智能電網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信性能的便攜式測(cè)試裝置研究

引 言

智能電網(wǎng)通過(guò)電力設(shè)備和測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效使用與電能資源的高度智能化調(diào)度 [1-2]。由于智能電網(wǎng)的運(yùn)行需要接入電力系統(tǒng)的設(shè)備間進(jìn)行信息共享，因此接入電力系統(tǒng)的設(shè)備需要具備良好的網(wǎng)絡(luò)通信性能。在變電站對(duì)接入電力系統(tǒng)的電力設(shè)備網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能測(cè)試是變電站運(yùn)行過(guò)程中必須面對(duì)的問(wèn)題。

針對(duì)電力設(shè)備網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)試問(wèn)題，目前許多專家和學(xué)者做了諸多研究工作。早期的性能測(cè)試方法主要建立在操作人員通過(guò)電話進(jìn)行交流測(cè)試的基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)通信信息大幅增長(zhǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀下，這種人工測(cè)試方法無(wú)法滿足測(cè)試需求。文獻(xiàn) [3] 通過(guò) LabVIEW 軟件構(gòu)建了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，文獻(xiàn) [4] 通過(guò)計(jì)算機(jī)建立了基于計(jì)算機(jī)的報(bào)文分析系統(tǒng)。上述兩種測(cè)試方法需要建立在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上，在使用過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)便攜式移動(dòng)。文獻(xiàn) [5] 給出了基于 FPGA 的報(bào)文分析設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn) [6-7] 給出了基于單片機(jī)的電力系統(tǒng)接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信性能測(cè)試方法?；?FPGA 和單片機(jī)的設(shè)計(jì)方法雖然可以將測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)成便攜式，但這兩種設(shè)計(jì)方法在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)通信、顯示數(shù)據(jù)、命令發(fā)送所對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜，所建立的人機(jī)接口亦復(fù)雜，且操作不便。

集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，使得片上系統(tǒng)得到快速推廣?；?ARM 公司生產(chǎn)的擁有 ARM 內(nèi)核的嵌入式處理器具有豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，可為便攜式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供優(yōu)質(zhì)的硬件平臺(tái)。同時(shí)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在嵌入式處理器上的應(yīng)用，使得軟件移植極為方便，極大地簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。基于操作系統(tǒng)的嵌入式處理器為智能電網(wǎng)中的電力網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自動(dòng)化性能測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)提供了新的思路。本文基于嵌入式處理器的硬件資源， 以及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種智能電網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信性能的便攜式測(cè)試裝置。

1 硬件設(shè)計(jì)方案

所建立的系統(tǒng)主要包括嵌入式 CPU、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、觸摸屏、電源變換模塊等。

嵌入式 CPU 采用韓國(guó)三星公司設(shè)計(jì)的精簡(jiǎn)指令集— 嵌入式處理器 S3C2440，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為 400 MHz。片上資源如下。

（1）1.2 V 內(nèi)核供電，1.8 V/2.5 V/3.3 V 儲(chǔ)存器供電，3.3 V外部 I/O 供電。

（2）具備 16 KB 指令緩存和 16 KB 數(shù)據(jù)緩存。

（3）LCD 控制器（ 最大支持 4K 色 STN 和 256K 色TFT），提供 1 通道 LCD 專用 DMA。

（4）觸摸屏接口。

（5）130 個(gè)通用 I/O 口。

（6）具有 PLL 片上時(shí)鐘發(fā)生器。

網(wǎng)絡(luò)接口模塊的核心為 DM9000 芯片。該芯片是一個(gè)集成的以太網(wǎng) MAC 控制器，網(wǎng)路接口模塊的具體設(shè)計(jì)如圖 1 所示。外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)線，借助RJ 45 接口建立網(wǎng)絡(luò)連接。HR1102 是網(wǎng)絡(luò)通信隔離器，在通信過(guò)程中，對(duì)處理器進(jìn)行保護(hù)。DM9000 的工作受 S3C2440 的控制，其 8 位數(shù)據(jù)總線可直接與 S3C2440 的 GPIO 端口相連。

系統(tǒng)采用電阻觸摸屏，該觸摸屏是系統(tǒng)輸入和輸出的人機(jī)接口。電阻觸摸屏含有觸摸輸入功能和 LCD 顯示功能， 觸摸功能主要通過(guò)檢測(cè) LCD 屏電阻薄膜上兩種導(dǎo)電層是否接觸來(lái)判斷觸摸位置。觸摸功能對(duì)應(yīng)的信號(hào)線與 S3C2440 的內(nèi)置觸摸屏控制接口信號(hào)線連接。LCD 的功能通過(guò) S3C2440 的內(nèi)置 LCD 控制接口實(shí)現(xiàn)。在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，相應(yīng)的數(shù)據(jù)線和控制線需要對(duì)應(yīng)連接。

圖 1 網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計(jì)原理

電源變換模塊的主要功能是提供系統(tǒng)工作所需的電壓， 具體設(shè)計(jì)如圖 2 所示。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需電源的輸出，采用二次變換設(shè)計(jì)，首先通過(guò) 220 V 轉(zhuǎn) 5 V 電壓模塊將輸入的市電轉(zhuǎn)換成 5 V 直流電壓，然后分別采用電源變換芯片AMS1117-3.3，AMS1117-2.5，AMS1117-1.2 轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的 3.3 V，2.5 V，1.2 V 電壓信號(hào)。

2 軟件設(shè)計(jì)方案

在上述所設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，軟件開(kāi)發(fā)使用嵌入式操作系統(tǒng) WinCE 6.0 實(shí)現(xiàn)。WinCE 6.0 是微軟公司開(kāi)發(fā)的窗口嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn) ：

（1）提供豐富的驅(qū)動(dòng)程序，方便地完成嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā) ；

（2）采用 IDE 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，方便配置嵌入式系統(tǒng) ；

（3）具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信接口，方便與其他設(shè)備完成網(wǎng)絡(luò)通信程序的編寫(xiě) ；

（4）與 Windows 操作系統(tǒng)具有較好的兼容性，為開(kāi)發(fā)人員提供便利 ；

（5）所編寫(xiě)的程序基于窗口操作，方便操作人員操作 ；

（6）用戶界面的圖形化設(shè)計(jì)較為方便，具有良好的人機(jī)接口。

軟件功能主要通過(guò)按鈕和對(duì)話框的設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)。通過(guò)觸摸屏點(diǎn)擊按鈕和對(duì)話框，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制信息設(shè)置和發(fā)送命令設(shè)置。接收到的信息通過(guò)對(duì)話框顯示，使操作人員方便分析所接入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信性能。

所設(shè)計(jì)軟件的具體功能如下。

（1）系統(tǒng)初始化。主要完成嵌入式處理器 S3C2440 外設(shè)資源以及外部資源的配置，包括存儲(chǔ)空間的分配、觸摸屏的初始化、中斷設(shè)置、所用變量的初始化。

（2）IP 地址設(shè)置。在網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中，參與通信的雙方需進(jìn)行 IP 地址設(shè)置，以便進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

（3）數(shù)據(jù)發(fā)送功能。發(fā)送的信息需通過(guò)觸摸屏設(shè)置，設(shè)置完成后，通過(guò)點(diǎn)擊發(fā)送按鈕發(fā)送信息。數(shù)據(jù)發(fā)送后，會(huì)在相應(yīng)的對(duì)話框顯示。

（4）數(shù)據(jù)接收功能。接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解析后，會(huì)在相應(yīng)的對(duì)話框中顯示。

（5）數(shù)據(jù)保存功能。通過(guò)點(diǎn)擊按鈕，相應(yīng)對(duì)話框中顯示的數(shù)據(jù)將以 txt 文件的方式存放到存儲(chǔ)器中。

3 實(shí)物裝置

依據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，所設(shè)計(jì)的實(shí)物裝置機(jī)械尺寸如圖 3所示。整體結(jié)構(gòu)采用鋁型材加工，正面只有 1 個(gè)觸摸屏安裝空間。裝置對(duì)外的接口如圖 4 所示。其中，網(wǎng)絡(luò)接口用于硬件裝置與電力系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)線連接，即網(wǎng)線插口 ；輸入電源用于為裝置供電，帶有電源開(kāi)關(guān)。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合電力系統(tǒng)接入的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信性能測(cè)試，本文建立了一種便攜式測(cè)試裝置設(shè)計(jì)方法。硬件以基于 ARM920T 內(nèi)核的嵌入式處理器為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件基于 WinCE 6.0 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，通過(guò)觸摸屏建立良好的人機(jī)接口。該裝置能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信性能的自動(dòng)測(cè)試提供較好的平臺(tái)。