基于ARM的嵌入式電能計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)高校學(xué)生宿舍電能計(jì)量控制系統(tǒng)不方便學(xué)生實(shí)時(shí)查詢的狀況,分析了網(wǎng)絡(luò)電能計(jì)量集采控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以ARM芯片和Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了嵌入式電能數(shù)據(jù)采集終端及Web服務(wù)器,采用該嵌入式電能計(jì)量系統(tǒng)能方便地進(jìn)行電能數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)查詢和管理。

1 引言

高校學(xué)生宿舍用電控制系統(tǒng)采用智能電能計(jì)量集采控制系統(tǒng),一般學(xué)校 已統(tǒng)一規(guī)劃購(gòu)置到位。但在使用時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生只是被動(dòng)地被管理, 學(xué)生并不能 直觀了解相關(guān)用電數(shù)據(jù)，不方便查詢和提醒剩余電量，宿舍經(jīng)常在不知不覺(jué) 中突然停電，如果在傍晚或者周末,電工沒(méi)有上班，停電后不能及時(shí)買電, 只能在黑暗中度過(guò)了,嚴(yán)重影響了學(xué)生的正常生活?？紤]到學(xué)生上網(wǎng)方便， 如果學(xué)生能夠隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)站查詢到自己房間的剩余電量，及時(shí)買電就可避免 以上情況。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)既能接入宿舍電量采集系統(tǒng)又能接入校內(nèi) Intranet 信息網(wǎng)絡(luò)的嵌入式電能計(jì)量及查詢系統(tǒng)，在電能數(shù)據(jù)采集終端 (ERTU)采用嵌入式ARM2410 芯片和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux，在linux 的 基礎(chǔ)上結(jié)合嵌入式Web 服務(wù)器技術(shù)，構(gòu)成完整的嵌入式系統(tǒng)Web 服務(wù)器，將 其作為數(shù)據(jù)采集器嵌入到在現(xiàn)有的電能計(jì)量集采控制系統(tǒng)中，既可以與管理計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)，也可以供學(xué)生登陸實(shí)時(shí)查詢用電信息。

2 電能計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電能計(jì)量系統(tǒng)框圖如圖1 所示，在遠(yuǎn)程電能數(shù)據(jù)采集終端(ERTU)采用嵌 入式CPU 和嵌入式實(shí)時(shí)linux 構(gòu)成完整的嵌入式系統(tǒng),在linux 的基礎(chǔ)上結(jié) 合嵌入式Web 服務(wù)器技術(shù),可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的交互查詢功能。ERTU 采用定 時(shí)或者實(shí)時(shí)啟動(dòng)抄表任務(wù),通過(guò)RS-485 總線讀取智能電能表內(nèi)的電量信息和事件信息,支持標(biāo)準(zhǔn)的RS-485 串口數(shù)據(jù)輸出。每一個(gè)ERTU 裝置都可以接 多路RS-485 總線,這樣就可以同時(shí)采集多路的電能表信息。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò) 硬件基礎(chǔ)，方便地建立基于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的Internet/Intranet 網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)。Web 技術(shù)允許任意地點(diǎn)的用戶通過(guò)瀏覽器接入網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)電能計(jì)量管理 工作站訪問(wèn)嵌入式Web 服務(wù)器，管理和維護(hù)電能數(shù)據(jù)采集終端的數(shù)據(jù)，包括 查詢各宿舍的實(shí)時(shí)用電情況、根據(jù)輸入金額確定宿舍使用電能量、啟動(dòng)電能 表給宿舍供電、根據(jù)需要遠(yuǎn)程斷開(kāi)相關(guān)宿舍的用電開(kāi)關(guān)。學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)訪問(wèn)電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務(wù)器，查詢自己宿舍的實(shí)時(shí)用電情況，以 便及時(shí)買電，避免出現(xiàn)意外斷電情況。買電方式可以采用讓管理人員從電能 計(jì)量管理工作站充值，也可以采用充值卡方式買電，只要在網(wǎng)上輸入卡號(hào)和 密碼就可以充值實(shí)現(xiàn)買電。

3 電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務(wù)器設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)

電能數(shù)據(jù)采集終端及Web 服務(wù)器硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示，由于嵌入式微 處理器采用精簡(jiǎn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核,負(fù)責(zé)各個(gè)功能任務(wù)的管理,以滿足電能 表性能不斷擴(kuò)展所需要增加的功能。同時(shí)嵌入式微處理器具備網(wǎng)絡(luò)通信功能, 可以方便地?cái)U(kuò)展為遠(yuǎn)程測(cè)控中使用的基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)化智能儀器。在嵌 入式微處理器所擁有的硬件資源基礎(chǔ)上建構(gòu)嵌入式Web 平臺(tái),允許管理員在 任意地點(diǎn)通過(guò)Web 瀏覽器訪問(wèn)電能數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制和管理。

S3C2410X 微處理器是一款由Samsung 公司設(shè)計(jì)的基于ARM920T 核的16/32 位RISC 處理器，工作頻率203MHz，內(nèi)部16KB 數(shù)據(jù)Cache，16KB 指令Cache， 帶MMU、外部存儲(chǔ)器控制器，內(nèi)置LCD 控制器，NAND FLASH 控制器，SD/MMC 接口支持，4 個(gè)DMA 通道，3 通道UART，1 個(gè)多主I2C 總線控制器，1 個(gè)IIS 總線控制器，4 通道PWM 定時(shí)器及一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，117 個(gè)通用I/O 口， 24 個(gè)外部中斷源，兩個(gè)USB 主/一個(gè)USB 從，8 通道10 位ADC，實(shí)時(shí)時(shí)鐘及看 門(mén)狗定時(shí)器等，內(nèi)核工作電壓1.8V，I/O 及存儲(chǔ)器3.3V。

目前常用的SDRAM 為8 位/16 位的數(shù)據(jù)寬度，工作電壓一般為3.3V。系 統(tǒng)中使用Winbond 公司的存儲(chǔ)容量為64M 字節(jié)的存儲(chǔ)芯片，工作電壓為 3.3V ， 兼容LVTTL 接口， 支持自動(dòng)刷新（ Auto-Refresh ） 和自刷新 （Self-Refresh），16 位數(shù)據(jù)寬度。

Flas 存儲(chǔ)器采用INTEL 的存儲(chǔ)容量為64M 字節(jié)的存儲(chǔ)芯片，16 位數(shù)據(jù) 寬度。僅需單3.3V 電壓即可完成在系統(tǒng)的編程與擦除操作，通過(guò)對(duì)其內(nèi)部 的命令寄存器寫(xiě)入標(biāo)準(zhǔn)的命令序列，可對(duì)Flash 進(jìn)行編程（燒寫(xiě)）、整片擦 除、按扇區(qū)擦除以及其他操作。

采用RTL8019AS 芯片作為以太網(wǎng)接口芯片，該芯片是NE2000 兼容的網(wǎng) 卡芯片，Linux 內(nèi)核中的TCP/IP 協(xié)議支持NE2000 兼容的網(wǎng)卡芯片。通過(guò)以 太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。 現(xiàn)在的電能表，正在由傳統(tǒng)的機(jī)械式電能表向全電子式電能表轉(zhuǎn)換，電 能數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)要考慮接納各種電能表，但高校學(xué)生宿舍電能計(jì)量系 統(tǒng)可以一次性地更新為電子式電能表，所以只設(shè)計(jì)嵌入式CPU 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口與現(xiàn)代電子式表計(jì)接口,讀取多個(gè)電能表計(jì)量數(shù)據(jù)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在電能計(jì)量應(yīng)用軟件方面,充分利用嵌入式linux 體積小、固化容易、 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)反應(yīng)能力強(qiáng)、軟件層次模塊化、可移植性好的優(yōu)點(diǎn)。將電能計(jì)量軟 件劃分為抄表管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置、通訊模塊等子任務(wù) 軟件模塊,由嵌入式linux 負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度和管理。同時(shí)應(yīng)用嵌入式Web 服務(wù) 器技術(shù),運(yùn)行小型精簡(jiǎn)的服務(wù)器程序使得遠(yuǎn)程用戶隨時(shí)可以通過(guò)瀏覽器獲取 Web 服務(wù)器的信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制、維護(hù)。

由于Web 用戶界面是標(biāo)準(zhǔn)化的,節(jié)約了不同操作系統(tǒng)平臺(tái)定制人機(jī)界面的開(kāi)發(fā)、培訓(xùn)和維護(hù)費(fèi)用,在降低成本的同時(shí),提高了效率。系統(tǒng)軟件組成如圖3 所示。HTTP 引擎響應(yīng)用戶的請(qǐng)求、通過(guò)虛擬文件系統(tǒng)訪問(wèn)靜態(tài)數(shù)據(jù)信息、通 過(guò)應(yīng)用程序接口得到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息。

虛擬文件系統(tǒng)為嵌入式Web 服務(wù)器提供 虛擬文件服務(wù)。通過(guò)虛擬文件系統(tǒng)將Java,GIF,PDF,HTML 以及文本等文件編 譯為Web 服務(wù)器認(rèn)可的代碼。配置模塊使系統(tǒng)管理員能夠從任何一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的 Web 瀏覽器上設(shè)置嵌入式Web 服務(wù)器的參數(shù)。配置模塊對(duì)標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器是開(kāi)放 的，這就使得安全問(wèn)題非常重要，尤其是對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置和控制信息的訪 問(wèn)成為安全保護(hù)的重點(diǎn)。安全模塊通過(guò)在服務(wù)器上定義安全域和對(duì)每個(gè)安全 域定義的用戶名/密碼等敏感信息的保護(hù)。還可以對(duì)請(qǐng)求數(shù)據(jù)采取加密措施 實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能。應(yīng)用程序接口模塊實(shí)現(xiàn)和嵌入式電能計(jì)量應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù) 據(jù)交換，電能計(jì)量應(yīng)用系統(tǒng)與嵌入式操作系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入系統(tǒng)的配置、 監(jiān)視和控制。

4 結(jié)論

嵌入式的電能計(jì)量系統(tǒng)是當(dāng)前電能數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程抄送、統(tǒng)計(jì)、查詢、買電等現(xiàn) 代數(shù)字網(wǎng)絡(luò)式電能計(jì)量管理系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向，基于ARM 的嵌入式電能計(jì) 量系統(tǒng)在高校宿舍應(yīng)用中，具有電能管理的所有功能，并且能夠讓學(xué)生實(shí)時(shí) 查詢宿舍用電情況，還可通過(guò)修改軟件擴(kuò)充系統(tǒng)功能。

論文創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計(jì)電能數(shù)據(jù)采集終端并設(shè)置Web 服務(wù)器，可以通過(guò)瀏覽器 實(shí)時(shí)查詢用電數(shù)據(jù)。