基于嵌入式LINUX的電能量數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

1 引言

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，動態(tài)信號分析系統(tǒng)出現(xiàn)了向著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。以計算機技術(shù)、芯片技術(shù)和以軟件為核心的嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）再度成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點。相對于通用計算機系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)最大的特點是目的性和針對性強，即每一套嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計都有其特殊的應(yīng)用場合和特定功能，且通常具有實時性高、功耗低、體積小、集成度高、成本低等特點。

遠程電能量數(shù)據(jù)采集終端（ERTU）在電能量計費系統(tǒng)中是介于計量主站與費率裝置（電能表）之間的中間設(shè)備，主要完成電能量數(shù)據(jù)采集、處理、存儲及轉(zhuǎn)發(fā)等功能。嵌入式技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用有著悠久的歷史，早在幾年前國內(nèi)就已經(jīng)開始引進嵌入式實時操作系統(tǒng)（Real Time Operation System－RTOS）為核心的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。隨著近年來電力系統(tǒng)自動化程度的不斷提高及嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式技術(shù)越來越廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、自動裝置、微機保護、集散控制等各個領(lǐng)域，其中電能計量系統(tǒng)由于其自身的用電用戶分散性和管理網(wǎng)絡(luò)化的需要，應(yīng)用嵌入式技術(shù)將大大提高系統(tǒng)性能。

2 嵌入式電能量采集系統(tǒng)概述

電能量采集系統(tǒng)作為電力營銷和未來電網(wǎng)商業(yè)化運營的技術(shù)支持有著廣闊的應(yīng)用前景。系統(tǒng)主要由主站端計算機系統(tǒng)、廠站端電量采集器、多功能電子式電量表和信息通信網(wǎng)絡(luò)四部分組成，涉及到電子、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)等多方面的專業(yè)知識。

隨著電力市場的建立和信息技術(shù)的發(fā)展，電能量采集系統(tǒng)的發(fā)展出現(xiàn)了新的特點：（1）網(wǎng)絡(luò)化程度更高，遠程電能數(shù)據(jù)采集終端（ERTU）除了具備多種接口和內(nèi)置Modem,還應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)功能，具有網(wǎng)絡(luò)接口，遵從TCP/IP標準協(xié)議；數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，具備面向用戶的信息查詢功能以及輔助信息發(fā)布功能；（2）電能表自動抄表ARM（Automatic Reading Meter）是供電部門將安裝在用戶處的電能表所記錄的用電量，通過遙測、傳輸和計算機系統(tǒng)匯總到營業(yè)部門，代替人工抄表及一系列后續(xù)工作。

ARM的實現(xiàn)將克服人工抄表費時、費力、容易出錯及入戶抄表的困難，有利于提高配電自動化水平；（3）在遠程電能數(shù)據(jù)采集終端（ERTU）采用嵌入式CPU和嵌入式實時多任務(wù)RTOS構(gòu)成完整的嵌入式系統(tǒng)，在RTOS的基礎(chǔ)上結(jié)合嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)，可實現(xiàn)實時、動態(tài)的交互查詢功能，為用電管理人員的決策分析提供了強有力的支持。ERTU采用定時或者實時啟動抄表任務(wù)，通過RS-485總線讀取智能電能表內(nèi)的電量信息和事件信息，支持標準的RS-485串口數(shù)據(jù)輸出。每一個ERTU裝置都可以接多路RS-485總線，這樣就可以同時采集多路的電表信息。根據(jù)以上所述電能量采集系統(tǒng)的發(fā)展，在系統(tǒng)的研究中開發(fā)出了一種新型的電能量采集終端，其硬件采用流行的PC104為主的CPU，可保證高速和高可靠性運行,總線式設(shè)計，可較為方便的對接口進行擴充，以電子盤為存儲介質(zhì)，可確保掉電后數(shù)據(jù)的不丟失；其控制平臺采用實時嵌入式Linux操作系統(tǒng)，多進程/線程設(shè)計，各程序模塊并發(fā)運行，可極大地提高系統(tǒng)效率。各電能量計量點對應(yīng)的智能電表對電能量進行測量，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對電能表進行巡回采集并存儲下來，通過專線方式即移動公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng),通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與控制中心進行遠程通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計上采用功能模塊插件式結(jié)構(gòu)，主要由接口模塊、RS-485采集模塊、主控模塊、遠程通信模塊（Modem）等組成，各模塊之間通過主控模塊進行連接和管理。采集裝置采用定時啟動抄表任務(wù)的方式，也可使用遠程控制方式，通過RS-485總線讀取智能型電表內(nèi)存儲的電能量信息，分時段存儲在采集裝置內(nèi)的事件信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有對不同電能表規(guī)約轉(zhuǎn)換的能力，針對不同的電能表，編寫相應(yīng)的采集程序，建立了一個程序庫。

3 嵌入式電能量采集系統(tǒng)的主要功能

開發(fā)的新型電能量采集系統(tǒng)集數(shù)據(jù)抄收、存儲、處理、無線上傳等功能于一身，系統(tǒng)可采集32/64路脈沖輸入信號，脈沖掃描周期為10ms，采樣分辨率不小于40ms，具有硬件濾波，同時軟件根據(jù)電能表類型和脈寬進行濾波處理。利用電能量采集系統(tǒng)提供4路RS-485接口，每個RS-485接口可接入32只多功能電子式電能表，還可以擴展。抄收間隔由主站遠方設(shè)定，也可在采集系統(tǒng)方設(shè)定，每個從電能表讀取的數(shù)據(jù)加入時間信息存儲為帶有時標的數(shù)據(jù)，電量采集系統(tǒng)的時間信息是通過系統(tǒng)中的GPS模塊進行精確授時，采集系統(tǒng)通過GPS時鐘完成校時并可以對多功能電子式電能表進行廣播方式的校時，該嵌入式電能量采集系統(tǒng)既可以同脈沖式與脈沖式電表終端通信，也可以同數(shù)字接口全電子式電能表終端通信，同時提供了一個GPRS接口，支持TCP/IP協(xié)議，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給主站服務(wù)器。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1數(shù)據(jù)采集單元的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件核心用標準PC104“夾層總線”方式和嵌入式操作系統(tǒng)提供應(yīng)用程序的運行平臺，提高軟硬件設(shè)計的標準化程度和系統(tǒng)的復(fù)用性，微處理器采用了Intel486處理器平臺，其速度為100MHz，且可用程序改變；它包含一個以太網(wǎng)接口，支持TCP/IP協(xié)議，存儲器分為兩部分：512kB的FLASH EPROM（用于運行程序及各個中間變量的存放）；一塊64MB的Disk On Chip的電子盤（用于存放抄收的電能量數(shù)據(jù),最多可擴展到1G）。帶有PC104接口的4通道多串口卡，用多串口擴展出8個串口用以連接本地電能表，系統(tǒng)還采用了以下用戶接口設(shè)備：一塊兼容標準液晶顯示接口的單色液晶顯示屏，顯示分辨率320×240；用PC-AT鍵盤接口連接的輸入鍵盤，用作用戶輸入設(shè)備。

由上可見，主要PC外圍設(shè)備都被集中到了一塊體積比較小的主板上，這其中包括：CPU、內(nèi)存、總線控制器、標準串行通信口、標準并行通信口、標準IDE磁盤驅(qū)動器接口、標準VGA驅(qū)動芯片、液晶顯示接口、鼠標/鍵盤接口、Watchdog監(jiān)控芯片。用一塊主板加上電源、顯示和存儲設(shè)備，組成了一套功能強大，結(jié)構(gòu)緊湊的工業(yè)級的PC。

4.2系統(tǒng)校時模塊

數(shù)據(jù)采集單元的時間是通過GPS標準模塊輸出的同步時間信號校定，GPS模塊通過RS-232接口與數(shù)據(jù)采集單元通信，從電能表采集到的電能數(shù)據(jù)加上時間信息，存儲到電子盤中，然后上傳給主站帶時標的電能數(shù)據(jù)。

4.3系統(tǒng)GPRS模塊

GPRS是一種移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給用戶提供端到端的、廣域的無線IP連接。電能量采集系統(tǒng)采集完的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給主站計算機，主站端的GPRS的Modem接收發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

如圖2所示電能量數(shù)據(jù)采集部分的硬件結(jié)構(gòu)圖。

4.4數(shù)據(jù)采集單元的軟件設(shè)計

嵌入式Linux系統(tǒng)是以核心為基礎(chǔ)的、完全內(nèi)存保護、支持多任務(wù)多進程，支持廣泛硬件，包括X86、ARM、NEC、MOTOROLA等現(xiàn)有大部分芯片，且價格低廉，開發(fā)資料豐富，可定制內(nèi)核。Linux程序源碼全部公開，包括系統(tǒng)內(nèi)核，任何人可以修改并在(GNU General Public License)下發(fā)行，這樣開發(fā)人員可以對操作系統(tǒng)進行定制和修改。

根據(jù)開發(fā)的嵌入式電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所完成的功能，軟件設(shè)計分為5個模塊：上行通信、下行通信、核心處理、用戶接口、系統(tǒng)服務(wù)。電能量采集系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動以模塊化方式被動態(tài)的擴展到Linux內(nèi)核中，驅(qū)動模塊包括對時鐘芯片、串口控制器、液晶顯示器以及外圍設(shè)備的驅(qū)動，同時還包括對PC104自帶的標準網(wǎng)絡(luò)口、標準RS-232串行口及標準104鍵盤接口等的驅(qū)動,Linux系統(tǒng)在安裝時就自動完成了對PC104標準設(shè)備的驅(qū)動，采集終端所需要的擴展串口板等外圍設(shè)備的驅(qū)動納入到Linux內(nèi)核中。

系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5 結(jié)論

針對計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，研究并開發(fā)出一個新型的基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電能量采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以高速發(fā)展的嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心進行設(shè)計，把無線互連技術(shù)和嵌入式Linux結(jié)合起來，可以真正為用戶提供一個無線互連平臺，使得采集完的電能數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)準確無誤的上傳給主站系統(tǒng)，利用采集系統(tǒng)中GPS模塊的授時可保證采集電能數(shù)據(jù)時間的確定性。

現(xiàn)開發(fā)出這一基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的新型電能量采集系統(tǒng)具有很好的實時性、可靠性和可擴展性，性能價格比高，能夠滿足電力市場對電能采集和傳輸可靠性高、速度快、維護方便、穩(wěn)定性及擴展性的需求。