嵌入式技術(shù)ARM在變電站監(jiān)控系統(tǒng)前端控制器中的應(yīng)用

1 　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    應(yīng)用嵌入式技術(shù)設(shè)計的變電站監(jiān)控系統(tǒng),提高了變電站運行和維護(hù)的安全性和可靠性,逐步實現(xiàn)電網(wǎng)的可視化監(jiān)控和調(diào)度,使電網(wǎng)調(diào)控運行更為安全、可靠.

1. 1 　監(jiān)控前端

    系統(tǒng)前端由現(xiàn)場控制器、攝像頭和傳感器組成.現(xiàn)場控制器。設(shè)計一塊基于小巧的控制板,采用三星公司的S3C2410 處理器,系統(tǒng)特性如下(1)203 MHz 的ARM920 T 內(nèi)核; (2) 8 個內(nèi)存bank , 每個ba nk 可尋址128M 內(nèi)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) 集成實時時鐘, PWM 輸出; (7) 多模式管理電源和時鐘,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(chǔ)上,還進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴展, 平臺配置64M NANDFlash 和64M SDRAM. 通過以太網(wǎng)控制器芯片CS890O 擴展了一個網(wǎng)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 系列的,OV511 是一個專用的數(shù)字?jǐn)z像IC 到USB 的接口芯片,內(nèi)含數(shù)字?jǐn)z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,用于將攝取的數(shù)字視頻圖像直接通過USB 接口送入開發(fā)板進(jìn)行處理.

    傳感器是將紅外傳感器、煙霧傳感器等集成到上面,連接到現(xiàn)場控制器. 能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場外來人員入侵、儀表過熱及其它突發(fā)事件.

1. 2 　通訊網(wǎng)絡(luò)

    建立變電站內(nèi)部專用局域網(wǎng),通過以太網(wǎng)接口和網(wǎng)絡(luò)上的其他用戶互連,攝像頭連接到控制板的USB 接口上,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集功能,并通過局域網(wǎng)提供給網(wǎng)絡(luò)客戶進(jìn)行訪問. 每個網(wǎng)絡(luò)攝像頭提供唯一的IP ,方便用戶對不同的網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行監(jiān)控.

1. 3 　監(jiān)控中心

    主要由圖像監(jiān)控中心服務(wù)器、圖像存儲系統(tǒng)、監(jiān)控客戶終端等組成,完成現(xiàn)場圖像接收,用戶登錄管理,優(yōu)先權(quán)的分配,控制信號的協(xié)調(diào),圖像的實時監(jiān)控,錄像的存儲、檢索、回放、備份、恢復(fù)等.

2 　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2. 1 　硬件總體設(shè)計

    本系統(tǒng)硬件開發(fā)采用基于ARM 的PC/ 104 嵌入式模塊, PC/ 104 是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線,IEEE 協(xié)會將它定義為IEEE -P996. 1 , 實質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE - P996(IEEE - P996 是ISA 工業(yè)總線規(guī)范) .

    硬件系統(tǒng)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于ARM 處理器模塊,可以擴展更多功能。

    S3C2410 的芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示通用的ARM處理器都在片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)控制器,ARM 處理器在訪問外圍設(shè)備時, 并不需要對外設(shè)進(jìn)行橋接,對外設(shè)的訪問都是采用實地址模式. 所有的外設(shè)都是連接在AMBA 總線上, 根據(jù)地址在系統(tǒng)空間中的分配,通過內(nèi)部集成了存儲器控制器(Memory Cont roller ) 進(jìn)行訪問、控制. 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)中并沒有非常龐大的架構(gòu),只是簡單的實現(xiàn)結(jié)構(gòu).

     視頻采集模塊采用網(wǎng)眼V3000 攝像頭, USB控制器為OV511 , Linux 操作系統(tǒng)支持該驅(qū)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(jié)構(gòu)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(lián),用來防止其他紅外光引起傳感器誤動作.另外,當(dāng)環(huán)境溫度改變時,兩個晶體的參數(shù)會同時發(fā)生變化,這樣可以相互抵消,避免出現(xiàn)檢測誤差. 該傳感器使用時, D 端接電源正極, G端接電源負(fù)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(fā)射部分和接受控制部分. 采用nRF401 單片射頻收發(fā)器,達(dá)到了無線傳輸?shù)哪康?能迅速的發(fā)出報警信號,方便及時的控制火情檢測發(fā)射端和接收控制端選用了目前市場上已經(jīng)成熟的高性能芯片,其外圍電路結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)容易,可靠性強系統(tǒng)由三大芯片互相配合構(gòu)成,檢測裝置采用了Motorol a 公司生產(chǎn)的具有聲光報警電路的MC14468 芯片, 能實現(xiàn)多點并行檢測,配合外圍電路可構(gòu)成多點煙霧報警系統(tǒng). 無線收發(fā)器采用美國Nordic 公司最新推出的基于無線通信的nRF401 型單片射頻收發(fā)器. 它采用了無線通信和F SK(頻移鍵控) 調(diào)制解調(diào)技術(shù),工作頻率穩(wěn)定且抗干擾能力強,不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,外圍電路簡單,使用方便. 由于采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度的設(shè)計方案,因此不受無線電管理條例的限制,無須辦理許可證. nRF401 的引入是本系統(tǒng)的突出特點之一, 它極大的提高了系統(tǒng)的實時性,這對安全系統(tǒng)是相當(dāng)重要的.

2. 2 　基于ARM 處理器的PC/ 104 計算機體系結(jié)構(gòu)

    嵌入式設(shè)備都是根據(jù)具體應(yīng)用而設(shè)計,具備高度可裁減性等特點,因此很難給各種嵌入式設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的定義. 但是針對實際研發(fā)的計算機,根據(jù)所采用的ARM 處理器和實際應(yīng)用需求,還是可以對其體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)定義. 如圖4 所示,是基于ARM 處理器的PC/ 104嵌入式計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.

2. 3 　PC/ 104 總線設(shè)計

    在電路設(shè)計上, CPL D 采用了XIL INX 的XC95144XL. ARM 的數(shù)據(jù)、地址總線,以及讀寫等需要使用的控制信號全部連接到CPLD 上, 作為ARM 處理器訪問CPLD 的信號線. 并將CPLD 的部分IO 引出,通過BUFFER 后,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(jù)信號線上的變化完成相應(yīng)的PC/ 104 總線上的操作.

對于接口設(shè)計來說,最主要的就是時序設(shè)計. 時序設(shè)計正確了, 系統(tǒng)就能正確地工作. 同,CPLD的標(biāo)準(zhǔn)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、信號完整性方面的問題導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降,所以使用了BUF FER 來進(jìn)行兩個電平間的轉(zhuǎn)換,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

ARM 和PC/ 104 的接口如圖5 所示.

3 　系統(tǒng)軟件設(shè)計

3. 1 　嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計

    本系統(tǒng)采用的軟件系統(tǒng)為嵌入式Linux 操作系統(tǒng). Linux 操作系統(tǒng)開放源代碼,可裁減, 無版稅. 經(jīng)過多年的發(fā)展系統(tǒng)非常穩(wěn)定,開發(fā)技術(shù)比較成熟. 嵌入式Linux 有以下優(yōu)點:

(1) Linux 的是可以定制和可裁減的. Linux 系統(tǒng)從設(shè)計開始就考慮到了系統(tǒng)的定制性和裁減性.不僅Linux 內(nèi)核可以裁減,而且文件系統(tǒng)也是可以裁減的.

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

(3) Linux 本身支持包括X86 、ARM 等在內(nèi)的多種硬件平臺.

(4) 系統(tǒng)小巧. 一個功能完備的Linux 內(nèi)核要求大約1 MB 內(nèi)存.

(5) 強大的網(wǎng)絡(luò)功能. Linux 幾乎支持所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備.

     一個嵌入式Linux 系統(tǒng)只需要下面三個基本元素:引導(dǎo)程序、Linux 微內(nèi)核(由存管理、進(jìn)程管理和事務(wù)處理構(gòu)成) 和初始化進(jìn)程. 要實現(xiàn)最低<