智能電網(wǎng)設備網(wǎng)絡通信性能的便攜式測試裝置研究

引 言

智能電網(wǎng)通過電力設備和測量技術實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經濟、高效使用與電能資源的高度智能化調度 [1-2]。由于智能電網(wǎng)的運行需要接入電力系統(tǒng)的設備間進行信息共享，因此接入電力系統(tǒng)的設備需要具備良好的網(wǎng)絡通信性能。在變電站對接入電力系統(tǒng)的電力設備網(wǎng)絡進行性能測試是變電站運行過程中必須面對的問題。

針對電力設備網(wǎng)絡性能的測試問題，目前許多專家和學者做了諸多研究工作。早期的性能測試方法主要建立在操作人員通過電話進行交流測試的基礎上，在網(wǎng)絡通信信息大幅增長的發(fā)展現(xiàn)狀下，這種人工測試方法無法滿足測試需求。文獻 [3] 通過 LabVIEW 軟件構建了自動測試系統(tǒng)，文獻 [4] 通過計算機建立了基于計算機的報文分析系統(tǒng)。上述兩種測試方法需要建立在計算機基礎上，在使用過程中無法實現(xiàn)便攜式移動。文獻 [5] 給出了基于 FPGA 的報文分析設計方法，文獻 [6-7] 給出了基于單片機的電力系統(tǒng)接入設備的網(wǎng)絡通信性能測試方法?；?FPGA 和單片機的設計方法雖然可以將測試設備設計成便攜式，但這兩種設計方法在實現(xiàn)過程中，網(wǎng)絡通信、顯示數(shù)據(jù)、命令發(fā)送所對應的軟件設計和硬件設計過程較為復雜，所建立的人機接口亦復雜，且操作不便。

集成電路制造技術的發(fā)展，使得片上系統(tǒng)得到快速推廣?；?ARM 公司生產的擁有 ARM 內核的嵌入式處理器具有豐富的片內外設資源，可為便攜式系統(tǒng)的設計提供優(yōu)質的硬件平臺。同時，嵌入式實時操作系統(tǒng)在嵌入式處理器上的應用，使得軟件移植極為方便，極大地簡化了應用系統(tǒng)程序開發(fā)的復雜性，提高了系統(tǒng)設計的效率?；诓僮飨到y(tǒng)的嵌入式處理器為智能電網(wǎng)中的電力網(wǎng)絡設備自動化性能測試裝置的設計提供了新的思路。本文基于嵌入式處理器的硬件資源， 以及嵌入式實時操作系統(tǒng)的優(yōu)點，設計了一種智能電網(wǎng)設備網(wǎng)絡通信性能的便攜式測試裝置。

1 硬件設計方案

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

嵌入式 CPU 采用韓國三星公司設計的精簡指令集— 嵌入式處理器 S3C2440，系統(tǒng)時鐘設置為 400 MHz。片上資源如下。

（1）1.2 V 內核供電，1.8 V/2.5 V/3.3 V 儲存器供電，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 個通用 I/O 口。

（6）具有 PLL 片上時鐘發(fā)生器。

網(wǎng)絡接口模塊的核心為 DM9000 芯片。該芯片是一個集成的以太網(wǎng) MAC 控制器，網(wǎng)路接口模塊的具體設計如圖 1 所示。外部網(wǎng)絡設備通過網(wǎng)線，借助RJ 45 接口建立網(wǎng)絡連接。HR1102 是網(wǎng)絡通信隔離器，在通信過程中，對處理器進行保護。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， 觸摸功能主要通過檢測 LCD 屏電阻薄膜上兩種導電層是否接觸來判斷觸摸位置。觸摸功能對應的信號線與 S3C2440 的內置觸摸屏控制接口信號線連接。LCD 的功能通過 S3C2440 的內置 LCD 控制接口實現(xiàn)。在硬件設計過程中，相應的數(shù)據(jù)線和控制線需要對應連接。

圖 1 網(wǎng)絡接口模塊設計原理

電源變換模塊的主要功能是提供系統(tǒng)工作所需的電壓， 具體設計如圖 2 所示。為了實現(xiàn)系統(tǒng)所需電源的輸出，采用二次變換設計，首先通過 220 V 轉 5 V 電壓模塊將輸入的市電轉換成 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 轉換成系統(tǒng)所需的 3.3 V，2.5 V，1.2 V 電壓信號。

2 軟件設計方案

在上述所設計的硬件平臺基礎上，軟件開發(fā)使用嵌入式操作系統(tǒng) WinCE 6.0 實現(xiàn)。WinCE 6.0 是微軟公司開發(fā)的窗口嵌入式實時操作系統(tǒng)，具有如下特點 ：

（1）提供豐富的驅動程序，方便地完成嵌入式系統(tǒng)應用程序的開發(fā) ；

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

（3）具有強大的網(wǎng)絡通信接口，方便與其他設備完成網(wǎng)絡通信程序的編寫 ；

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

（5）所編寫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計較為方便，具有良好的人機接口。

軟件功能主要通過按鈕和對話框的設計模式實現(xiàn)。通過觸摸屏點擊按鈕和對話框，可以實現(xiàn)相應的控制信息設置和發(fā)送命令設置。接收到的信息通過對話框顯示，使操作人員方便分析所接入設備的網(wǎng)絡通信性能。

所設計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 外設資源以及外部資源的配置，包括存儲空間的分配、觸摸屏的初始化、中斷設置、所用變量的初始化。

（2）IP 地址設置。在網(wǎng)絡通信過程中，參與通信的雙方需進行 IP 地址設置，以便進行點對點通信。

（3）數(shù)據(jù)發(fā)送功能。發(fā)送的信息需通過觸摸屏設置，設置完成后，通過點擊發(fā)送按鈕發(fā)送信息。數(shù)據(jù)發(fā)送后，會在相應的對話框顯示。

（4）數(shù)據(jù)接收功能。接收到的數(shù)據(jù)經過解析后，會在相應的對話框中顯示。

（5）數(shù)據(jù)保存功能。通過點擊按鈕，相應對話框中顯示的數(shù)據(jù)將以 txt 文件的方式存放到存儲器中。

3 實物裝置

依據(jù)上述設計方案，所設計的實物裝置機械尺寸如圖 3所示。整體結構采用鋁型材加工，正面只有 1 個觸摸屏安裝空間。裝置對外的接口如圖 4 所示。其中，網(wǎng)絡接口用于硬件裝置與電力系統(tǒng)設備的網(wǎng)線連接，即網(wǎng)線插口 ；輸入電源用于為裝置供電，帶有電源開關。

4 結 語

結合電力系統(tǒng)接入的網(wǎng)絡設備通信性能測試，本文建立了一種便攜式測試裝置設計方法。硬件以基于 ARM920T 內核的嵌入式處理器為基礎進行設計，軟件基于 WinCE 6.0 嵌入式實時操作系統(tǒng)開發(fā)，通過觸摸屏建立良好的人機接口。該裝置能夠為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡設備通信性能的自動測試提供較好的平臺。