基于ARM9和嵌入式Linux的電力負荷終端系統(tǒng)設計

隨著客戶對電能質量要求的逐步提高，傳統(tǒng)的電力網絡難以滿足發(fā)展要求。為此，提出發(fā)展“全覆蓋、全采集、全預付費”智能電網的設想，以實現(xiàn)傳統(tǒng)電網的升級。電力用戶用電信息采集系統(tǒng)——智能電網管理終端，是一種集計算機、通信、用電及計量技術于一體的智能抄表設備，它具有抄收速度快、計算精度高、抄表實時性好、集成度高、可靠性好、結構簡潔、安裝使用方便等突出的優(yōu)點，可直接與營業(yè)計算機聯(lián)網，對電力用戶進行數(shù)據采集計算及控制管理。電能計量自動抄表系統(tǒng)實現(xiàn)了從電能數(shù)據采集、傳輸?shù)教幚淼淖詣踊?，采用自動抄表可以緩解抄表人員的勞動強度，降低人為因素造成的抄表誤差，并能迅速統(tǒng)計低壓時線損，降低用電成本，同時對加強用電管理，防止國家電力資源流失，對推進電能管理現(xiàn)代化具有積極意義。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

基于GPRS的負荷控制管理系統(tǒng)，以公共GPRS移動通信網絡為載體，輔以現(xiàn)場RS485總線等通訊方式，將變電站、大用戶、公用配變、居民戶等為主要控制管理對象，實現(xiàn)從變電站到供電線路再到電力用戶的綜合供用電監(jiān)測、控制和管理。其工作流程如圖1所示。

1.1 電力負荷管理終端系統(tǒng)組成

終端主要由5部分組成：電源單元、處理單元、通信單元和GPRS單元，其系統(tǒng)組成原理框圖如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)設計方案

采用美國Atmel公司生產的AT91SAM9260CUARM9 CPU芯片為核心硬件架構搭建系統(tǒng)硬件電路。

傳統(tǒng)的低端嵌入式單片機或多片單片機聯(lián)合控制(MCU)作為核心控制器件，實現(xiàn)對智能化、多任務的管理終端控制已不能滿足需要。特別在實現(xiàn)數(shù)據上傳、電表數(shù)據抄錄、GPRS通信控制、485通信控制、負載控制、大規(guī)模數(shù)據存儲等多任務并行方面，傳統(tǒng)的單片機已不適用。原因是：(1)采用低端嵌入式單片機ARM7為采集終端的核心控制器件，可以實現(xiàn)程序的實時性，但其資源相對有限，在數(shù)據存儲和管理、實現(xiàn)USB控制和以太網控制等方面不理想。(2)采用多片單片機聯(lián)合形式實現(xiàn)如上要求的控制，其性能比采用低端嵌入式計算機ARM7還差，僅將多個任務分解，每單個任務由相應的一塊單片機完成，這給每塊單片機間的協(xié)調性帶來壓力，處理不好時程序運行很不穩(wěn)定，難以實現(xiàn)程序的實時性。

ARM9系列微處理器在高性能和低功耗方面提供最佳性能。具有以下特點：(1)5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。(2)提供1.1MIPS/M Hz 的哈弗結構。(3)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。(4)支持32位的高速AMBA總線接口。(5)全性能的MMU，支持WindowsCE、Lin ux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。(6)MPU支持實時操作系統(tǒng)。(7)支持數(shù)據Csche，具有更高的指令和數(shù)據處理能力。

采用美國Enfora公司的ENFORA0306-GPRS模塊作為數(shù)據上傳核心部件，完成主站軟件的各項操作。與傳統(tǒng)通信方式相比，基于GPRS的無線數(shù)據傳輸有如下優(yōu)點：(1)成本低廉。(2)建設工程周期短。(3)適應性強。(4)擴展性好。(5)設備維護方便。采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶以及同樣的TDMA(時分多址)幀結構。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)(BSS)可以提供全面的GPRS覆蓋。GPRS引入的分組交換傳輸模式，使原來采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據方式發(fā)生了根本變化，這在無線資源稀缺的情況下顯得尤為重要。按電路交換模式而言，在整個連接期內，用戶無論是否傳送數(shù)據都將獨占無線信道。而對分組交換模式，用戶只有在發(fā)送或接收期內才占用資源，這意味著多個用戶可以高效共享同一無線信道，提高了資源利用率。GPRS用戶計費以通信的數(shù)據量為主要依據，其連接時間可能長達數(shù)小時，卻只需支付相對低廉的連接費用，從而提供一種高效、低成本的無線分組數(shù)據業(yè)務。因此這種數(shù)據傳輸方式特別適用于簡短的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據傳輸，也適用于偶爾大量的數(shù)據傳輸方式。

采用RS485實現(xiàn)電表的數(shù)據抄錄、電表的用電信息、實時監(jiān)測電表的瞬時參數(shù)以及校時、結算日設置功能等。RS-485支持一點對多點的通信，允許在電路中有多個發(fā)送器，且允許一個發(fā)送器驅動多個負載設備，負載設備可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器的組合單元便于組網;通信距離能夠滿足系統(tǒng)的設計要求。所以系統(tǒng)選擇半雙工的RS-485通信標準。終端機與集中器之間通過RS-485總線進行數(shù)據傳輸，采集器通過屏蔽雙絞線采集用戶各種遠傳能耗基表的信息，并進行換算和存儲;采集器對電量的采集可以直接通過電表上的RS-485接口接收用戶的電量信息，也可以通過采集器上的紅外接口，利用專用的紅外抄表器對采集器進行各種能耗信息的讀取。

軟件環(huán)境采用2.6.20版本的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，為系統(tǒng)應用軟件提供良好的運行空間。Linux2.6內核中，引入很多有利于嵌入式應用的功能。這些新功能包括實時性能的增強、方便的移植性、支持高檔電源管理和I/O系統(tǒng)的改進等。這些改進使2.6的性能在對比2.4內核有著相當大的優(yōu)勢，尤其是對嵌入式設備而言，無論從運行效率還是設備管理都有較大提升，能更好地處理多任務滿足終端的控制要求。

智能電網管理終端從硬件和軟件兩方面做防干擾可靠性設計，在保證功能的同時，盡可能地降低終端的故障率。