ARM嵌入式系统在GIS在线监测中的应用

摘　要：为满足IEC61850 标准对变电站自动化系统及智能设备提出的互操作性、实时性和稳定性要求，将32b处理器ARM (advanced RISC machine) 及嵌入式操作系统uClinux引入封闭式组合电器(GIS) 的在线监测领域。根据GIS在线监测的需要，设计了以太网通信和CAN (controller area network) 总线通信的硬件电路及软件。应用测试结果表明：基于ARM 和uClinux 中TCP/IP 协议栈的以太网通信，可以实现GIS 在线监测系统的互操作性，并保证在通信功能上的长期稳定性；以ARM 为核心的嵌入式系统硬件，可以保证监测装置的稳定性、实时性和可扩充性。故基于ARM 和uClinux 的GIS 在线监测系统可以满足IEC61850 标准对互操作性、稳定性和实时性的要求。 
关键词： 断路器；在线监测系统；嵌入式系统；互操作性

        引言

        GIS (gas insulated switchgear) 是输配电和变电领域有着广泛和重要应用的电力设备。GIS的封闭性结构加大了运行维护的难度，其故障隐患更难发现，可能造成的损失会更大。为了能够实时地、准确地了解GIS 运行状态，及时发现和消除故障隐患，对GIS 实行在线监测就显得尤为重要。

        为了规范电力行业自动化系统发展，国际电工委员会提出IEC61850 标准，它针对变电站自动化系统及智能设备提出了互操作性和稳定性的要求。互操作性是指在两个或两个以上的系统之间可以直接、有效地共用数据和信息。另外，该体系还要求自动化系统在通信功能上具备长期稳定性，可在较长时间内适应通信技术的快速发展。

        鉴于IEC61850 体系对变电站自动化系统提出的确要求，本文对国内主要几种变电站在线监测系统进行了研究。在现有在线监测系统中，通常采用现场总线CAN (controller area network) 作为系统的主通信方式，装置中多采用16 位单片机为核心。该模式在运行中已显示出局限性，例如CAN 作为主通信方式限制了本系统与其他系统进行深层次的互操作; 其次，芯片对外接口相对单一，难以保证系统功能的自由配置，局部功能调整往往要影响到整个系统。研究表明，在ARM (advanced RISC machine)上运行的嵌入式操作系统uClinux 实现以太网通信，能够保证GIS在线监测系统的互操作性和在通信功能上的长期稳定性，故将ARM 嵌入式系统引入GIS 在线监测研究领域。 

        基于ARM 的嵌入式系统 

        ARM 采用先进微控制器总线结构AMBA (advanced microcontroller bus architecture) 的模块化设计，具有综合、快速和高性能价格比的优点 。在ARM 处理器中具备ICE-RT 功能单元，通过它可以在代码的任何部分，甚至于在ROM 中设置断点，这就降低了装置调试难度，为装置的稳定性奠定了基础。 

        在ARM 处理器中，采用32b定长指令和三段流水线指令操作(如图1所示) ，指令执行分为3 个阶段：取指、译码和执行。流水线允许几个操作同时进行，在执行第1条指令期间，第2条指令开始译码，同时第3条指令从存储器中被取出，故取指、译码和执行3部分可以同时进行，这就保证了处理器的高速处理性能。 

图1　三段流水线操作 

        微控制器性能的提高，为操作系统的引入奠定了基础。传统的嵌入式系统一般不用操作系统，故操作系统的引入就为嵌入式系统赋予新的内涵，也成为区别于传统嵌入式系统的一个明显特征。嵌入式操作系统将替代传统的由手工编制的监控程序或调度程序，成为重要的基础组件，使程序员只需面向操作系统进行应用程序的开发。嵌入式操作系统正在转变成为ARM 应用软件的基础。 

        系统在GIS 在线监测上的应用 

        基于ARM嵌入式系统，GIS 在线监测装置的设计主要包括装置的内部框架、硬件配置和软件配置等。基于IEC61850 标准的变电站自动化系统(如图2 所示) 具有一个显著的特点：在自动化系统中，层与层之间都采取以太网通信的方式(基于TCP/IP) ，取代了传统系统中的各种现场总线通信方式(如Lonworks，CAN 以及RS-485 等)。

图2　在线监测系统框图 

        基于ARM 嵌入式系统的硬件框架 
        采用ARM 嵌入式系统之后，硬件电路原理图(如图3 所示) 按照功能主要分为以下几个模块：
        1) ARM CPU 模块该部分电路是嵌入式系统的核心，本系统采用AT91M40800，它基于ARM7TDMI 内核，其专门为工业控制而制造，各项指标均能达到工业级别。 

        2) CPLD 扩展电路 
        该电路的主要功能是对CPU 芯片的外围功能进行扩充。对于功能要求比较复杂的电路，一般都采用CPU+CPLD 的模式，采用该模式的原因主要有两个方面：a) CPU 作为系统的核心，无法、也没有必要满足所有用户的具体功能要求，只需给用户以标准的外部总线接口EB I (external bus interface)即可，让用户根据自己的需要进行必要的功能扩展；b) CPLD 用在电路设计中有以下几点优势：可方便地实现地址译码；编程方式简便，可方便地通过软件编程实现各种逻辑器件的功能; 时钟延迟可达纳秒级，特别适合在线监测领域的应用，具有高可靠性。 

        3) 闪存FLASH 模块 
        闪存芯片在系统断电之后，能够永久保存系统进行重新启动所需的原始软件设置和数据。本文选用ATMEL公司生产的AT49BV1614 闪存芯片，该芯片容量为2MB，芯片上存储嵌入式操作系统uClinux 内核、系统启动程序以及用户程序等。

图3　基于ARM 的嵌入式系统原理图 

        4) 现场总线CAN 接口电路 
        这部分电路是用于装置内部主板与其他数据采集板之间的通信。CAN 的通讯速度可以高达1Mb/s (距离在40m以内) ；CAN 对通信介质没有苛刻的限制，可以为双绞线、同轴电缆或者光纤等，比较灵活；其中，最重要的是CAN 通信具有很高的稳定性和性价比，所以在装置的内部采用CAN 实现主板与辅板之间的通信是工业控制装置中最流行的方法。CAN 总线作为ARM 的外围电路，采用了双CAN 模式，这在快速通信的基础上增强了装置内部通信的稳定性。装置中CAN 总线通信电路如图4 所示，SJA1000 为工业级的CAN 通信控制器，82C250 是CAN 总线驱动器，其中4 个光耦是用于光电隔离，以达到减小通信干扰，同时可以实现通信板的带电插拔。

图4　双CAN 通信接口电路 

        5) 以太网模块 
        电路中采用CS8900A 工业级以太网芯片，可以达到10Mb/s 的网络速度，在线监测装置通过这部分接口电路与系统的高层(如上位机等) 和其他监测装置进行数据的传输共享，实现互操作。 

        基于ARM 嵌入式系统的软件框架 
        系统的软件主要包括3 方面：uCbootloader、uClinux 和应用软件。uCbootloader 用于硬件系统初始化，uClinux 是嵌入式操作系统，而应用程序是用户根据具体要求开发出来实现特定功能的程序模块。硬件系统上电后，运行uCbootloader 对硬件系统配置进行初始化，将检测到的硬件转交给操作系统，由它进行统一支配; 用户程序是建立在uClinux之上，并由它负责引导启动。 

        1) 嵌入式操作系统uClinux 
        本装置选用uClinux 作为嵌入式操作系统主要考虑到以下几个因素：
        a) 选用的AT9M40800 没有内存管理单元；
        b) 对Linux- X 裁剪得到的uClinux 内核很小(约900 kB) ，但仍保留了Linux 系统的稳定性、强大的网络功能和出色的文件系统等优点；
        c) uClinux 拥有一个完整的TCP/IP 协议栈，使GIS 监测装置能够实现标准的以太网通信功能。考虑到系统的实时性要求，本系统采用内核加载方式，将内核的压缩文件放在FLASH 上，系统启动时读取压缩文件在内存中解压，然后运行。 
    
        2) 用户程序 
         本嵌入式系统中的所有应用程序是采用标准C语言编写，编译的过程是在Linux 系统下建立的交叉编译器中进行。根据嵌入式系统要实现的功能，应用程序主要分为以下几部分：以太网通信、CAN 总线通信和串口通信程序等。下面仔细讨论一下以太网通信和CAN 总线的通信：
        a) 以太网通信 
        TCP/IP 协议是一种成熟的、广泛使用的高层网络协议，因为它具有良好的开放性，在变电站通信系统中广泛采用。基于TCP/IP 的通信程序主要有两部分：服务器和客户端。服务器和客户端可以运行于上位机与监测装置上，用于收集数据，并发送相应的网络报文。以客户端程序为例，客户端程序主要包括以下功能环节：建立socket 套接字、向server请求连接、封装数据、接收数据和发送数据，最后释放套接字，如下面的程序片断所示。
main ( int argc，char 3 argv[ ])
　{　.
　　　
sockfd= socket (A F- IN ET，SOCK- STREAM ，0) ;
　　　
.
　　　
connect (sockfd，&their- addr，sizeof (st ructsockaddr) ) ;
　　　
.
　　　
send (sockfd，buf,MAXDA TA S IZE，0) ;
　　　
.
　　　
recv (sockfd，buf,MAXDA TA S IZE，0) ;
　　　
.
　　　
clo se (sockfd) ;}
　　 
        b) CAN 总线通信
        CAN 总线通信软件主要由初始化程序、发送程序和接收程序3 部分组成。初始化程序设置CAN控制器中的各个寄存器，包括模式寄存器、时分寄存器和输出控制器等。由于这些寄存器只能在复位期间设置，故必须在通信开始之前就对CAN 控制器进行初始化。CAN 发送程序主要是将要发送的信息帧送到发送缓冲区中去，再启动发送命令即可(如图5 所示) ； 接收程序与发送程序类似，只需要将数据从接收缓冲区中取出即可。 

        在设计CAN 通信模式的时候，采用多主的通信方式，即CAN 总线上每个节点都可以任意地向其他节点发送和接收报文，每个节点上的通信程序具有相似性，故只要把一个节点的通信程序调通后，其他的节点上的通信程序可以仿效之。

图5　CAN 总线发送程序流程图 

        系统应用测试 
        1) 系统的互操作性 
        在GIS 监测装置中建立设备状态数据库，开设服务器和客户端，并实时地更新数据库的状态值。然后启动GIS 在线监测系统，在系统运行中进行互操作性测试，测试得出：a) 以太网的数据传送速度可以达到10Mb/s；b) 监测系统的上位机能够通过以太网对监测装置发送请求和接收数据，实现上位机与监测装置之间的数据共享，即互操作；c) 两台或多台监测装置之间能够通过以太网进行通信，实现必要的数据交换。 

        2) 监测装置的稳定性 
        根据IEC1000 标准推荐，采用4 级试验等级对GIS 监测装置进行稳定性的测试。试验内容主要包括工频磁场、高频干扰、静电放电干扰和浪涌干扰等9 项测试，测试结果表明监测装置存在部分电磁兼容设计缺陷。但是，经过装置结构局部调整之后，可以达到IEC1000 的4 级标准；另外，对装置进行了温度特性测试、机械特性测试和稳定性测试，试验结果表明，GIS 监测装置能够达到电力系统二次设备稳定性的要求，其稳定性得到检验。 

        3) 系统的开放性与可扩充性 
        GIS 在线监测系统运行之后，对系统的开放性与可扩充性进行测试。通过以太网对监测系统增设一台工作站，并将该工作站用于与其他系统的通信。扩充之后，监测系统工作正常，并能够利用扩充的工作站与其他系统进行通信。 

        结　语 

        在ARM 处理器上运行嵌入式操作系统uClinux，可以实现以太网通信功能；将ARM 嵌入式系统应用于GIS 在线监测系统中，可以满足IEC61850标准提出的互操作性和稳定性要求；利用以太网和CAN 总线通信的GIS 在线监测系统具有开放性和可扩充性。