（计算机应用技术专业论文）基于arm9的新型用电现场管理终端的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 在节能降耗的背景下，加强电力负荷管理，提高能源利用率已经是必然的趋势。用电 现场管理终端是电力管理系统中的重要组成部分，它位于用户侧，主要功能包括现场数据 采集、电力监测、负荷控制、远程通信以及远程抄表等。 论文介绍了相关标准对用电现场管理终端功能和性能的要求，提出了以 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 为控制核心，结合p c i o s i i 操作系统的嵌入式解决方案。 硬件设计方面，终端按照嵌入式工业计算机系统的标准，采用模块化的设计方法，主 要包括外存储器、数据采集、通讯、时钟、控制、显示等模块电路。嵌入式终端采用g p r s 移动通讯技术，实现不同地理位置数据的高速传输，保证数据的实时性。 软件设计方面，根据终端的特点和实时性要求，采用p c o s i i 实时多任务操作系统。 论文着重描述t p c o s i i 内核在硬件平台上的移植。应用软件的设计遵循模块化自顶向下 的设计原理，充分考虑了嵌入式软件的设计特点；在软件模块划分的基础上，重点分析了 任务的划分、多任务的建立以及优先级的设置；并对一些重要的软件模块的流程图做了阐 述。 a r m 9 、l - t c o s i i 操作系统与g p r s e 者结合的系统运行稳定可靠，达到了预期的效果 和设计要求，具有较好的工程应用价值。 关键词：用电现场管理终端；删；嵌入式实时系统 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do fs a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gt h ec o s t ，s t r e n g t h e n i n gp o w e rl o a d m a n a g e m e n t , i th a sa l r e a d yb e e nl l ni n e x o r a b l et r e n dt oi m p r o v et h ee n e r g yu t i l i z a t i o nr a d i o n c p o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l l i e si nt h eu s e i s i d e 1 1 1 em a i nf u n c t i o n i n c l u d e s d a t a a c q u i s i t i o n , e l e c t r i c a lp o w e rm o n i t o r , l o a dc o n t r o l ，r e m o t ec o m m u n i c a t ea n dr e m o t em e t e r r e a d i n g , e t c t h et h e s i sh a sb e e ne x p l a i n e dt ot h ef u n c t i o na n dd e m a n do ft h et e r m i n a l ，w h i c hr e q u e s t e d b yr e l e v a n ts t a n d a r d s ，p r o p o s e sae m b e d d e ds o l u t i o n , t h a tr e g a r d sa t 9 1s a m 9 2 6 0 嬲t h ec o r eo f c o n t r o l l i n ga n dc o m b i n e si 上c o s - i io p e r a t i n gs y s t e m i nt h eh a r d w a r ea s p e c t , a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fe m b e d d e di n d u s t r yc o m p u t e rs y s t e m , m o d u l a r i z e dd e s i g ni sa d o p t e d , m a i n l yi n v o l v i n ge l e c t r i cc i r c u i t ss u c h 嬲e x t e r n a lm e m o r y m o d u l e , d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，c o m m u n i c a t em o d u l e , c l o c km o d u l e , c o n t r o lm o d u l ea n d d i s p l a ym o d u l e n eg p r sw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e d , t h r o u g hi t , t h e s y s t e mc a nm a k et h et r a n s m i s s i o no ft h ed a t af r o md i f f e r e n ta r e 懿q u i c k l ya n dr e a l t i m e i nt h es o f t w a r ea s p e c t , a e e o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i ca n dr e a l t i m en a t u r eo ft h et e r m i n a l ，t h e p c o s i ie m b e d d e ds y s t e mh a sb e e na d o p t ，a n dt h et h e s i sd e s c r i b e st h ep r o c e s s ，t h a ti - l c o s 1 1 i st r a n s p l a n t e dt ot h i sh a r d w a r ep l a t f o r m t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g nf o l l o w sm o d u l e d e s i g n p r i n c i p l ea n dt o p - t o - d o w nd e s i g np r i n c i p l e ，t a k i n gf u l la e c o t m to ft h ef e a t u r e so fe m b e d d e d s o f t w a r e ；o nt h eb a s i so ft h ed i v i s i o no fs o f t w a r em o d u l e s ，t a s kd i v i s i o n , t h ec r e a t i o no fm u l t i t a s k a n dp r i o r i t ys e t t i n gh a sb e e na n a l y z e ds p e c i f i c a l l y ；b e s i d e s ，s o m ef l o wd i a g r a m sa b o u ti m p o r t a n t s o t s w a r em o d u l e sh a v e b e e nd e s c r i b e d t h es y s t e m ，t h a tc o m b i n e st h ea r m 9 ，t h ei a c o s - i io p e r a t i n gs y s t e ma n dt h eg p r s w i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , o p e r a t e ss t e a d i l ya n dr e l i a b l y , c a l lm e e tt h ed e m a n d so ft h e u s e r sa n dh a sg o o dp r o j e c tu s i n gv a l u e k e yw o r d s - p o w e rl 0 a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l ，a r m ，e m b e d d e dr e a l t l r n es y s t e m 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论丈不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：宴壶羞日期：礁! z ：兰 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：互鏖塞 指导教师签名：j 目耻 日 期：型乒l 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题背景 全球经济的快速发展，对能源的要求越来越高，而电能是其中最为重要的能源之一。 为适应全球在用电管理方向的发展，世界各国都十分重视对电力管理系统的研究，并取得 了巨大的进步。 最早出现的电力负荷控制系统对缓解电力紧张局势，实现远方控制，保障限电不拉闸， 实现计划用电、安全用电、节约用电，提高经济效益，起了至关重要的作用。但是，随着 电力买方市场的形成，电力负荷控制系统的职能发生了重大的变化，它的控制功能使用越 来越少，但是数据采集和管理功能却越来越重要，在突破了传统的限电功能、扩张了许多 新的功能，如信息发布、远方抄表、数据采集、预购电、用电异常信息监测、电能质量监 测、线损分析、用电数据统计分析等后，升级成为电力负荷管理系统。电力负荷管理系统 是二十世纪九十年代的一种高新技术产品，它是在电力负荷控制系统基础上发展而来的。 它为电力营销、计划和生产管理提供数据服务，为电力需求侧管理( p o w e rd e m a n ds i d e m a n a g e m e n t ，d s m ) 提供技术支持【l 】。 随着国民经济的发展，人民生活水平的不断提高，为更好地为用户提供优质、高效的 个性化增值服务，保证电力系统安全、经济运行，电力企业必须使用更现代化的科技手段 服务于电力客户【2 1 。新一代电力负荷管理系统，又称为用电现场管理系统，应运而生。 用电现场管理系统是从电力负荷管理系统发展而来的具有二十一世纪电力企业经营 管理特点的综合管理系统；以公共的c d m a g p r s 等移动网络为主要通信平台、辅以 2 3 0 m h z 无线、公用电话网、光纤网等多种通信方式实现系统主站和现场终端之间的数据 通讯，具有远程抄表、预购电、数据采集、用电异常信息监测、电能质量监测、线损分析、 负荷监控管理和用电数据统计分析等功能，是新一代负荷管理系统【3 】。 当前我国电力管理系统处于高速发展的时期，国家从政策上给予很大支持，具有相应 的资金条件，但我国电力管理系统仍处于方案的探索时期，特别是我国电网的规模及覆盖 面，市场之大是任何一个经济发达或发展中国家无法比拟的，而我国电力管理的发展也是 随经济发展同步进行。应该注意我国是一个大国，我国的电网与国外电网有多方面的区别， 管理方式不可能完全照搬和应用，在吸收国外先进技术和设备的基础上，开展中国电网改 造和自动化的研究是值得注意的问题。 当前世界各国都在致力于提高电网管理水平，扩展各种功能。中国应当结合各具体电 网实际情况，通过试点做好规划，经济有效地实现重点功能。可以预见，基于信息技术的 电网管理自动化将会得到广泛推广并发挥巨大作用【4 1 。 1 2 课题研究的目的和意义 电力是我国重点优先发展的基础产业，是带动国民经济发展的重要产业群，同时也是 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 国民经济建设的重要工具，是国家的经济实力和人民生活水平的窗口。随着时代的发展和 社会的进步，人们对电力的要求不断增加，市场对电力不仅仅是量的需求而且有质的需求。 是赢还是亏，这是正常营运的企业面对的首要的问题。这要求企业必须知道今天买入 多少度电，售出多少度电，银行账户上回笼多少资金，而这要靠采集实时的用电信息来完 成。这样，电力营销系统与电力现场管理系统高效结合，企业经营者就可以随时了解企业 经营状况，对市场做出最快速的反映了。 在国家颁布设施的电力法贯彻后，电力作为一种商品进入市场，接受用户的监督和选 择，甚至于对电力供应中的停电影响追究电力经营者的责任。另一方面，高精密的技术和 装备对电能质量要求，电网供电可靠性已是电力经营者必须考虑的主要问题。 如今，窃电问题变得越来越严重，使国家蒙受了巨大的经济损失。如何及时、准确地 发现窃电行为，已经是当务之急。用电现场管理系统直接深入用户计量现场，它通过实时 监测用户的负荷情况和计量器具的工作状况，判断和捕捉窃电特征，引导用电检查人员及 时发现窃电并抓获现场证据。 与此同时，电力客户对于用电服务的要求也越来越高，尤其是大客户需要更个性化、 高附加服务。 面对紧张的用电局面，改善负荷特性，提高用电负荷率，急需通过应用用电现场管理 系统等技术手段，加强负荷的监控力度，提高负荷特性的分析和预测水平，及早制定不同 情况下的错峰、避峰预案和措施。加强负荷的调控能力，积极有效地实施削峰填谷、移荷 错峰等措施，减少停电次数，缩短停电时间，减少因停电而引起的客户和供电企业的经济 损失；引导客户积极参与调荷避峰，合理安排生产计划，提高终端用电效率。优化用电方 式。最终实现改善电网运行负荷峰谷差，确保电网安全经济运行，提高电网的经济效益， 最大限度地实现全社会的资源优化配置，取得最好的社会效益【5 】【6 1 。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 国外负荷管理研究现状 电力负荷控制技术最先在欧洲得到广泛的应用。英国2 0 世纪3 0 年代就开始了音频电 力负荷控制技术的研究。第二次世界大战后，这种音频电力负荷控制技术在法国、原西德、 瑞士等国家得到大量的使用。日本从6 0 年代开始研究电力负荷控制技术，并从欧洲引进 制造技术，到7 0 年代已广泛安装使用了音频脉冲控制装置。美国从7 0 年代开始重视电力 负荷控制技术的发展，不仅从西欧引进了音频电力负荷控制系统设备的制造技术，而且还 着手研究和发展无线电力负荷控制技术。日前世界上已经有许多国家使用了多种不同类型 的电力负荷控制系统。 发达国家使用电力负荷控制装置，已有六十多年的历史，是在不缺电的情况下发展起 来的。目前国际上已有几十个国家采用了电力负荷控制技术，安装使用的终端已有几千万 台，控制的总负荷约占世界发电总装机容量的1 0 以上。电力负荷控制技术在国际上已成 为一项具有大量使用经验的成熟的实用技术。发达国家使用这项技术主要目的是改善电网 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 负荷曲线，削峰填谷，提高电网运行的经济性，安全性和发电设备投资的效益，推迟电力 设施的建设投资。国外正把注意力从一般的负荷控制转向配电自动化，需求侧管理和对电 力市场的技术支持【7 】。 1 , 3 2 国内负荷管理研究现状 我国从1 9 7 7 年底开始电力负荷控制技术的研究和应用。大致可分为3 个阶段：1 9 7 7 1 9 8 6 年为探索阶段：研究了国外电力负荷控制技术所采用的各种方法，并自行研制了音 频、电力线载波和无线电控制等多种装置，同时由国外引进一批音频控制设备安装在北京、 上海、沈阳等地；1 9 8 7 1 9 8 9 年为有组织的试点阶段：主要试点开发国产的音频和无线电 负荷控制系统，分别在济南、石家庄、南通和郑州安装使用；1 9 8 9 年底在郑州召开了全国 计划用电会议，要求首先在全国直辖市、省会城市和主要开放城市重点推广应用，然后在 所有地( 市) 级城市中全面推广；从1 9 9 0 - 1 9 9 7 年开始全面推广应用电力负荷控制系统阶 段，这标志着我国负荷控制的推广应用工作进入了一个新的阶段；1 9 9 7 年以后的电力负荷 控制系统从单一控制转向管理应用的发展阶段【8 j 。 1 3 3 负荷管理系统发展趋势 随着电力供需矛盾趋向缓和，电力负荷控制系统的作用逐步转向了建立正常的供电秩 序、保障电网安全、营配管理等方面。系统增加了用电管理的功能，包括用电信息管理、 远程抄表、用电信息服务等功能。这些扩展的功能，提高了电力负荷控制系统的经济价值 和生命力。在系统的数据处理方面也打破了以前的局限性，扩展了网络功能。目前，电力 负荷管理中心可以通过数据库和网桥与不同的系统网络联结，将负荷管理系统的大量数据 信息送到电力系统的管理网、调度网、营业网等，对于电网管理的科学化和现代化，都是 不可或缺的【9 1 。 近几年来，随着网络通信技术和数字信号处理技术的迅速进步，在负荷管理系统设备 的研制，以及在系统构建的研究上，国际上越来越多地采用了先进的软、硬件技术、网络 技术及各种数学方法，例如移动网络g s m g p r s 、虚拟仪器技术、基于互联网以及电讯 s m s 的数据发布技术和中间件技术，以及采用小波变换、神经网络和专家系统等作为检 测识别和分析诊断的有效工具，新一代负荷管理系统正在朝着网络化、智能化的方向发展 1 1 0 【l l 】 o 1 4 主要工作及章节安排 借鉴国内外研制同类装置的经验，研究开发一种新的负荷管理终端单元，以适应新一 代电力负荷管理系统的发展新需求。具体研究包括以下几个方面： 1 分析了我国电力负荷管理系统的现状，以及新的经济发展形势对电力负荷管理系统 提出的新要求；分析了由于电力工业的发展给电力负荷管理系统及其终端设备带来的新需 求； 2 根据用电现场管理终端所要达到的功能和性能要求完成重要芯片的选型； 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 3 嵌入式开发环境的搭建，操作系统的移植； 4 根据终端所要达到的功能，对终端的软件进行了相关的设计与实现。 本文的主要章节安排如下： 第一章绪论： 本章中介绍电力负荷管理系统的研究背景、意义及目的、国内外的发展现状和发展趋 势。 第二章系统总体设计方案； 本章阐述了电力负荷管理系统设计的整体规划和用电现场管理终端的软硬件设计。 第三章终端硬件设计； 本章详细介绍了以a t 9 1 s a m 9 2 6 0 为核心的硬件设计。对存储器模块、电能采集模块、 c p l d 模块、g p r s 通讯模块进行了深入分析，并解释了部分电路的连接。 第四章i lc o s i i 移植； 本章对嵌入式“c o s i i 系统做了简单介绍，并对其在嵌入式应用中的优点以及注意事 项进行了阐述。接着，着重描述了pc o s i i 内核在上述硬件平台上的移植。 第五章终端应用软件设计： 本章介绍了应用软件的具体设计。对嵌入式软件的设计特点做了介绍，然后，在系统 软件模块划分的基础上，重点阐述了多任务的划分以及优先级的设置；接着，对协议解析 模块做了详细说明； 第六章总结与展望。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章系统总体设计方案 本章首先对系统的主要功能进行了简述；然后，分别介绍了系统构成的三个子系统： 主站系统、通信系统、现场系统；着重对终端的功能需求进行了分析，然后从硬件和软件 两方面阐述了终端系统设计的思路，最后介绍了开发所使用的工具。 2 1 系统功能简述 用电现场管理系统是电力营销信息管理三大系统之一，是集计算机系统、通讯系统、 信息管理系统、控制系统与一体，对配电网实施监测、控制、嘈理的系统【1 2 1 3 1 。其目的是 提高供电可靠性、提高供电质量、服务质量、提高企业的经济效益和管理水平，使供电企 业和用户双方均受益。 系统主要功能有【1 4 1 5 】： 数据远程采集。数据远程采集主要进行负荷数据、电能量数据、抄表数据、工况数 据、电能质量数据的采集。按照时间划分，主要有当前数据、小时冻结数据、日冻结数据、 月冻结数据以及抄表日数据等。数据采集方式有定时自动采集和随机召测两种。当定时自 动采集失败时，应有自动及人工补测功能，以保证数据的完整性。 控制功能。电力负荷控制有功率定值闭环控制、电能量定值闭环控制和遥控等方式。 数据处理。系统各监测点应能监测负荷、电能量、抄表、工况、电能质量等数据， 当发生异常时应能产生告警并记录事件，以供用户及时处理。报警的方式除文字、图像、 声音外，还应支持短消息、e m a i l 等远程告警方式。报警信息应能按定义的业务流程进行 流转，以便相关人员及时处理和反馈。 事件处理。主站根据系统要求，可以将终端记录的报警事件设置为重要事件或一般 事件，终端根据事件属性进行重要事件和非重要事件的记录。重要事件终端主动上报主站， 一般事件主站定期查询。 负荷管理终端 彤 数据通信 ： 昌 ( 负荷管理主站系统 妙 i 毒：b五莎 一努 ： 营销蕃理系统 客户月舀系统 ： r r 一 、 l 电力企业内部其它系统j 图2 1 系统数据流向图 数据传输。一是与终端通信，主站与终端按相关传输规约进行数据传输；二是与电 力营销管理系统交换信息，包括电费工作站、负荷预测工作站和计量检测工作站等；三是 向电力客户服务系统提供信息，以备用户查询；四是与其他系统交换信息，如营销管理系 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 统、客户服务系统等，在保障系统自身安全性的条件下，负荷管理系统对外提供统一标准 数据接口。数据流向如图2 1 所示。 系统管理。主要包括权限管理、终端管理、通信管理、系统运行状态监测、故障管 理及系统报表等功能。 其他高级应用功能包括防窃电分析、经济运行分析、线损分析、电能质量分析等，可 以应用户需要而提供，并非系统的必要功能。 2 , 2 系统的组成与结构 如图2 2 所示，用电现场管理系统包括主站系统、通信系统和现场系统3 个子系统 岫学5 戢孽嚣4 篇擘紫 # p _# p _ 国国国 趣，二莎”m 、罢：= 田冈 l 嚣1 祟 芸lf 曼 周2 2 用电现场管理系统结构图 2 2 1 主站系统 用电现场管理的主站系统主要由负荷管理服务器、数据库服务器、网络服务器、客 户端以及前置计算机菸同构成，它们利用i n t c m c = i 网连接。 前霄机负责对远程的终端参数、数据的设置和控制，终端采集的数据通过前置机实时 的写进数据库服务器中；负荷管理服务器将前置机上传的信息数据进行处理，为将来客户 端的数据查询做准备；网络服务器主要用来存放网络操作系统及共享数据，实现网络管理 和资源共享。 2 2 2 通信系统 数据通信方式可分为有线通信方式和无线通信方式，稍早的无线通信方式大多采用短 消息( s m s ：s h o r tm b s s a 出gs e r v i c e ) 或者电台的方式【“】。但这两种方式都有其固有的缺 点：短消息的实时性、数据量及数据传输连续性得不到保证：而集群电台由于使用公用频 率，因而抗干扰能力差，对数据的可靠性影响较大。无线电、电力载波、电话线等，都存 在通信设备投资大、运行维护不方便或可靠性低等缺点”) 。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 近几年，g p r s ( g 啪a lp a c k e tr a d i os c r v i c e 。通用分组无线业务) 技术的逐步成熟和 m t e r n e t 技术与应用的普及，开发基于g p r s 技术的电力负荷管理系统已成为一种趋势。 g p r s 不仅为电力公司提供了一套高效、客观、稳定的用电管理平台，而且还为电力营销 提供了准确可靠的决策依据，满足了生产管理以及将来电力商业化运营功能扩展的需求。 g p r s 网络是在g s m ( g 1 0 b d s v n l f o r m o b i l e c o 咖u m c a 6 0 i l s ) 网络的基础上增加 了业务支持节点、网关支持节点和点对多点业务中心等功能实体后发展起来的，其有不用 自行组网，覆盖面广、通信可靠、通信费用低廉、免维护等特点；g p r s 通信技术仅在实 际传送和接收数据时才占用无线资源，在一个小区内，多个用户可以共享一条无线信道， 同时进行通信，大大提高了信道的利用率 i s l ；g p r s 采用了信道复用技术，使每一个g p r s 用户都能够实现永远在线，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也 适用于偶尔的大数据量传输【i m 。由于中国移动g p r s 网络上增加了接入b t 蛐既的网关， 所以嵌入式设备就可以通过g p r s 网络与h e m d 上的设备相互通信i 铷i 。 移动公网数据传通信结构如图2 3 所示： ； 图2 3 移动公同敦据传通信结构图 2 工0 现场系统 终端和多功能电表构成现场系统。本文主要研究终端的设计。 2 3 用电现场管理终端设计综述 2 j 1 终端的功能需求 终端是用电现场系统的重要组成部分，终端是直接面向用电管理和监测的自动化设 备，依照电力负荷管理系统通用技术条件，应具备以下功能口2 】【叫： 1 数据采集和处理 数据采集模块作为终端的核心组成部分，是整个电力负荷管理系统的数据来源。担负 着为负荷管理以及电能质量统计等数据分析工作提供科学依据的职能。采集的数据类型包 括： 模拟量采集和处理 能定时、自动或随机采集各电能监测点的交流工频电量，实现对电压、电流、有功功 率、无功功率、功率因数的测量和，从而对电网电能质量进行统计分析( 包括电压合格率 统计、功率因数统计) ，以便采取相应必要措施，保证电能质量水平。 状态量的采集和处理 实时采集被监控对象( 开关、电表等) 的位置状态和其他状态信息，记录存储变位发 卧 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 生的时间、当时的功率和电量值，并在最近一次主站查询时发送该变位信息或主动上报， 这属于重要事件记录以备主站随时查询。 电能表数据采集和处理 需通过r s - 4 8 5 通信口，按设定的抄表日或采集时间间隔采集数字电能表数据。负荷管 理终端还需要记录和存储所采集的实时和当前数据，并在日末形成各种历史日数据，保存 最近7 天的内容，在月末零点形成各种历史月数据，保存最近一个月的内容。以上数据都 要能在主站召测时发送给主站。 2 参数设置和查询 由主站向负荷管理终端发出参数设置和查询命令。要设置的参数有：对时、电压互感 器( t v ) 变比、电流互感器( t a ) 变比、电能表常数、电能量定值、功率时段和相应时 段的定值、终端参数、抄表参数等。参数设置或修改成功后，终端应返回应答信号。若终 端收到主站发出的参数查询命令，则应把有关的参数回送主站。 3 事件记录及上报 对于终端运行过程中各种事件的发生要做实时的记录，记录的事件类型分为重要类型 和一般类型两种，各自的处理方式也不尽相同。重要事件主要指各种原因造成的跳闸和重 要设置参数的变化，对这类事件要记录下事件发生的时间及发生时的负荷值和电量值等参 数，并主动向主站上报相关信息。一般事件是指终端停电、越限记录等，这类事件只需在 主站查询时告知主站即可。 4 负荷管理和控制 是终端实现电力管理系统实施负荷控制的直接手段，实现的方式包括：当地闭环控制 和主站远方遥控。 功率定值闭环控制 主站向终端下发客户功率定值等参数，终端连续监测客户用电实时功率。当实时功率 超过功率定值时，终端自动按设定轮次和延迟时间依次控制客户端相应配电开关跳闸，该 控制过程简称为功控。 电能量定值闭环控制 主站向终端下发客户电能量定值等参数，终端监测客户用电量。当用电量超过告警电 能量定值时，终端自动发出告警信号通知客户：当用电量超过电能量定值时，控制客户端 相应配电开关跳闸。 主站遥控 负荷管理终端接收到主站的跳闸命令后，先发出告警信号，在设置的跳闸延迟时间到 后即执行跳闸动作。终端接收到主站的允许合闸命令后，就发出声音信号，通知用户可以 合闸。 保电、剔除控制 负荷管理终端接收到主站的保电投入命令后，解除原有控制状态，并在任何情况下均 不执行跳闸命令，直至接收到主站发来的保电解除命令，才恢复到正常受控状态。负荷管 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 理终端接收到主站的剔除投入命令后，除对时命令外，对其它任何广播命令或终端组地址 命令均不响应，直至接收到主站发来的剔除解除命令，才恢复到正常受控状态。 5 本地功能 负荷管理终端应有当地显示功能( 包括汉字显示) ，能显示当前用电情况、控制信息、 抄表数据、终端参数、维护信息( 地址、电能表连接状况) 等。 6 数据传输功能 负荷管理终端的数据传输包含两方面内容：一是与主站的通信，二是与电能表等周边 设备的通信。与系统主站之间的数据通信采用的是g p r s 无线公网，通信规约应遵循国家 电网公司在2 0 0 4 年正式颁布的电力负荷管理系统数据传输规约2 0 0 4 t 2 4 1 。与电能表等周边设 备的通信采用r s - 4 8 5 标准串行电气接口，通信规约采用中华人民共和国电力工业部在1 9 9 8 年2 月l o l 3 批准的中华人民共和国电力行业标准d j l r r6 4 5 1 9 9 7 多功能电能表通信规约 瞄】 o 7 维护功能 负荷管理终端应具有自测试、自诊断功能，在发现终端的主板、i o 板、通信部件、时 钟等工作异常时应记录，且应记录每日自恢复次数。负荷管理终端接收到主站下发的初始 化命令后，需分别对硬件、参数区、数据区进行初始化，参数设置为缺省值，数据区清零， 控制解除。负荷管理终端软件可通过远程通信信道实现在线软件升级。 2 3 2 终端的组成与工作原理 终端一般是由主控、显示单元操作单元、通讯单元、输入输出单元、交流采样单元及 开关电源等组成。各单元间的原理与关系框如图2 4 所示。 外部信号 输入 控制信号 输出 图2 4 终端原理框图 主控单元：完成所有数据采集及处理、控制、数据通信、语音提示功能及协调其他智 能模块的工作。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 显示单元：用于终端实现必要的数据、状态、信息显示输出及键盘输入，是终端的人 机界面部分。 输入输出单元：完成输入信号的调理与隔离、输出信号的驱动及隔离：在这里所说的 输入、输出信号结合终端具体来说主要是指遥控、遥信、脉冲、模拟量、抄表等。 通信单元：实现数据通信及语音传输，是由调制解调电路及无线电台组成，也称数传 电台模块。随着科学技术的发展，这一部分可以采用不同的通讯方式，如g p r s 、光纤等， 数传电台也是其中的一种。 交流采样单元：通过电流或电压互感器采集实时电网交流信号，用以计算电流、电压、 功率、电量、相角、周波、谐波等。 电源系统：由高可靠性电源将交流输入转换为各模块所需的直流供电，一般可以有开 关电源和线性电源两种，电源主要要求高可靠性和较高的转换效率。 终端硬件与软件的设计将分别在第三章和第四章中阐述。 2 3 3 集成开发环境i a re w 简介 嵌入式系统的开发一般采用交叉开发的方式口6 i ，就是说用于开发的主机( 简称h o s t ) 与目标机( 简称t a r g e t ) 采用不同体系结构的硬件与软件系统。本设计选用基于l a t e lx 8 6 体 系结构的p c 机作为开发主机a r m 硬件平台作为目标机。开发软件包括编译器、链接嚣 和其他工具等均能运行于w i n d o w s 操作环境下。交叉开发环境由此建立。同时，在p c 主机 上编译开发的程序可以下载到目标机来进行系统调试和运行。 本设计采用的集成开发工具是瑞典t a rs y s t e m 公司推出的t a re m b e d d e dw o r k b e n c h ( 简称t a r e w ) 。它是一种非常有效的嵌入式系统开发工具，其界面类似于m s v i s u a l c + ， 可以在多种w i n d o w s 平台上运行阳，其界面如图25 。 in_y n 一- 1 bn “】1 舻、生圈一稿斗惯噼直d 口圈嚼r 螳目圈冒墨瞄黼蛹 攀削d 嘲礴鞲群婚蜊黜鞯鞲臻疆黼鞴鞴墨强壁酱 ：。：。0 s 。- x 1 。 j ， ，【n t1 9 9 2 0 0 0 5 a l c u nn 一u j a e ，e 【 d 4 ：p “ i t 0 3 m t i v l6 i _ ；hj o r o r 【 e 0 d et b 呻 ，t o o l c h bl n s odh 一 i 刷h i j e 意。豢葫赫。一婺。一。，。茹 图25 i a r e w 集成开发环境界面截圉 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 第三章终端硬件设计 本章首先根据功能需求画出终端的功能框图；划分时，相同或者相近的功能尽量内聚。 再将终端功能模块进一步细化，细化时充分考虑到功能实现的可行性，尽量选择标准或者 通行的接口。 3 1a r m 及a t 9 1 s a m 9 2 6 0 3 1 1 a r m 简介 a r m ( a d v a n c e d r 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 类微处理器的统称，还可以认为是一种技术的名字。 目前，采用a r m 技术知识产权( 口) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理 器，已遍布工业控制、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【2 8 l ，例如： l 、控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据了高 端微处理器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，a r m 微 控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 2 、无线通讯领域：目前己有超过8 5 的无线通讯设备采用a r m 技术，a r m 以其高 性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞争 优势。此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对d s p 的应用 领域提出了挑战。 4 、电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到 广泛应用。 5 、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。手 机中的3 2 位s i m 智能卡也采用a r m 技术。 3 1 2a t 9 1 s a m 9 2 6 0 处理器的特点和资源 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 是a t m e l 公司基于a r m 9 2 6 e j s 核的高性能、低消耗的微处理器，内 部集成丰富的外设资源，适用于要求外设资源丰富、功耗低、工作严格稳定的工业控制等 方面。 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 扩展了d s p 指令集和j a z e l l ej a v a 加速器；最高主时钟频率1 8 0 m h z 。 a t 9 1 s a m 9 2 6 0 片内集成了丰富的外设资源，包括全功能m m u 虚拟内存管理单元、内部 3 2 k 字节r o m 和8 k 字节s r a m 、外部总线接口( e b i ) 控制器，带有2 个锁相环( p l l ) 的内部振荡器，4 个可编程的外部时钟信号，包括定时中断、看门狗、秒计数器的系统定 时器，带有8 级优先级、可单个屏蔽中断源的先进中断控制器( a i c ) ，7 个外部中断源和 1 个快速中断源，3 个3 2 位的i o 控制器，个以太网控制器，一个u s b 主机接口和一个 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 u s b 设备接口，2 个多媒体卡接口，1 个同步串行控制器( s s c ) ，4 个通用同步异步收发 器( u s a r t ) ，2 个主从串行设备接口( s p i ) ，1 个两线接口( t w i ) ，支持主控模式，j t a g i c e 接口等【2 9 。 3 2 功能配置 表3 1 终端功能配置表阱i 序号项目 数 状态量采集2 路 据电能表数据采集1 路( 最多采集“块智能电表) l 采脉冲量采集2 路 集 交流模拟量采集i 路 数 实时和当前数据 、， 据 历史数据 、， 2 处 理 电能质量合格率统计 参时钟召测和对时 数 t a 变比、t v 变比及电能表常 设 数 3 置 电压、电流限值 、， 和 终端抄表 查 询 抄表参数 功率控制 、， 控电能量控制 、， 4 制 保电埸0 除 遥控 记重要事件记录 5 录 一般事件记录 、， 数 与主站通信 据 6 传 与电能表通信 、， 输 本 显示相关信息 、， 地 7 功 客户数据接口 、， 能 终 自检自恢复 端 8 维 终端初始化 、， 护 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 3 3 硬件总体设计 按键 液晶 指示灯 蜂鸣器 外 部 显 刁专 控制和报警 输出 复 位 电 路 电 源 电 路 j 1 a g 电 路 最小系统 a r m 微处理器 a t 91s a m 9 2 6 0 参数及数据采集 电压 电流 采样 状态 量及 脉冲 量 开关 控制 量 电能 计量 专用 芯片 图3 1 终端硬件结构框图 图3 1 所示为终端硬件结构框图，其主要功能表述如下： 复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位； 电源电路需提供系统所需的工作电压。电源采用三相四线制供电，在任一相有电情况下， 终端能正常工作；终端内部安装锂电池作为内部时钟芯片以及停电使用，这样，后备 电源的使用还必须提供充电电路和电压监测电路； 时钟电路为系统提供实时时钟，主要用于周期性的实时参数及数据采集； 看门狗电路用于程序“跑飞一或出现意外干扰时，能重新恢复正常； j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、编程等； 红外通信方便系统管理人员在距离较近的情况下遥控终端： g f r s 通信提供无线传输通道，用于远程电力数据的上送和主站命令的下传。采用市场 上成熟模块，需要占用微处理器的串口资源； r s 4 8 5 用于查抄多功能数字电表的数据。仍然需要占用微处理器的串口资源； 可以考虑增加一个以太网接口作为本地接口，用于调试和向本地用户提供信息。此通讯 端口在设计中为可选项。 s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于存储器中： f l a s h 存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在系统掉电后 筐 通 信 震 存 储 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 需要保存的用户数据等； 用e e p r o m 来存储需要长期保存的电量数据和关键参数等用户数据： 终端需要采集的数据分为周期性数据和突发性数据，其中实时性最强的部分依靠电力 计量专用芯片完成采集，使用s p i 接口与主c p u 通讯。本设计中采用的是a t r 4 0 2 2 芯 片。 外部显示部分的电路实现实时数据的查询功能、终端的状态指示和告警功能。通过 c p l d 扩展系统的i 0 ，来满足设计的需求。 负荷控制，主要完成功率控制、电能量控制、保电剔除和遥控功能。 3 4 主板的设计 主板包括了本系统要正常运行所必需的基本电路，由c p u 、s d r a m 、f l a s h 及时钟 电路等构成。 3 4 1 存储器 本模块选型比较简单，只要选择满足系统应用容量大小要求的存储芯片即可。为了使 嵌入式系统的稳定快速运行，给系统外扩了6 4 m 的s d r a m ，选用2 片3 2 m x l 6 位的s d r a m ( h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b ) ，s d r a m 提供堆栈和程序运行空间。n a n df l a s h 选用一片三星公 司的k 9 f 1 2 0 8 u 0 ，用来存放一般性的数据；一片e e p r o m ( a t 2 4 c 2 5 6 ) ，用来存放重要 的数据。以上的存储器在e b i 接口上的b a n k 空间分配，如表3 2 所示： 表3 2 存储器b a n k 间_ 空 存储芯片b a n k 空间 s d r a m n a n df l a s h e e p r o m b a n k l b a n k 0 1 2 c 3 4 1 1s d r a m 接口电路 s d r a m 存取速度快，数据吞吐率大，一具有读写的属性【圳。因此，s d r a m 在系统中 主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。当系统启动时，微处理器首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码调入s d r a m 中运行，以提高系统的 运行速度，同时，系统以及用户堆栈、运行程序也都放在s d r a m 中。s d r a m 具有单位 空间存储容量大和价格便宜的优点，已被广泛应用于各种嵌入式系统中。s d r a m 的存储 单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。 因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求处理器具有刷新控制逻辑，或