基于嵌入式LINUX的电能量数据采集终端的开发研究

1 引言

随着计算机技术、网络技术和大规模集成电路的高速发展，动态信号分析系统出现了向着网络化方向发展的趋势。以计算机技术、芯片技术和以软件为核心的嵌入式系统（Embedded System）再度成为当前研究和应用的热点。相对于通用计算机系统，嵌入式系统最大的特点是目的性和针对性强，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合和特定功能，且通常具有实时性高、功耗低、体积小、集成度高、成本低等特点。

远程电能量数据采集终端（ERTU）在电能量计费系统中是介于计量主站与费率装置（电能表）之间的中间设备，主要完成电能量数据采集、处理、存储及转发等功能。嵌入式技术在电力系统中的应用有着悠久的历史，早在几年前国内就已经开始引进嵌入式实时操作系统（Real Time Operation System－RTOS）为核心的电网监控系统。随着近年来电力系统自动化程度的不断提高及嵌入式技术的迅速发展，嵌入式技术越来越广泛应用于数据采集、状态监控、自动装置、微机保护、集散控制等各个领域，其中电能计量系统由于其自身的用电用户分散性和管理网络化的需要，应用嵌入式技术将大大提高系统性能。

2 嵌入式电能量采集系统概述

电能量采集系统作为电力营销和未来电网商业化运营的技术支持有着广阔的应用前景。系统主要由主站端计算机系统、厂站端电量采集器、多功能电子式电量表和信息通信网络四部分组成，涉及到电子、计算机、通信、网络、电力系统等多方面的专业知识。

随着电力市场的建立和信息技术的发展，电能量采集系统的发展出现了新的特点：（1）网络化程度更高，远程电能数据采集终端（ERTU）除了具备多种接口和内置Modem,还应具有网络功能，具有网络接口，遵从TCP/IP标准协议；数据传输安全可靠，具备面向用户的信息查询功能以及辅助信息发布功能；（2）电能表自动抄表ARM（Automatic Reading Meter）是供电部门将安装在用户处的电能表所记录的用电量，通过遥测、传输和计算机系统汇总到营业部门，代替人工抄表及一系列后续工作。

ARM的实现将克服人工抄表费时、费力、容易出错及入户抄表的困难，有利于提高配电自动化水平；（3）在远程电能数据采集终端（ERTU）采用嵌入式CPU和嵌入式实时多任务RTOS构成完整的嵌入式系统，在RTOS的基础上结合嵌入式Web服务器技术，可实现实时、动态的交互查询功能，为用电管理人员的决策分析提供了强有力的支持。ERTU采用定时或者实时启动抄表任务，通过RS-485总线读取智能电能表内的电量信息和事件信息，支持标准的RS-485串口数据输出。每一个ERTU装置都可以接多路RS-485总线，这样就可以同时采集多路的电表信息。根据以上所述电能量采集系统的发展，在系统的研究中开发出了一种新型的电能量采集终端，其硬件采用流行的PC104为主的CPU，可保证高速和高可靠性运行,总线式设计，可较为方便的对接口进行扩充，以电子盘为存储介质，可确保掉电后数据的不丢失；其控制平台采用实时嵌入式Linux操作系统，多进程/线程设计，各程序模块并发运行，可极大地提高系统效率。各电能量计量点对应的智能电表对电能量进行测量，数据采集系统对电能表进行巡回采集并存储下来，通过专线方式即移动公司的GPRS网络将采集的数据传输到主站系统,通过GPRS网络与控制中心进行远程通信。数据采集系统在设计上采用功能模块插件式结构，主要由接口模块、RS-485采集模块、主控模块、远程通信模块（Modem）等组成，各模块之间通过主控模块进行连接和管理。采集装置采用定时启动抄表任务的方式，也可使用远程控制方式，通过RS-485总线读取智能型电表内存储的电能量信息，分时段存储在采集装置内的事件信息。数据采集系统具有对不同电能表规约转换的能力，针对不同的电能表，编写相应的采集程序，建立了一个程序库。

3 嵌入式电能量采集系统的主要功能

开发的新型电能量采集系统集数据抄收、存储、处理、无线上传等功能于一身，系统可采集32/64路脉冲输入信号，脉冲扫描周期为10ms，采样分辨率不小于40ms，具有硬件滤波，同时软件根据电能表类型和脉宽进行滤波处理。利用电能量采集系统提供4路RS-485接口，每个RS-485接口可接入32只多功能电子式电能表，还可以扩展。抄收间隔由主站远方设定，也可在采集系统方设定，每个从电能表读取的数据加入时间信息存储为带有时标的数据，电量采集系统的时间信息是通过系统中的GPS模块进行精确授时，采集系统通过GPS时钟完成校时并可以对多功能电子式电能表进行广播方式的校时，该嵌入式电能量采集系统既可以同脉冲式与脉冲式电表终端通信，也可以同数字接口全电子式电能表终端通信，同时提供了一个GPRS接口，支持TCP/IP协议，通过GPRS网络上传给主站服务器。系统的功能结构图如图1所示。

[!--empirenews.page--]4 系统实现

3.1数据采集单元的硬件结构

系统的硬件核心用标准PC104“夹层总线”方式和嵌入式操作系统提供应用程序的运行平台，提高软硬件设计的标准化程度和系统的复用性，微处理器采用了Intel486处理器平台，其速度为100MHz，且可用程序改变；它包含一个以太网接口，支持TCP/IP协议，存储器分为两部分：512kB的FLASH EPROM（用于运行程序及各个中间变量的存放）；一块64MB的Disk On Chip的电子盘（用于存放抄收的电能量数据,最多可扩展到1G）。带有PC104接口的4通道多串口卡，用多串口扩展出8个串口用以连接本地电能表，系统还采用了以下用户接口设备：一块兼容标准液晶显示接口的单色液晶显示屏，显示分辨率320×240；用PC-AT键盘接口连接的输入键盘，用作用户输入设备。

由上可见，主要PC外围设备都被集中到了一块体积比较小的主板上，这其中包括：CPU、内存、总线控制器、标准串行通信口、标准并行通信口、标准IDE磁盘驱动器接口、标准VGA驱动芯片、液晶显示接口、鼠标/键盘接口、Watchdog监控芯片。用一块主板加上电源、显示和存储设备，组成了一套功能强大，结构紧凑的工业级的PC。

3.2系统校时模块

数据采集单元的时间是通过GPS标准模块输出的同步时间信号校定，GPS模块通过RS-232接口与数据采集单元通信，从电能表采集到的电能数据加上时间信息，存储到电子盘中，然后上传给主站带时标的电能数据。

3.3系统GPRS模块

GPRS是一种移动数据通信业务，在用户和数据网络之间提供一种连接，给用户提供端到端的、广域的无线IP连接。电能量采集系统采集完的数据通过GPRS网络上传给主站计算机，主站端的GPRS的Modem接收发送过来的数据。

如图2所示电能量数据采集部分的硬件结构图。

3.4数据采集单元的软件设计

嵌入式Linux系统是以核心为基础的、完全内存保护、支持多任务多进程，支持广泛硬件，包括X86、ARM、NEC、MOTOROLA等现有大部分芯片，且价格低廉，开发资料丰富，可定制内核。Linux程序源码全部公开，包括系统内核，任何人可以修改并在(GNU General Public License)下发行，这样开发人员可以对操作系统进行定制和修改。

根据开发的嵌入式电能数据采集系统所完成的功能，软件设计分为5个模块：上行通信、下行通信、核心处理、用户接口、系统服务。电能量采集系统的设备驱动以模块化方式被动态的扩展到Linux内核中，驱动模块包括对时钟芯片、串口控制器、液晶显示器以及外围设备的驱动，同时还包括对PC104自带的标准网络口、标准RS-232串行口及标准104键盘接口等的驱动,Linux系统在安装时就自动完成了对PC104标准设备的驱动，采集终端所需要的扩展串口板等外围设备的驱动纳入到Linux内核中。

系统软件总体结构如图3所示。

5 结论

针对计算机技术和数据采集技术发展现状，研究并开发出一个新型的基于嵌入式网络技术的电能量采集系统，该系统以高速发展的嵌入式网络技术为核心进行设计，把无线互连技术和嵌入式Linux结合起来，可以真正为用户提供一个无线互连平台，使得采集完的电能数据通过无线网络准确无误的上传给主站系统，利用采集系统中GPS模块的授时可保证采集电能数据时间的确定性。

现开发出这一基于嵌入式Linux操作系统的新型电能量采集系统具有很好的实时性、可靠性和可扩展性，性能价格比高，能够满足电力市场对电能采集和传输可靠性高、速度快、维护方便、稳定性及扩展性的需求。