EP的嵌入式主板

3.2.1 PCI電路

PCI總線(xiàn)是一種先進(jìn)的高性能32/64位地址數據復用局部總線(xiàn)。PPC 405EP處理器帶有PCI總線(xiàn)接口，支持PCI2.2規范，PCI總線(xiàn)頻率高達66 MHz。利用其PCI總線(xiàn)接口，設計了3個(gè)USB接口分別接鼠標、鍵盤(pán)、U盤(pán)，1個(gè)VGA接口用于顯示器，2個(gè)IDE接口用于接CF卡保存數據。選用Ali單片實(shí)現3個(gè)USB接口的PCI轉USB控制器。M5273、SMIPCI轉VGA控制器LynxEM+SM712和Silicon單片實(shí)現2個(gè)IDE接口的PCI轉IDE控制器SII0680A。直接掛在PPC 405EP的PCI總線(xiàn)上。

3.2.2 通信電路

根據PPC 405EP處理器的通信端口，設計了以太網(wǎng)、RS-485通信的外圍電路，其中以太網(wǎng)通信用于監聽(tīng)綜自網(wǎng)絡(luò )中報文，外圍器件選用LXT971ALC;RS-485通信用于與GSM模塊接口，根據預設的故障級別通過(guò)短信形式將越限故障信息發(fā)送到相關(guān)人員手機，通信收發(fā)器使用SN65HVD10。為了提高通信質(zhì)量，采用光電隔離器件ADuM1301隔離。選用獨立CAN通信控制器SJA1000實(shí)現CAN通信。因為SJA1000與PPC 405EP的讀寫(xiě)時(shí)序不完全兼容，必須對PPC 405EP的讀寫(xiě)時(shí)序進(jìn)行變換。主要包括地址數據復用總線(xiàn)、地址鎖存信號ALE、讀(RD)信號、寫(xiě)(WR)信號和片選信號(CS)的變頻。PPC 405EP器件的高8位數據線(xiàn)、讀(POE)、寫(xiě)(PWE)控制線(xiàn)、片選信號和低8位地址線(xiàn)都接入CPLD。在CPLD內部完成PPC 405EP的地址線(xiàn)、控制線(xiàn)組合的邏輯譯碼。VHDL代碼可實(shí)現符合SJA1000的讀寫(xiě)時(shí)序。以下為VHDL程序代碼。

另外，PPC 405EP為3.3 V器件，要與5 V的SJA1000無(wú)縫連接，還需用電平轉換器隔離。電平轉換器74KVXC3245加在CPLD與SJA1000之間。CAN通信的外圍電路如圖2所示。CAN通信收發(fā)器使用PCA82C250，同樣用ADuM1301隔離。系統中CPLD除了完成邏輯譯碼，還充當PPC 405EP的外部看門(mén)狗，在CPLD內部計數器溢出之前CPLD計數器清零。由于所需資源很少，CPLD采用Altara公司的EPM240即可滿(mǎn)足要求。

3.2.3 串行時(shí)鐘和E2PROM電路

I2C總線(xiàn)接口的時(shí)鐘器件和存儲器件分別選用PCF8563和AT24C02，它們掛接在PPC 405EP處理器的I2C總線(xiàn)上，如圖3所示。PCF8563是Philips公司生產(chǎn)的工業(yè)級實(shí)時(shí)時(shí)鐘，具有功耗低、精度高特點(diǎn)，使嵌入式系統的硬件主模板具有較長(cháng)的穩定時(shí)鐘信號。AT24C02是一個(gè)2 KB的串行E2PROM，用于存

放系統軟件在運行過(guò)程中所需的重要參數。如采樣頻率、故障報警等級等。

3.2.4 電源

電源是整個(gè)系統中的重要部分，系統的大多數不穩定因素或故障都是由于電源設計而造成的。本設計采用LT1765和MIC39150-1.8分別產(chǎn)生3.3 V和1.8 V電源。LT1765是Linear公司的3 A開(kāi)關(guān)電源，其典型電路如圖4所示。輸入電壓為3 V～25 V。輸出電壓則根據R1和R2(一般固定阻值為10 kΩ)的阻值而定，計算公式如下：

另外，PPC 405EP對上電及掉電的順序的要求：上電時(shí)要求先V核后VI/O，而掉電則要求按先VI/O后V核的順序，如果不滿(mǎn)足此順序，PPC 405EP的最小系統不能正常上電復位。這里采用12 V直流電壓同時(shí)輸入LT1765和MIC39150-1.8.滿(mǎn)足上面要求順序。

4 軟件實(shí)現

4.1 內核驅動(dòng)程序

Linux將每個(gè)設備看作一個(gè)文件，即可以像對待文件那樣使用read、write等系統實(shí)現讀寫(xiě)功能。首先在。PPC 405EP平臺的PPC Linux內核加入CAN、SII0680A等外設驅動(dòng)。以CAN驅動(dòng)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明Linux下驅動(dòng)的數據處理流程。

由于CAN一幀的數據長(cháng)度最大為8個(gè)字節，以模擬采集板為例，當8個(gè)測點(diǎn)同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，其通過(guò)CAN傳送給PPC 405EP的數據幀必然遠超過(guò)一幀數據，這時(shí)需要在驅動(dòng)中進(jìn)行解包、組幀等處理。因此，CAN驅動(dòng)中的數據處理流程就顯得相當重要。

其接收過(guò)程：當CAN控制器接收數據時(shí)，產(chǎn)生接收中斷，啟動(dòng)接收中斷處理程序上半部分將CAN控制器接收緩沖器中的內容復制到接收隊列而不作任何處理，解包和組幀將在中斷處理的下半部分完成，并將處理的幀放入幀隊列，最后用戶(hù)使用系統調用從接收幀隊列中讀取完整的一幀;發(fā)送過(guò)程：用戶(hù)進(jìn)程通過(guò)系統調用向驅動(dòng)程序傳送一幀任意長(cháng)度的數據，驅動(dòng)程序中發(fā)送數據的程序按照協(xié)議將該幀分段打包，放入發(fā)送隊列，并向CAN控制器請求發(fā)送。

4.2 應用程序

系統的應用軟件由運行在前臺的系統管理程序和運行于后臺的網(wǎng)絡(luò )監聽(tīng)、數據分析程序兩部分組成。這兩部分程序相互獨立，它們之間的交互是通過(guò)信號量和共享內存的方式實(shí)現。

系統管理程序基于Qt開(kāi)發(fā)。Qt是一個(gè)跨平臺的C++圖形用戶(hù)界面庫，支持Linux平臺。系統管理程序主要完成報警文件瀏覽、文件拷貝、采集參數管理、磁盤(pán)(CF卡)更換、報警參數管理等人機相互功能。因為Qt是基于C++的，而Linux是基于C，因此在Qt訪(fǎng)問(wèn)Linux下用戶(hù)的函數時(shí)，需在Qt中用關(guān)鍵字extern“C”聲明。

后臺程序為主要在嵌入式PPC Linux下開(kāi)發(fā)。本系統的任務(wù)劃分為：CAN通信、網(wǎng)絡(luò )監聽(tīng)及報文分析。線(xiàn)程之間的數據共享采用互斥鎖保護，以免陷入死鎖狀態(tài)。為了增強裝置通用性，關(guān)于測點(diǎn)設備的相關(guān)信息，根據現場(chǎng)實(shí)際需要事先寫(xiě)入XML文件中，當系統啟動(dòng)時(shí)先讀取該文件內容初始化監聽(tīng)、分析程序的配置。其工作流程圖如圖5所示。

5 結束語(yǔ)

PPC405EP處理器具有低功耗、低成本、高性能特點(diǎn)，本設計充分采用PPC 405EP的各種內置外圍組件接口，簡(jiǎn)化設計，降低成本。此監測裝置已運用于變電站的設備監測中，且運行效果良好。