基于ARM的智能配電房通信管理機(jī)設(shè)計(jì)

劉姜濤 ，鄧其軍，聶明媚，劉震宇

（1湖北第二師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，武漢430205；2武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，武漢430072；3江西省電力公司贛西供電公司，新余338025）

當(dāng)前我國大多數(shù)配電房中的配電系統(tǒng)（特別是低壓部分）沒有實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控[1-6]，配電房現(xiàn)場數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確、及時(shí)地被上傳到供電公司運(yùn)行監(jiān)控部門，導(dǎo)致配電房突發(fā)事件無法得到及時(shí)處理。為了配合佛山供電局，把依云水岸第三期項(xiàng)目建設(shè)為智能用電小區(qū)，此小區(qū)采用低壓配電自動化終端DTU對現(xiàn)場的配電站（房）內(nèi)的自動化設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（遙測、遙信、遙控）、報(bào)警、狀態(tài)監(jiān)視、事件順序記錄、趨勢曲線、事故追憶、歷史數(shù)據(jù)存儲和制表打印等。該文結(jié)合此科技項(xiàng)目的需要，設(shè)計(jì)了一種基于ARM和Linux操作系統(tǒng)的配電房通信管理機(jī)，并于2013年被相關(guān)單位投入使用。

1 通信管理機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的通信管理機(jī)硬件主要由電源板、ARM核心板、底板三部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，ARM核心板集成了三星S3C2440的ARM9架構(gòu)微處理器及存儲器等外圍電路；底板用于連接ARM核心板，并擴(kuò)展通信接口[7-8]；電源板為整個(gè)管理機(jī)提供5 V電壓的電源。

圖1 通信管理機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure chart of communication manager

1.1 ARM核心板

ARM核心板選用天嵌科技的TQ2440核心板。該核心板除了集成三星S3C2440的ARM9架構(gòu)微處理器外，還集成有256 MB Nand FLASH及64 MB SDRAM，并通過192針的DC-2.0雙列直插接口來實(shí)現(xiàn)處理器與外部的總線的連接。選用該核心板，能夠極大地簡化硬件設(shè)計(jì)[9-11]，從而，只需專注于底層通信接口的設(shè)計(jì)。

1.2 底板232串口通信

ARM核心版提供有三路UART通信。利用這三路UART模塊，在底板上選配3.3 V隔離電源F0303S-1WR、高速光隔 HCPL601、雙通道 RS-232線路驅(qū)動器/接收器MAX3232，即可得到3路5針RS-232通信接口。

1.3 底板485串口通信

為擴(kuò)展串口通訊的端口數(shù)量，選用了SC16C554B芯片進(jìn)行并口/串口通信轉(zhuǎn)換。該芯片是4通道通用異步接收器和變送器，其主要功能是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，反之亦然，可以處理的UART串行數(shù)據(jù)率高達(dá)5 Mb/s，每個(gè)通道具備收/發(fā)獨(dú)立的16 BYTE FIFO，其中還能通過DMA中斷來觸發(fā)該數(shù)據(jù)傳輸模式，每一路都有對應(yīng)的中斷源。

通過SC16C554B擴(kuò)展得到4路串口收發(fā)通信后，還需要選用八位總線收發(fā)器SN74HC245N實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行總線與串行總線的隔離，防止外部串口通信帶來的信號干擾，保證核心芯片的穩(wěn)定性和通信的穩(wěn)定性。

從SN74HC245N出來的每路信號，還需要再外接高速光隔HCPL601和RS-485收發(fā)器SN65HVD12，即得到4路RS-485收發(fā)端口。

1.4 底板網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通訊主要由單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器DM9000、網(wǎng)絡(luò)隔離器HR1102和RJ45網(wǎng)絡(luò)接口變壓器13F-60FGYDPNW2實(shí)現(xiàn)。其中，HR1102主要用于信號電平耦合。其一，可以增強(qiáng)信號，使其傳輸距離更遠(yuǎn)；其二，使芯片端與外部隔離，抗干擾能力大大增強(qiáng)，而且對芯片增加了很大的保護(hù)作用（如雷擊）；其三，當(dāng)接到不同電平（如有的PHY芯片是2.5 V，有的PHY芯片是3.3 V）的網(wǎng)口時(shí)，不會對彼此設(shè)備造成影響。

2 通信管理機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 管理機(jī)軟件的分層架構(gòu)設(shè)計(jì)

通信管理機(jī)軟件采用分層設(shè)計(jì)的方法[5]，主要由以下三層組成：設(shè)備操作層、電力規(guī)約應(yīng)用層、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取層，如圖2所示。

圖2 通信管理機(jī)軟件分層架構(gòu)Fig.2 Software layered architecture of communication manager

在圖2中，設(shè)備操作層提供對各種硬件接口的直接操作，并為電力規(guī)約應(yīng)用層提供統(tǒng)一的API接口函數(shù)。這樣，設(shè)備操作層在進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，只需要調(diào)用相應(yīng)的API接口函數(shù)，而不需要考慮具體的硬件實(shí)現(xiàn)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取層提供一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)，用以存儲從各種設(shè)備采集到的遙測、遙信、SOE事件等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及上位機(jī)對這些設(shè)備的操作指令。例如，通信管理機(jī)從DTU、配變計(jì)量終端、微氣象站采集到數(shù)據(jù)，都會保存到這個(gè)共享內(nèi)存區(qū)，并定期、或在上位機(jī)召喚時(shí)、或在數(shù)據(jù)值改變時(shí)，通過某個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，以104規(guī)約上發(fā)。

電力規(guī)約應(yīng)用層按類型可分為通用電力規(guī)約（如101規(guī)約，104規(guī)約等）和自定義規(guī)約。通用規(guī)約在Linux環(huán)境下，通過C++語言編程，編輯成庫文件，下載到ARM板使用。自定義規(guī)約由運(yùn)行在上位機(jī)的規(guī)約配置管理工具軟件進(jìn)行定義后，生成相應(yīng)的規(guī)約定義XML文件。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會對這些XML文件進(jìn)行解析，形成自定義規(guī)約。

2.2 電力規(guī)約應(yīng)用層對報(bào)文的處理流程設(shè)計(jì)

硬件接口層與數(shù)據(jù)存儲層的信息交換主要是通過報(bào)文[12]交換。這類信息交換具有突發(fā)性（報(bào)文到達(dá)時(shí)間不能預(yù)知）和異步性（對同一信息的不同操作有選擇限制而不能同時(shí)進(jìn)行）兩個(gè)顯著的特點(diǎn)。

為此，設(shè)計(jì)一個(gè)規(guī)約基類，用報(bào)文組裝、報(bào)文發(fā)送、報(bào)文提取、報(bào)文分析、數(shù)據(jù)存儲等幾個(gè)粗象函數(shù)來描述規(guī)約的處理流程。具體的規(guī)約類則從規(guī)約基類來繼承，并完成對上述幾個(gè)粗象函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。

一個(gè)具體規(guī)約類的處理流程如圖3所示。

圖3 一個(gè)規(guī)約類的處理流程Fig.3 Processing flow for a protocol class

（1）初始化

打開相應(yīng)的端口；初始化規(guī)約參數(shù)（如信息體地址長度等）；根據(jù)遙測、遙信、遙控量的點(diǎn)數(shù)，創(chuàng)建相應(yīng)長度的共享內(nèi)存區(qū)。

（2）報(bào)文組裝

根據(jù)上一步報(bào)文分析的結(jié)果（如需要將遙控指令下達(dá)到下位機(jī)），從共享內(nèi)存區(qū)提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行報(bào)文組裝（當(dāng)然，如果沒有需要組裝的報(bào)文，則進(jìn)入下一步流程）。

（3）報(bào)文發(fā)送

將組裝好的報(bào)文，發(fā)送給目標(biāo)端口（如果沒有組裝好的報(bào)文，則轉(zhuǎn)入下一步操作）。

（4）報(bào)文提取

對端口接收緩沖區(qū)未提取的字節(jié)進(jìn)行分析，如果符合該端口對應(yīng)的規(guī)約的報(bào)文格式，則進(jìn)入報(bào)文分析步驟；如不符合規(guī)約格式，則重新循環(huán)提取，直至報(bào)文合格或沒有未提取的字節(jié)。

（5）報(bào)文分析與數(shù)據(jù)存儲

如果第（4）步得到了一幀完整的報(bào)文，則根據(jù)規(guī)約的分類，和該幀報(bào)文的內(nèi)容，進(jìn)行分析，提取該幀報(bào)文中的點(diǎn)號及點(diǎn)號對應(yīng)的遙測、遙信和遙控值，并按點(diǎn)號存儲到共享內(nèi)存區(qū)。

這種分層模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)最大限度地減少了系統(tǒng)各個(gè)部分之間的耦合，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。而且內(nèi)核層軟件和應(yīng)用層軟件的耦合度比較低，便于調(diào)試和維護(hù)。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用

本通信管理機(jī)應(yīng)用于南方電網(wǎng)公司某智能用電小區(qū)科技項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用低壓配電自動化終端DTU對小區(qū)4個(gè)配電房電量及氣象進(jìn)行監(jiān)測。其中一個(gè)配電房中所使用的通信管理機(jī)的各端口連接的設(shè)備、測點(diǎn)及協(xié)議包括：

（1）RS-232 端口 COM1，配置為采集端口，連接變壓器測溫監(jiān)測系統(tǒng)，1路遙測量；自定義協(xié)議；

（2）RS-232 端口 COM2，配置為采集端口，連接高壓開關(guān)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，1路遙測量；自定義協(xié)議；

（3）RS-232 端口 COM3，配置為采集端口，連接微氣象系統(tǒng)，兩路遙測量；自定義協(xié)議；

（4）RS-485 端口 COM4，配置為采集端口，連接3臺DTU，合計(jì)42路遙測量，20路遙信量；101協(xié)議；

（5）RS-485 端口 COM5，配置為采集端口，連接1臺是配變計(jì)量終端，合計(jì)10路遙測量；廣東電網(wǎng)公司配變監(jiān)測計(jì)量終端通訊規(guī)約（0903版）；

（6）網(wǎng)絡(luò)端口NET1，連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，配置為轉(zhuǎn)發(fā)端口，上傳46路遙測量，20路遙信量；104規(guī)約。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的管理機(jī)系統(tǒng)在相關(guān)單位的使用過程中，表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：規(guī)約可擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)除自帶有電力系統(tǒng)常用的101、104等規(guī)約外，還能夠通過自定義規(guī)約的方式來擴(kuò)展規(guī)約類型，極大方便了與非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的通信；端口規(guī)約配置方便。該系統(tǒng)所支持的電力系統(tǒng)通用規(guī)約只有101、CDT、104等幾種，對DNP、MODBUS等接入方式還有待開發(fā)。

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