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《電氣應(yīng)用雜志》2014年第十二期

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.模擬信號(hào)量的測(cè)量模塊系統(tǒng)采集的模擬信號(hào)有:合分閘線圈電流信號(hào)、一次電流信號(hào)、合分閘控制電源電壓、儲(chǔ)能電機(jī)電壓、交流控制電源電壓、振動(dòng)信號(hào)和行程信號(hào)，測(cè)量模塊如下。(1)合分閘線圈電流信號(hào)的測(cè)量本文選用霍爾電流傳感器，既可以測(cè)量交流電流，又可以測(cè)量直流電流的KT10A，接線圖如圖2所示。(2)一次電流信號(hào)的測(cè)量主回路相電流是交流信號(hào)，直接從電流互感器輸入，經(jīng)霍爾電流傳感器KT100A將其變換成弱電信號(hào)。接線圖可將圖2中霍爾傳感器型號(hào)改為KT100A。(3)各種電壓信號(hào)的測(cè)量合分閘控制電源電壓、儲(chǔ)能電機(jī)電壓和交流控制電源電壓均用霍爾電壓傳感器KV25A/P。(4)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量本設(shè)計(jì)采用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)信號(hào)。2.開(kāi)關(guān)量的測(cè)量模塊系統(tǒng)采集的開(kāi)關(guān)量有:斷路器的輔助節(jié)點(diǎn)，隔離開(kāi)關(guān)輔助節(jié)點(diǎn)的位置，小車的位置，儲(chǔ)能系統(tǒng)的狀態(tài)。本設(shè)計(jì)選用光耦隔離。3.調(diào)理電路模塊從傳感器得到的信號(hào)除了50Hz的工頻電壓信號(hào)，還可能參雜有高頻信號(hào)，因此設(shè)計(jì)低通濾波電路來(lái)抑制外部高頻信號(hào)的干擾。本文采用二階Sallen-Key低通濾波器，如圖3所示。4.A－D轉(zhuǎn)換模塊本文的A－D轉(zhuǎn)換模塊采用外擴(kuò)的14位A－D芯片MAX125。MAX125每次采集可以有4個(gè)通道被同時(shí)采樣。各通道相互獨(dú)立，因此任一個(gè)通道的故障不會(huì)影響其他通道的運(yùn)行。MAX125工作時(shí)序圖如圖4所示。地址寫入之后，采樣方式即被確定，A－D就開(kāi)始采樣和轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)，這些操作通過(guò)外部的CONVST信號(hào)的上升沿來(lái)啟動(dòng)。采樣/保持器在上升沿到來(lái)之前跟蹤輸入信號(hào);在CONVST的上升沿保持輸入電壓，輸入信號(hào)被采樣，各通道的轉(zhuǎn)換開(kāi)始依次連續(xù)地進(jìn)行［9］。在轉(zhuǎn)換完成之前，所有輸入的CONVST信號(hào)都將被忽略。當(dāng)最后一個(gè)通道轉(zhuǎn)換完畢后，INT信號(hào)產(chǎn)生，其下降沿標(biāo)志著轉(zhuǎn)換過(guò)程的結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在14位×4的RAM中。INT信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶螅蓸?保持器就返回到跟蹤狀態(tài)，為下一次采樣作準(zhǔn)備。在讀數(shù)據(jù)的過(guò)程中，第1次的讀操作使INT信號(hào)變高。在讀取轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量時(shí)，CS、RD這2個(gè)信號(hào)需要同時(shí)為低電平，每一個(gè)RD信號(hào)對(duì)應(yīng)著一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，4個(gè)連續(xù)的讀脈沖可依次從數(shù)據(jù)總線讀取4個(gè)通道的數(shù)據(jù)。5.外設(shè)功能模塊除了上述模塊之外系統(tǒng)還設(shè)置了外設(shè)功能模塊。主控制器在讀取所測(cè)數(shù)據(jù)之后，為了防止掉電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，選擇內(nèi)部SDRAM存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，將所得電參量數(shù)據(jù)輸出到LCD上進(jìn)行顯示。為了確保系統(tǒng)的正常工作，需要提供系統(tǒng)電源。

二、嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用外擴(kuò)的ADC完成數(shù)據(jù)的采集，基于Socket的以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的通信。需要完成A－D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)移植、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序的移植和Socket通信程序的設(shè)計(jì)移植。1.Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境的構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，所以需要建立開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成以下內(nèi)容:①建立交叉編譯環(huán)境。②建立內(nèi)核環(huán)境。③建立應(yīng)用程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。④ARM板上安裝Linux系統(tǒng)。2.A－D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)移植圖5為A－D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序的原理圖，Linux在內(nèi)核態(tài)下與硬件通信完成數(shù)據(jù)采集，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳遞給用戶態(tài)下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。采集的數(shù)據(jù)量包括電流、電壓和振動(dòng)等模擬量。本設(shè)計(jì)采用外擴(kuò)ADC芯片方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，當(dāng)A－D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生A－D中斷，在中斷服務(wù)程序中來(lái)讀取。3.通信協(xié)議本監(jiān)測(cè)裝置采用的通信規(guī)約完全遵循國(guó)標(biāo)《遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)第5部分傳輸規(guī)約第101篇基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)》。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)中主站和子站(遠(yuǎn)動(dòng)終端)之間以問(wèn)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷健㈡溌穼拥膫鬏斠?guī)則、服務(wù)原語(yǔ)、應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用數(shù)據(jù)編碼、應(yīng)用功能和報(bào)文格式。4.Socket通信程序設(shè)計(jì)移植本設(shè)計(jì)采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)上層通信模塊，通過(guò)調(diào)用Socket函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，包括數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)的校驗(yàn)等［10，11］。Socket［12-15］用于描述IP地址和端口，應(yīng)用程序通常通過(guò)Socket向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。服務(wù)器使用Socket監(jiān)聽(tīng)指定的端口，等待客戶連接請(qǐng)求，客戶連接后會(huì)話產(chǎn)生，會(huì)話完成后關(guān)閉連接。客戶端使用Socket指定服務(wù)器的端口發(fā)出連接請(qǐng)求，成功后打開(kāi)會(huì)話，會(huì)話完成后關(guān)閉Socket。因此，通過(guò)Socket接口實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和客戶端互相發(fā)送數(shù)據(jù)，雙方數(shù)據(jù)傳輸遵循數(shù)據(jù)交互的通信格式及發(fā)送和接收的順序。核心板內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的SDRAM存儲(chǔ)器就相當(dāng)于Socket的服務(wù)器端，包含Socket監(jiān)聽(tīng)和Sock-et接收處理兩個(gè)部分。Socket監(jiān)聽(tīng)部分采用多線程工作方式，讓監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程在一個(gè)固定的端口處進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，如果收到請(qǐng)求處理請(qǐng)求，否則繼續(xù)在源端口負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)。Socket接收處理部分是服務(wù)器與客戶端進(jìn)行交互的關(guān)鍵，只有符合預(yù)先設(shè)定的服務(wù)協(xié)議才能進(jìn)行處理并把結(jié)果返回到客戶端，否則不處理客戶請(qǐng)求。本設(shè)計(jì)采用自帶TCP/IP協(xié)議的Linux操作系統(tǒng)，它可以直接調(diào)用底層的函數(shù)，驅(qū)動(dòng)上層模塊完成Socket通信。設(shè)計(jì)的主要目的是要設(shè)計(jì)出TCP通信模塊，Socket為網(wǎng)絡(luò)通信提供了一種方式。Socket編程詳細(xì)過(guò)程如圖7所示。5.程序移植到Linux硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)把應(yīng)用程序載入到開(kāi)發(fā)板的方法很多，這里A－D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序采用的是把ADC注冊(cè)成misc設(shè)備。Socket通信程序用LinuxNFS共享服務(wù)器來(lái)完成應(yīng)用程序的載入。NFS建立成功后通過(guò)CP命令將交叉編譯過(guò)的TCP程序下載到開(kāi)發(fā)板上，等待最后的測(cè)試。

三、系統(tǒng)測(cè)試

1.測(cè)試的環(huán)境和測(cè)試的條件(1)測(cè)試的環(huán)境測(cè)試的計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)用網(wǎng)絡(luò)線和串口與開(kāi)發(fā)板相連接。測(cè)試環(huán)境分為以下兩個(gè)部分。1)在Windows平臺(tái)上安裝有Linux系統(tǒng)的虛擬機(jī)。在Linux終端上測(cè)試服務(wù)器端程序的運(yùn)行。2)在Windows下的超級(jí)終端上測(cè)試并顯示開(kāi)發(fā)板上程序運(yùn)行的情況。(2)測(cè)試的方法1)計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)用虛擬機(jī)安裝的Linux系統(tǒng)，然后建立新的用戶終端，運(yùn)行服務(wù)器端程序。2)啟動(dòng)開(kāi)發(fā)板并配置IP，確保嵌入式操作系統(tǒng)Linux成功移植并且正常啟動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)完畢。3)在操作系統(tǒng)Linux下運(yùn)行客戶端程序。4)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。2.功能及數(shù)據(jù)測(cè)試(1)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度測(cè)試通過(guò)調(diào)變阻器阻值改變輸入電壓的大小，從表1可以模擬輸入電壓值與A－D轉(zhuǎn)換出來(lái)并經(jīng)換算的電壓值最大相差不到0.01V，相對(duì)誤差在1%以內(nèi)。(2)數(shù)據(jù)采集結(jié)果為模擬實(shí)際波形，本文還利用數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)試軟件，輸出口經(jīng)霍爾電流傳感器測(cè)試過(guò)程及分析接到ARM的信號(hào)輸入端。通過(guò)數(shù)字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)回放測(cè)試模擬斷路器輸出信號(hào)，圖8為合閘時(shí)振動(dòng)信號(hào)波形，圖9為合閘時(shí)線圈電流波形。實(shí)驗(yàn)證明可以很好地采集到信號(hào)，為下一步的數(shù)據(jù)處理及故障診斷做基礎(chǔ)。(3)以太網(wǎng)接入測(cè)試服務(wù)器程序從客戶那里讀取一個(gè)字符增加它的值，然后再把它寫回去。服務(wù)器運(yùn)行時(shí)，它創(chuàng)建一個(gè)套接字并開(kāi)始等待客戶的連接。服務(wù)器連接狀態(tài)如下:運(yùn)行客戶程序時(shí)，可以成功地連接到服務(wù)器客戶端，連接狀態(tài)如下:由以上狀態(tài)可以看出，以太網(wǎng)口可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。(4)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度測(cè)試通過(guò)以太網(wǎng)從上位機(jī)錄波數(shù)據(jù)到控制模塊，測(cè)得實(shí)際傳輸過(guò)程中傳輸速度數(shù)據(jù)如表2所示。由以上測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出，實(shí)際傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸速度約為9.2657Mbit/s。(5)以太網(wǎng)測(cè)試結(jié)果分析通過(guò)以上測(cè)試可知本文以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10Mbit/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)通信485的傳輸速度，通過(guò)誤碼率測(cè)試可知幾乎沒(méi)有誤碼問(wèn)題，并且在節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤影響方面單個(gè)節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有任何影響，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全性好，穩(wěn)定性好，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試容易，維護(hù)成本低。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的地鐵供電變斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于采用了ARM和Linux系統(tǒng)，大大改進(jìn)了斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，采集數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，傳輸數(shù)據(jù)更快速安全。系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大，便于管理和多任務(wù)實(shí)時(shí)的特點(diǎn)。系統(tǒng)可為地鐵供電設(shè)備檢修提供可靠的科學(xué)依據(jù)，具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

作者：劉婧一徐麗杰王瑋倪平浩譚立佐單位：北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司沈陽(yáng)供電公司