基于嵌入式LINUX的電能量數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)出現(xiàn)了向著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。以計(jì)算機(jī)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(diǎn)。相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是目的性和針對(duì)性強(qiáng)，即每一套嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)都有其特殊的應(yīng)用場(chǎng)合和特定功能，且通常具有實(shí)時(shí)性高、功耗低、體積小、集成度高、成本低等特點(diǎn)。

遠(yuǎn)程電能量數(shù)據(jù)采集終端（ERTU）在電能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中是介于計(jì)量主站與費(fèi)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(chǔ)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(guó)內(nèi)就已經(jīng)開始引進(jìn)嵌入式實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)裝置、微機(jī)保護(hù)、集散控制等各個(gè)領(lǐng)域，其中電能計(jì)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(yíng)銷和未來電網(wǎng)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)等多方面的專業(yè)知識(shí)。

隨著電力市場(chǎng)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(diǎn)：（1）網(wǎng)絡(luò)化程度更高，遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(cè)、傳輸和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)匯總到營(yíng)業(yè)部門，代替人工抄表及一系列后續(xù)工作。

ARM的實(shí)現(xiàn)將克服人工抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、容易出錯(cuò)及入戶抄表的困難，有利于提高配電自動(dòng)化水平；（3）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)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)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(qiáng)有力的支持。ERTU采用定時(shí)或者實(shí)時(shí)啟動(dòng)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(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(yùn)行,總線式設(shè)計(jì)，可較為方便的對(duì)接口進(jìn)行擴(kuò)充，以電子盤為存儲(chǔ)介質(zhì)，可確保掉電后數(shù)據(jù)的不丟失；其控制平臺(tái)采用實(shí)時(shí)嵌入式Linux操作系統(tǒng)，多進(jìn)程/線程設(shè)計(jì)，各程序模塊并發(fā)運(yùn)行，可極大地提高系統(tǒng)效率。各電能量計(jì)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的智能電表對(duì)電能量進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)電能表進(jìn)行巡回采集并存儲(chǔ)下來，通過專線方式即移動(dòng)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(jìn)行遠(yuǎn)程通信。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)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(yuǎn)程通信模塊（Modem）等組成，各模塊之間通過主控模塊進(jìn)行連接和管理。采集裝置采用定時(shí)啟動(dòng)抄表任務(wù)的方式，也可使用遠(yuǎn)程控制方式，通過RS-485總線讀取智能型電表內(nèi)存儲(chǔ)的電能量信息，分時(shí)段存儲(chǔ)在采集裝置內(nèi)的事件信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有對(duì)不同電能表規(guī)約轉(zhuǎn)換的能力，針對(duì)不同的電能表，編寫相應(yīng)的采集程序，建立了一個(gè)程序庫(kù)。

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(chǔ)、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(hào)，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(shí)軟件根據(jù)電能表類型和脈寬進(jìn)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(gè)RS-485接口可接入32只多功能電子式電能表，還可以擴(kuò)展。抄收間隔由主站遠(yuǎn)方設(shè)定，也可在采集系統(tǒng)方設(shè)定，每個(gè)從電能表讀取的數(shù)據(jù)加入時(shí)間信息存儲(chǔ)為帶有時(shí)標(biāo)的數(shù)據(jù)，電量采集系統(tǒng)的時(shí)間信息是通過系統(tǒng)中的GPS模塊進(jìn)行精確授時(shí)，采集系統(tǒng)通過GPS時(shí)鐘完成校時(shí)并可以對(duì)多功能電子式電能表進(jìn)行廣播方式的校時(shí)，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(shí)提供了一個(gè)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行平臺(tái)，提高軟硬件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)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(tái)，其速度為100MHz，且可用程序改變；它包含一個(gè)以太網(wǎng)接口，支持TCP/IP協(xié)議，存儲(chǔ)器分為兩部分：512kB的FLASH EPROM（用于運(yùn)行程序及各個(gè)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(kuò)展到1G）。帶有PC104接口的4通道多串口卡，用多串口擴(kuò)展出8個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)串行通信口、標(biāo)準(zhǔn)并行通信口、標(biāo)準(zhǔn)IDE磁盤驅(qū)動(dòng)器接口、標(biāo)準(zhǔn)VGA驅(qū)動(dòng)芯片、液晶顯示接口、鼠標(biāo)/鍵盤接口、Watchdog監(jiān)控芯片。用一塊主板加上電源、顯示和存儲(chǔ)設(shè)備，組成了一套功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)緊湊的工業(yè)級(jí)的PC。

4.2系統(tǒng)校時(shí)模塊

數(shù)據(jù)采集單元的時(shí)間是通過GPS標(biāo)準(zhǔn)模塊輸出的同步時(shí)間信號(hào)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(shí)間信息，存儲(chǔ)到電子盤中，然后上傳給主站帶時(shí)標(biāo)的電能數(shù)據(jù)。

4.3系統(tǒng)GPRS模塊

GPRS是一種移動(dòng)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(jì)算機(jī)，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(jì)

嵌入式Linux系統(tǒng)是以核心為基礎(chǔ)的、完全內(nèi)存保護(hù)、支持多任務(wù)多進(jìn)程，支持廣泛硬件，包括X86、ARM、NEC、MOTOROLA等現(xiàn)有大部分芯片，且價(jià)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(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)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(jì)分為5個(gè)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(dòng)以模塊化方式被動(dòng)態(tài)的擴(kuò)展到Linux內(nèi)核中，驅(qū)動(dòng)模塊包括對(duì)時(shí)鐘芯片、串口控制器、液晶顯示器以及外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還包括對(duì)PC104自帶的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)口、標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行口及標(biāo)準(zhǔn)104鍵盤接口等的驅(qū)動(dòng),Linux系統(tǒng)在安裝時(shí)就自動(dòng)完成了對(duì)PC104標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，采集終端所需要的擴(kuò)展串口板等外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)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(duì)計(jì)算機(jī)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(gè)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(gè)無線互連平臺(tái)，使得采集完的電能數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)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(shí)可保證采集電能數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)時(shí)性、可靠性和可擴(kuò)展性，性能價(jià)格比高，能夠滿足電力市場(chǎng)對(duì)電能采集和傳輸可靠性高、速度快、維護(hù)方便、穩(wěn)定性及擴(kuò)展性的需求。