摘　要: 變電站監控係統是針對各地區電力設施的升級和無人職守變電站設計的電網輔助監控係統. 應用基於ARM 的PC/ 104嵌入式模塊進行硬件開發,連接在變電站局域網中,實現變電站現場的視頻、溫度
、煙霧等情況的監控. 該係統安全性強、可靠性高、便於擴展.

　  電力監控係統是為配合變電站實現無人值守而增設的電網輔助監控係統. 它的作用是將變電站的設備運行情況
、主變壓器、斷路器、隔離刀閘等的運行狀態實時圖像
、防火防盜等智能設備報警信息傳輸到監控中心,監控人員可通過實時圖像和運動信息對變電站的運行情況進行綜合分析、處理.

1 　係統總體結構

    應用嵌入式技術設計的變電站監控係統,提高了變電站運行和維護的安全性和可靠性,逐步實現電網的可視化監控和調度,使電網調控運行更為安全、可靠.

1. 1 　監控前端

    係統前端由現場控製器
、攝像頭和傳感器組成.現場控製器。設計一塊基於小巧的控製板,采用三星公司的S3C2410 處理器,係統特性如下(1)203 MHz 的ARM920 T 內核; (2) 8 個內存bank , 每個ba nk 可尋址128M 內存; (3) 支持從NANDFlash 啟動; (4) 3 個UART 接口,一個IIC 接口,兩個SPI 接口; ( 5) 24 個外部中斷,117 個CP IO;(6) 集成實時時鍾, PWM 輸出; (7) 多模式管理電源和時鍾,可軟件切換處理器工作頻率; ( 8) 兩個USB Host 接口. 在處理器豐富資源的基礎上,還進行了相關的配置和擴展, 平台配置64M NANDFlash 和64M SDRAM. 通過以太網控製器芯片CS890O 擴展了一個網口, 另外引出了一個USBHost 接口.

攝像頭選用的是具有USB 接口的外置攝像頭,該攝像頭的配套芯片是OV511 係列的,OV511 是一個專用的數字攝像IC 到USB 的接口芯片,內含數字攝像IC 接口、DRAM 接口
、實時圖像壓縮引擎、USB 接口
、I2C 接口
、FIFO 等功能,用於將攝取的數字視頻圖像直接通過USB 接口送入開發板進行處理.

    傳感器是將紅外傳感器
、煙霧傳感器等集成到上麵,連接到現場控製器. 能夠實時監控現場外來人員入侵、儀表過熱及其它突發事件.

1. 2 　通訊網絡

    建立變電站內部專用局域網,通過以太網接口和網絡上的其他用戶互連,攝像頭連接到控製板的USB 接口上,負責數據的采集功能,並通過局域網提供給網絡客戶進行訪問. 每個網絡攝像頭提供唯一的IP ,方便用戶對不同的網絡攝像頭進行監控.

1. 3 　監控中心

    主要由圖像監控中心服務器、圖像存儲係統
、監控客戶終端等組成,完成現場圖像接收,用戶登錄管理,優先權的分配,控製信號的協調,圖像的實時監控,錄像的存儲、檢索、回放、備份

、恢複等.

2 　係統硬件設計

2. 1 　硬件總體設計

    本係統硬件開發采用基於ARM 的PC/ 104 嵌入式模塊, PC/ 104 是一種專門為嵌入式控製而定義的工業控製總線,IEEE 協會將它定義為IEEE -P996. 1 , 實質上就是一種緊湊型的IEEE - P996(IEEE - P996 是ISA 工業總線規範) .

    硬件係統由ARM 核心板和外圍功能擴展板組成,均采用PC/ 104模塊,體積小巧,又因為外圍模塊獨立於ARM 處理器模塊,可以擴展更多功能。

    S3C2410 的芯片結構如圖2所示通用的ARM處理器都在片內集成了豐富的外設控製器,ARM 處理器在訪問外圍設備時, 並不需要對外設進行橋接,對外設的訪問都是采用實地址模式. 所有的外設都是連接在AMBA 總線上, 根據地址在係統空間中的分配,通過內部集成了存儲器控製器(Memory Cont roller ) 進行訪問、控製. 基於ARM的嵌入式係統中並沒有非常龐大的架構,隻是簡單的實現結構.

     視頻采集模塊采用網眼V3000 攝像頭, USB控製器為OV511 , Linux 操作係統支持該驅動模塊,通過USB Host 模塊與S3C2410 芯片鏈接.紅外傳感器模塊采用熱釋電紅外傳感器,通過I/ O Port 端口模塊與S3C2410 芯片鏈接. 報警電路采用雙探測元熱釋電紅外傳感器,其結構示意圖如圖3 所示. 該傳感器將兩個特性相同的熱釋電晶體逆向串聯,用來防止其他紅外光引起傳感器誤動作.另外,當環境溫度改變時,兩個晶體的參數會同時發生變化,這樣可以相互抵消,避免出現檢測誤差. 該傳感器使用時, D 端接電源正極, G端接電源負極,S 端為信號輸出.

    煙霧火警探測模塊由兩部分組成:檢測發射部分和接受控製部分. 采用nRF401 單片射頻收發器,達到了無線傳輸的目的,能迅速的發出報警信號,方便及時的控製火情檢測發射端和接收控製端選用了目前市場上已經成熟的高性能芯片,其外圍電路結構簡單,實現容易,可靠性強係統由三大芯片互相配合構成,檢測裝置采用了Motorol a 公司生產的具有聲光報警電路的MC14468 芯片, 能實現多點並行檢測,配合外圍電路可構成多點煙霧報警係統. 無線收發器采用美國Nordic 公司最新推出的基於無線通信的nRF401 型單片射頻收發器. 它采用了無線通信和F SK(頻移鍵控) 調製解調技術,工作頻率穩定且抗幹擾能力強,不需要對數據進行編碼,外圍電路簡單,使用方便. 由於采用低發射功率和高接收靈敏度的設計方案,因此不受無線電管理條例的限製,無須辦理許可證. nRF401 的引入是本係統的突出特點之一, 它極大的提高了係統的實時性,這對安全係統是相當重要的.

2. 2 　基於ARM 處理器的PC/ 104 計算機體係結構

    嵌入式設備都是根據具體應用而設計,具備高度可裁減性等特點,因此很難給各種嵌入式設備的體係結構進行準確的定義. 但是針對實際研發的PC/ 104 嵌入式計算機,根據所采用的ARM 處理器和實際應用需求,還是可以對其體係結構進行標準定義. 如圖4 所示,是基於ARM 處理器的PC/ 104嵌入式計算機的係統結構框圖.

2. 3 　PC/ 104 總線設計

    在電路設計上, CPL D 采用了XIL INX 的XC95144XL. ARM 的數據、地址總線,以及讀寫等需要使用的控製信號全部連接到CPLD 上, 作為ARM 處理器訪問CPLD 的信號線. 並將CPLD 的部分IO 引出,通過BUFFER 後,全部連接到PC/104 的總線接口上. 這樣, ARM 處理器直接訪問CPLD ,CPLD 則根據信號線上的變化完成相應的PC/ 104 總線上的操作.

對於接口設計來說,最主要的就是時序設計. 時序設計正確了, 係統就能正確地工作. 同,CPLD的標準輸入輸出為L VT TL 電平,輸入電平則可以兼容與T TL 電平, 因此雖然LD 可以直接與TTL 電平的總線相連, 但是可能因為一些電氣特性、信號完整性方麵的問題導致係統的可靠性下降,所以使用了BUF FER 來進行兩個電平間的轉換,確保係統的穩定性和可靠性.

ARM 和PC/ 104 的接口如圖5 所示.

3 　係統軟件設計

3. 1 　嵌入式操作係統設計

    本係統采用的軟件係統為嵌入式Linux 操作係統. Linux 操作係統開放源代碼,可裁減, 無版稅. 經過多年的發展係統非常穩定,開發技術比較成熟. 嵌入式Linux 有以下優點:

(1) Linux 的是可以定製和可裁減的. Linux 係統從設計開始就考慮到了係統的定製性和裁減性.不僅Linux 內核可以裁減,而且文件係統也是可以裁減的.

(2) Linux 是開發源代碼的,任何都可以獲得其源代碼並加以修改. 這對嵌入式開發來說是很必要的.

(3) Linux 本身支持包括X86 、ARM 等在內的多種硬件平台.

(4) 係統小巧. 一個功能完備的Linux 內核要求大約1 MB 內存.

(5) 強大的網絡功能. Linux 幾乎支持所有的網絡協議和網絡設備.

     一個嵌入式Linux 係統隻需要下麵三個基本元素:引導程序
、Linux 微內核(由存管理
、進程管理和事務處理構成) 和初始化進程. 要實現最低限度的工作能力,還需要添加硬件驅動程序和相應的應用進程,以提供所需功能,如果要讓它有更多的功能且保持小型化,還可以加上文件係統
、TCP/ IP 網絡支持、GUI (圖形用戶界麵) 和設計精簡的應用程序,並將其放在ROM
、RAM、FLASH 中啟動. 由於嵌入式Linux 操作係統的高度靈活性,開發者可以很容易地對它進行定製或作適當開發,來滿足實際應用需要這裏最主要的一步是剪裁L x 內核,將原先比較龐大的係統內核(相對嵌入式係統來說) 改造成一個小巧的可配置的內核, 並且要保持Linux 的基本功能以及對Linux 應用程序、驅動程序的完全支持.

    uClinux 操作係統不支持設備驅動程序模塊化加載方式,因而,我們必須將編寫好的驅動程序以直接編譯到內核的方式加入.

(1) 將編寫好的驅動程序拷貝到. . / driver s/cha r 目錄下如t est . c , 並在目錄下修改mem. c 、Config. in 和Makefile 文件,在mem. c 中的int __ini t chr_dev_init ( void) 中添加如下代碼:

# ifdef CONFIG_S3C2410_T EST

t est_init () ;

/ / 在te st . c 中實現,是設備的初始化函數

# endif

( 2) 修改. . / drivers/ char 目錄下的Config. in文件,在其中適當的位置添加: dep _ t ri stat e‘t estmodule’CONFIG_S3C2410X_ TEST ＄CONFIG_ARCH_ S3C2410 其含義是:隻要定義了CONFIG_ARCH_ S3C2410 為y 或m 時, 在配置內核時,Charact er devices 目錄分類下就會出現”te st mod2ul e”選項, 它對應CONFIG_ S3C2410_ TEST 的定義. 因此把驅動程序編譯到內核, CONF IG _S3C2410_ TEST 定義為y.

(3) 在. . / drivers/ char/ Makefile 文件中添加:obj - ＄( COF IG _ S3C2410 _ TEST ) + =myt est . o

Makefile 會根據obj - y 編譯並連接對應的源碼.

(4) 在char/ . depend 中增加相應的頭文件.

(5) 然後運行ma ke menuconfig , 在裏麵選中‘test module’,重新編譯內核,將會把myte st . o 編譯到內核中去.

通過以上幾步可以將驅動程序編譯到內核中去,重新編譯內核,則可以執行剛加入的相應應用程序.

視頻驅動程序編譯,進入uCLinux 的kernel 目錄, 在終端輸入make menuconfig 配置內核, 進入usb support , 選中USB OV511Cameral suppo rt . 保存退出後make dep 建立依賴關係、make z Image 產生鏡像, 編譯完畢, 將編譯好的內核燒寫入ARM板,則uCLinux 係統就支持該攝像頭模塊.

3. 2 　總線控製器實現

    關於PC/ 104總線的設計中,設計的重點是總線控製器的設計,能否完成PC/ 104總線驅動,關鍵在於控製器能否正常運行PC/ 104總線控製器的工作流程圖如圖6 所示.

由於CPLD 中的設計代碼篇幅較長,在此不做贅述.

4 　結束語

     變電站監控係統解決了變電站現場的可視化和環境監控問題,是對“四遙”功能的補充,為實現變電站無人值守提供了可靠保證,有極高的使用價值和利用價值. 監控係統的推廣應用對提高變電站運行的安全性
、可靠性,提高運行管理的科學性,促進管理工作的現代化有著重要的意義. 本課題將ARM應用於變電站監控係統前端控製器,降低了功耗,縮小了設備體積. 同時,利用ARM9 強大的功能,提高了監控視頻的精度,提高監控設備的可靠性和穩定性,增強了各項監控功能,具有較強的實用性.