新型電源裝置的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

徐紅艷，佃松宜，鄧 翔，王 琪

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065）

0 引 言

高壓直流供電系統(tǒng) （high voltage direct current power system，HVDCPS）給數(shù)據(jù)中心和通信機(jī)房設(shè)備供電時，在供電可靠性、降低能耗和成本、便于日常維護(hù)等方面比傳統(tǒng)不間斷電源系統(tǒng)顯現(xiàn)出較大優(yōu)勢，因而受到業(yè)界廣泛關(guān)注。2012年國際國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也已頒布實(shí)施[1，2]。作者所在課題組成功研制出通信用240VHVDCPS新型電源裝置。

電源監(jiān)控是通信用電源裝置中進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、自動監(jiān)測、故障早期預(yù)警和優(yōu)化運(yùn)行等的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)目前的發(fā)展趨勢是高可靠性、高實(shí)時性、可擴(kuò)展、易維護(hù)以及友好人機(jī)交互圖形用戶界面[3]。這就要求監(jiān)控系統(tǒng)對監(jiān)控對象的狀態(tài)變化和用戶操作做出更加快速的響應(yīng)，能夠不間斷、穩(wěn)定、可靠、實(shí)時地對通信電源設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用讓這種需求成為可能。本系統(tǒng)從技術(shù)需求出發(fā)，基于ARM平臺和Qt開發(fā)工具，采用三級集散式監(jiān)控結(jié)構(gòu)，應(yīng)用計算機(jī)控制和總線通信技術(shù)，模塊化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對新型電源裝置的嵌入式實(shí)時監(jiān)控。

1 監(jiān)控系統(tǒng)功能的需求分析

監(jiān)控系統(tǒng)需要檢測的信號有:交流輸入、整流模塊、母線和負(fù)載支路的各種電壓和電流，蓄電池組和各單體電池的電壓、電流和溫度，以及系統(tǒng)其它狀態(tài)量等。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求和系統(tǒng)實(shí)際需求，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有的功能概況如下:

（1）監(jiān)測交直流電壓和電流，對異常狀況進(jìn)行保護(hù)并報警。

（2）實(shí)時檢測蓄電池組及各單體電池的電壓和溫度，對異常狀況進(jìn)行保護(hù)并報警。對蓄電池進(jìn)行管理，在均充與浮充之間智能切換。

（3）檢測母線和各負(fù)載支路的絕緣狀態(tài)，絕緣下降至不符合要求時進(jìn)行告警。

（4）記錄系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)正常工作時的關(guān)鍵參數(shù)動態(tài)曲線顯示。

（5）提供人機(jī)接口，通過真彩顯示屏和觸摸屏，實(shí)時顯示系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，可進(jìn)行系統(tǒng)模塊配置、參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)維護(hù)等。

（6）支持遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)由ARM主控模塊、電池管理模塊、絕緣監(jiān)測模塊和配電監(jiān)控模塊4個模塊組成。ARM主控模塊協(xié)調(diào)其它各模塊，對系統(tǒng)整體性能進(jìn)行優(yōu)化分析；電池管理模塊，絕緣監(jiān)測模塊和配電監(jiān)控模塊可獨(dú)立運(yùn)行，對電源系統(tǒng)各個部分進(jìn)行獨(dú)立控制。當(dāng)某一模塊出現(xiàn)故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能喪失；當(dāng)系統(tǒng)要增加設(shè)備時，可增加功能模塊的數(shù)目，易于擴(kuò)展；當(dāng)某一模塊出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運(yùn)行的情況下更換模塊，迅速排除故障。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式檢測結(jié)構(gòu)。電流電壓等傳感器和其它轉(zhuǎn)換電路在底層通過各模擬量、數(shù)字量采集模塊，再通過4條CAN總線向ARM主控制器上傳。另外，上層也可以通過數(shù)字量輸出模塊來直接控制繼電器和相關(guān)開關(guān)器件的開斷。整流模塊中的DSP控制器通過CAN總線接受ARM主控制器的管理。

監(jiān)控系統(tǒng)中ARM處理平臺選用Atmel公司的AT91SAM9G45處理器，處理器頻率達(dá)到400MHz，帶有一個7寸LCD顯示屏和一個觸摸屏[4]。選用抗電磁干擾能力強(qiáng)的CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[5]。操作系統(tǒng)選用嵌入式Linux，并在其上移植Qt／Embedded庫。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件平臺的搭建

系統(tǒng)軟件平臺的搭建比較復(fù)雜，包括虛擬機(jī)的安裝、交叉編譯環(huán)境的建立、Linux內(nèi)核的移植、文件系統(tǒng)的制作、NFS系統(tǒng)的搭建、Qt和Qwt的安裝以及Qt、Qwt和tslib向開發(fā)板的移植等。

本系統(tǒng)程序的開發(fā)是在裝有Ubuntu 11.10版本Linux操作系統(tǒng)的宿主機(jī)上完成的。在宿主機(jī)上建立Qt／Embedded開發(fā)環(huán)境是開發(fā)GUI程序的首要步驟[6]。

3.2 程序設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)程序由數(shù)據(jù)采集與控制程序和人機(jī)交互界面程序兩部分組成，并通過Linux進(jìn)程間共享內(nèi)存的方式完成數(shù)據(jù)的傳遞，實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 共享內(nèi)存方式原理

管道和消息隊(duì)列等通信方式，需要在內(nèi)核和用戶空間進(jìn)行四次數(shù)據(jù)拷貝。而共享內(nèi)存只拷貝兩次:一次從輸入文件到共享內(nèi)存區(qū)；另一次從共享內(nèi)存區(qū)到輸出文件。因此，共享內(nèi)存是一種較快的進(jìn)程通信方式。系統(tǒng)使用mmap（內(nèi)存映射）方式傳遞數(shù)據(jù)，mmap（）系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過映射同一個普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存[7]。共享內(nèi)存區(qū)由一個進(jìn)程創(chuàng)建，其余進(jìn)程也可以訪問這塊內(nèi)存，直接讀寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不需要在進(jìn)程間進(jìn)行復(fù)制操作。為了達(dá)到進(jìn)程間的同步及互斥，需要與其它通信機(jī)制結(jié)合使用[8]。

設(shè)計中采用Mutex技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步[9]。當(dāng)一個線程嘗試操作共享內(nèi)存區(qū)域前，先檢查是否已被Mutex鎖定。如果已被鎖定，則進(jìn)入等待狀態(tài)，同時啟動超時計數(shù)器，當(dāng)線程等待超時完畢，則重新嘗試訪問共享內(nèi)存區(qū)域；如果未被鎖定，則創(chuàng)建一個Mutex，以鎖定共享內(nèi)存，同時啟動超時計數(shù)器，然后開始操作共享內(nèi)存，當(dāng)線程的鎖定超時完畢，則對Mutex執(zhí)行解鎖，以釋放共享區(qū)域的操作權(quán)限，以避免死鎖。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

本嵌入式系統(tǒng)采用多線程和多進(jìn)程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)處理等同時進(jìn)行，從而提高程序的處理效率。程序流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序流程

監(jiān)控系統(tǒng)在Linux下建立一個讀取CAN數(shù)據(jù)采集模塊的程序。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，建立共享內(nèi)存，然后打開串口設(shè)備和CAN接口設(shè)備，并設(shè)置初始值。主節(jié)點(diǎn)（ARM主控模塊）向從節(jié)點(diǎn) （CAN數(shù)據(jù)采集模塊）發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令，各數(shù)據(jù)采集模塊通過CAN總線將數(shù)據(jù)上傳到ARM主控模塊的接收緩存區(qū)。ARM主控模塊從緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)幀頭判斷數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長度并進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)保存在共享內(nèi)存中。

系統(tǒng)創(chuàng)建一個線程通過事件驅(qū)動實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，并將數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，防止因數(shù)據(jù)量過大造成界面假死[10]。Qt自身擁有QThread線程類，并提供創(chuàng)建新線程的方法。線程通過重載QThread::run（）函數(shù)完成其操作。通過調(diào)用QThread::start（）開啟線程，線程一直循環(huán)讀取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，為界面刷新提供即時數(shù)據(jù)。Qt線程中無法直接操作主進(jìn)程中的GUI控件，即無法在線程中對一個具體的標(biāo)簽或者文本欄做修改，只能依靠 “信號與槽”的方式，每當(dāng)線程完整的讀一次共享內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)體，就發(fā)出信號。

不同的界面需要刷新的數(shù)據(jù)不同，因此線程必須針對不同界面定義相應(yīng)的信號。本文采用自定義結(jié)構(gòu)化消息的方式來實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的異步顯示。自定義的結(jié)構(gòu)化消息包括消息編碼、通道編碼、數(shù)據(jù)類型、采集內(nèi)容。系統(tǒng)所有的采集數(shù)據(jù)在發(fā)送前按照統(tǒng)一的消息結(jié)構(gòu)進(jìn)行組包，然后發(fā)送到數(shù)據(jù)接收線程；數(shù)據(jù)接收線程按照消息編碼進(jìn)行分揀，分別調(diào)用對應(yīng)的消息處理函數(shù)進(jìn)行解包、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和動態(tài)顯示。

3.2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)預(yù)處理

為防止干擾信號引起錯誤報警，對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波預(yù)處理。以直流母線電壓為例介紹軟件濾波器的設(shè)計過程。

電池并聯(lián)在直流母線上，因此直流母線電壓等于電池電壓。根據(jù)電池充、放電特性，直流母線電壓的波動頻率在1Hz以下，留有一定裕量將截止頻率設(shè)為10Hz。系統(tǒng)采樣頻率為100Hz，采用文獻(xiàn)[11]的方法計算出對應(yīng)的離散傳遞函數(shù)為

根據(jù)傳遞函數(shù)式 （1）可得

按照式 （2）實(shí)現(xiàn)濾波器方法如下:

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲與管理

在主控程序中實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，數(shù)據(jù)庫主要對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)和訪問，完成數(shù)據(jù)的查詢、修改、設(shè)置、瀏覽等功能。電源監(jiān)控軟件在運(yùn)行時，自動建立一個SQLite數(shù)據(jù)庫，然后在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表中創(chuàng)建報警、日期、蓄電池狀態(tài)等字段。對于大批量數(shù)據(jù)，引用數(shù)據(jù)庫中 “事務(wù)”的概念，將其當(dāng)做一次事務(wù)從而大大加快批量數(shù)據(jù)的操作速度。數(shù)據(jù)保存在以 “.db”為后綴的數(shù)據(jù)庫文件中方便備份和轉(zhuǎn)移，只需要拷貝該數(shù)據(jù)庫文件就可實(shí)現(xiàn)整個數(shù)據(jù)庫的備份。

3.2.4 人機(jī)界面設(shè)計

采用Qt Designer工具繪制用戶界面[12]，利用獨(dú)有的布局系統(tǒng)使窗口和組件自動根據(jù)屏幕空間的大小改變布局。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，制定了圖4所示電源監(jiān)控系統(tǒng) 的界面應(yīng)用程序開發(fā)框架方案。

圖4 基于Qt／Embedded的界面應(yīng)用程序開發(fā)框架

監(jiān)控系統(tǒng)的主界面包括設(shè)置、操作、狀態(tài)、系統(tǒng)信息、歷史記錄、通信連接、時間、語言、幫助等界面。各界面又包含其它子界面。為了便于界面修改且易于靈活擴(kuò)展，將主界面 （MainWindow）分成3個子項(xiàng):TitleBar、CenterView、StatuBar，同時這3個子項(xiàng)內(nèi)部管理各自的視圖。MainWindow通知TitleBar切換頁面，TitleBar負(fù)責(zé)切換主窗口和其他各界面；CenterView通知MainWindow頁面切換后做必要的處理，負(fù)責(zé)內(nèi)部頁面的切換邏輯以及當(dāng)界面切換時通過信號告訴MainWindow做相應(yīng)反應(yīng)。當(dāng)某個界面只需由TitleBar和CenterView組成時，可發(fā)送信號隱藏StatuBar。

3.2.5 Qwt繪制動態(tài)曲線

本文采用Qwt工具庫完成電源電壓、電流、溫度等動態(tài)曲線的繪制。下面是曲線類的關(guān)鍵代碼:

Qwt畫曲線是先建立畫圖區(qū)域qwtPlot，然后往上面添加曲線和點(diǎn)，在一個特定區(qū)間所計算的數(shù)目越大畫出來的曲線越平滑。曲線需繪制在畫布上，它繼承自QwtPlot－Curve類。由于是實(shí)時顯示，圖形與橫坐標(biāo)隨著時間平移，利用QObject的timerEvent（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)此功能[13]。每經(jīng)過一定的周期，圖形的橫坐標(biāo)發(fā)生平移，曲線需要重繪，時間間隔由QTimerEvent類型的參數(shù)決定，將默認(rèn)值設(shè)為每秒刷新一次。

除了要動態(tài)監(jiān)控波形外，還需要對電源電壓、電流及溫度波形進(jìn)行分析，以測評效果的優(yōu)劣，所以波形的滾動縮放查看效果是必不可少的。這個功能主要用QwtPlotZoomer類來實(shí)現(xiàn)，下面是實(shí)現(xiàn)曲線滾動縮放的關(guān)鍵代碼:

4 測試結(jié)果

將整個工程交叉編譯并下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。在測試過程中，主要觀察了監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)主界面以及實(shí)時曲線界面。經(jīng)過長期運(yùn)行測試，在未出現(xiàn)市電異?；驍嚯妶缶那闆r下，狀態(tài)主界面顯示如圖5所示，狀態(tài)主界面顯示了整個電源裝置各主要組成部分的運(yùn)行狀態(tài)，點(diǎn)擊圖標(biāo)可以切換到其它界面了解各組成部分的狀態(tài)或進(jìn)行設(shè)置等相關(guān)操作。界面之間可以自如切換和刷新各種數(shù)據(jù)。

圖5 狀態(tài)主界面

圖6 為直流母線電壓的實(shí)時曲線波形。由波形可以看出，在開機(jī)至1秒后，整流模塊的電壓能夠迅速上升到240 V的標(biāo)稱電壓值。另外系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，輸出電壓的平均值穩(wěn)定在239.5V，滿足直流母線電壓240±2.4V的要求。

圖6 直流母線電壓實(shí)時曲線

5 結(jié)束語

本文給出了新型電源監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求分析和整體結(jié)構(gòu)，基于ARM9＋Linux＋CAN總線的平臺，使用Qt編程技術(shù)，充分利用 “信號與槽”的獨(dú)特機(jī)制和豐富的控件資源。采用進(jìn)程間共享內(nèi)存和Mutex技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步來完成數(shù)據(jù)的傳遞，有效提高進(jìn)程間數(shù)據(jù)通信效率；采用軟件濾波方法對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并通過SQLite數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲管理。經(jīng)測試，本嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行于課題組開發(fā)的240VHVDCPS新型電源中，實(shí)現(xiàn)了可靠、實(shí)時地對電源設(shè)備各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行嵌入式監(jiān)測與預(yù)警，人機(jī)交互界面友好，對類似電源裝置或其它工業(yè)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)有一定的借鑒作用和較好的應(yīng)用前景。

[1]ITU－TL.1200，Direct current power feeding interface up to 400 V at the input to telecommunication and ICT equipment[S].2012.

[2]YD／T 2378－2011，240Vdirect current power supply system for telecommunication[S].2011（in Chinese）.[YD／T 2378－2011，通信用240V直流供電系統(tǒng)[S].2011.]

[3]ZHOU Xiaoming.Study of network monitoring of UPS power based on ARM[D].Huainan:Anhui University of Technology，2009（in Chinese）.[周曉明.基于ARM的UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].淮南:安徽理工大學(xué)，2009.]

[4]LIU Liang，LAI Wanchang，LI Ming.Design and implementation of image transfer system with GPRS based on ARM9[J].Computer Engineering and Design，2010，31 （7）:1477－1480（in Chinese）.[劉良，賴萬昌，黎明.基于ARM9的GPRS圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2010，31（7）:1477－1480.]

[5]YUE Xiumei，MA Xuejun，KANG Yong.Design on monitoring system of high－power inverter based on CAN bus[J].Electrical Measurement ＆Instrumentation，2008，45 （10）:37－40（in Chinese）.[岳秀梅，馬學(xué)軍，康勇.基于CAN總線的大功率逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表，2008，45 （10）:37－40.]

[6]ZHANG Genbao，PANG Sujuan.An embedded image processing system based on Qt[J].Advances in FCCS，2012:311－316.

[7]WU Zhen，CHEN Yaowu.A kind of message－based interprocess communication[J].Chinese Journal of Electron Devices，2006，29（4）:1218－1226（in Chinese）.[吳震，陳耀武.一種基于消息的進(jìn)程間通信機(jī)制[J].電子器件，2006，29 （4）:1218－1226.]

[8]CHEN Liding，LV Shenglin.Design of lower computer in environment monitoring system based on multilthread[J].Industry and Mine Automation，2010，12（12）:13－16（in Chinese）.[陳立定，呂盛林.基于多線程的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計[J].工礦自動化，2010，12 （12）:13－16.]

[9]SUN Yingying，ZHENG Kougen.File monitoring system based on minifilter[J].Journal of Computer Applications，2011，30 （11）:3115－3117（in Chinese）.[孫瑩瑩，鄭扣根.基于微過濾驅(qū)動的文件監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機(jī)應(yīng)用，2011，30 （11）:3115－3117.]

[10]GAO Qiang，XU Yong.Design of on－board HMI terminal based on Qt／E and ARM[J].Computer Measurement ＆Control，2012，20（1）:236－238（in Chinese）.[高強(qiáng)，許勇.基于ARM和Qt／E的車載HMI終端的設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2012，20（1）:236－238.]

[11]CHEN Yong，DU Liang，SONG Ninghua.Fast design method of soft filter[J].Journal of Yancheng Institute of Technology，2006，19 （2）:25－27 （in Chinese）.[陳勇，堵亮，宋寧化.軟件濾波器的快速設(shè)計以及用C語言實(shí)現(xiàn)濾波器的功能[J].鹽城工業(yè)學(xué)報，2006，19 （2）:25－27.]

[12]CHEN Xi，LV Xianghua，LIU Yan.Design of new modular industrial controller based on embedded Linux[J].Instrument Technique and Sensor，2010 （11）:27－29 （in Chinese）.[陳曦，呂湘曄，劉艷.基于嵌入式Linux新型模塊化工業(yè)控制器設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010 （11）:27－29.]

[13]SUN Yifan，GUO Tangyong，ZOU Tong，et al.Developing seismic data processing system using Qt library[J].Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，31 （6）:138－141（in Chinese）.[孫一帆，郭唐永，鄒彤，等.使用Qt庫開發(fā)地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].大地測量與地球動力學(xué)，2010，31（6）:138－141.]