（计算机应用技术专业论文）基于omap的供电安全控制系统的设计与开发.pdf

大：连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国变电站自动化水平的不断提高，变电站的供电安全控制在电网安全运行中 显示了重要作用。本文目的是利用g p r s 技术和嵌入式技术，研究开发基于o m a p 的 供电安全控制系统，实现变电站刀闸的安全操作以及地线的在线监测，保证作业人员和 设备的安全。 变电站的供电安全控制系统是针对变电站。五防”规范化操作，并且应实际需要对 当前变电站安全系统提出的一种改进措施。目前变电站安全系统虽然满足“五防”基本 要求，但系统稳定性不高、占用空间过大、用户操作复杂且通用性也较差，最重要一点 是不能实现远程在线监测功能。本文在充分分析现有系统的基础上，为变电站安全系统 提出了基于o m a p 嵌入式系统的全新解决方案。 处理器技术和网络技术的发展，使得高性能的0 m a p 处理器能够引入电力系统。 o m a p 处理器中a r m 端负责g p r s 网络通信以及人机接口设计，而d s p 端的强大的处 理运算能力将实现电力系统的数据采集和实时任务处理。 本文首先说明了课题产生的原因和国内外研究的情况；介绍了变电站供电安全控制 的原理，然后根据工程的实际需求和嵌入式的发展现状提出了嵌入式的总体解决方案； 此后详细介绍了该系统的软硬件设计。基于o m a p 的供电安全控制系统严格遵照“五 防”要求进行正确操作，将变电站的刀闸信息与所有操作信息将通过g p r s 网络实时传 送到电力系统调度中心与变电所主控室的p c 机上，从而确保了电力系统安全运行。通 过大量实地试验，证明了该终端具备了实时性和对大数据量的处理能力，弥补了过去安 全系统存在的弊病。g p r s 网络技术的引进，提高了整个系统的实时性。也适应了当今 网络化社会的要求。 关键词：o m a p ；在线监测；g p r s 网络 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f s a f ec o n t r o ls y s t e m i np o w e r s u p p l yb a s e d o n 0 d 渔p a b s t r a o t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fa u t o m a t i z a t i o ni nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n , s a f ec o n t r o li np o w e r s u p p l yp l a y sa l li m p o r t a n tr o l eo nt h eo p e r a t i o no fe l e c t r i c i t y u s i n gg p r sa n de m b e d d e d s y s t e m , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs a f ec o n t r o ls y s t e mi np o w e r s u p p l yb a s e do i lo m a p t h es y s t e mr e a l i z e st h ec o r r e c to p e r a t i o no f t h ek n i f ej nt h e t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na n do n l i n ei n s p e c t i o no ft h eg r o u n d i n gw i r e i te u s u r e st h es a f e t yo f t h e p e r s o n n e l t h es a f ec o n t r o ls y s t e mi np o w e rs u p p l yi sa ni m p r o v e dm e a s u r eo ft h eo l dt r a n s f o r m e r s u b s t a t i o nm i s t a k ep r e c a u t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt o “f i v er u l e s ”a n da c t u a lr e q u i r e m e n t a l t h o u 【g i lt h i sk i n do fd e s i g ni ss a t i s f i e dw i t ht h eb a s i cd e m a n do f “f i v er u l e s ”，i th a sp o o r s t a b i l i t y ，i sc o m p l i c a t e di no p e r a t i n g t h em o s ti m p o r t a n tf a c ti st h a tt h eo l ds y s t e mc a nn o t r e a l i z eo n l i n em o n i t o r i n g b a s e do nt h ef u l l ya n a l y s i so fo l ds y s t e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n e n t i r e l yn e ws o l u t i o nw h i c hi sb a s e do no m a pe m b e d d e ds y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o e e s s u rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h eh i g h p o w e r e do m a pp r o c e s s o rt oe l e c t r i cp o w e r t h ea r ms i d eo fo m a p c o n t r o l sg p r sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sa n di n t e r f a c ed e s i g n t h ed s ps i d eo fo m a pw h i c h h a sp o w e r f u lp r o c e s so p e r a t i o na b i l i t yc o n t r o l sg a t h e r i n gd a t aa n dp r o c e s s i n gt h er e a l t i m e t a s k si ne l e c t r i cp o w e r t h i sa r t i c l es h o w st h ep r o d u c i n gr e a s o no ft h et o p i c ，d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h s i t u a t i o n ，i n t r o d u c e st h ed i s t o r t i o nm o n i t o rp r i n c i p l e ，t h e na c c o r d i n gt op r o j e c td e m a n da n d t h es i t u a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m ，g i v e st h eo v e r a l ls o l u t i o n ，t h e ni n t r o d u c e si nd e t a i lt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m t h es a f ec o n t r o ls y s t e mi np o w e rs u p p l yw i l l s e n dt h ei n f o r m a t i o no fk n i f ea n do p e r a t i o n st ot h ep ci nt h em a i nc o n t m lr o o mw i t hg p r s n e t w o r k i tm u s tc o m p l yw i t h “f i v er u l e s ”s t r i c t l yt oe u s u r et h es a f e t yo ft h eo p e r a t i o n i tj s p r o v e dt h a tt h et e r m i n a li sa r e a l - t i m es y s t e ma n dh a st h ea b i l i t yo fp r o c e s s i n gq u a n t i t yo fd a t a i ts o l v e st h ep r o b l e m so fp r e v i o u sm i s t a k ep r e c a u t i o ns y s t e m i tb e c o m e sar e a lt i m es y s t e m w i t hi n t r o d u c i n gg p r sn e t w o r kt e c h n o l o g yi n t ot h et e r m i n a l i tm e e t st h en e e do fn e t w o r k s o c i e t yn o w a d a y s k e yw o r d s ：o m a p ；o n l i n em o n i t o r i n g ；g p r sn e t w o r k 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：垂翻面日期：王型墨：厶2 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 耋麴塑 新虢之殇虹 ! 竺! 年l 月二l 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 电力系统的不断发展和人民生活水平的提高，使得人们对供电质量和可靠性的要求 也越来越高，供电安全越来越受到人们的关注。为了保证变电站电气设备安全、可靠和 经济运行，需要安装继电保护装置，自动装置等【n 。由于电力系统的运行十分强调安全， 电气刀闸操作则成为了重要因素，电气操作要严格遵守“五防”的要求，它是针对运行 人员发生误拉、误合断路器、带负荷拉合隔离开关、带电挂接地线胎- 接地刀闸、带接地 线，接地刀闸送电、误入带电间隔而采取的积极措施，减少误操作。其中地线的操作尤为 重要。变电站装设地线就是将地线直接接在大地上，封锁作业区段，保护作业区段安全。 因为大地的电容非常大，一般情况下可以将大地的电位视为零电位。装设地线的作用包 括：防止工作地点突然来电；释放停电设备的剩余电荷；消除由于邻近线路及雷电引起 的感应电压，使工作地点始终在“低电位”的保护中，从而确保设备及作业人员的人身 安全l z j 。装设地线是电力生产运行过程中经常进行的工作，由于工作环境远，系统调度 员不能及时获取地线装设信息，容易发生操作事故，且后果严重。出现以上事故，轻则 会对电气设备造成冲击、损坏触头或设备，重则会导致电网瓦解，波及整个电网或造成 人身伤亡。因此，电力局调度室对于下属变电所的刀闸和地线的在线监控尤为重要。 1 1 课题的提出及国内外研究现状 电力系统现行的操作票制度和安全操作规程是为了约束电气运行工作人员的操作 行为，减少电气误操作，包括地线误操作。但是在实际操作过程中，部分操作人员往往 按照自己的经验来进行操作，就会导致电力事故的发生。一旦造成后果将十分严重。 为了保证电力设备的安全稳定运行，避免由于变电站运行人员的倒闸操作错误而导 致设备或人身事故的发生i 引，各地变电站普遍应用高新技术，如微机保护与控制系统取 代了常规变电站的电磁式继电保护、测量控制系统，实现了变电站的遥信、遥测、遥控 和遥调，大大提高了电网的供电质量和供电可靠性。 目前，国外主要在5 0 0 k v 变电站中应用采用整机配套防误闭锁系统。厂家在设计变 电设备微机保护的同时就设有防误闭锁装置，因此设备投运后无需用户再考虑。这种变 电配套防误设备一般由外国引进，其技术先进、价格昂贵、适应电压等级高、隔离开关 可远方电动操作，适用于自动化程度高的变电站。国内在主接线复杂的l l o k v 枢纽变电 站和2 2 0 k v 变电站主要采用微机防误闭锁系统。目前使用较多的一种微机保护系统是以 变电站一次模拟屏为核心，在模拟屏工控机内预存了所有设备的倒闸操作程序。操作时 将操作人员模拟预演正确的操作程序传输给电脑钥匙，从而对电气设备进行逐项对应操 基于删 p 的供电安全控制系统的设计与开发 作，组成一个操作、执行、显示、打印全过程的微机防误网络。网络各元件之问直接用 导线连接来替代上述的电脑钥匙操作。总的说来，微机防误系统智能化程度高、功能齐 全、操作简单、维护和扩充方便等特点，适合于主接线控制复杂变电站的防误闭锁微 机保护系统应该是今后变电站防误装置的发展方向。 我国变电站综合自动化的研究工作始于年代中期。随着电力工业的发展以及微 机技术和通信技术的广泛使用【4 l 。我国先后开展了变电站自动化工作，目前各个一次和 二次变电站的保护系统通常主要由主机、模拟屏、电脑钥匙、机械编码锁、电气编码锁 等功能部件组成。现行微机防误闭锁装置闭锁的设备有四类：开关、刀闸、地线( 地线 刀闸) 、遮栏网门( 开关柜门) ，上述设备是通过微机锁具( 电编码锁和机械编码锁) 实现 闭锁的，微机保护的一大特色就是利用基本相同的硬件结构和电路，通过不同的软件原 理，来完成不同的功甜5 1 ，上述设备的操作闭锁规则须由软件实现。但是在现场安装及 用户的使用过程中不断出现了一系列的问题，不仅存在成本高、体积大，不便于安装、 操作和维护等弊端，还大大浪费了主机的资源；采用机械式的防误锁具，故障率高，经 常出现接口卡涩、接触不良从而导致不能丌锁的情况；一次变电站较大的模拟屏系统， 刀闸信号采集点处容易接触不稳定，更新换代代价较高：此外先预演，再传输，然后拿 着操作器到现场进行实际操作，一系列的操作步骤对操作人员来说比较繁琐，不够方便。 近年来随着网络技术的发展，出现了采用无线局域网传输信息的变电站防误系统， 每个变电站组成一个局域网，刀闸状态信息能够实时的传回变电站的主控室，但也是简 单的用无线局域网代替了r s 4 8 5 的有线传输减少了操作人员的工作量，并没有本质上 的达到网络化防误的目的。尽管采用了防误系统，由于变电所地处偏远地区，地线的装 设信息不能正确、及时地通知市内总调度室的系统调度员和生产管理人员，仍然导致误 操作事故的发生。 近年来，随着嵌入式和通信技术的飞速发展，嵌入式设备在工业控制、消费类电子 产品及各种移动设备上以其成本较低、体积小巧和运算能力较高，逐步取代了一些原先 需要由计算机控制的产品。嵌入式控制系统，正是应实际工程需要，并仔细研究和分析 现状，研制具有自主知识产权并尽快推向各电力部门而产生的。本系统是通过对目前市 面上比较常见的嵌入式硬件系统和嵌入式操作系统进行分析、比较和仔细研究。并考虑 到能够移植应用软件至嵌入式系统平台的基础上，最终决定以1 1 公司的o m a p 5 9 1 0 作 为硬件系统的控制核心、m o n t a v i s t al i n u x 作为嵌入式操作系统，在原有软件和驱动锁 具的操作器程序的基础上，设计适合于供电安全控制系统驱动锁具的软件，并将其移植 至成功搭建的嵌入式硬件平台。变电站供电安全控制系统包括两部分，分别是p c 机服 务器和智能防误终端。基于p c 机的服务器端，在保留原软件的图形界面的基础上，增 大连理工大学硕士学位论文 加基于g p r s 无线网络的通信功能，提供和智能防误终端的信息交互，以达到实时显示 系统各个刀闸状态以及地线状态的目的。 1 2 本文主要工作内容 本课题是在较为充分的研究了嵌入式系统硬件平台设计、软件环境和支持软件的基 础上，根据东北电业局安全控制系统的需求而提出的一种解决方案。通过研究现有相关 技术的最新成果，阅读了大量的相关资料和源代码，结合实际的用户需求，提出了一些 行之有效的实现方法。 本文的主要工作内容如下： 研究了3 2 位嵌入式技术的特点、开发流程和选型原则，重点研究了o m a p 处理器 的特性和工作原理，针对应用特点和要求设计智能防误终端系统的整体结构。 以o m a p 系统板为核心，结合f l a s h 、s d r a m ，键盘，显示器，通用帕e l 和多通 道缓冲串口等接口和实验室同学共同搭建了智能防误终端的外围硬件平台。 利用c c s 2 配置d s p b i o s 内核，以及重新编译l i n u x 内核。针对外设，如多通道 缓冲串口，丌发设备驱动程序。 应用软件设计与实现，智能防误终端主要包括存储模块、通讯模块、数据采集、显 示、控制等工作；服务器端主要包括图形界面，以及数据保存等工作。 基于0 9 a p 的供电安全控制系统的设计与开发 2 系统总体方案设计 2 1 嵌入式系统概述 i e e e 对于嵌入式系统的定义是：a ne m b e d d e ds y s t e mi st h ed e v i c e su s e dt oc o n t r o l m o n i t o r , 0 1 a s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t , m a c h i n e r yo tp l a n t s 嵌入式系统是“用于控制、 监视或者辅助操作机器和设备的装置”。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系 统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统【6 j 。它 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部 分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理 器、存储器及外设器件和l 端口、图形控制器等。常见的嵌入式c p u 的内核体系有 x 8 6 ，a r m ，m i p s ，s h 及d s p 等，其中a r m 体系的c p u 应用最为广泛。近年来基于 a r m + d s p 的双核处理器也逐步得到应用，1 1 公司的o m a p 系列处理器就是功能强大 的双核处理器的代表。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用 程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为； 而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般有以下特点：对实时多 任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码 和实时内核心的执行时间减少到最低限度。具有功能很强的存储区保护功能，这是由于 嵌入式系统的软件结构己模块化，而为了避免在软件模块之白j 出现错误的交叉作用，需 要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。可扩展的处理器结构，以能最 迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器必须功耗很低， 尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如 此，如需要功耗只有m w 甚至w 级。 最初，简单嵌入式系统只包括两部分：嵌入式硬件平台、嵌入式应用软件。但随着 嵌入式系统硬件的发展和任务的开益复杂化，嵌入式操作系统正成为嵌入式系统的重要 组成部分。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 第一，嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌 入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集 成度高等特点。能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利 4 一 大连理工大学硕士学位论文 于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强。与网络的耦合也越来越紧密 第二，嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 第三，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞 争力。 第四，嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 第五，为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 第六，嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能 对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配和调度，控制协调等活 动，能够通过装卸模块进行功能配置，体现所在系统的特征。嵌入式操作系统一般具有 体积小、可裁剪、可靠性好等特征，大多数还具有实时性强的特点。常见的嵌入式操作 系统有w i n d o w sc e ，v x w o r k s ，p s o s ，嵌入式l i n u x ，e p o c ，p c o s 1 1 等 7 1 。 近年来，嵌入式l i n u x 的随着l i n u x 的成长得到广泛应用，由于l i n u x 是一个成熟 而稳定的网络操作系统，将它用于嵌入式设备具有众多的优点。嵌入式l i n u x 不但有嵌 入式操作系统所具有的通用特点，还有它所特有的优点：嵌入式l i n u x 的源代码是开放 的，任何人都可以获取并修改，用之开发自己的产品【引。嵌入式l i n u x 支持多种体系结 构，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、u p h a 、s p a r c 等，几乎支持所有流行的c p u ， 可以很方便地进行移植，同时l i n u x 支持大量的周边硬件设备，具有丰富的驱动，这些 都可以极大地缩短开发时间。嵌入式l i n u x 的高度模块化，使得可以很容易对其进行定 制、裁剪以适合具体的应用环境，同时使系统更为小型化，从而降低对存储器等硬件的 要求。嵌入式l i n u x 和l i n u x 一样内核高度稳定、功能强大，几乎支持所有标准设备， 包括串口、并口、网络接口、u s b 、a t a 、s c s i 、c f c a r d 、l c d 、k e y b o a r d 、蓝牙、 g m s 、c d m a 、摄像头等接口和设备，对网络的强大支持使其非常适合网络化应用。嵌 入式l i n u x 上应用程序的开发与在u n u xp c 机上开发基本是一样的，非常容易掌握，同 时，嵌入式l i n u x 和l i n u x 样具有强大的技术支持，因为它的背后是分布在世界各地 成千上万的软件高手，几乎任何一个问题都能够在互联网上得到及时有效的答案，因此 可大大地缩短开发时间。 基于0 t l a p 的供电安全控制系统的设计与开发 因此可以说，嵌入式l i n u x 是嵌入式操作系统的首选。嵌入式l i n u x 的众多优点使 它在嵌入式领域获得了广泛的应用，并出现了数量可观的嵌入式l i n u x 操作系统，包括 r t l i n u x ( 实时l i n u x ) 、u c l l n u x ( 用于非m m u 设备的l i n u x ) 、a r m l i n u x ( 删上的 l i n u x ) 、e t l i n l l x ( 用于在小型工业计算机) 、m o n t a v i s t a l i n u x ( 用于a r m 、m i p s 、p p c 的 l i n u x 分发版) 和其它l i n u x 系统。 m o n t a v i s t a l i n u x 是m o n t a v i s t a 软件公司于1 9 9 9 年推出的，它是目前全球最优秀的 嵌入式l i n u x 操作系统和工具供应商，m o n t a v i s t a 在嵌入式l i n u x 的实时性、交叉开发 工具、高可用性、动态电源管理等l i n u x 技术要点方面具有世界领先地位。 2 2 系统硬件的总体方案设计 目前变电站安全系统主要由三部分组成，分别为模拟操作板采集子系统、计算机子 系统和防误操作器子系统。系统结构如图2 1 所示。 图2 1 系统结构图 f i g 2 1s y s t e ma r c h i l e c t u r e 根据现场实际情况，前置级采用十六选一的多路选择器选通每条线路上的各个测试 点状态，它采用循检的方式监视刀闸状态，并可将任意刀闸的变化立即发送到4 8 5 总线 进而传至上位机。该模块采用r s 2 3 2 转r s 4 8 5 通信转换芯片加强与主机通信的可靠性。 考虑到系统连续工作的稳定性，选用工控机作为主机。防误软件中预先编写了变电 站电气系统接线模拟图和所有设备的操作规则，检查和记录正确操作，并在错误操作时 报警，修正错误之前禁止用户的其他操作。主机与模拟板采集卡及智能操作器之间均采 用了r s 4 8 5 总线式半双工通信模式。 首先操作器从计算机串口接收模拟操作校验正确的操作序列，然后操作人员按操作 器显示的顺序操作相应线路上的相应刀闸。只有当操作器上显示的线路、刀闸号编码和 实际线路上防误锁具的线路及刀闸编码一致时，防误锁才解锁，操作人员才能操纵刀闸。 如上文介绍，变电站安全系统出现了一系列的问题，给用户的操作带来了很大的不 便，本人通过充分研究和调查目前嵌入式系统的发展状况，了解到嵌入式设备在工业控 6 大连理工大学硕士学位论文 制、消费类电子产品及各种设备上以其成本较低、体积小巧和运算能力较高的特点，逐 步取代了一些原先需要由计算机控制的产品。供电安全控制系统，正是基于变电站保护 系统提高稳定性、使用方便、安装和维护简单、降低成本等因素，为变电站提出的一种 改进措施。该系统包括两部分分别是p c 机服务器和智能防误终端。 变电站的日常停送电操作在整个变电站范围内的户内或户外进行，户内主控室设置 一台p c 机作为服务器实时监测并显示现场刀闸等设备的状态( 分合) ，智能防误终端是 整个系统的核心，负责系统的防误和驱动锁具的操作，操作人员将要操作的线路号、刀 闸号和要进行的操作( 分，合) 输入智能防误终端，终端对将要进行的操作进行规则判断， 如果正确，则对户内或户外的现场刀闸等设备进行实际操作，并将该操作通过g p r s 无 线网络传送至服务器以实时显示当前设备状态。供电安全控制系统的结构如图2 2 所示 图2 2 系统结构图 f i g 2 2s y s t e ma r c h i t e c t u r e p c 机服务器位于变电所主控室和电力系统调度中心，实时显示各线路刀闸和地线 的状态。利用p c 机作为服务器端运行应用程序，应用程序采用v c + + 6 0 开发，保留了 原防误软件的图形显示界面部分，添加了基于g p r s 网络通讯功能，实现与智能防误终 端的信息交互。主要功能是：保存变电站所有刀闸等设备的状态信息：通过g p r s 网络 为智能防误终端提供变电站内所有刀闸、地线等设备的初始化状态信息：接收智能防误 终端操作的刀闸和地线等设备的状态信息，并实时显示该刀闸和地线的最新状态。 基于嘶p 的供电安全控制系统的设计与开发 根据系统的功能需求，以及现在市场上的成熟技术，采用“o m a p 硬件平台+ 嵌入 式操作系统+ 应用层软件”的系统架构来设计智能防误终端。智能防误终端是综合了原 一次变电站保护系统中的模拟盘子系统和防误操作器子系统而提出的一种改进措施。它 以1 r i 公司的o m a p 芯片为系统硬件控制核心，采用m o n t a v i s t al i n u x 作为嵌入式操作 系统，配备有3 2 0 2 4 0 的灰度呵l c d 显示屏和按键，可以为用户提供一个友好且易 操作的人机交互界面，同时扩展出u a r t 接口并通过g p r s 模块接入g p r s 网络，实现 和服务器的信息交互。智能防误终端功能上主要由以下几个模块组成：控制处理模块、 输入输出模块、存储模块、锁具驱动模块、通讯模块和调试接口模块，如图2 3 所示。 图2 3 终端模块框图 f i g 2 3 s t r u c t u r eo ft e l m i n a l 控制处理模块主要由基于o m a p 的a r m 9 2 6 t 内核的1 6 ，3 2 位r i s c 嵌入式微处理 器构成，根据应用针对此控制芯片定制并移植l i n u x 作为嵌入式操作系统，实现对整个 系统的管理与控制。 输入输出模块主要由分辨率为2 4 0 x 3 2 0 的灰度s t nl c d 显示屏和6 个按键组成， 为用户提供操作界面，并能够响应用户的按键请求。 存储模块模块主要由3 2 m b 的r a m 和3 2 m b 的f l a s h 组成，r a m 用来存储程序 运行时的临时命令和数据，f l a s h 用来存储l i n u x 文件系统、应用程序及数据等。 锁具驱动模块主要由基于o m a p 的d s p 端的音频编解码芯片进行数据采集和状态 采集。根据地线管理的需要，采集部分需要采集两种信号，即开关量信号和模拟量信号。 其中开关量信号表示地线装设状态，模拟量信号表示地线上通过的电流。该模块通过响 应用户的按键命令，调用相应的设备驱动控制微处理器的i o 引脚，并经过放大电路产 生驱动信号驱动相应刀闸的锁具，从而达到丌锁的目的。 通讯模块采用深圳宏电公司生产的h 7 1 1 8g p r sd t u 。该模块采用r s 2 3 2 接口对 8 一 大连理工大学硕士学位论文 数据进行透明传输，适用于使用环境恶劣的各种工业监控、交通管理、气象等应用。h 7 1 1 8 g p r sd t u 是基于移动通信网络，针对工业监控、交通管理、金融等行业的数据通信的 应用开发的。与数据中心的接口设备一起提供透明数据传输通道，组成用户专用数据网 络。该模块是智能防误终端和服务器通讯的主要手段。 调试接口模块主要包括j t a g 接口，d s p 程序通过盯a g ，在c c s 2 开发环境下可 以进行单步调试，并且可以使用丰富的调试工具，如：c p u 负载图，进程调度图，星座 眼，探针点等工具。如果是在l i n u x 下，可以通过g d b 工具进行单步调试a r m 端的控 制程序。 2 3 系统软件的总体方案设计 2 3 1 嵌入式系统应用程序简介 o m a p 嵌入式系统应用程序包括运行于a r m 端的g p p 客户应用程序和运行于d s p 端的d s p 程序。g p p 程序是基于l i n u x 操作系统之上的应用程序，主要完成从d s p 取 得数据、存储数据、向网络、串口发送数据等任务。d s p 程序是基于d s p b i o s 实时内 核的数字信号处理程序，主要完成i o 接口取得现场锁具及地线的a d 转换结果数据， 进行滤波，向g p p 发送数据。g p p 任务和d s p 任务通信通过d s p b i o s 桥进行。 o m a p 嵌入式系统应用程序的开发将在第五章详细阐述。 2 3 2 人机界面程序 人机界面程序是按键显示器模块的程序。其功能是实现在l c d 上显示菜单和操作 过程，接收按键控制命令，实现人机交互功能。 人机界面程序功能模块包括键盘中断模块、显示菜单模块、显示信息模块几部分。 程序设计框图如图2 4 所示。 2 3 3p c 服务器端程序 p c 服务器包括现场通过网线直接连接p c 机、局域网连接p c 机和通过g p r s 或 i s d n 连接到互联网上的任意一台p c 机。p c 服务器处理任务包括数据接收处理及其显 示、存储等功能。实现p c 端存储显示程序的方法是通过网络编程直接实现。这种方法 既适用于l i n u x ，也适用于被用户广泛接受使用的w i n d o w s 。因此，提供这种方法是必 须的。由于本系统网络连接是基于t c p i p 数据流的连接，实现网络编程的基础是t c p s o c k e t 套接字编程，具体来说，p c 端属于服务器端，其s o c k e t 通信过程如图2 5 所示。对于p c 端控制智能防误端的命令，建立连接后由w r i t e 0 函数( w i n d o w s ) 或 s e n d0 函数( l i n u x ) 发送；并使用r e a d ( ) 函数( w i n d o w s ) 或r e c v ( ) 函数( l i n u x ) 接收 9 基于0 m a p 的供电安全控制系统的设计与开发 数据 9 1 ，然后判断接收到的是信息还是数据，对数据进行处理后，分别调用相应函数显 示在屏幕的信息区。通过g p r s 或i s d n 连接的情况，p c 端程序只能通过网络编程实 现。实现方法只是需要接收到数据后再进行处理和显示，其实先作为远程模块封装在 p c 端程序中 图2 4 人机界面模块程序设计框图 f i g 2 4 a r c h i t e c t u r eo fi n t e r f a c e 2 4 通信方式的选择 无线通信方式有很多种，本文在这里仅对三种最常用的c d m a ，g s m ，g p r s 三种 方式进行比较，并做出最终的选择。 c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d cd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，它是在数字技术的分 支扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。c d m a 技术的原理是基 于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的 高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收 端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数 据的窄带信号即解扩，以实现信息通信i l o j 。 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 客户机 s o c k e t 0 c o n n e c t 0 w r i t e o w e g - k n o w np o r t 服务器 b l o c k su n t i ic o n n e c t i o n c o n n e c t i o ne s t a b l i s h m e n tr e c e i v e df r o mc l i e n t ( 3 - w a yh a n d s h a k e ) 一i 通过三次握手建立连接 d a t a ( r e q u e 蛐 r e a d o 工 c l o s e o 请求 d a t af r e p l y ) r e a d 0 p r o c e s sm q u e 曩 应答 e n d o f - f i l en o t n c a t i o n w r i t e ( ) r e a d o l 些! ! 1 2 图2 5t c p 客户一服务器通信模型 f i g 2 5 m o d e lc h a r lo ft c pc o m m u n i c a t i o n c d m a 是扩频通信的一种，它抗干扰能力强。这是扩频通信的基本特点，是所有通 信方式无法比拟的。同时采用宽带传输，抗衰落能力强，在信道中传输的有用信号的功 率比干扰信号的功率低得多，因此信号好像隐蔽在噪声中；即功率谱密度比较低，有利 于信号隐蔽。它利用扩频码的相关性来获取用户的信息，抗截获的能力强。它可以实现 多个用户同时接收，同时发送。 但是c d m a 仍存在一些问题。首先，在小区的规划问题上，虽然c d m a 无需频率 基于伽 p 的供电安全控制系统的设计与开发 规划，但它的小区规划却并非十分容易。由于所有的基站都使用同一个频率，相互之间 是存在干扰的，如果小区规划做得不好，将直接影响话音质量和使系统容量打折扣，因 而在进行站距、天线高度等方面的设计时应当小心谨慎。其次，在标准的问题上，c d m a 的标准并不十分完善。许多标准都仍在研究制定之中。最后，由于功率控制的误差所导 致的系统容量的减少。 g s m 全名为：g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，中文为全球移动通讯系统， 俗称“全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其 开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能 行遍全球。目前，中国移动、中国联通各拥有一个g s m 网，为世界最大的移动通信网 络。g s m 系统包括o s m9 0 0 ：9 0 0 m h z 、g s m l 8 0 0 ：1 8 0 0 m h z 及g s m 1 9 0 0 ：1 9 0 0 m h z 等几个频段。g s m 系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源 丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。 g s m 有以下技术特点：由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编 码技术，使系统具有高频谱效率。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用比要求降低 至9 d b ，故g s m 系统的同频复用模式可以缩小到4 1 2 或3 9 甚至更小。鉴于数字传输 技术的特点以及g s m 规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以上时，话音 质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。g s m 标准所提供的丌放性接口，不 仅限于空中接口。通过鉴权、加密和t m s i 号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验 证用户的入网权利。加密用于空中接口，由s i m 卡和网络a u c 的密钥决定。1 m s i 是 一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。与 i s d n 、p s t n 等其他网络的互连通常利用现有的接口，如i s u p 或t u p 等。 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，它突破了g s m 网 只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部 分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相 当可观。g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是一种以全球手机系统( g s m ) 为基础的数据 传输技术，可说是g s m 的延续。g p r s 和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包 ( p a c k e t ) 式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整 个频道，理论上较为便宜。 g p r s 的传输速率可提升至5 6 甚至1 1 4 k b p s 。因为不再需要现行无线应用所需要的 中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。因此，使用者既可联机上网，参加视讯 会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上( 埘) 的使用者，甚至可以无需通过拨号上 网，而持续与网络连接。 大连理工大学硕士学位论文 相对于g s m 的9 6 k b p s 的访问速度而言，g p r s 拥有1 7 1 2 k b p s 的访问速度；在连 接建立时间方面，g s m 需要1 0 - 3 0 秒，而g p r s 只需要极短的时间就可以访问到相关请 求；而对于费用而言，g s m 是按连接时间计费的，而g p r s 只需要按数据流量计费； g p r s 对于网络资源的利用率而相对远远高于g s m 一 g p r s 通用无线分组业务，是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到 端的、广域的无线口连接。通俗地讲，g p r s 是一项高速数据处理的技术，方法是以“分 组”的形式传送资料到用户手上。它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把 空中接口上的t d m a 帧中的8 个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达 1 6 4 k b p s “】。g s m 空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被g p r s 数据业务占 用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为g p r s 专用信道。要实现g p r s 网络，需要在传统的g s m 网络中引入新的网络接口和通信协议。 基于以上的比较，本系统采用g p r s 方式进行数据传输。g p