（电力系统及其自动化专业论文）基于嵌入式系统的智能化配网终端的设计.pdf

块设计的原理图。本文还给出了终端软件设计流程，包括终端操作系统u c l i n u x 的裁剪过程、驱动程序设计、通信软件设计、参数采集部分程序设计以及后台管 理软件的设计。 本文所设计的配网自动化终端具有嵌入式操作系统来管理终端的硬件资源， 可靠性高，具有g p r s 通信和网络通信等优质的通信功能，同时采集量丰富，具 有较高的性价比。 关键词：配网自动化，智能化终端，g p r s 通信，嵌入式系统 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fc i t ya n dc o u n t r yp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，c o m b y p o w e rd i s t r i b u t i o nn e tw i t l lm u l t id i s t r i b u t i o np a s s e sh a sc o m ei n t ob e i n g t h er u n n i n g m o d eo ft h en e wd i s t r i b u t i o nn e ti ss of l e x i b l et h a ti ti sh a r dt oh l ni to n l yb yt h e d i s p a t c h e r s e x p e r i e n c e s s oa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c em u s tb ed e v e l o p e di m m i n e n t l yt o c o r p o r a t e ，e v e nt or e p l a c ed i s p a t c h e r st od ot h eo p t i m a ld i s p a t c hi nt i m e a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ed i s p a t c hc a na l s oe n s u r es a f er u no f t h en e t ，r e d u c et h er u nc h a r g e ，i n c r e a s e e c o n o m i cb e n e f i t i m p r o v et h en e t sr e l i a b i l i t ya n de x e r tt h ep o w e rd i s t r i b u t i o nn e t s p o t e n t i a lf u r t h e s t i tc a r lp r o m o t e t h i sd i r e c t i o nt od e v e l o pc o n t i n u o u s l ya n ds t e a d i l y n o w , d i s p a t c h e r s c a r lc o n t r o lt h es w i t c ho np o l et h r o u g ht h en e wp o w e r d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e mw h i c ht h e yh a v et od ob yc l i m b i n gu pt h ep o l ei nt h e p a s t i tt a k e ss o m en e wm e t h o d ss u c ha su n m a n n e dd i s t r i b u t i o ns t a t i o na n ds w i t c h s t a t i o n ，r e m o t ed a t ac o l l e c t i o n ，a u t os t o r a g eo fr e p o r t sf o r m sa n dc a r v e sa n do p e r a t i o n r e c o r d s ，c o n s t r u c f i o no fd i s t r i b u t i o ng i sa n dc u s t o m e rs e r v i c es y s t e m ，e t c t oe d u c et h e w o r k i n gi n t e n s i t ya n di n c r e a s et h es e r v i c eq u a l i t y t h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i e do n d i s p a t c h e r s e x p e r i e n c e s i s r e p l a c e db y t h e i n t e l l i g e n t o n er e l i e do na r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c es t e pb ys t e p ， t h ep r e c o n d i t i o no ft h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ni st h a tm a s t e r i n g e l e c t r i c p a r a m e t e r so f s o m ei m p o r t a n tn o d e so ft h en e t ，s u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n t ，p o w e r , p o w e r q u a l i t y , e t c s ol a r g en u m b e r so fi n t e l l i g e n td i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n t e r m i n a l st h a th a v e r e m o t ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na r er e q u i r e dt og e tr e a l t i m ei n f o r m a t i o n o f d i s t r i b u t i o nn e ta n dt os e n ds o m ec o n t r o l s w i t ht h ed e v e l o p i n go fe l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , n e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o na n d e m b e d d e ds y s t e ma n dt h ec o n s t r u c t i o no fc i t ya n dc o u n t yp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t ，s o m e i n t e l l i g e n tt e r m i n a l sa p p e a r t h e s et e r m i n a l sh a v ea b u n d a n tf u n c t i o n s ，c h e a pa n dh i g h q u a l i t yc o m m u n i c a t i o n ，m o r ex e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i z a t i o nc o m p a r e dw i t ho l d o n e s s o m et e r m i n a l sh a v ea l r e a d yc o n t r o lf u n c t i o n s c o m b i n et h ed i s t r i b u t i o na c t u a l i t y 、v i n l i t sr e q u i r e m e n t ，ad e wt y p eo ft e r m i n a lt h a ti sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e ma n dh a s m u l t ic o m m u n i c a t i o nc h a n n e l si sd e s i g n e di n t h i sp a p e r t h ed e s i g n e dt e r m i n a lc a n c o l l e c tt o om a n ye l e c t r i cp a r a m e t e r ss u c ha sv o l t a g er m s ，c u r r e n tr m s ，d i g i t a l i i i w a v e f o r mo fv o l t a g ea n dc u r r e n t ，a c t i v ep o w e r ，r e a c t i v ep o w e r ，a p p a r e n t p o w e r , 丘e q u e n c ya n dc u r r e n tt e m p e r a t u r ee t c i ta l s oh a st h r e ep u l s ed a t ac h a n n e l s e i g h t a n a l o gd a t ac h a n n e l s t h et e r m i n a lh a sg o o dq u a l i t ya n dl o wc o s tc o m m u n i c a t i o n c h a n n e l s s u c ha se t h e m e tc o m m u n i c a t i o n ，g p r s ，e x p e c tt r a d i t i o n a lr s 2 3 2a n d r $ 4 8 5 ， i nt 1 1 e p a p e r , t h et e r m i n a l sf u n c t i o n sa r ed e s c r i b e dd e t a i l e da tf i r s t a n d g i v e s s o m eb a s ek n o w l e d g et h a ti su s e di nt h ep r o c e s so f d e s i g n ，s u c ha se m b e d d e ds y s t e m ， g p r s ，d a t a b a s ep r o g r a mo fv c ，p c bd e s i g na n ds oo n t h e n ，g i v e st h et e r m i n a l h a r d w a r ed e s i g ni n d e t a i l s ，i n c l u d i n gp o w e rd e s i g n ，r e s e tc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，p u l s ed a t ac h a n n e l sa n de l e c t r i cp a r a m e t e r sc o l l e c t i o nc h a n n e l s a ti a s t g i y e s t h et e r m i n a l ss o f t w a r ed e s i g n ，c o n s i s t i n go fo s ，d r i v e r s ，c o m m u n i c a t i o np r o g r a m s ， d a t ac o l l e c t i o np r o g r a m sa n db a c k g r o u n d a p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h i sd e s i g n e dt e r m i n a lh a se m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e mu c l i n u xt og o v e m h a r d w a r e i th a sh i g hq u a l i t ya n dl o wc o s tc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s ，s u c ha sg p r s a n de t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n ，a n dt o o m a n yd a t ac o l l e c t i o nc h a n n e l s ；i th a sh i g h r e l i a b i l i t ya n dg o o dq u a l i t y p r i c er a t i o k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，g p r s ，e m b e d d e ds y s t e m 1 v 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ： 年月 日 1 绪论 1 1 配网自动化的意义 1 绪论 配网自动化系统是利用现代电子技术、计算机、通信技术、软件技术及网络 技术，将l o k v 配电网在线数据和离线数据、电网结构数据进行信息集成，构成完 整的区域自动化系统【l j 。实施配网自动化的目的”3 是为了提高供电可靠性，提高 供电质量，提高服务质量，提高企业的经济效益和提高企业的管理水平，使供电 企业和用户双方受益。实施配网自动化系统可以：( 1 ) 当配网发生故障时，迅速 查出故障区段，快速隔离故障，及时恢复非故障区段客户的供电，从而减少故障 停电次数和停电时间，缩小停电范围；( 2 ) 在正常运行情况下，通过监控配网运 行工况，优化配网运行方式，从而使配网的潜力得以最大限度地利用；( 3 ) 根据 配电网电压合理控制无功负荷和电压水平，改善电压质量【3 j ，降低线路损耗，达到 经济运行的目的：( 4 ) 减少和缩短设备检修停电时间：( 5 ) 合理控制用电负荷， 从而提高供电设备利用率，增强供电能力；( 6 ) 更好地管理配电设备；( 7 ) 提高 为客户服务的响应速度和服务质量；( 8 ) 改进在故障时对客户的应答能力；( 9 ) 共享系统信息资源；( 1 0 ) 提高供电可靠性：( 1 1 ) 提高为客户服务水平和客户的 满意程度，改善供电企业形象；( 】2 ) 降低劳动强度、提高供电企业的管理水平和 劳动生产率。 1 1 1 提高供电可靠性 在城乡配电网建设与改造过程中，下列措施对于提高供电可靠性具有重要意 义：( 1 ) 形成多供电途径的环网( 或网格状网) 开环运行的结构；( 2 ) 设计合理 的设备容量和采用可靠的开关设备：( 3 ) 合理配备负荷，使配电网具有灵活的运 行方式：( 4 ) 对馈线进行恰当分段：( 5 ) 采用绝缘导线或电缆代替裸导线：( 6 ) 对重要负荷采用双回路供电；( 7 ) 在负荷密集区和重要区域设丌闭所；( 8 ) 实现配 网自动化。配网自动化系统必须建立在合理的网架结构和可靠的设备基础上，才 能充分发挥其作用；而通过配电自动化的手段，良好的配电网架结构的优势也能 更好地表现出来。配网自动化系统能够快速确定、隔离故障区段，缩短停电时间， 减少停电面积，提高配网的供电可靠性。随着配网自动化程度提高，供电可靠性 1 郑州人学t 学硕 论文 会得到越来越大的改善。 1 1 2 提高供电经济性 降低配电网线损一直是电力企业和电力科研工作都努力的方向之一。配电自 动化使用户实时遥控配电网开关进行网络重构和电容器投切管理成为可能，通过 配电网络重构和电容器投切管理，在不显著增加投资的前提下可以达到改善电网 运行方式和降低网损的目的。配电网络重构的实质就是通过优化现存的网络结构， 改善配电系统的潮流分布，理想情况是达到最优潮流分布，使配电系统的网损最 小。通过配电自动实现远方自动抄表 4 】，可以杜绝人工抄表导致的不客观性和漏 洞，显著降低管理线损，并能及时察觉窃电行为，减速少损失。 1 1 3 提高供电能力 一般来说，配网是按满足峰值负荷的要求来设计的。然而在配电网中，每条 馈线均有不同类型的负荷，如商业类，民用类和工业类。这些负荷的日负荷曲线 是不同的，在变电所的变压器及每条馈线上峰值负荷出现的时间也是不同的，导 致实际当中配电网中的负荷分布也是不均衡的、有时甚至是极不均衡的，这严重 降低了配电线路和设备利用率，同时也导致线损较高。通过配电网优化控制，可 以将负荷从重负载甚至过负载转移到轻负载馈线上，这种转移有效地提高了馈线 的负荷率，增强了配电网的供电能力。在合理的网架结构下，通过配电自动化技 术移荷与负荷管理，实际上可以利用现有的配电网资源消除过负荷。 1 1 4 提高电压质量 配网自动化系统通过监测和管理网上关键位置处的电压并将其控制在所期 望的范围内。电压管理功能一般对用户有利，因为他们可以获得良好的供电质量。 通过配网自动化实现远方有载调压和集中补偿电容器的正确投切、配电变压器低 压侧无功补偿以及以提高电压质量为目的的配电网络重构等，都是提高电压质量 的有效手段。 1 1 5 降低劳动强度，提高管理水平和服务质量 通过配电自动化，不必登杆操作，在配电控制中心就可以控制柱上开关：实 现配网变电站和开闭所无人值班：进行远方自动抄表；借助人工智能代替人的经 2 l 绪论 验作出更科学的决策；报表，曲线，操作记录等自动存档；数据统计和处理；配 电地理信息系统的建立：客户呼叫服务系统等。这些手段无疑显著的降低了劳动 强度、提高了管理水平和服务质量。 1 2 配网自动化的现状及发展趋势 1 2 1 配网自动化的发展历程 一般认为配电自动化的发展大致分为三个阶段：第一阶段是基于自动化开关 设备相互配合的配电自动化阶段，其主要设备为重合器和分段器等，不需要建设 通信网络和计算机系统，其主要功能是在故障时通过自动化开关设备相互配合实 现故障隔离和健全区域恢复供电。这类系统的自动化程度较低，具体表现在：仅 在故障时起作用，正常运行时不能起监控作用，因而不能优化运行方式；调整运 行方式后，需要到现场修改定值；恢复健全区域供电时，无法采取安全和最佳措 施；隔离故障时需要多次重合，对设各的冲击大等。 第二个阶段的配电自动化系统是基于通信网络、馈线终端单元( f t u ) 干后台 计算机网络的配电自动化系统，它在配电网正常运行时，也能起到监视配电网运 行状况和遥控改变运行方式的作用，故障时能及时察觉，并由调度员通过遥控隔 离故障区域和恢复健全区域供电。 随着计算机技术的发展，产生了第三个阶段的配电自动化系统，它是在第二 个阶段的配电自动化的基础上，增加了自动控制功能，由计算机自动完成故障处 理等功能。第三阶段的配电自动化的另一个特征是形成了集配电网s c a d a 系统、 配电地理信息系统、需方管理( d s m ) 、调度员仿真调度、故障呼叫服务系统和工 作票管理等一体化的综合自动化系统。 1 2 2 配网自动化系统通信技术的现状及发展趋势 1 2 2 1 配网自动化系统通信目前通信方式 目前的通信系统主要有：无线电通信，有线通信( 电话线，专线) ，光纤通信， 载波通信。 无线通信系统利用公共频段进行数据传输，通信通道和通信设备具有投资小、 维护简单的特点。但由于城市内部高大建筑的遮挡，使其传输距离受到了一定的限 制，因此它适合用于分布半径不大、数莓不多的中小城市配网白动化。采刈这种通信方式进 行组网时，不需要有通信通道的建设投入、以后的维护彗较小，而且在系统建设过程中牵涉 的部门较少，现场调试工作餐较小。 3 郑州大学工学硕士论文 有线通信主要有利用电话线通信和架设专线通信两种方式。电话线：就是利 用现有的公用电话网为依托，采用调制解调器和公用电话网的交换机系统，在两 个通信实体之间建立起通信通道。专线方式：通信的网络适合于传输数据量不大、 实时性要求不高的场合。这种方式的投资小，需要根据实际情况对f s k 的增益和 输入输出阻抗进行调整，这会增加现场调试的工作量。 从现场运行情况来看，利用光纤通信时数据比较稳定，抗干扰能力强。这种 方式在初期投资时较大，但随着光通信设备的价格不断下降，这神方式有可能成 为比较实用的现场通信方式。同时，在现场施工和系统调试时需要协调好用户单 位内多个部门的配合，尤其是主管通信的部门。 电力线载波通信是利用输电线路作为传输媒体的通信方式，因此电力线载波 通信的实现首先要解决信号部分与高压输电部分的隔离问题，同时必须克服输电 线路固有的噪声、输电线路故障、电力设备的操作等对载波信号传播的影响。目 前制约电力线载波通信在配网自动化系统中应用的主要因素是其对接入设备的要 求较高。由于配网中的通信节点较多，每个通信节点都要求有一组接入设备：而 且为了满足在不同运行方式下载波传输通道的畅通，还要在每个开关的两侧之间 加装耦合设备，这样就会增加一次接线的复杂性，同时增加了一次系统出故障的 几率。 1 2 2 2 配网自动化通信的发展趋势 1 2 2 2 1g s m 及g p r s 无线通信技术 g s m 是欧洲电信标准化组织e t s i 制订的全欧洲统一标准，它有许多优势， 主要是标准化程度很高，空中无线接口、核心网信令协议的标准非常严格、完整， 而且各种设备可以互连互通。特别是开发和生产出了2 5 g 和g p r s ( 全球分组无 n n 统) t “，可为用户提供较高速率和可变速率的数据信息，便于用户在任何时间、 任何地点上网。在我国，目前，9 8 的城镇、乡村已经被g s m 覆盖，形成了目前 全球最大的立体式覆盖移动通信网络。g s m 应用于数据传输主要有两种形式，一 种是直接拨通对方的通信设备( 相当于电话线传输) ，在两个通信设备之间建立起 通信连接；另一种是采用收发短消息的方式，每个短消息最多可以传输1 4 0 个字 节的信息。前者的优点是连接可靠，几乎可以保证任何需要通信的时候均可建立 连接，缺点是建立连接需要的时间较长，导致信息传输较慢，而且费用较高( 相 当于用手机进行通话) ：后者的优点是数据传输及时，费用较低，缺点是当信息比 较拥挤时，传输的滞后性非常明显。可以将这两种方式结合起来进行，当网络中 的短消息业务比较繁忙时，采用拨号接通的方式进行，而在平时，则采用短消息 的方式进行数据通信。 在配网自动化系统中采用g s m 网进行数据传输，可以大大的降低通信系统 的一次性投资，而且减少了工程实施中调试通信系统的时间，降低了通信系统的 1 筇记 维护费用。尤其对于面广、点稀的配网系统( 如农网) ，这种通信方式具有很好的 经济性。 1 2 2 2 2 电力线上网技术 电力线上网技术( p l c ) 主要是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通 信方式，这种方式利用现有的电力线作为传输介质，传输速率可达1 0 m ，可以与 光纤通信相媲美。将该技术应用于配网自动化系统进行数据传输具有非常好的应 用前景，具有通道可靠性高、投资少见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。 但目前从各方面的报道上来看，该技术与实际应用之间还有一些距离，尤其是在 如何解决当负载波动时保证数据传输的稳定性等方面还须做较多攻关。 1 2 3 配网自动化的现状及发展趋势 目前在一些工业发达国家里，配电自动化系统受到了广泛的重视，国外的配电 自动化系统已经形成了集变电所自动化、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、 用户负荷控制和远方抄表等系统于一体的配电网管理系统( d m s ) ，其功能多达1 4 0 余种。 现代配电自动化系统采用分层集结的策略，大城市的配电自动化系统一般分 为四个层次。第一层为现场设备层：主要为f t u ，t t u ，远动终端( r t u ) 和电 量集抄器等构成，这些设备统称为配电自动化终端设备。在柱上开关处安装馈线 终端单元( f t u ) ，完成对柱上开关的监控。f t u 一般采用高性能单片机作为c p u ， 具有带光电隔离的开关量输入和交流采样功能，具有对时功能和定值远方下装和 召唤功能；具有故障检测和上报功能；具有抗恶劣环境( 高温、严寒、防雷、防尘、 防雨等) 功能。在配变处安装监测单元( t t u ) ，除了完成对配变进行常规监测外， 一般还具有低压侧无功综合控制、分散用户抄表集中器与电能核算功能。在配电 开闭所和配电变电站安装远动终端单元( r t u ) ，电量集抄器安装于配电变压器附 近，用于采集分散用户的电量数据为用电科学管理提供依据。 第二层为集结层。以11 0 k v 变电站或重要配电开闭所为中心，将配电网划分 成若干区域，在各区域中心设置配电子站又称”区域工作站”，用于集结所在区域 大量分散的配电终端设备，如馈线终端单元( f t u ) 、配变终端单元( t t u ) ，和电量采 集器的信息。 第三层为配电自动化子控制中心层，建设在城市的区域供电局，一般配备基 于交换式以太网的中档配电自动化后台系统，往往还包括配电地理信息系统、需 方管理和客户呼m t n 务系统等功能，用于管理供电分局范围内的配电网。 第四层为配电自动总控制中心层，建设在城市的供电局，一般配备基于交换 式以太网的高档配电自动化后台系统和大型数据库，用于管理整个城网的配电网。 5 郑州大学工学硕j ：论文 今天，配电自动化的发展趋势是：从各种单项自动化林立，号称为”多岛自动 化”的配电自动化系统，向开放式、一体化和集成化的综合自动化方向发展。同时， 由依靠人们经验的自动化系统，向更加广泛地采用人工智能的智能配电系统发展。 1 3 本文的主要内容 根据目前的配网自动化现状，结合计算机网络 6 】，无线通信，微处理器技术 的发展，本文所设计的配网自动化终端主要有以下几个方面的研究。 ( 1 ) 采用先进的3 2 位微处理器a r m 芯片s 3 c 4 4 b o x 作为配网自动化终端的 c p u 。 ( 2 ) 所设计配网自动化终端具有g s m g p r s 通信功能。 ( 3 ) 所设计配网自动化系终端具有嵌入式操作系( u c i i n u x ) 7 及嵌入式 t c p h p 通信功能，能够直接接入i n t e r n e t 网。 ( 4 ) 所设计配网自动化终端具有三相电力参数采集( 三相电压，三相电流，频 率，现场温度，三相有功、无功，视在功率，以及三相电压、电流的数 字波形等) 功能，开关量采集，8 路a d 转换功能。 ( 5 ) 设计p c 机端后台软件。 3 所设计的配网自动化终端的功能简介 2 所设计的智能化配网终端的功能简介 根据配网自动化的现状及发展趋势，结合当今电子技术、计算机网络技术、 嵌入式系统技术以及g p r s 通信技术的发展，本文提出了一种新型智能化的基于 无线通信、以太网通信的配网自动化终端的设计方案。该终端采用当今先进的3 2 位a r m 技术单片机s 3 c 4 4 b o x 作为c p u ，选用u c i i n u x 嵌入式系统作为操作系 统，带有以太网通信，g p r s ，g s m 通信，u s b 通信，2 3 2 通信以及4 8 5 通信等多 种通信通道，带有脉冲量采集通道，电力参数采集通道( 三相电压，三相电流，频 率，现场温度，三相有功、无功，视在功率，以及三相电压、电流的数字波形1 。 该终端是集配变终端单元和集抄器功能为一体的新型智能化配网终端。 2 1 终端硬件资源介绍 c p u ： 存储系统 通信系统 s 3 c 4 4 b o x r a m n o rf l a s h n a n d 丑a s h g s m g p r s 以太网通信 u s b 通信 2 3 2 通信口 4 8 5 通信口 3 2 m b 8 m b 1 6 m b w a v e c o m q 2 4 0 6 bg s m g p r s 模块 r t l 8 1 0 9 a s 网卡模块 u s b l 1 接口芯片p d i u s b d l 2 脉冲量采集：3 路脉冲量采集通道 电力参数采集：高度集成的三相电力参数采集芯片a d e 7 7 5 8 2 i 1 c p u 本终端的c p u 采用的a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 芯片s 3 c 4 4 b o x t l 9 2 1 。 s 3 c 4 4 b o x 是三星公司生产的a r m 7 内核的s o c ，通过在a r m 7 t d m i 内容基础 上扩展一系列完整的通用外围器件，适合手持式设备和普通嵌入式的应用。集成 片上资源有：8 k b 缓存的2 5 v 静态a r m 7 t c m ic p u 核；扩展内存控制器：带有 1 个专用d m a 通道的l c d 控制器；2 个d m a 通道，1 个带外部请求引脚的d m a 通道：1 个1 2 c 总线控制器；5 个p w m 定时器及1 个内部定时器；看门狗定时器； 7 1 个通用y o 口，8 个外部中断源；8 个1 0 位a d c ；带p l l 的片上时钟发生器， 最高工作频率可达6 6 m h z 。 2 1 2 存储系统 郑卅1 人学_ t 学碗t 论文 本终端r a m 采用的是现代公司生产的4b a n k s 4 m 1 6 b rs d r a m 芯片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 怛“。现在，很多h y1 2 8 m 单面4 片的s d r a m 内存就是用这个芯片 的。n a n df l a s h 采用的是三星公司生产的k 9 f 2 8 0 8 芯片【2 3 1 ，而n o rf l a s h 则采 用的是s s t 3 9 v f 6 4 0 2 t “i 。 在此，有必要说明一下n a n df l a s h 与n o rf l a s h 的区别【2 ”。n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。i n t e l 于1 9 8 8 年首先开发出n o rf l a s h 技术，彻底改变了原先由e p r o m 和e e p r o m 一统天下的局面。紧接着，1 9 8 9 年， 东芝公司发表了n a n df l a s h 结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且像 磁盘一样可以通过接口轻松升级。这两者的主要区别有： ( 1 ) n a n d 的读取速度要比n o r 慢，但是，n a n d 擦除和写入速度要比n o r 快。 ( 2 ) n o rf l a s h 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存 取其内部每一个字节。n a n d 器件使用复杂的i o 口来串行地存取数据，各个产 品或厂商的方法可能各不相同。 ( 3 ) n a n d f l a s h 的单元尺寸几乎是n o r 器件的一半，由于生产过程更为简单， n a n d 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。 ( 4 ) n a n d 的擦除次数远大于n o r 。 基于n a n d 与n o r 型f l a s h 以上四点主要区别，在设计过程中，一般选用 n o r 型f l a s h 来存放代码，而选用n a n d 型f l a s h 作为固态硬盘使用，存放数据。 2 1 3 通信系统 本终端除了具备常规的r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 通信外口“，还引入了先进的无线通讯 g p r s 技术，由于直接利用了移动通汛网络，设备不需另设通信通道，使得本终端 在通信方面的使用费用和维护费用都很低。另外，由于设计中使用了3 2 位a r m 技术c p u ，可以运行操作系统，这样使得以太网通信技术可以简便的被引入进来， 因此，终端还带有以太网通信功能，以太网通信功能主要由高度集成的以太网芯 片r t l 8 0 1 9 a s 实现。考虑到设备软件更新和现场数据的导出等需要近距离通信的 功能，系统设计时，加入了新型近距离通信通道u s b 通信通道。 本终端的g s m g p r s 通信采用的是q 2 4 0 6 b 模块。q 2 4 0 6 b 是w a v e c o m 公 司生产的高度集的工业级模块，其主要特点有：( 1 ) 9 0 0 18 0 0 m h z 双频段，外观尺 寸为：5 8 4 x 3 2 2 x 3 9 m m 。( 2 ) 9 0 0 m h z 频段时，模拟部分工作电压为3 6 v ，功率 为2 w ；1 8 0 0 m h z 频段时，模拟部分工作电压为3 6 v ，功率为1 w 。f 3 ) 数字部分 工作电压为2 ，8 v ，3 vs i m 卡接口，内置实时时钟和电源管理功能。( 4 ) 具有回声 消除及降低噪声功能，内置完整的g s m g p r s 软件协议栈。( 5 ) 完全金属屏蔽，对 邻近的电子元件干扰小。( 6 ) 具有s i m 卡，串口，音频，l c d ，键盘，电源接口。 u s b 通道则采用的是p h i l i p s 公司生产的u s b 接口芯片构成。该芯片是一个具 有集成的s i e ，f i f o 存储器、发送器和电压调整器的高性能u s b l 1 接口芯片，同 时还支持d m a 逻辑传输形式。他通常应用于基于微控制器的系统中，并且可以通 过高速的并行接口和系统中的微处理器进行通信，其中最高并行接口速率可以达 到2m b s ，是一个具有8 位数据总线和一个地址的存储与数据交换设备。 2 1 4 电力参数采集及脉冲量采集 ：堕堡生塑墼坚鱼望些竺堂塑塑壁丝2 c 本文在设计脉冲量采集通道时，是按照9 路来设计的，设计该通道主要是用 来实现集抄器功能的。对于现场来说大部分是智能电度表，对此类电表一般通过 4 8 5 口来进行抄表的，但是，现场仍然存在不少脉冲表，且大都是三块单相电度表， 因此，本终端的脉冲量设计成9 路。由于在实际电路板设计过程中的出现的一个 失误，最终设计将脉冲量改为3 路。 电力参数采集主要是通过a d e 7 7 5 8 芯片实现i 2 ”。a d e 7 7 5 8 芯片是美国 a n a l o g yd e v i c e 公司推出的高精度三相电量测量专用芯片，两个可编程增益放大 器、6 个2 4 位一a d c 、数字积分器、数字滤波器、参考电路、温度传感器、 有效值与功率信号处理模块和一个s p i 接口等组件。a d e 7 7 5 8 可对有功功率、无 功功率、视在功率、电压有效值( r m s ) 和电流r m s 进行计量，并对波形进行采样， 带有对应三个相位的数字功率校准寄存器、相位校准寄存器和失调校准寄存器， 寄存器可以通过串行接口进行调节，并可快速校准外部元器件引起的误差。 a d e 7 7 5 8 在1 0 0 0 ：1 动态范围内的线性误差小于0 1 ，采用5 v 单电源。其模拟前 端带有片内相位补偿电路，能够直接与电流互感器( c t ) 相连。a d e 7 7 5 4 与三线 制和四线制配电系统兼容。a d e 7 7 5 4 还具有空载闽值、电源监控电路、片内温度 传感器、输电线电压周期测量、负功率指示、峰值电压与电流测量和高频校准输 出采用2 4 引脚s o i c 封装。 2 2 终端性能指标 基于以上的硬件资源介绍，本终端具有以下功能： ( 1 )测量三相电压、三相电流、频率、三相有功率、三相无功功率、三相 视在功率以及三相电压、电流的数字波形、现场温度等电力参数。 ( 2 )能够读取现有智能电能表内数据，然后通过通信通道( 主要是g p r s ) 送回监控中心。 ( 3 )现场处理采集的各项电力参数，发现异常通过通信通道返回预警信息 给监控中心。 本终端的适用场合主要有： f 1 1配电自动化 ( 2 )交流电流、电压、功率、频率等电参数的遥测 f 3 )配电网络的故障检测 终端的电气参数： ( 1 ) 工作电源 ( 2 ) 测量电压范围 ( 3 ) 测量电流范围 外配2 2 0 v ，9 v 电源适配器 0 2 6 0 v a c 0 - 5 0 a 3 1 嵌入式系统 3 1 1 嵌入式系统的特点 3 技术基础 嵌入式系统就是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适合 应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗要求的专用计算机系统。在嵌入式 系统中，计算机系统一般作为智能控制部件嵌入到整个应用系统中，是整个系统 的控制中一i i , ，主要用于对系统的信息处理部件和用户交互界面加以控制。系统控制 软件般被固化在嵌入式设备中，设备一般不需要用户重新编程，通过特殊的输 入输出设备与系统进行交互。 软件是个嵌入式系统的灵魂，它具有以下特点： ( 1 )嵌入式软件的研发与硬件紧密相关。由于嵌入式系统软件的开发是针 对具体硬件平台进行的，它往往牵涉硬件驱动方面的一些软硬件结合 部分，这就要求开发人员必须具备相关的硬件知识。 ( 2 )软件代码要求高效率和高可靠性。由于嵌入式系统中软件运行空问有 限，内存空间非常宝贵，在软件的编程过程中必须时刻考虑软件的运 行效率，同时选用高质量的编译工具。在实时系统中，处理器必须严 格处理异步发生的各种任务，这对程序的算法设计提出了更高的要求。 另外，嵌入式系统还应该有异常处理、快速复位等特点。 ( 3 )软件一般固化在f l a s h 或r o m 中。为了提高执行速度和系统可靠性， 同时缩短复位时间，般在嵌入式软件调试好后，会下载固化到设备 的f l a s h 或r o m 中。设备运行时再运行其中的代码，而不是像 p c 机那样从硬盘中读取程序。 3 1 2 目前应用广泛的嵌入式实时操作系统 嵌入式系统是从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有一些i t 组织和公司开始进行 商用嵌入式系统和专用操作系统的研发，到2 0 世纪9 0 年代后，国内的一些公司 和科研院校也开始涉足嵌入式实时操作系统，并且已经- 丌发出一些可与国外产品 一1 0 媲美的实时操作系统。目前比较常用的嵌入式操作系统有： ( 1 ) v x w o r k s 操作系统 v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的嵌入式实 时操作系统。它是美国w i n d r i v e r 公司的产品，以其良好的可靠性和卓越的实时 性被广泛的应用在通信、军事、航空、航天等高精尖及实时性要求极高的领域中。 f 2 ) w i n c e 操作系统 w i n c e 是由微软公司推出的嵌入式实时操作系统，操作系统的基本内核需要 至少2 0 0 k b 。它的最大缺点是实时性不好，是软实时系统，只能用于对实时性要 求不高的场合。 ( 3 ) v r t x 操作系统 v r t x 是老牌嵌入式操作系统，它具有一组满足用户需要的模块化的编程界 面和工具。它的特点包括易于载入定制硬件、文件系统支持及a n s u p o s i x 接口。 v r t x 还支持多种网络协议。 ( 4 ) p s o s 操作系统 这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处于是器设 计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可 靠性。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处 理器系统。 ( 5 ) p a l m o s 操作系统 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操作 系统应用程序接口，开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 f 6 ) d e l t ao s 操作系统 d e l t ao s 操作系统是由具有高可靠性和实时性的内核d e l t a c o r 、嵌入式 t c p i pd e l t a n e t 、嵌入式文件系统d e l t a f i l e 以及嵌入式图形接口d e l t a g u i 组 成。 ( 7 ) 嵌入式l i n u x 操作系统 以上几种实时操作系统都是商用的操作系统，它们在系统可靠性和对用户的 技术支持上都有自己的优势。但是，这些专用操作系统均属于商业化产品，其价 格昂贵；而且，由于很多时候它们的核心源代码都是不公开的，这使得每个系统 上的应用软件与其他系统都无法兼容。l i n u x 系统相对于传统的d o s 系统而言， 功能强大。相对于w i n d o w s 系统，它稳定、开放性好、载剪性好、配茕灵活。再 者，使用嵌入式l i n u x 系统开发的成本低廉。它是免费的操作系统，任何人都可 以从网上下载使用。嵌入式l i n u x 系统还具有安全可靠性方面的优势，它继承了 u n i x 安全可靠的优点，病毒极少。通过调整相关的l i n u x 内核选项或者服务器 配置就可以有效抵御常规的攻击。 1 1 3 技术基础 3 1 3 嵌入式实时l i n u x 操作系统u c l i n u x 简介 u c l i n u x 是当前广泛应用的一种嵌入式l i n u x 操作系统1 8 j ，也是本文所计的配 网自动化终端所选用的操作系统。u c l i n u x 是一个完全符合g n u g p l 公约的项 目，与u n i x 系统兼容，完全开放源代码。英文单词中u 表示m i c r o ，”小”的意 思，c 表示c o n t r 0 1 “控制”的意思，所以