ARM嵌入式系统在GIS在线监测中的应用.

1、ARM 嵌入式系统在 GIS 在线监测中的应用摘要：为满足 IEC61850 标准对变电站自动化系统及智能设备提出的互操作性、 实时性和稳定性要求，将 32b 处理器 ARM(advancedRISCmachine 及嵌入式操作 系统uCIinux 引入封闭式组合电器(GIS)的在线监测领域。根据 GIS 在线监测的 需要，设计了以太网通信和 CAN(controllerareanetwork) 总线通信的硬件电路 及软件。应用测试结果表明：基于 ARM 和 uCIinux 中 TCP/IP 协议栈的以太网通 信，可以实现 GIS 在线监测系统的互操作性，并保证在通信功能上的长期 摘 要：为满

2、足 IEC61850 标准对变电站自动化系统及智能设备提出的互操作 性、实时性和稳定性要求，将 32b 处理器 ARM (advaneed RISC machine)及嵌 入式操作系统 uCIinux 引入封闭式组合电器(GIS) 的在线监测领域。根据 GIS 在线监测的需要，设计了以太网通信和CAN(controIIer area network) 总线 通信的硬件电路及软件。应用测试结果表明：基于ARM 和 uCIinux 中 TCP/P协议栈的以太网通信，可以实现 GIS 在线监测系统的互操作性，并保证在通信 功能上的长期稳定性；以 ARM 为核心的嵌入式系统硬件，可以保证监测装置的 稳

3、定性、实时性和可扩充性。 故基于 ARM 和 uCIinux 的 GIS 在线监测系统可 以满足 IEC61850 标准对互操作性、稳定性和实时性的要求。 关键词： 断路器；在线监测系统；嵌入式系统；互操作性引言GIS (gas insuIated switchgear) 是输配电和变电领域有着 广泛和重要应用的电力设备。GIS 的封闭性结构加大了运行维护的难度，其故 障隐患更难发现，可能造成的损失会更大。为了能够实时地、准确地了解 GIS 运行状态，及时发现和消除故障隐患，对 GIS 实行在线监测就显得尤为重要。为了规范电力行业自动化系统发展，国际电工委员会提出IEC61850 标准，它针对

4、变电站自动化系统及智能设备提出了互操作性和稳定性 的要求。互操作性是指在两个或两个以上的系统之间可以直接、有效地共用数 据和信息。另外，该体系还要求自动化系统在通信功能上具备长期稳定性，可 在较长时间内适应通信技术的快速发展。鉴于 IEC61850 体系对变电站自动化系统提出的确要求，本 文对国内主要几种变电站在线监测系统进行了研究。在现有在线监测系统中， 通常采用现场总线 CAN (controIIer area network) 作为系统的主通信方式， 装置中多采用 16 位单片机为核心。该模式在运行中已显示出局限性，例如 CAN 作为主通信方式限制了本系统与其他系统进行深层次的互操作 ;

5、 其次，芯片对 外接口相对单一，难以保证系统功能的自由配置， 局部功能调整往往要影响到 整个系统。 研究表明， 在 ARM (advancedRISC machine) 上运行的嵌入式操作 系统 uCIinux 实现以太网通信，能够保证 GIS 在线监测系统的互操作性和在通信功能上的长期稳定性，故将 ARM 嵌入式系统引入 GIS 在线监测研究领域。基于 ARM 的嵌入式系统ARM 采用先进微控制器总线结构 AMBA （adva needmicrocontroller bus architecture）的模块 化设计，具有综合、快速和高性能价格比的优点。在 ARM 处理器中具备 ICE-RT

6、功能单元，通过它可以在代码 的任何部分，甚至于在 ROM 中设置断点，这就降低了装置调试难度，为装置的 稳定性奠定了基础。在 ARM 处理器中，采用 32b 定长指令和三段流水线指令操作（ 如图 1 所示 ） ，指令执行分为 3 个阶段：取指、译码和执行。流水线允许几 个操作同时进行，在执行第 1 条指令期间，第 2 条指令开始译码，同时第 3 条 指令从存储器中被取出，故取指、译码和执行 3 部分可以同时进行，这就保证 了处理器的高速处理性能。图 1 三段流水线操作微控制器性能的提高，为操作系统的引入奠定了基础。传统 的嵌入式系统一般不用操作系统，故操作系统的引入就为嵌入式系统赋予新的 内涵

7、，也成为区别于传统嵌入式系统的一个明显特征。嵌入式操作系统将替代 传统的由手工编制的监控程序或调度程序，成为重要的基础组件，使程序员只 需面向操作系统进行应用程序的开发。嵌入式操作系统正在转变成为ARM 应用软件的基础。系统在 GIS 在线监测上的应用基于 ARM 嵌入式系统，GIS 在线监测装置的设计主要包括装 置的内部框架、硬件配置和软件配置等。基于 IEC61850 标准的变电站自动化 系统（如图2 所示） 具有一个显著的特点：在自动化系统中，层与层之间都采 取以太网通信的方式 （基于 TCP/IP） ，取代了传统系统中的各种现场总线通信 方式（如 Lon works，CAN 以及 RS

8、-485 等）。图 2 在线监测系统框图基于 ARM 嵌入式系统的硬件框架采用 ARM 嵌入式系统之后，硬件电路原理图（如图 3 所示）按照功能主要分为以下几个模块：1）ARMCPU 莫块该部分电路是嵌入式系统的核心，本系统采用 AT91M0800，它基于 ARM7TDM 内核，其专门为工业控制而制造，各项指标 均能达到工业级别。2）CPLD 扩展电路该电路的主要功能是对 CPU 芯片的外围功能进行扩充。对于 功能要求比较复杂的电路，一般都采用 CPU+CPL 的模式，采用该模式的原因 主要有两个方面： a) CPU 作为系统的核心，无法、也没有必要满足所有用户的 具体功能要求，只需给用户以标

9、准的外部总线接口 EB I (external bus interface) 即可，让用户根据自己的需要进行必要的功能扩展； b) CPLD 用在 电路设计中有以下几点优势：可方便地实现地址译码；编程方式简便，可方便 地通过软件编程实现各种逻辑器件的功能 ; 时钟延迟可达纳秒级，特别适合在线监测领域的应用，具有高可靠性。3) 闪存 FLASH 莫块闪存芯片在系统断电之后，能够永久保存系统进行重新启动所需的原始软件设置和数据。本文选用 ATME 公司生产的 AT49BV1614 闪存芯 片，该芯片容量为 2MB 芯片上存储嵌入式操作系统 uCIinux 内核、系统启动 程序以及用户程序等。图 3

10、 基于 ARM 的嵌入式系统原理图4) 现场总线 CAN 接口电路这部分电路是用于装置内部主板与其他数据采集板之间的通信。CAN 的通讯速度可以高达 1Mb/s (距离在 40m 以内)；CAN 对通信介质没 有苛刻的限制，可以为双绞线、 同轴电缆 或者光纤等，比较灵活；其中，最重 要的是 CAN通信具有很高的稳定性和性价比，所以在装置的内部采用CAN 实现主板与辅板之间的通信是工业控制装置中最流行的方法。CAN 总线作为 ARM 的外围电路， 采用了双 CAN 模式， 这在快速通信的基础上增强了装置内部通信的 稳定性。装置中CAN总线通信电路如图4所示， SJA1000为工业级的CAN通信

11、控制器， 82C250是 CAN 总线驱动器，其中 4 个光耦是用于光电隔离，以达到 减小通信干扰，同时可以实现通信板的带电插拔。图 4 双 CAN 通信接口电路5) 以太网模块电路中采用 CS8900AT业级以太网芯片，可以达到 10Mb/s 的网络速度，在线监测装置通过这部分接口电路与系统的高层 (如上位机等 ) 和 其他监测装置进行数据的传输共享，实现互操作。基于 ARM 嵌入式系统的软件框架系统的软件主要包括 3 方面： uCbootIoader 、 uCIinux 和应 用软件。 uCbootIoader 用于硬件系统初始化， uCIinux 是嵌入式操作系统，而 应用程序是用户根据

12、具体要求开发出来实现特定功能的程序模块。硬件系统上 电后，运行uCbootIoader 对硬件系统配置进行初始化，将检测到的硬件转交 给操作系统，由它进行统一支配 ; 用户程序是建立在 uCIinux 之上，并由它负 责引导启动。1) 嵌入式操作系统 uCIinux本装置选用 uCIinux 作为嵌入式操作系统主要考虑到以下几个因素：a) 选用的 AT9M40800 没有内存管理单元；b) 对 Linux- X 裁剪得到的 uClinux 内核很小 ( 约 900 kB) ，但仍保留了 Linux 系统的稳定性、强大的网络功能和出色的文件系统等 优点；c) uClinux 拥有一个完整的 TC

13、P/IP 协议栈，使 GIS 监测装 置能够实现标准的以太网通信功能。考虑到系统的实时性要求，本系统采用内核加载方式，将内核的压缩文件放在FLASH 上，系统启动时读取压缩文件在内存中解压，然后运行。2) 用户程序本嵌入式系统中的所有应用程序是采用标准 C 语言编写， 编译的过程是在 Linux 系统下建立的交叉编译器中进行。根据嵌入式系统要实 现的功能，应用程序主要分为以下几部分：以太网通信、CAN 总线通信和串口通信程序等。下面仔细讨论一下以太网通信和CAN 总线的通信：a) 以太网通信TCP/IP 协议是一种成熟的、广泛使用的高层网络协议，因为 它具有良好的开放性，在变电站通信系统中广泛

14、采用。基于 TCP/IP 的通信程 序主要有两部分：服务器和客户端。服务器和客户端可以运行于上位机与监测 装置上，用于收集数据，并发送相应的网络报文。以客户端程序为例，客户端 程序主要包括以下功能环节：建立 socket 套接字、向 server 请求连接、封装 数据、接收数据和发送数据，最后释放套接字，如下面的程序片断所示。main ( int argc ， char 3 argv ) .sockfd= socket (A F- IN ET ， SOCKS-TREAM， 0) ;send (sockfd ， buf ,M AXDA TA S IZE， 0) ;recv (sockfd ， b

15、uf,MAXDA TA S IZE， 0) ;clo se (sockfd) ;b) CAN 总线通信CAN 总线通信软件主要由初始化程序、发送程序和接收程序3 部分组成。初始化程序设置 CAN 空制器中的各个寄存器，包括模式寄存器、 时分connect (sockfd， &their- addr， sizeof (st ructsockaddr) ) ;寄存器和输出控制器等。由于这些寄存器只能在复位期间设置，故必须在 通信开始之前就对 CAN 控制器进行初始化。CAN 发送程序主要是将要发送的信 息帧送到发送缓冲区中去，再启动发送命令即可 (如图 5 所示)； 接收程序与发送

16、程序类似，只需要将数据从接收缓冲区中取出即可。在设计 CAN 通信模式的时候，米用多主的通信方式，即 CAN 总线上每个节点都可以任意地向其他节点发送和接收报文，每个节点上的通信 程序具有相似性，故只要把一个节点的通信程序调通后，其他的节点上的通信 程序可以仿效之。图 5 CAN 总线发送程序流程图系统应用测试1) 系统的互操作性在 GIS 监测装置中建立设备状态数据库，开设服务器和客户 端，并实时地更新数据库的状态值。然后启动 GIS 在线监测系统，在系统运行 中进行互操作性测试，测试得出： a) 以太网的数据传送速度可以达到 10Mb/s；b) 监测系统的上位机能够通过以太网对监测装置发送请求和接收数 据，实现上位机与监测装置之间的数据共享，即互操作； c) 两台或多台监测装 置之间能够通过以太网进行通信，实现必要的数据交换。2) 监测装置的稳定性根据 IEC1000 标准推荐，米用 4 级试验等级对 GIS 监测装 置进行稳定性的测试。试验内容主要包括工频磁场、高频干扰、静电放电干扰 和浪涌干扰等 9 项测试，测试结果表明监测装置存在部分电磁兼容设计缺陷。 但是，经过装置结构局部调整之后，可以达到 IEC1000 的 4 级标准；另外，对 装置进行了温度特性测试、机械特性测试和稳定性测试，试验结果表明， GIS 监测装置能够达到电力系统二次设备稳定性的