基于嵌入式LINUX的電能量數據采集終端的開(kāi)發(fā)
1 引言
隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和大規模集成電路的高速發(fā)展,動(dòng)態(tài)信號分析系統出現了向著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展的趨勢。以計算機技術(shù)、芯片技術(shù)和以軟件為核心的嵌入式系統(Embedded System)再度成為當前研究和應用的熱點(diǎn)。相對于通用計算機系統,嵌入式系統最大的特點(diǎn)是目的性和針對性強,即每一套嵌入式系統的開(kāi)發(fā)設計都有其特殊的應用場(chǎng)合和特定功能,且通常具有實(shí)時(shí)性高、功耗低、體積小、集成度高、成本低等特點(diǎn)。
遠程電能量數據采集終端(ERTU)在電能量計費系統中是介于計量主站與費率裝置(電能表)之間的中間設備,主要完成電能量數據采集、處理、存儲及轉發(fā)等功能。嵌入式技術(shù)在電力系統中的應用有著(zhù)悠久的歷史,早在幾年前國內就已經(jīng)開(kāi)始引進(jìn)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(Real Time Operation System-RTOS)為核心的電網(wǎng)監控系統。隨著(zhù)近年來(lái)電力系統自動(dòng)化程度的不斷提高及嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展,嵌入式技術(shù)越來(lái)越廣泛應用于數據采集、狀態(tài)監控、自動(dòng)裝置、微機保護、集散控制等各個(gè)領(lǐng)域,其中電能計量系統由于其自身的用電用戶(hù)分散性和管理網(wǎng)絡(luò )化的需要,應用嵌入式技術(shù)將大大提高系統性能。
2 嵌入式電能量采集系統概述
電能量采集系統作為電力營(yíng)銷(xiāo)和未來(lái)電網(wǎng)商業(yè)化運營(yíng)的技術(shù)支持有著(zhù)廣闊的應用前景。系統主要由主站端計算機系統、廠(chǎng)站端電量采集器、多功能電子式電量表和信息通信網(wǎng)絡(luò )四部分組成,涉及到電子、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò )、電力系統等多方面的專(zhuān)業(yè)知識。
隨著(zhù)電力市場(chǎng)的建立和信息技術(shù)的發(fā)展,電能量采集系統的發(fā)展出現了新的特點(diǎn):(1)網(wǎng)絡(luò )化程度更高,遠程電能數據采集終端(ERTU)除了具備多種接口和內置Modem,還應具有網(wǎng)絡(luò )功能,具有網(wǎng)絡(luò )接口,遵從TCP/IP標準協(xié)議;數據傳輸安全可靠,具備面向用戶(hù)的信息查詢(xún)功能以及輔助信息發(fā)布功能;(2)電能表自動(dòng)抄表ARM(Automatic Reading Meter)是供電部門(mén)將安裝在用戶(hù)處的電能表所記錄的用電量,通過(guò)遙測、傳輸和計算機系統匯總到營(yíng)業(yè)部門(mén),代替人工抄表及一系列后續工作。
ARM的實(shí)現將克服人工抄表費時(shí)、費力、容易出錯及入戶(hù)抄表的困難,有利于提高配電自動(dòng)化水平;(3)在遠程電能數據采集終端(ERTU)采用嵌入式CPU和嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)RTOS構成完整的嵌入式系統,在RTOS的基礎上結合嵌入式Web服務(wù)器技術(shù),可實(shí)現實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的交互查詢(xún)功能,為用電管理人員的決策分析提供了強有力的支持。ERTU采用定時(shí)或者實(shí)時(shí)啟動(dòng)抄表任務(wù),通過(guò)RS-485總線(xiàn)讀取智能電能表內的電量信息和事件信息,支持標準的RS-485串口數據輸出。每一個(gè)ERTU裝置都可以接多路RS-485總線(xiàn),這樣就可以同時(shí)采集多路的電表信息。根據以上所述電能量采集系統的發(fā)展,在系統的研究中開(kāi)發(fā)出了一種新型的電能量采集終端,其硬件采用流行的PC104為主的CPU,可保證高速和高可靠性運行,總線(xiàn)式設計,可較為方便的對接口進(jìn)行擴充,以電子盤(pán)為存儲介質(zhì),可確保掉電后數據的不丟失;其控制平臺采用實(shí)時(shí)嵌入式LINUX操作系統,多進(jìn)程/線(xiàn)程設計,各程序模塊并發(fā)運行,可極大地提高系統效率。各電能量計量點(diǎn)對應的智能電表對電能量進(jìn)行測量,數據采集系統對電能表進(jìn)行巡回采集并存儲下來(lái),通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)方式即移動(dòng)公司的GPRS網(wǎng)絡(luò )將采集的數據傳輸到主站系統,通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )與控制中心進(jìn)行遠程通信。數據采集系統在設計上采用功能模塊插件式結構,主要由接口模塊、RS-485采集模塊、主控模塊、遠程通信模塊(Modem)等組成,各模塊之間通過(guò)主控模塊進(jìn)行連接和管理。采集裝置采用定時(shí)啟動(dòng)抄表任務(wù)的方式,也可使用遠程控制方式,通過(guò)RS-485總線(xiàn)讀取智能型電表內存儲的電能量信息,分時(shí)段存儲在采集裝置內的事件信息。數據采集系統具有對不同電能表規約轉換的能力,針對不同的電能表,編寫(xiě)相應的采集程序,建立了一個(gè)程序庫。
3 嵌入式電能量采集系統的主要功能
開(kāi)發(fā)的新型電能量采集系統集數據抄收、存儲、處理、無(wú)線(xiàn)上傳等功能于一身,系統可采集32/64路脈沖輸入信號,脈沖掃描周期為10ms,采樣分辨率不小于40ms,具有硬件濾波,同時(shí)軟件根據電能表類(lèi)型和脈寬進(jìn)行濾波處理。利用電能量采集系統提供4路RS-485接口,每個(gè)RS-485接口可接入32只多功能電子式電能表,還可以擴展。抄收間隔由主站遠方設定,也可在采集系統方設定,每個(gè)從電能表讀取的數據加入時(shí)間信息存儲為帶有時(shí)標的數據,電量采集系統的時(shí)間信息是通過(guò)系統中的GPS模塊進(jìn)行精確授時(shí),采集系統通過(guò)GPS時(shí)鐘完成校時(shí)并可以對多功能電子式電能表進(jìn)行廣播方式的校時(shí),該嵌入式電能量采集系統既可以同脈沖式與脈沖式電表終端通信,也可以同數字接口全電子式電能表終端通信,同時(shí)提供了一個(gè)GPRS接口,支持TCP/IP協(xié)議,通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )上傳給主站服務(wù)器。系統的功能結構圖如圖1所示。
4 系統實(shí)現
4.1數據采集單元的硬件結構
系統的硬件核心用標準PC104“夾層總線(xiàn)”方式和嵌入式操作系統提供應用程序的運行平臺,提高軟硬件設計的標準化程度和系統的復用性,微處理器采用了Intel486處理器平臺,其速度為100MHz,且可用程序改變;它包含一個(gè)以太網(wǎng)接口,支持TCP/IP協(xié)議,存儲器分為兩部分:512kB的FLASH EPROM(用于運行程序及各個(gè)中間變量的存放);一塊64MB的Disk On Chip的電子盤(pán)(用于存放抄收的電能量數據,最多可擴展到1G)。帶有PC104接口的4通道多串口卡,用多串口擴展出8個(gè)串口用以連接本地電能表,系統還采用了以下用戶(hù)接口設備:一塊兼容標準液晶顯示接口的單色液晶顯示屏,顯示分辨率320×240;用PC-AT鍵盤(pán)接口連接的輸入鍵盤(pán),用作用戶(hù)輸入設備。
由上可見(jiàn),主要PC外圍設備都被集中到了一塊體積比較小的主板上,這其中包括:CPU、內存、總線(xiàn)控制器、標準串行通信口、標準并行通信口、標準IDE磁盤(pán)驅動(dòng)器接口、標準VGA驅動(dòng)芯片、液晶顯示接口、鼠標/鍵盤(pán)接口、Watchdog監控芯片。用一塊主板加上電源、顯示和存儲設備,組成了一套功能強大,結構緊湊的工業(yè)級的PC。
4.2系統校時(shí)模塊
數據采集單元的時(shí)間是通過(guò)GPS標準模塊輸出的同步時(shí)間信號校定,GPS模塊通過(guò)RS-232接口與數據采集單元通信,從電能表采集到的電能數據加上時(shí)間信息,存儲到電子盤(pán)中,然后上傳給主站帶時(shí)標的電能數據。
4.3系統GPRS模塊
GPRS是一種移動(dòng)數據通信業(yè)務(wù),在用戶(hù)和數據網(wǎng)絡(luò )之間提供一種連接,給用戶(hù)提供端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接。電能量采集系統采集完的數據通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )上傳給主站計算機,主站端的GPRS的Modem接收發(fā)送過(guò)來(lái)的數據。
如圖2所示電能量數據采集部分的硬件結構圖。
4.4數據采集單元的軟件設計
嵌入式LINUX系統是以核心為基礎的、完全內存保護、支持多任務(wù)多進(jìn)程,支持廣泛硬件,包括X86、ARM、NEC、MOTOROLA等現有大部分芯片,且價(jià)格低廉,開(kāi)發(fā)資料豐富,可定制內核。Linux程序源碼全部公開(kāi),包括系統內核,任何人可以修改并在(GNU General Public License)下發(fā)行,這樣開(kāi)發(fā)人員可以對操作系統進(jìn)行定制和修改。
根據開(kāi)發(fā)的嵌入式電能數據采集系統所完成的功能,軟件設計分為5個(gè)模塊:上行通信、下行通信、核心處理、用戶(hù)接口、系統服務(wù)。電能量采集系統的設備驅動(dòng)以模塊化方式被動(dòng)態(tài)的擴展到Linux內核中,驅動(dòng)模塊包括對時(shí)鐘芯片、串口控制器、液晶顯示器以及外圍設備的驅動(dòng),同時(shí)還包括對PC104自帶的標準網(wǎng)絡(luò )口、標準RS-232串行口及標準104鍵盤(pán)接口等的驅動(dòng),Linux系統在安裝時(shí)就自動(dòng)完成了對PC104標準設備的驅動(dòng),采集終端所需要的擴展串口板等外圍設備的驅動(dòng)納入到Linux內核中。
系統軟件總體結構如圖3所示。
5 結論
針對計算機技術(shù)和數據采集技術(shù)發(fā)展現狀,研究并開(kāi)發(fā)出一個(gè)新型的基于嵌入式網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的電能量采集系統,該系統以高速發(fā)展的嵌入式網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為核心進(jìn)行設計,把無(wú)線(xiàn)互連技術(shù)和嵌入式Linux結合起來(lái),可以真正為用戶(hù)提供一個(gè)無(wú)線(xiàn)互連平臺,使得采集完的電能數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )準確無(wú)誤的上傳給主站系統,利用采集系統中GPS模塊的授時(shí)可保證采集電能數據時(shí)間的確定性。
現開(kāi)發(fā)出這一基于嵌入式Linux操作系統的新型電能量采集系統具有很好的實(shí)時(shí)性、可靠性和可擴展性,性能價(jià)格比高,能夠滿(mǎn)足電力市場(chǎng)對電能采集和傳輸可靠性高、速度快、維護方便、穩定性及擴展性的需求。
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