ARM嵌入式系統(tǒng)在GIS在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘　要：為滿足IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及智能設(shè)備提出的互操作性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求，將32b處理器ARM (advanced RISC machine) 及嵌入式操作系統(tǒng)uClinux引入封閉式組合電器(GIS) 的在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。根據(jù)GIS在線監(jiān)測(cè)的需要，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信和CAN (controller area network) 總線通信的硬件電路及軟件。應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明：基于ARM 和uClinux 中TCP/IP 協(xié)議棧的以太網(wǎng)通信，可以實(shí)現(xiàn)GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的互操作性，并保證在通信功能上的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；以ARM 為核心的嵌入式系統(tǒng)硬件，可以保證監(jiān)測(cè)裝置的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)充性。故基于ARM 和uClinux 的GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以滿足IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)互操作性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求。 
關(guān)鍵詞： 斷路器；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；互操作性

        引言

        GIS (gas insulated switchgear) 是輸配電和變電領(lǐng)域有著廣泛和重要應(yīng)用的電力設(shè)備。GIS的封閉性結(jié)構(gòu)加大了運(yùn)行維護(hù)的難度，其故障隱患更難發(fā)現(xiàn)，可能造成的損失會(huì)更大。為了能夠?qū)崟r(shí)地、準(zhǔn)確地了解GIS 運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患，對(duì)GIS 實(shí)行在線監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

        為了規(guī)范電力行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展，國(guó)際電工委員會(huì)提出IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)，它針對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及智能設(shè)備提出了互操作性和穩(wěn)定性的要求?；ゲ僮餍允侵冈趦蓚€(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)之間可以直接、有效地共用數(shù)據(jù)和信息。另外，該體系還要求自動(dòng)化系統(tǒng)在通信功能上具備長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)適應(yīng)通信技術(shù)的快速發(fā)展。

        鑒于IEC61850 體系對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)提出的確要求，本文對(duì)國(guó)內(nèi)主要幾種變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通常采用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN (controller area network) 作為系統(tǒng)的主通信方式，裝置中多采用16 位單片機(jī)為核心。該模式在運(yùn)行中已顯示出局限性，例如CAN 作為主通信方式限制了本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行深層次的互操作; 其次，芯片對(duì)外接口相對(duì)單一，難以保證系統(tǒng)功能的自由配置，局部功能調(diào)整往往要影響到整個(gè)系統(tǒng)。研究表明，在ARM (advanced RISC machine)上運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)uClinux 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，能夠保證GIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的互操作性和在通信功能上的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，故將ARM 嵌入式系統(tǒng)引入GIS 在線監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域。 

        基于ARM 的嵌入式系統(tǒng) 

        ARM 采用先進(jìn)微控制器總線結(jié)構(gòu)AMBA (advanced microcontroller bus architecture) 的模塊化設(shè)計(jì)，具有綜合、快速和高性能價(jià)格比的優(yōu)點(diǎn) 。在ARM 處理器中具備ICE-RT 功能單元，通過(guò)它可以在代碼的任何部分，甚至于在ROM 中設(shè)置斷點(diǎn)，這就降低了裝置調(diào)試難度，為裝置的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。 

        在ARM 處理器中，采用32b定長(zhǎng)指令和三段流水線指令操作(如圖1所示) ，指令執(zhí)行分為3 個(gè)階段：取指、譯碼和執(zhí)行。流水線允許幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，在執(zhí)行第1條指令期間，第2條指令開(kāi)始譯碼，同時(shí)第3條指令從存儲(chǔ)器中被取出，故取指、譯碼和執(zhí)行3部分可以同時(shí)進(jìn)行，這就保證了處理器的高速處理性能。 

圖1　三段流水線操作 

        微控制器性能的提高，為操作系統(tǒng)的引入奠定了基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)一般不用操作系統(tǒng)，故操作系統(tǒng)的引入就為嵌入式系統(tǒng)賦予新的內(nèi)涵，也成為區(qū)別于傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)明顯特征。嵌入式操作系統(tǒng)將替代傳統(tǒng)的由手工編制的監(jiān)控程序或調(diào)度程序，成為重要的基礎(chǔ)組件，使程序員只需面向操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。嵌入式操作系統(tǒng)正在轉(zhuǎn)變成為ARM 應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)。 

        系統(tǒng)在GIS 在線監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用 

        基于ARM嵌入式系統(tǒng)，GIS 在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)主要包括裝置的內(nèi)部框架、硬件配置和軟件配置等?；贗EC61850 標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(如圖2 所示) 具有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：在自動(dòng)化系統(tǒng)中，層與層之間都采取以太網(wǎng)通信的方式(基于TCP/IP) ，取代了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式(如Lonworks，CAN 以及RS-485 等)。

圖2　在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖 

        基于ARM 嵌入式系統(tǒng)的硬件框架 
        采用ARM 嵌入式系統(tǒng)之后，硬件電路原理圖(如圖3 所示) 按照功能主要分為以下幾個(gè)模塊：
        1) ARM CPU 模塊該部分電路是嵌入式系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)采用AT91M40800，它基于ARM7TDMI 內(nèi)核，其專門(mén)為工業(yè)控制而制造，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到工業(yè)級(jí)別。 

        2) CPLD 擴(kuò)展電路 
        該電路的主要功能是對(duì)CPU 芯片的外圍功能進(jìn)行擴(kuò)充。對(duì)于功能要求比較復(fù)雜的電路，一般都采用CPU+CPLD 的模式，采用該模式的原因主要有兩個(gè)方面：a) CPU 作為系統(tǒng)的核心，無(wú)法、也沒(méi)有必要滿足所有用戶的具體功能要求，只需給用戶以標(biāo)準(zhǔn)的外部總線接口EB I (external bus interface)即可，讓用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行必要的功能擴(kuò)展；b) CPLD 用在電路設(shè)計(jì)中有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：可方便地實(shí)現(xiàn)地址譯碼；編程方式簡(jiǎn)便，可方便地通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯器件的功能; 時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級(jí)，特別適合在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，具有高可靠性。 

        3) 閃存FLASH 模塊 
        閃存芯片在系統(tǒng)斷電之后，能夠永久保存系統(tǒng)進(jìn)行重新啟動(dòng)所需的原始軟件設(shè)置和數(shù)據(jù)。本文選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT49BV1614 閃存芯片，該芯片容量為2MB，芯片上存儲(chǔ)嵌入式操作系統(tǒng)uClinux 內(nèi)核、系統(tǒng)啟動(dòng)程序以及用戶程序等。

圖3　基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)原理圖 

        4) 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 接口電路 
        這部分電路是用于裝置內(nèi)部主板與其他數(shù)據(jù)采集板之間的通信。CAN 的通訊速度可以高達(dá)1Mb/s (距離在40m以內(nèi)) ；CAN 對(duì)通信介質(zhì)沒(méi)有苛刻的限制，可以為雙絞線、同軸電纜或者光纖等，比較靈活；其中，最重要的是CAN 通信具有很高的穩(wěn)定性和性價(jià)比，所以在裝置的內(nèi)部采用CAN 實(shí)現(xiàn)主板與輔板之間的通信是工業(yè)控制裝置中最流行的方法。CAN 總線作為ARM 的外圍電路，采用了雙CAN 模式，這在快速通信的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了裝置內(nèi)部通信的穩(wěn)定性。裝置中CAN 總線通信電路如圖4 所示，SJA1000 為工業(yè)級(jí)的CAN 通信控制器，82C250 是CAN 總線驅(qū)動(dòng)器，其中4 個(gè)光耦是用于光電隔離，以達(dá)到減小通信干擾，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)通信板的帶電插拔。

圖4　雙CAN 通信接口電路 

        5) 以太網(wǎng)模塊 
        電路中采用CS8900A 工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)芯片，可以達(dá)到10Mb/s 的網(wǎng)絡(luò)速度，在線監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)這部分接口電路與系統(tǒng)的高層(如上位機(jī)等) 和其他監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸共享，實(shí)現(xiàn)互操作。 

        基于ARM 嵌入式系統(tǒng)的軟件框架 
        系統(tǒng)的軟件主要包括3 方面：uCbootloader、uClinux 和應(yīng)用軟件。uCbootloader 用于硬件系統(tǒng)初始化，uClinux 是嵌入式操作系統(tǒng)，而應(yīng)用程序是用戶根據(jù)具體要求開(kāi)發(fā)出來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能的程序模塊。硬件系統(tǒng)上電后，運(yùn)行uCbootloader 對(duì)硬件系統(tǒng)配置進(jìn)行初始化，將檢測(cè)到的硬件轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，由它進(jìn)行統(tǒng)一支配; 用戶程序是建立在uClinux之上，并由它負(fù)責(zé)引導(dǎo)啟動(dòng)。 

        1) 嵌入式操作系統(tǒng)uClinux 
        本裝置選用uClinux 作為嵌入式操作系統(tǒng)主要考慮到以下幾個(gè)因素：
        a) 選用的AT9M40800 沒(méi)有內(nèi)存管理單元；
        b) 對(duì)Linux- X 裁剪得到的uClinux 內(nèi)核很小(約900 kB) ，但仍保留了Linux 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)；
        c) uClinux 擁有一個(gè)完整的TCP/IP 協(xié)議棧，使GIS 監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信功能?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)采用內(nèi)核加載方式，將內(nèi)核的壓縮文件放在FLASH 上，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內(nèi)存中解壓，然后運(yùn)行。 
    
        2) 用戶程序 
         本嵌入式系統(tǒng)中的所有應(yīng)用程序是采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯的過(guò)程是在Linux 系統(tǒng)下建立的交叉編譯器中進(jìn)行。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，應(yīng)用程序主要分為以下幾部分：以太網(wǎng)通信、CAN 總線通信和串口通信程序等。下面仔細(xì)討論一下以太網(wǎng)通信和CAN 總線的通信：
        a) 以太網(wǎng)通信 
        TCP/IP 協(xié)議是一種成熟的、廣泛使用的高層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因?yàn)樗哂辛己玫拈_(kāi)放性，在變電站通信系統(tǒng)中廣泛采用?；赥CP/IP 的通信程序主要有兩部分：服務(wù)器和客戶端。服務(wù)器和客戶端可以運(yùn)行于上位機(jī)與監(jiān)測(cè)裝置上，用于收集數(shù)據(jù)，并發(fā)送相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。以客戶端程序?yàn)槔蛻舳顺绦蛑饕ㄒ韵鹿δ墉h(huán)節(jié)：建立socket 套接字、向server請(qǐng)求連接、封裝數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，最后釋放套接字，如下面的程序片斷所示。
main ( int argc，char 3 argv[ ])
　{　.
　　　
sockfd= socket (A F- IN ET，SOCK- STREAM ，0) ;
　　　
.
　　　
connect (sockfd，&their- addr，sizeof (st ructsockaddr) ) ;
　　　
.
　　　
send (sockfd，buf,MAXDA TA S IZE，0) ;
　　　
.
　　　
recv (sockfd，buf,MAXDA TA S IZE，0) ;
　　　
.
　　　
clo se (sockfd) ;}
　　 
        b) CAN 總線通信
        CAN 總線通信軟件主要由初始化程序、發(fā)送程序和接收程序3 部分組成。初始化程序設(shè)置CAN控制器中的各個(gè)寄存器，包括模式寄存器、時(shí)分寄存器和輸出控制器等。由于這些寄存器只能在復(fù)位期間設(shè)置，故必須在通信開(kāi)始之前就對(duì)CAN 控制器進(jìn)行初始化。CAN 發(fā)送程序主要是將要發(fā)送的信息幀送到發(fā)送緩沖區(qū)中去，再啟動(dòng)發(fā)送命令即可(如圖5 所示) ； 接收程序與發(fā)送程序類似，只需要將數(shù)據(jù)從接收緩沖區(qū)中取出即可。 

        在設(shè)計(jì)CAN 通信模式的時(shí)候，采用多主的通信方式，即CAN 總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以任意地向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的通信程序具有相似性，故只要把一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信程序調(diào)通后，其他的節(jié)點(diǎn)上的通信程序可以仿效之。

圖5　CAN 總線發(fā)送程序流程圖 

        系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試 
        1) 系統(tǒng)的互操作性 
        在GIS 監(jiān)測(cè)裝置中建立設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)設(shè)服務(wù)器和客戶端，并實(shí)時(shí)地更新數(shù)據(jù)庫(kù)的狀態(tài)值。然后啟動(dòng)GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行中進(jìn)行互操作性測(cè)試，測(cè)試得出：a) 以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送速度可以達(dá)到10Mb/s；b) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)能夠通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送請(qǐng)求和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與監(jiān)測(cè)裝置之間的數(shù)據(jù)共享，即互操作；c) 兩臺(tái)或多臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置之間能夠通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)交換。 

        2) 監(jiān)測(cè)裝置的穩(wěn)定性 
        根據(jù)IEC1000 標(biāo)準(zhǔn)推薦，采用4 級(jí)試驗(yàn)等級(jí)對(duì)GIS 監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行穩(wěn)定性的測(cè)試。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括工頻磁場(chǎng)、高頻干擾、靜電放電干擾和浪涌干擾等9 項(xiàng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明監(jiān)測(cè)裝置存在部分電磁兼容設(shè)計(jì)缺陷。但是，經(jīng)過(guò)裝置結(jié)構(gòu)局部調(diào)整之后，可以達(dá)到IEC1000 的4 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；另外，對(duì)裝置進(jìn)行了溫度特性測(cè)試、機(jī)械特性測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，GIS 監(jiān)測(cè)裝置能夠達(dá)到電力系統(tǒng)二次設(shè)備穩(wěn)定性的要求，其穩(wěn)定性得到檢驗(yàn)。 

        3) 系統(tǒng)的開(kāi)放性與可擴(kuò)充性 
        GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行之后，對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)放性與可擴(kuò)充性進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)增設(shè)一臺(tái)工作站，并將該工作站用于與其他系統(tǒng)的通信。擴(kuò)充之后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作正常，并能夠利用擴(kuò)充的工作站與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信。 

        結(jié)　語(yǔ) 

        在ARM 處理器上運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)uClinux，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能；將ARM 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可以滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)提出的互操作性和穩(wěn)定性要求；利用以太網(wǎng)和CAN 總線通信的GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有開(kāi)放性和可擴(kuò)充性。