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[摘要] 本文介绍了一种新型的基于ARM的嵌入式电力负荷管理终端。该终端以高性能32位ARM处理器和嵌入式实时操作系统uCLinux为核心,采用专用的电能计量芯片采集和处理现场电网数据,实现数据的采集与控制、负荷控制、自动抄表等功能。终端与主站相互通信通过GPRS,主动上传各种数据或响应主站的各种命令,通过人机交互接口也可方便对终端的操作。文中对系统的软硬件结构和设计思路进行了重点阐述。
[关键词] 电力负荷管理终端 GPRS LPC2214
0 引言
目前随着国内经济的迅速发展,社会用电需求不断扩大。电力公司开始重视负荷管理系统,对应用系统和现场终端都提出了更高更新的要求。传统的电力终端功能单一,通信方式落后,被新一代终端取代已成必然。本文提出了一种基于ARM的嵌入式电力负荷管理终端,该终端采用高性能32位ARM处理器,结合嵌入式实时操作系统uCLinux的使用,有效的提高了终端运行的实时性和有效性。终端采用成熟的GPRS方式与主站之间通信,大大减少了运行的费用。
1 终端的主要功能
电力负荷管理终端是安装在用户侧的设备。终端要求能够响应主站发来的各种命令,进行负荷控制以及向主站发送采集的电网运行状况的相关信息。电力负荷管理终端的主要功能有:
(1)数据采集:集成电力数据采集模块实时测取三相电网的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率,并记录日用电量、月用电量、日极值等各种用于电力分析的数据。
(2)数据通信:采用GPRS的通信方式,可根据相应的地形及用户要求选择合理的通信方式,向主站上报各种异常信息。
(3)负荷控制:可接受监控中心的控制信号,对本地电网采取相应操作,设定用户的功率和电量定值,在用户用电接近和超过限额时终端及时响应。
(4)自动抄表:内嵌多种电能表通信规约库,并可由主站发命令进行配置,同时主站也可以远程加载规约至终端的规约库。
(5)軟件升级:在终端正常运行的同时主站可对终端软件进行远程升级。
(6)数据显示:集成液晶显示模块、按键、红外、RS323等人机交互接口,可在现场实时查询终端的各项数据,方便现场操作。
2 终端的硬件设计
为保证电力负荷管理终端能够实现GPRS通讯、负荷管理、数据存储、数据采集和处理等复杂功能,终端采用高性能、低功耗的32位ARM处理器。32位ARM处理器的运行速度比8位、16位的处理器快,特别适用于运行多任务的实时系统。32位ARM处理器运行时其系统堆栈和用户堆栈是分开的,在系统设计时可以从硬件和软件两方面对内核进行保护,从而提高系统的可靠性。
终端采用Philips的高性能、低功耗的ARM的处理器LPC2214。LPC2214是基于ARM7TDMI-S的高性能32位RISC微控制器、内置了多个串行通信接口等。终端扩展了128KB的FlaPsh和16KB的RAM、通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。终端扩展了128KB的SRAM,用于程序运行时变量的存储;扩展了16KB的Flash存储器,用于电能数据的存储。
终端采用专用的三相电能计量芯片采集和处理有CT和PT获取的电网信息。该芯片通过SPI接口与ARM连接,进行计量参数以及校表参数的传递。采用该芯片具有较高的性价比,其开发难度相对较低,计量精度也符合电力负荷管理终端对电能计量和电网检测的技术要求。
终端设计了RS485接口,用于读取多功能电能表。终端将电能表的数据和交流采样的数据发送到主站,通过相关的软件进行数据分析,可及时发现计量回路中的窃电行为或电能计量装置的故障。此外,各个终端的数据通过GPRS上传到主站,经过分析和处理之后可作为负荷预测和用电管理的依据。
终端与主站之间采用GPRS通讯方式。GPRS即通用分组无线业务,是在现有GSM系统上发展起来的一种新的承载业务,可以与Internet互联。使用GPRS通讯,终端几乎可以做到“永远在线”,终端与主站之间的连接时间大大缩短,实时性增强。GPRS地域覆盖广、按流量收费、永远在线的特点,非常适用于对实时性要求比较高而数据传输量不大的远程控制终端。GPRS模块采用自带TCP/IP协议栈的模块,模块通过UART与ARM连接。采用带TCP/IP协议栈的GPRS模块的优点是在软件设计时不需要在ARM中嵌入TCP/IP协议,这样极大地降低了软件设计的难度,还可以减小硬件的开销。
终端设计了按键、LCD显示、RS232接口、红外等接口。按键与LCD用于现场操作;红外接口用于与手持式抄表设备通讯;RS232接口与PC连接,可以进行现场调试和错误诊断。
GPRS模块、RS485接口、红外模块都通过UART接口与ARM连接,但LPC2214仅有2个UART接口,因此使用通过异步串行口扩展芯片对ARM的串行口进行了扩展,以满足硬件设计的要求。
终端使用三相供电方式,在三相三线制供电时一相电压断路、三相四线制供电时两相电压断路的情况下终端能正常工作。在失去交流电源的情况下,终端采用备用的可充电锂离子电池供电。
3终端的软件设计
由于电力负荷管理终端对可靠性,安全性等要求很高,系统设计时须从硬件与软件两方面提供抗干扰能力。ARM采用32位,配合嵌入式实时操作系统uCLinux,可以有效的提高系统的安全性和可靠性。除了提高系统的安全性和可靠性之外,采用嵌入式操作系统还具有很多优点:易于程序的设计和扩展,不需要大的改动就可以增加新的功能;可将应用程序进行分割,形成若干个独立的任务模块,促使设计过程大大简化;该程序中对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理;应用程序系统服务安全有效,使得系统资源得到更好的利用。
该终端内嵌实时操作系统uCLinux,基于分层设计的思路构件。应用程序采用模块化设计,主要划分为数据采集模块、数据通信模块、负荷控制模块、软件升级模块、GPRS通信模块、液晶显示等模块。软件设计的主要任务是将uCLinux移植到ARM上,然后在uCLinux构架上进行应用程序设计。在移植前必须先从网络上下载uCLinux源码及开发工具,建立交叉编译环境。随后的工作包括针对硬件平台修改uCLinux源码、剪裁和配置uCLinux内核。操作系统对各个任务进行数据传递和优先管理,使最高优先级的任务得到及时响应。当由于干扰使得某用户的任务被破坏时,可以通过系统运行的监控任务对其进行修复和清除,从而避免了这个系统的崩溃。嵌入式实时操作系统的使用,提高了终端运行的实时性和可靠性。
软件升级可以通过GPRS从主站下载新的软件安装程序到终端的Flash之后,使用LPC2214芯片的IAP功能实现。使用该功能可以在应用程序运行时对Flash进行擦除和编程,方便地实现终端软件的在线升级。由于IAP功能的使用要独占一部分Flash和ARM空间,因此在设计软件时要先分配好空间。
4结束语
本文设计的电力负荷管理终端以ARM芯片和嵌入式实时操作系统uCLinux为基础,设计新颖,功能完善,GPRS网络传输的通信方式更符合电力用户“分布广,地形复杂”的特点。紧凑的硬件设计和uCLinux系统的应用使得整个系统完全符合当前技术条件下电力市场的需求。
[关键词] 电力负荷管理终端 GPRS LPC2214
0 引言
目前随着国内经济的迅速发展,社会用电需求不断扩大。电力公司开始重视负荷管理系统,对应用系统和现场终端都提出了更高更新的要求。传统的电力终端功能单一,通信方式落后,被新一代终端取代已成必然。本文提出了一种基于ARM的嵌入式电力负荷管理终端,该终端采用高性能32位ARM处理器,结合嵌入式实时操作系统uCLinux的使用,有效的提高了终端运行的实时性和有效性。终端采用成熟的GPRS方式与主站之间通信,大大减少了运行的费用。
1 终端的主要功能
电力负荷管理终端是安装在用户侧的设备。终端要求能够响应主站发来的各种命令,进行负荷控制以及向主站发送采集的电网运行状况的相关信息。电力负荷管理终端的主要功能有:
(1)数据采集:集成电力数据采集模块实时测取三相电网的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率,并记录日用电量、月用电量、日极值等各种用于电力分析的数据。
(2)数据通信:采用GPRS的通信方式,可根据相应的地形及用户要求选择合理的通信方式,向主站上报各种异常信息。
(3)负荷控制:可接受监控中心的控制信号,对本地电网采取相应操作,设定用户的功率和电量定值,在用户用电接近和超过限额时终端及时响应。
(4)自动抄表:内嵌多种电能表通信规约库,并可由主站发命令进行配置,同时主站也可以远程加载规约至终端的规约库。
(5)軟件升级:在终端正常运行的同时主站可对终端软件进行远程升级。
(6)数据显示:集成液晶显示模块、按键、红外、RS323等人机交互接口,可在现场实时查询终端的各项数据,方便现场操作。
2 终端的硬件设计
为保证电力负荷管理终端能够实现GPRS通讯、负荷管理、数据存储、数据采集和处理等复杂功能,终端采用高性能、低功耗的32位ARM处理器。32位ARM处理器的运行速度比8位、16位的处理器快,特别适用于运行多任务的实时系统。32位ARM处理器运行时其系统堆栈和用户堆栈是分开的,在系统设计时可以从硬件和软件两方面对内核进行保护,从而提高系统的可靠性。
终端采用Philips的高性能、低功耗的ARM的处理器LPC2214。LPC2214是基于ARM7TDMI-S的高性能32位RISC微控制器、内置了多个串行通信接口等。终端扩展了128KB的FlaPsh和16KB的RAM、通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。终端扩展了128KB的SRAM,用于程序运行时变量的存储;扩展了16KB的Flash存储器,用于电能数据的存储。
终端采用专用的三相电能计量芯片采集和处理有CT和PT获取的电网信息。该芯片通过SPI接口与ARM连接,进行计量参数以及校表参数的传递。采用该芯片具有较高的性价比,其开发难度相对较低,计量精度也符合电力负荷管理终端对电能计量和电网检测的技术要求。
终端设计了RS485接口,用于读取多功能电能表。终端将电能表的数据和交流采样的数据发送到主站,通过相关的软件进行数据分析,可及时发现计量回路中的窃电行为或电能计量装置的故障。此外,各个终端的数据通过GPRS上传到主站,经过分析和处理之后可作为负荷预测和用电管理的依据。
终端与主站之间采用GPRS通讯方式。GPRS即通用分组无线业务,是在现有GSM系统上发展起来的一种新的承载业务,可以与Internet互联。使用GPRS通讯,终端几乎可以做到“永远在线”,终端与主站之间的连接时间大大缩短,实时性增强。GPRS地域覆盖广、按流量收费、永远在线的特点,非常适用于对实时性要求比较高而数据传输量不大的远程控制终端。GPRS模块采用自带TCP/IP协议栈的模块,模块通过UART与ARM连接。采用带TCP/IP协议栈的GPRS模块的优点是在软件设计时不需要在ARM中嵌入TCP/IP协议,这样极大地降低了软件设计的难度,还可以减小硬件的开销。
终端设计了按键、LCD显示、RS232接口、红外等接口。按键与LCD用于现场操作;红外接口用于与手持式抄表设备通讯;RS232接口与PC连接,可以进行现场调试和错误诊断。
GPRS模块、RS485接口、红外模块都通过UART接口与ARM连接,但LPC2214仅有2个UART接口,因此使用通过异步串行口扩展芯片对ARM的串行口进行了扩展,以满足硬件设计的要求。
终端使用三相供电方式,在三相三线制供电时一相电压断路、三相四线制供电时两相电压断路的情况下终端能正常工作。在失去交流电源的情况下,终端采用备用的可充电锂离子电池供电。
3终端的软件设计
由于电力负荷管理终端对可靠性,安全性等要求很高,系统设计时须从硬件与软件两方面提供抗干扰能力。ARM采用32位,配合嵌入式实时操作系统uCLinux,可以有效的提高系统的安全性和可靠性。除了提高系统的安全性和可靠性之外,采用嵌入式操作系统还具有很多优点:易于程序的设计和扩展,不需要大的改动就可以增加新的功能;可将应用程序进行分割,形成若干个独立的任务模块,促使设计过程大大简化;该程序中对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理;应用程序系统服务安全有效,使得系统资源得到更好的利用。
该终端内嵌实时操作系统uCLinux,基于分层设计的思路构件。应用程序采用模块化设计,主要划分为数据采集模块、数据通信模块、负荷控制模块、软件升级模块、GPRS通信模块、液晶显示等模块。软件设计的主要任务是将uCLinux移植到ARM上,然后在uCLinux构架上进行应用程序设计。在移植前必须先从网络上下载uCLinux源码及开发工具,建立交叉编译环境。随后的工作包括针对硬件平台修改uCLinux源码、剪裁和配置uCLinux内核。操作系统对各个任务进行数据传递和优先管理,使最高优先级的任务得到及时响应。当由于干扰使得某用户的任务被破坏时,可以通过系统运行的监控任务对其进行修复和清除,从而避免了这个系统的崩溃。嵌入式实时操作系统的使用,提高了终端运行的实时性和可靠性。
软件升级可以通过GPRS从主站下载新的软件安装程序到终端的Flash之后,使用LPC2214芯片的IAP功能实现。使用该功能可以在应用程序运行时对Flash进行擦除和编程,方便地实现终端软件的在线升级。由于IAP功能的使用要独占一部分Flash和ARM空间,因此在设计软件时要先分配好空间。
4结束语
本文设计的电力负荷管理终端以ARM芯片和嵌入式实时操作系统uCLinux为基础,设计新颖,功能完善,GPRS网络传输的通信方式更符合电力用户“分布广,地形复杂”的特点。紧凑的硬件设计和uCLinux系统的应用使得整个系统完全符合当前技术条件下电力市场的需求。