ARM嵌入式系統(tǒng)在GIS在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用-單片機(jī)
GIS (gas insulated switchgear) 是輸配電和變電領(lǐng)域有著廣泛和重要應(yīng)用的電力設(shè)備。GIS的封閉性結(jié)構(gòu)加大了運(yùn)行維護(hù)的難度，其故障隱患更難發(fā)現(xiàn)，可能造成的損失會(huì)更大。為了能夠?qū)崟r(shí)地、準(zhǔn)確地了解GIS 運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除故障隱患，對(duì)GIS實(shí)行在線監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。
為了規(guī)范電力行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展，國(guó)際電工委員會(huì)提出IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)，它針對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)及智能設(shè)備提出了互操作性和穩(wěn)定性的要求。互操作性是指在兩個(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)之間可以直接、有效地共用數(shù)據(jù)和信息。另外，該體系還要求自動(dòng)化系統(tǒng)在通信功能上具備長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)適應(yīng)通信技術(shù)的快速發(fā)展。
鑒于IEC61850 體系對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)提出的確要求，本文對(duì)國(guó)內(nèi)主要幾種變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通常采用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN (controller area network) 作為系統(tǒng)的主通信方式，裝置中多采用16 位單片機(jī)為核心。該模式在運(yùn)行中已顯示出局限性，例如CAN 作為主通信方式限制了本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行深層次的互操作; 其次，芯
片對(duì)外接口相對(duì)單一，難以保證系統(tǒng)功能的自由配置，局部功能調(diào)整往往要影響到整個(gè)系統(tǒng)。研究表明，在ARM (advanced RISC machine)上運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)uClinux 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，能夠保證GIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的互操作性和在通信功能上的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，故將ARM 嵌入式系統(tǒng)引入GIS 在線監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域。
基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)
ARM 采用先進(jìn)微控制器總線結(jié)構(gòu)AMBA (advanced microcontroller bus architecture) 的模塊化設(shè)計(jì)，具有綜合、快速和高性能價(jià)格比的優(yōu)點(diǎn) 。在ARM 處理器中具備ICE-RT 功能單元，通過(guò)它可以在代碼的任何部分，甚至于在ROM 中設(shè)置斷點(diǎn)，這就降低了裝置調(diào)試難度，為裝置的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。
在ARM 處理器中，采用32b定長(zhǎng)指令和三段流水線指令操作(如圖1所示) ，指令執(zhí)行分為3 個(gè)階段：取指、譯碼和執(zhí)行。流水線允許幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，在執(zhí)行第1條指令期間，第2條指令開(kāi)始譯碼，同時(shí)第3條指令從存儲(chǔ)器中被取出，故取指、譯碼和執(zhí)行3部分可以同時(shí)進(jìn)行，這就保證了處理器的高速處理性能。
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圖1 三段流水線操作
微控制器性能的提高，為操作系統(tǒng)的引入奠定了基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)一般不用操作系統(tǒng)，故操作系統(tǒng)的引入就為嵌入式系統(tǒng)賦予新的內(nèi)涵，也成為區(qū)別于傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)明顯特征。嵌入式操作系統(tǒng)將替代傳統(tǒng)的由手工編制的監(jiān)控程序或調(diào)度程序，成為重要的基礎(chǔ)組件，使程序員只需面向操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。嵌入式操作系統(tǒng)正在轉(zhuǎn)變成為ARM 應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)。
系統(tǒng)在GIS 在線監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用
基于ARM嵌入式系統(tǒng)，GIS 在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)主要包括裝置的內(nèi)部框架、硬件配置和軟件配置等?；贗EC61850 標(biāo)準(zhǔn)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(如圖2 所示) 具有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：在自動(dòng)化系統(tǒng)中，層與層之間都采取以太網(wǎng)通信的方式(基于TCP/IP) ，取代了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的各種現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式(如Lonworks，CAN 以及RS-485 等)。
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圖2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖
基于ARM 嵌入式系統(tǒng)的硬件框架
采用ARM 嵌入式系統(tǒng)之后，硬件電路原理圖(如圖3 所示) 按照功能主要分為以下幾個(gè)模塊：
1) ARM CPU 模塊該部分電路是嵌入式系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)采用AT91M40800，它基于ARM7TDMI 內(nèi)核，其專門(mén)為工業(yè)控制而制造，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到工業(yè)級(jí)別。
2) CPLD 擴(kuò)展電路
該電路的主要功能是對(duì)CPU 芯片的外圍功能進(jìn)行擴(kuò)充。對(duì)于功能要求比較復(fù)雜的電路，一般都采用CPU+CPLD 的模式，采用該模式的原因主要有兩個(gè)方面：a) CPU 作為系統(tǒng)的核心，無(wú)法、也沒(méi)有必要滿足所有用戶的具體功能要求，只需給用戶以標(biāo)準(zhǔn)的外部總線接口EB I (external bus interface)即可，讓用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行必要的功能擴(kuò)展；b) CPLD 用在電路設(shè)計(jì)中有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：可方便地實(shí)現(xiàn)地址譯碼；編程方式簡(jiǎn)便，可方便地通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯器件的功能; 時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級(jí)，特別適合在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，具有高可靠性。
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