（检测技术与自动化装置专业论文）电网电压谐波监测系统数据交换器的研制.pdf

摘要 摘要 针对电网电压谐波监测系统的应用需求，结合抄表白动化、嵌入式系统、无线通信以及 网络通信的技术发展，本文讨论了基于嵌入式技术的数据交换器的研究与开发。该数据交换 器具有多种现场或远程通信方式，能够满足不同地区、不同用户条件下的系统通信要求，对 国产电压谐波监测系统的技术升级和应用推广有着重要意义。 本文首先介绍了电压谐波监测系统应用、国内抄表技术发展现状提出了课题研究的目 标和内容。在分析应用需求的基础上明确了数据交换器的功能指标和系统结构，并详细讨 论了架构设计的有关问题和相关技术开发的条件，如开发平台的选择和嵌入式操作系统的选 型等：阐述了数据交换器硬件设计方案，给出了各硬件电路模块的设计原理图，包括主控制 器模块、以太网模块、g p r s 模块、u s b 模块、s d 卡模块、串口扩展模块和电源等，并结 合e m c 设计要求完成了数据交换器p c b 设计；根据功能要求，给出软件的总体设计方案： 结合p c o s i i 操作系统、t c p i p 协议和文件系统的移植和开发，分别介绍各功能模块的设 计包括以太网通讯、g p r s 通讯、定时抄表和参数设置等，并详细地阐述了r t l 8 0 1 9 、 u s b 接口、n a n d f l a s h 、明基g p r s 模块、s d 卡、串口扩展和l c d 显示等底层硬件驱动 的开发与编程。功能测试表明数据交换器研制开发是成功的。最后，本文总结了课题的研 究开发工作，并对进一步的研究工作提出了建议。 关键词：数据交换器抄表电压谐波监测系统嵌入式系统 uc o s i ig p r st c p i pu s b 东南大学硕士论文 a b s t r a c t 1 1 l i st h e s i sn i l l l vd e a l s 、v i t l lt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd a t a 刚t c h e ri nv o l t a g ea n d h a r m o n i cm o n i t o r i n gs y s t e m ，州mr e g a r do fr e c e n td e v e l o p m e n to fr e l e v a n tt e c h n i q u e s ，s u c ha s a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，e m b e d d e ds y s t e m , w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o na n di n t e a n e t c o m m u n i c a t i o n t h ed a t as w i t c h e rc 卸p r o v i d ed i f f e r t w a y sf o rf i e l do rr e m o t ed a t a c o m m u n i c a t i o n t om e e tt h ed e m a n do fs y s t e ma p p l i c a t i o nu n d e rd f f e r e n tu s e re n v i r o n m e n ti n d i f f e r e n tr e g i o n i ti ss i g n i f i c a n tt op r o d u e tu p g r a d ea n dm a r k e tp r o m o t i o no fh o m e m a d ev o l t a g e a n dh a r m o n i cm o n i t o r i n gs y s t e m ht h i sp a p e r , t h er e s e a r c hp r o j e c ti sb e e nd e t a i l e d , w i t ha ni n t r o d u c t i o no fv o l t a g ea n d h a r m o n i cm o n i t o r i n gs y s t e r na n dm e t e rr e a d i n gt e c h n i q u e t h ef u n c t i o na n ds y s t e ms t r u c t u r eo f t h ed a t as w i t c h e ra r cp r o p o s e db a s e d0 1 1d e m a n da n a l y s i s a n ds o m er e l e v a n tt o p i c s s u c h 私 d e v e l o pp l a t f o r ma n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m , a r ed i s c u s s e d t h ed a t as w i t c h e rc i r c u i td e s i g n i sd e s c r i b e dw i t hup r e s e n t a t i o no fs c h e m a t i cd i a g r a m so ft h ec i r c u i ts e c t i o n s s u c ha sm c u e t h e r n e t ，g p r s ，u s b ，s dc a r d , s e r i a li i l t e r r a c ea n dp o w e rs u p p l y t h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d sa r e d e s i g n e dw i t hc o n s i d e r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y t h ed e v e l o p m e n ts c h e m eo f s o f t w a r ei sp r e s c r i b e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s 1 1 1 ef u n c t i o nm o d u l e s i n c l u d i n g f i l es y s t e m ，e t h e n l e tc o m m u n i c a t i o n , g p r sc o m m u n i c a t i o n t i m e dm e t e rr e a d i n ga n dp a r a m e t e r s e a t n g ，a r ep r o g r a m m e db a s e do np o r t i n go fl t c o s 1 1a n dt c p i p , a n dh a r d w a r ed r i v e r d e v e l o p m e n to fl 订乙8 0 1 9 ，u s bi n t e r f a c e ，n a n d f i a s kb a n qg p r sm o d u l e s dc a r d , s e r i a l i n t e f f a c ea n dl c dd i s p l a y e r i ti sv e r i f i e dt h a tt h ef u n c t i o no ft h ed a t as w i m h e rm e e t st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s f i n a l l y , ac o n c l u s i o no ft h er e s e a r c hw o r ki sp r e s e n t e da n ds o m et o d i c so nf b r t h e t w o r k sa r ep r o p o s e d k e yw o r d s ：d a t as w i m h e r m e t e rr e a d i n g v o l t a g ea n dh a r m o n i cm o n i t o r i n gs y s t e m e m b e d d e ds y s t e m u c 0 s - i i g p r s t c p ，口 u s b i i ， 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期 第一章引言 1 1 课题研究的背景 第一章引言 电力系统作为大型工业控制系统，具有规模巨大，作业点分散，跨越地域较大，监测点 数晕多等特点。因此，电力通信需要借助于高效、可靠的通信方式，将控制中心的控制命令 准确地发送到远方终端，并且将远方终端设备运行情况的数据信息收集到控制中心，从而实 现对配电设备运行状态的实时监视与控制，保障电力运行的稳定和安全。 近年来由于大功率电力电子技术的发展以及它们的广泛应用，现代电网与负荷构成出现 新的变化趋势由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视。一方 面，冲负荷、非线性负荷使电网出现诸如波形畸变、电压闪变、电压暂降等较为严重质鼍问 题：另一方面，人们所使用的精密和复杂电子设备也要求高质量和高可靠性的电能供应。为 适应市场发展的需要，对电能质昔指标进行监测、统计，对电能的全面质量进行控制是十分 必要的其中主要的就是对电网电压和谐波的监测统计。 电压谐波监测系统主要是由现场监测仪表、数据交换器和后台管理信息系统组成，现场 监测数据先经过数据交换器，然后通过不同的方式传到后台，生成各类的报表和数据文件， 供管理决策之用。 然而由于我国各地区的电力系统发展不平衡，自动化程度存在很大差异，各地区所采用 的电压谐波监测系统差别很大制约了我国电力事业的进一步发展。通信通道作为电力信息 传输的主动脉，也出现了多种多样的实现方式。当前电压谐波监测系统中存在的通信方式， 既有传统的i c 卡人工抄表方式，又有新型的g p r s 等远程抄表方式。随着计算机网络和嵌入 式技术的发展远程抄表是将来自动抄表的发展方向。我国近年来无线通信事业和计算机网 络事业发展迅速冈特网在全国大多数地区有网络建设，中国移动的g p r s 网络及中国联通 的c d i l a 网络几乎遍布全国所有地区，而同定电话更是遍及全国几乎每个行政村，这些都间 接为远程抄表系统的发展奠定了很好的客观条件。 1 2 电压谐波监测系统中常见数据传输方式 在电压谐波监测系统中，现场监测仪表的数据采集和数据传输是关键的两个部分，尤其 是数据传输部分直接关系到整个系统的性能与成本。通过不断地研究和探索，目前国内的 电网监测系统中采用了很多种数据传输的方法可以归纳为： 1 ) 原始的i c 卡、无线卡等采集法。这种方法比较落后，以前应用比较广泛，现在处于 被淘汰的边缘。其中很重要的原冈是i c 卡、无线卡容晕小存储数据有限。如果我们用u 盘、s d 卡等大容鼍存储设备代替，克服容母的限制，再加上这种方法成本低操作简单等 优点，它可以适用于现场的抄表方式或者作为远程抄表方式出现故障时的备份方式。 2 ) 基于现场总线的方法”。1 。这种方法对仪表的接口要求较高，对同一总线的仪表要提 供一种统一的现场总线通信接口。这种方法一般是将总线接到数据中心，这样就使得可采集 仪表的分布范围非常有限。但是，如果将现场总线同其它网络结合，能发挥现场总线的优势。 这种方法较多的应用在居民小区的抄表系统中。 3 ) 低压电力线载波传输“”。1 电力载波的基本原理：把电表的数据通过采集终端设备将数据调制后，通过电力线传送， 在接收端解调还原成数据信号，在同一台配电变压供电范同内用户统一编址，并由采集器巡 回读写。电力载波直接通过电力线传输，不用专门布线，能够节约大量资源，因此在国外得 到广泛的应用。但是目前在我国，由于电网纯狰度不高，数据在传输过程中，经常会受无线 电信号、电磁信号、脉冲信号的干扰导致传输数据错码、丢码的情况。要解决这个问题 需要相当大的投资，并且必须解决许多关键性技术问题。因此电力线载波抄表系统在我国应 用还不成熟。 4 ) 基于电话线传输方法”“。该方法是利用电信系统已有的电话线通讯网络，通过m o d e w 将分散在各地的仪表数据传递至数据中心。该方法初期投资较小，数据传输的正确率较高， 东南大学硕士论文 但在使用过程中，要向电信局交纳电话费，所以运行费较高。由于这种计费是按占线时间的， 这样对于要求常在线，而传输数据量却不大的仪表很不合算。当仪表周围没有电话线时，甚 至还要专门拉电话线，并开通业务才能使用，这样成本更高。不过目前电话线网的覆盖面较 广，随着电话费的不断下调，因此在一定范围内很有竞争力。基于电话线的传输方法主要有 两种：1 ) 仪表和数据中心都通过m o d e m 接入电话线网，这样双方是对等的，随时都可通过拨 号访问对方：2 ) 仪表用m o d e m 接入电话线网，而数据中心接入i n t e r n e t 。这种情形仪表要先 拨虚拟号如9 6 9 9 8 上网，数据中心才能与之通信。 5 ) 基于g s m 网络的传输方法“2 。“1 。该方法前几年比较流行，主要有利用g s m 的s m s ( 短 消息) 的方法以及基于g s mm o d e m 数据业务的方法。用短消息功能进行数据采集的方法有如 下缺点：长度有限，数字或英文字母最多只能发送1 6 0 个条：间断性的，即发完一条， 才可发下一条，平均要5 _ 6 秒才能发送一条；信息费用较高，目前要0 1 元条，而办理 包月也至少0 0 5 元条。因此用短消息进行数据采集虽然具有一定的先进性，但实际只在少 数仪表的数据采集中得以应用，优势不明显。g s mm o d e m 方法传输速度慢。最大传输速度才 9 6 0 0 b s ，而且又是按占线时间计费，因此在实际应用中也不多见。但可以配合g p r s 方式进 行应用。 6 ) 基于以太网的传输方法” 以太网的网络操作算法比较简单，在网络负载较低时几乎没有延迟现象。与令牌总线或 令牌环协议相比，增加和扩大访问网络不需要增加通信带宽。在工业控制领域中通常使用 l o m b p s 以太网，高速( 1 0 0 m b p s 甚至1g b p s 以上) 以太网主要用于数据通信网络或需要传输 多媒体信息的网络中。 以太网已经经历了3 0 年的发展，其技术不断更新，不但占据着局域网绝大部分领域， 而且正向城域网( m a n ) 和广域网( w a n ) 挺进，成为当今晟有生气的网络技术。其传输速率己从 最初的1m b p s ，达到今天的l o g b p s ，增长了1 万倍。其与光纤技术的结合，更使传输距离 可达l o o k m 以上，并且可简单地实现“干线直接到桌面”。 随着近年来网络技术的快速发展，以太网已经被引入了工业应用领域，例如远程监控、 远程调试、远程控制等，以太网抄表方式也是随之出现的一种新型的远程抄表方式，它主要 有以下一些优点：系统实施简单、网络速度快、可以传输多媒体信息、与互联网连接方便、 网络接口比较简单、扩展性和可靠性较好、维护方便、结构灵活、成本低等，发展前景广阔。 但以太网也有一些不足之处，如它与基于电话线网的开发一样，也要有一条专用的网线 才可行：而且随着网络负载的加重，冲突的概率增加，信息传输时间就不确定。因此这种方 法特别适用于已有局域网的场合。 7 ) 基于g p r s ( 通用分组无线业务) 的传输方法”。 g p r s 是通用分组无线业务的英文简称，是在现有g s m 网络基础之上新增两个节点s g s n 和g g s n ，而形成的移动分组数据网络。g p r s 是在移动终端与计算机网路系统上发展起来的 一种新承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务。g p r s 允许用户在端到端分 组转移模式下发送和接收数据， g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b p s ，实际应用带宽大约在4 0 一l o o k b p s 。g p r s 采用分组交换 技术，每个用户可同时占有多个无线通道，同一无线通道又可以由多个用户共享，资源被有 效地利用，数据传输遮率高达1 6 0 k b p s 。使用g p r s 技术实现分组发送和接收，用户永远在 线且按流量计费，降低了服务成本。 g p r s 是g s m 网络向第三代移动通信过渡的技术，是对g s m 网络的升级。g p r s 作为一种 新型的电信技术和电信服务。g p r s 有许多独特的特性：无线传输、通信信道利用率高、传 输速度快、收费策略灵活、永远在线。这种方法特别适用于间断的、突发性的、频繁的和少 量的数据传输，也适合偶尔的大量数据传输：适合监测现场无局域网接入或电话线接入的场 合，尤其是监测现场在野外。 在实际应_ 【i j 中，g p r s 在数据采集方面也有些不足之处，主要表现在如下几点： ( 1 ) 开发g p r s 终端的成本较高 ( 2 ) 传输有延时 ( 3 ) 数据传输安全性问题 但是这些缺点在电力系统电压谐波监测系统中影响较小，一般不需要长时间的实时数据 通信。所以并不妨碍g p i l s 通信方式的广泛应用。 第一章引言 1 3 本文的研究内容 1 3 1 课题的提出 电压谐波监测系统通信方式的选取要综合考虑如地理环境特点、用户用电行为、技术水 平、管理体制和投资成本等因素。很多情况下，某种方式虽终被选用并不表示是经济利益和 技术要求的晟大满足而只是权衡了各方面条件后的折中这就给我们进一步的研究留下了 空间。据参考文献，前述的几种通信方式在实际系统中均有应用。国内各个地区对于不同通 信方式的侧重有所不同。当前这种多种通信方式并存的情况使不同地区的电力监控部门不得 不根据本地区的实际情况采用不同的数据传输方式。这就使得电力系统的灵活性大大降低。 而如果把各种数据传输方式做在现场监测仪表之中，则无疑会大大增加仪表的成本、增加现 场监测仪表的工作负担、降低系统的可靠性和灵活性。 本课题正是基于以上应用需求提出了一种电压谐波监测系统中进行数据交换的灵活解 决方案，研制一种多功能的数据交换器，它上面集成有以太网通信方式、g p r s 通信方式、 电话线通信方式，同时系统扩展了大容每的存储器，提供了u 盘和s d 卡的读写接口。并且 同时可操作多台现场监测仪表。若现场监测仪表附近没有可用网线，尤其是处在一些野外或 角落，附近往往没有可用的网线通过，若要专门拉一条网线开通相应业务，成本将会大大增 加。这时就可以采用g p r s 方式进行数据传输。在有网线可用并且有g p r s 信号覆盖的情况下， 二者可随意选择。在两者皆不可用或者皆不想用的情况下还可选择用u 盘或s d 卡抄写数据。 比如在一般的变电站现场有局域网的接口，就可以选择以太网的传输方式。而在城市电网中 则可以用g p r s 的方式。农村电网则可用电话线方式。 数据交换器是电压谐波监测系统的核心模块，它拥有集中采集多台现场监测仪表数据、 存储采集数据、采集的数据可以通过多种方式上传到服务器等功能。 数据交换器通信方式多样，组合灵活，裁减扩充方便，适用广泛，能从不同角度满足使 用单位的多种需求，从而可以使对电压谐波监测系统的升级改造更加方便快捷；也使得数据 交换器生产厂商可以快速接入不同的电力监控部门的电压谐波监测系统，应用前景广泛。课 题的成果对于进一步提升国产电压谐波监测系统的技术水平、推广系统应用、促进电力事业 快速健康发展有着重要的意义。 1 3 2 本文的内容 本论文主要围绕电压谐波监测系统。数据交换器”的设计和实现展开阐述。本论文的后 续章节主要包括以下内容： 第2 章讨论了数据交换器系统设计。首先给出了电压谐波监测系统结构图，并详细分析 了数据交换器的需求和功能指标，给出了数据交换器的架构设计和相关技术开发的条件，包 括开发平台的选择和嵌入式操作系统的选型等。 第3 章在功能需求的基础上，阐述了数据交换器硬件设计方案，详细给出了各硬件功能 模块的设计原理图，包括电源设计、以太网模块、g p r s 模块、u s b 模块、s d 卡模块、串口 扩展模块等，并给出了数据交换器f e b 版图的设计和e m c 设计。接下来详细讨论了数据交换 器的软件设计。 第4 章首先给出软件的总体设计方案，然后分别介绍各功能模块的设计。介绍了如何将 pc o s i i 移植到本设计的处理器上。论文详细地阐述了r t l 8 0 1 9 、g p r s 、n a n d f l a s h 、串 口扩展等底层硬件驱动的编写在硬件驱动稃序的基础上详细讨论了文件系统的应用、 t c p i p 协议的移植以及定时抄表模块、以太网通讯模块、g p r s 通讯模块和参数设置模块的 设计与实现。 第5 章给出了数据交换器的测试和实现情况。 第6 章概括了本文研究的内容和结论，并对进一步的研究工作进行展望。 东南大学硕士论文 第二章系统设计 数据交换器的设计集成了多种通信方式，如何使系统能在不同的应用场合发挥最大效 用各功能模块协同工作，同时获得较高的性价比，是数据交换器系统设计的关键。本章主 要完成系统的功能和结构设计，明确系统中各个功能模块的划分和实现方法。 2 1 电压谐波监测系统构成 电压谐波监测系统主要由现场监测仪表、数据交换器和监控中心组成。整个电网监控系 统的结构如图2 一l 所示。 终端监罚倥 图2 - 1 电压谐波监测系统结构图 终端监舅仪 监控中心是牾个电压谐波监测系统的调度指挥中心在正常情况下操作人员在控制中心 通过计算机系统即可完成对各个电力用户的监控和运行管理等任务。其主要功能有： 1 ) 系统管理功能 2 ) 数据监测功能 3 ) 系统日志模块功能 4 ) 数据分析模块功能 5 ) 状态检测与报警模块功能 6 ) 远程控制模块功能 现场监测仪表处在整个监测系统的最底层，它直接面向电力用户。其主要工作原理为： 电网电压信号经过互感器采集进来，接着进行滤波放大，再经过a d 转换器变为数字信号送 到监测仪表的m c u 处理。微控制器利用f f t 变换可计算出电压有效值，2 2 5 次谐波含量， 最后再参照电网电压谐波标准进行相应处理。还可进行实时监测数据的显示日统计和月统 计数据的存储。现场电压谐波监测仪表配有2 3 2 和4 8 5 通信方式。2 3 2 接口可以与p c 机相 连，4 8 5 接口在有4 8 5 总线的场合可接入总线网络。电压谐波监测仪可通过2 3 2 通信方式与 数据交换器进行数据传输。串行数据的通信协议遵循通用的电力系统通信规约。现场监测仪 表采集的数据种类有： 1 ) 参数数据包括表号、密码，日时段分类、电压上下限、谐波上限等。 第二章系统设计 2 ) 当前数据，包括当前电压、各次谐波含量、频率、终端时间、合格时间等。 3 ) 日统计数据，包括各个时段超上限时间、超下限时间、合格时间、电压最大值以及 最大值出现的时间等。 4 ) 月统计数据，和日统计数据类似。 5 ) 停电记录电压曲线数据指监测的各路信号停电和上电的时间。 6 ) 电压、谐波曲线数据，电压谐波每隔1 5 分钟的监测数据。 7 ) 报警数据，包括当前电压值，电压设定值，报警时间( 年、月、日、时、分、秒) 。 数据交换器在系统中起着存储转发的作用，非常关键。它的设计应满足电压谐波监测系 统的要求，同时考虑各地区的适应能力和未来功能的提升，具备实时监视功能及数据存储功 能。对系统中现场监测仪表所采集的相关数据( 电压、谐波、统计、报警等数据) 实行自动 管理整合现场数据传输方式、远程系统监控通信方式，人工数据采集与自动抄表于一体。 数据交换器可同时采集多台现场监测仪表数据，将每个现场监测仪表的采集数据收集起来井 通过以太网、电话网、g p r s 等方式传送到监控中心。同时在需要的时候还可以到现场通过u 盘或者s d 卡进行读写。 数据交换器与现场电压谐波监测仪的通信采用电力系统通信规约，这样只要是采用了电 力系统规约的监测仪均可方便的接入本系统。与监控中心的上行数据传输方式采用自己设计 的通信协议在具体应用时可对其进行改造。 2 2 数据交换器性能指标与功能设计 数据交换器的设计目标是为满足电网监测系统监测数据的自动采集、现场抄表和远程传 输设计的专用产品，应遵循国际、国家及行业相关标准。数据交换器器可以接受主站的命令 对现场的监测仪表进行数据采集、参数设定等相关操作；现场监测仪表有报警事件发生或主 动向主站发送信号时，应能及时作出反应。数据交换器应具有可靠性高，存储容量大，兼容 性好可扩展性好，性价比高等特点。具体性能指标有： 1 ) 可以完成对指定一台或多台终端监测仪表各种类型数据的同步、准确采集，能按指定 方式向指定主站传送数据。 2 ) 可以传送终端监测仪实时数据、统计数据、停电记录、报警数据、电压谐波曲线数据、 参数数据以及数据交换器本身参数数据等信息。 3 ) 可以接入多台终端监测仪表，连接方式采用r s 2 3 2 方式，串行速率：1 2 0 0 - 1 9 2 0 0 b p s ， 最多可支持1 0 个终端监测仪表数据输入。 4 ) 可以通过g p r s 模块、以太网、电话线等方式与主站远程通信，通信协议遵循江苏省 电力系统通信规约。由于电话线通信的方式比较成熟，本文没有相关的讨论与实现。 5 ) 支持对u 盘、s d m m c 卡的读写，采用f a t 格式的文件系统。 6 ) 可以通过远程方式( 以太网、g p r s ) 或近程方式( 串口、u s b ) 设置配置参数。 7 ) 内置实时时钟，能接受上位机的校时。 8 ) 具有内部存储器，存放终端监测仪的电压谐波曲线数据和日月统计数据，电压谐波曲 线数据不少于2 个月，当掉电后，能保持存储数据不丢失不少于1 0 年。 9 ) 运行环境：工作电源电压：7 - 4 0 v i ) c ；消耗电流静态 l o m a ，通信时 3 0 0 m h ，瞬态最大 电流 2 a ；停电状态下相关参数可永久保存；工作温度：一4 0 7 0 ；抗干扰，防雷防浪涌。 根据以上对数据交换器的性能指标分析。数据交换器的结构框图设计如图2 2 所示。各 种应用指标分为一f n 功能具体实现： 1 实时抄表功能 主站通过数据交换器用实时抄表命令，对现场电压谐波监测仪实时采集和管理。抄表内 容可以是现场监测仪上存储的所有数据，如监测仪的配置参数、日统计数据、月统计数据、 停电记录表、实时监测数据、以及现场监测仪的状态等。 2 定时抄表功能 数据交换器的主要任务之一就是采集现场电压谐波监测仪的电压谐波曲线数据、统计数 据、报警事件等。因为现场终端监测仪电压曲线数据每1 5 分钟更新一次，统计数据每2 4 小时更新一次，要能保证现场终端监测仪的历史统计数据与实际一致，数据交换器每隔1 5 东南大学硕士论文 串口i 一8 j 串口扩展模块 n o r 北 s r a m f l a s h 卜线接亡b g p r s 触b m c u7 ( 、 、 卜接。p i ln a n d f l a s h n北n i c p l d剖呦i u s b 接口s d 卡接口 剖按键输入i 图2 2 数据交换器功能框图 分钟采集所有终端监测仪定点数据一次。每隔2 4 小时采集日统计数据一次，并为每组采集 数据加上数据交换器的时间和各现场监测仪表号。 3 定时上传抄表数据功能 数据交换器根据设定好的定时上传时间主动连接预定的主站，将采集数据按约定格式 传输给主站，存入主站实时数据库，然后主站服务器软件可以生成任何形式的报表或者图表， 供主站工作人员分析处理。 4 校时功能 主站可以远程给数据交换器设置标准时间作为基准时间，再由数据交换器通过广播的形 式校准所有现场电压谐波监测仪时间，或在数据交换器工作现场通过串口的方式或者u s b 从设备接口的方式设置时间。 5 参数设置功能 通过远程通信或u s b 接口可对数据交换器在运行前设置参数或在运行中修改参数。这 些参数包括： 1 ) 数据交换器的i d 号及密码，在整个系统中该i d 号具有唯一性，主站用它访问数据 交换器； 2 ) 数据交换器管理的所有终端监测仪的参数设置，包括仪表表号、密码、日时段、电 压上下限卣分数等，具体参照江苏省电力系统通信规约； 3 ) 数据交换器及终端监测仪运行的标准时间； 4 ) 数据交换器网络接入方式设置：t c p i p 或g p r s 无线网络或电话线： 5 ) t c p i p 网络接入的本地i p 地址及主站i p 地址、端口号、网关等： 6 ) 连接主站时间间隔； 7 ) 报警设置，在危险情况或数据出错的情况下，主动发起连接向主站报告。 6 数据存储功能 数据交换器依据设定好的数据存储格式和存储位置，定时将采集到的现场监测仪数据写 入外部n a n d f l a s h ，避免掉电后丢失所有数据：将配置参数弓入n o r f l a s h 中固定扇区。数 据交换器重新启动后，将先读取配置参数，然后按新的配置参数运行。 第二章系统设计 7 通信接口方式 根据需求分析，数据交换器需要有以下几种通讯接口。 通过外扩r s 2 3 2 通信接口与现场监测仪进行通信，采集实时监测数据、统计数据、停电 记录电压谐波曲线数据等信息，或对现场监测仪的运行参数进行设置。 通过串口外扩g p r s 模块或m o d e m 与控制中心进行通信，上传数据和执行命令。 通过r j 4 5 网络接口与监控主站利用以太网进行通信，定时上传数据和执行命令，并可 进行实时数据的传输。 通过u s b 设备接口与p c 机通信，完成数据交换器运行参数的设置及实时抄表获取现场 监测仪数据。 通过u s b 主机接口读写u 盘，完成采集数据的传输。 通过s d 卡接口读写s d 卡完成采集数据的传输。 2 3 开发相关技术与条件 数据交换器的硬件模块较大，软件也比较复杂，所涉及的知识领域较多。主要还是嵌入 式技术相关领域的软硬件知识，包括嵌入式处理器，嵌入式操作系统，嵌入式t c p i p 协议 栈以及开发调试平台等等，下面分别进行介绍。 2 3 1 嵌入式微控制器嘲“1 1 嵌入式微控制器又称单片机，它一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r a m 、 f l a s h 、总线、总线逻辑，定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、 等各种必要功能和外设。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，但终究是8 位、1 6 位、 和3 2 位微控制器器这三大类。 在一般使用的8 位微控制器中最为普遍的是5 l 系列。如8 0 3 1 ，8 0 5 1 8 7 5 1 ，8 9 5 1 等， 1 6 位单片机的代表为9 6 系列，如8 0 9 8 ，8 0 x c 9 6 等，他们的特点是成本低，使用灵活，但 缺点是运算速度慢，一般还需要扩展r a m 和r o m ，硬件电路较复杂，故一般只用于所需工作 速度不是很高，数据处理量不大的场合中。 在3 2 位的微控制器器中主要有两类，一是d s p 微处理器，另一类是a r m 微处理器。 d s p 处理器采刚哈佛总线结构，程序处理器与数据处理器分开，有各自的总线结构，减 少了总线对系统的压力，并可在执行指令时采用流水线操作，读取指令、译码等操作均可并 行进行；它具有高速阵列乘法器等专用硬件，增强的多级流水线，使d s p 器件具有高速的数 据运算处理能力：它还具有满足信号处理要求的一些特殊指令集，提高了f f t 快速傅立叶变 换和滤波器的运算速度。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的 t m s 3 2 0 系列和m a t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。在数字滤波、f f t 及频谱分析等方面d s p 算法正 在大量进入嵌入式领域。但是它大多作为从处理器，协助主处理器进行数据处理。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字也可以认为是对一类 微处理器的通称还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要 出售芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常 所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统 等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的 市场份额a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能： 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件： 3 ) 大奄使i j 寄存器指令执行速度更快；。 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 ) 指令长度向定： a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理器，除 了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应刚领 东南大学硕士论文 域。a 蹦7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m i o e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e r 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 。在工业控制领域应用较多的主要是a r m 7 系列。 由于数据交换器要支持多种通讯方式，尤其是要实现t c p i p 、u s b 协议，d s p 处理器显 然不合适，而如果选用8 位单片机将使系统资源非常紧张，可能会影响数据交换器运行的 稳定性。而且在选择处理器时，不仅要满足性能的要求，还要考虑软件的支持( 包括操作系 统和硬件驱动程序的资源) 、市场的供货情况及最终产品成本等实际因素。选型最关键的是 根据应用母体裁农，找到一款合适的，性价比较高的微处理器。经分析比较，选择3 2 位的 删7 处理器l p c 2 2 2 0 作为微处理器。 2 3 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的 应用中显得越来越重要。 常见的嵌入式撵作系统主要有以下几种： 1 ) p c l i n u x 完全开放代码，可以使用几乎所有l i n u xa p i 函数，具有稳定，良好的 移植性，优秀的网络功能； pc l i n u x 是一个符合g n u g p l 公约的开放源代码项目，是由 l i n e o 公司在l i n u x 2 0 的基础上裁减得到的。在uc l i n u x 这个英文单词中，表示m i c r o ， 即小的意思：c 表示c o n t r o l ，即控制。所以pc l i n u x 就是m i c r o - c o n t r o l l i n u x ，字面上 的理解就是“针对微控制领域而设计的l i n u x 系统”。uc l i n u x 内核要比原l i n u x2 0 内核 小得多，但保留了l i n u x 操作系统的主要优点。 2 ) w i n d o w sc e ，是精简的w i n d o w s 9 5 ，图形界面出色基于w i n 3 2a p i ，可以使用v b 、 v c + + 等编程工具；w i n c e ( w i n d o w sc e ) 是为各种嵌入式系统和产品设计的一种紧密的、高效 的、可升级的操作系统。初始设备开发商( o 跚) 或者嵌入式操作系统开发商可以从适合目标 平台的操作系统中自行选择系统模块和组件。选择的系统模块和组件的多少决定了所需内存 的大小。 3 ) v x w o r k s ，良好的可靠性和卓越的实时性，主要是用在通信、军事、航空航天等要求 高的领域1 。v x w o r k s 是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件，它为程序员提供 了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务问通信。v x w o r k s 自1 9 8 3 年问世以来，己成功应用在航天、航空、舰船、通信、医疗等关键领域。目前，v x w o r k s 已 经成为事实上的工业标准和军用标准，大量软硬件厂家都提供v x w o r k s 的扩展组件，因此， v x w o r k s 在各种c p u 硬件平台上可以提供统一的接口和一致的运行特征，应用程序不用任何 改动就可以运行在各种c p u 上，为程序员提供了一致的开发和运行环境减少了重复的劳动。 4 ) 1 1c o s i i ，源码公开、可移植、可固化、可裁减及占先式的实时多任务操作系统”。 uc 0 s i i 的源代码绝大部分是使用移植性很强的a n s i c 编写的，与微处理器硬件相关的部 分是使用汇编语言编写。目前pc 0 s i i 已经被移植到多种不同架构的处理器上。它使用条 件编译实现可剪裁，用户程序可以只编译自己需要的功能，以减少pc o s i i 对代码空间和 数据空间的占用。pc o s i i 是完全可剥夺型的实时内核，总是运行就绪条件下优先级晟高 的任务。可以管理6 4 个任务，然而，uc o s u 的作者建议用户保留8 个给u c 0 8 一i i ，这 样，留给用户的应用程序最多可有5 6 个任务。pc o s 一提供很多系统服务，例如信号量、 互斥信号量、时间标志、消息邮箱，消息队列、块大小固定的内存的申请与释放及时间管理 函数等。其中断嵌套层数可达2 5 5 层。 pc 0 s i i 基于uc o s 自1 9 9 2 年以来，已经有数百个商业应用uc 0 s 。pc 0 s 一与 uc o s 的内核是一样的，只是提供了更多的功能。另外，2 0 0 0 年7 月uc 0 s i i 在一个航 空项目中得到了美国联邦航空管理局对商用1 s 机的、符合r t c ad o 一1 7 8 b 标准的认证。这一 结论表明，该操作系统的质量得到了认证，可以在任何应用中使用。 综上所述，操作系统的嵌入是嵌入式系统构建的基础，目前市场上的大型商用嵌入式实 时系统如w i n c e ，v x w o r k s ，p s o s 等已经十分成熟，但商用嵌入式实时系统价格昂贵， 而且都针对特定的硬件平台，对于中小型系统的开发，购买商_ i j 实时系统并不划算。此时， 采用免费软件和开放代码不失为一种选择。 作为开源嵌入式操作系统的典型代表，uc 0 s i i 和u c l i n u x 在嵌入式系统中得到了广 泛应用但uc o s i i 作为微内核结构与p c l i n u x 的大而全的一体化内核相比，pc l i n u x 第二章系统设计 在实时性方面存在不足，因为p c l i n u x 是不可抢占的内核，同时由于pc l i n u x 的体积的限 制使它只适合应用在中高端的嵌入式产品中。而在实时控制系统领域，往往采用各种各样 的中低档硬件系统。nc o s u 简单易学提供了嵌入式系统的基本功能，其核心代码短小 精悍，如果针对硬件进行优化，还可以获得更高的执行效率。uc l i n u x 功能强大t 运行稳 定，可以获得广泛的支持，但代码过于复杂，完全移植没有必要。 经过以上的比较，我们认为uc o s 一结构简单，开发费用低，移植容易，有较多的参 考文献，适用于中低端的嵌入式系统应用，可以满足我们设计的数据交换器的要求。但是 pc o s i i 在应用中与其它系统相比也有缺点，它仅仅是一个内核，没有提供网络功能和用 户接口等，并且它与硬件无关不能单独形成完整的应用。所以它需要移植其他的t c p i p 协 议，文件系统等。 2 3 3 几种开源的t c p i p 协议栈 1 ) b s i ) t c p i p 协议栈，b s d 栈历史上是其他商业栈的起点，大多数专业t c p i p 协议栈 ( v x w o r k s 内嵌的t c p i p 栈) 是b s d 栈派生的。这是冈为b s d 栈在b s d 许可协议下提供了 这些专业栈的雏形b s d 许用证允许b s d 栈以修改或未修改的形式结合这些专业栈的代码而 无须向创建者付版税。同时，b s d 也是许多t c p i p 协议中的创新( 如广域网中拥塞控制和 避免) 的开始点。 2 ) ui p 是专门为8 位和1 6 位控制器设计的一个非常小的t c p i p 栈。完全用c 编写， 因此可移植到各种不同的结构和操作系统上，一个编译过的栈可以在几k br o m 或几百字节 r a l i 中运行。pi p 中还包括一个h t t p 服务器作为服务内容。