電力監(jiān)控系統(tǒng)是為配合變電站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守而增設(shè)的電網(wǎng)輔助監(jiān)控系統(tǒng). 它的作用是將變電站的設(shè)備運(yùn)行情況、主變壓器、斷路器、隔離刀閘等的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)圖像、防火防盜等智能設(shè)備報(bào)警信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,監(jiān)控人員可通過(guò)實(shí)時(shí)圖像和運(yùn)動(dòng)信息對(duì)變電站的運(yùn)行情況進(jìn)行綜合分析、處理.

1 　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    應(yīng)用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的變電站監(jiān)控系統(tǒng),提高了變電站運(yùn)行和維護(hù)的安全性和可靠性,逐步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可視化監(jiān)控和調(diào)度,使電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行更為安全、可靠.

1. 1 　監(jiān)控前端

    系統(tǒng)前端由現(xiàn)場(chǎng)控制器、攝像頭和傳感器組成.現(xiàn)場(chǎng)控制器。設(shè)計(jì)一塊基于小巧的控制板,采用三星公司的S3C2410 處理器,系統(tǒng)特性如下(1)203 MHz 的ARM920 T 內(nèi)核; (2) 8 個(gè)內(nèi)存bank , 每個(gè)ba nk 可尋址128M 內(nèi)存; (3) 支持從NANDFlash 啟動(dòng); (4) 3 個(gè)UART 接口,一個(gè)IIC 接口,兩個(gè)SPI 接口; ( 5) 24 個(gè)外部中斷,117 個(gè)CP IO;(6) 集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘, PWM 輸出; (7) 多模式管理電源和時(shí)鐘,可軟件切換處理器工作頻率; ( 8) 兩個(gè)USB Host 接口. 在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上,還進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴(kuò)展, 平臺(tái)配置64M NANDFlash 和64M SDRAM. 通過(guò)以太網(wǎng)控制器芯片CS890O 擴(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)口, 另外引出了一個(gè)USBHost 接口.

攝像頭選用的是具有USB 接口的外置攝像頭,該攝像頭的配套芯片是OV511 系列的,OV511 是一個(gè)專(zhuān)用的數(shù)字?jǐn)z像IC 到USB 的接口芯片,內(nèi)含數(shù)字?jǐn)z像IC 接口、DRAM 接口、實(shí)時(shí)圖像壓縮引擎、USB 接口、I2C 接口、FIFO 等功能,用于將攝取的數(shù)字視頻圖像直接通過(guò)USB 接口送入開(kāi)發(fā)板進(jìn)行處理.

    傳感器是將紅外傳感器、煙霧傳感器等集成到上面,連接到現(xiàn)場(chǎng)控制器. 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)外來(lái)人員入侵、儀表過(guò)熱及其它突發(fā)事件.

1. 2 　通訊網(wǎng)絡(luò)

    建立變電站內(nèi)部專(zhuān)用局域網(wǎng),通過(guò)以太網(wǎng)接口和網(wǎng)絡(luò)上的其他用戶(hù)互連,攝像頭連接到控制板的USB 接口上,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集功能,并通過(guò)局域網(wǎng)提供給網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn). 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭提供唯一的IP ,方便用戶(hù)對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行監(jiān)控.

1. 3 　監(jiān)控中心

    主要由圖像監(jiān)控中心服務(wù)器、圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)、監(jiān)控客戶(hù)終端等組成,完成現(xiàn)場(chǎng)圖像接收,用戶(hù)登錄管理,優(yōu)先權(quán)的分配,控制信號(hào)的協(xié)調(diào),圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)控,錄像的存儲(chǔ)、檢索、回放、備份、恢復(fù)等.

2 　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2. 1 　硬件總體設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)采用基于ARM 的PC/ 104 嵌入式模塊, PC/ 104 是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線(xiàn),IEEE 協(xié)會(huì)將它定義為IEEE -P996. 1 , 實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE - P996(IEEE - P996 是ISA 工業(yè)總線(xiàn)規(guī)范) .

    硬件系統(tǒng)由ARM 核心板和外圍功能擴(kuò)展板組成,均采用PC/ 104模塊,體積小巧,又因?yàn)橥鈬K獨(dú)立于A(yíng)RM 處理器模塊,可以擴(kuò)展更多功能。

    S3C2410 的芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示通用的ARM處理器都在片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)控制器,ARM 處理器在訪(fǎng)問(wèn)外圍設(shè)備時(shí), 并不需要對(duì)外設(shè)進(jìn)行橋接,對(duì)外設(shè)的訪(fǎng)問(wèn)都是采用實(shí)地址模式. 所有的外設(shè)都是連接在A(yíng)MBA 總線(xiàn)上, 根據(jù)地址在系統(tǒng)空間中的分配,通過(guò)內(nèi)部集成了存儲(chǔ)器控制器(Memory Cont roller ) 進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)、控制. 基于A(yíng)RM的嵌入式系統(tǒng)中并沒(méi)有非常龐大的架構(gòu),只是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu).

     視頻采集模塊采用網(wǎng)眼V3000 攝像頭, USB控制器為OV511 , Linux 操作系統(tǒng)支持該驅(qū)動(dòng)模塊,通過(guò)USB Host 模塊與S3C2410 芯片鏈接.紅外傳感器模塊采用熱釋電紅外傳感器,通過(guò)I/ O Port 端口模塊與S3C2410 芯片鏈接. 報(bào)警電路采用雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示. 該傳感器將兩個(gè)特性相同的熱釋電晶體逆向串聯(lián),用來(lái)防止其他紅外光引起傳感器誤動(dòng)作.另外,當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí),兩個(gè)晶體的參數(shù)會(huì)同時(shí)發(fā)生變化,這樣可以相互抵消,避免出現(xiàn)檢測(cè)誤差. 該傳感器使用時(shí), D 端接電源正極, G端接電源負(fù)極,S 端為信號(hào)輸出.

    煙霧火警探測(cè)模塊由兩部分組成:檢測(cè)發(fā)射部分和接受控制部分. 采用nRF401 單片射頻收發(fā)器,達(dá)到了無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)哪康?能迅速的發(fā)出報(bào)警信號(hào),方便及時(shí)的控制火情檢測(cè)發(fā)射端和接收控制端選用了目前市場(chǎng)上已經(jīng)成熟的高性能芯片,其外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)容易,可靠性強(qiáng)系統(tǒng)由三大芯片互相配合構(gòu)成,檢測(cè)裝置采用了Motorol a 公司生產(chǎn)的具有聲光報(bào)警電路的MC14468 芯片, 能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)并行檢測(cè),配合外圍電路可構(gòu)成多點(diǎn)煙霧報(bào)警系統(tǒng). 無(wú)線(xiàn)收發(fā)器采用美國(guó)Nordic 公司最新推出的基于無(wú)線(xiàn)通信的nRF401 型單片射頻收發(fā)器. 它采用了無(wú)線(xiàn)通信和F SK(頻移鍵控) 調(diào)制解調(diào)技術(shù),工作頻率穩(wěn)定且抗干擾能力強(qiáng),不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,外圍電路簡(jiǎn)單,使用方便. 由于采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度的設(shè)計(jì)方案,因此不受無(wú)線(xiàn)電管理?xiàng)l例的限制,無(wú)須辦理許可證. nRF401 的引入是本系統(tǒng)的突出特點(diǎn)之一, 它極大的提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,這對(duì)安全系統(tǒng)是相當(dāng)重要的.

2. 2 　基于A(yíng)RM 處理器的PC/ 104 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

    嵌入式設(shè)備都是根據(jù)具體應(yīng)用而設(shè)計(jì),具備高度可裁減性等特點(diǎn),因此很難給各種嵌入式設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的定義. 但是針對(duì)實(shí)際研發(fā)的計(jì)算機(jī),根據(jù)所采用的ARM 處理器和實(shí)際應(yīng)用需求,還是可以對(duì)其體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)定義. 如圖4 所示,是基于A(yíng)RM 處理器的PC/ 104嵌入式計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.

2. 3 　PC/ 104 總線(xiàn)設(shè)計(jì)

    在電路設(shè)計(jì)上, CPL D 采用了XIL INX 的XC95144XL. ARM 的數(shù)據(jù)、地址總線(xiàn),以及讀寫(xiě)等需要使用的控制信號(hào)全部連接到CPLD 上, 作為ARM 處理器訪(fǎng)問(wèn)CPLD 的信號(hào)線(xiàn). 并將CPLD 的部分IO 引出,通過(guò)BUFFER 后,全部連接到PC/104 的總線(xiàn)接口上. 這樣, ARM 處理器直接訪(fǎng)問(wèn)CPLD ,CPLD 則根據(jù)信號(hào)線(xiàn)上的變化完成相應(yīng)的PC/ 104 總線(xiàn)上的操作.

對(duì)于接口設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),最主要的就是時(shí)序設(shè)計(jì). 時(shí)序設(shè)計(jì)正確了, 系統(tǒng)就能正確地工作. 同,CPLD的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出為L(zhǎng) VT TL 電平,輸入電平則可以兼容與T TL 電平, 因此雖然LD 可以直接與TTL 電平的總線(xiàn)相連, 但是可能因?yàn)橐恍╇姎馓匦?、信?hào)完整性方面的問(wèn)題導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降,所以使用了BUF FER 來(lái)進(jìn)行兩個(gè)電平間的轉(zhuǎn)換,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

ARM 和PC/ 104 的接口如圖5 所示.

3 　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3. 1 　嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)采用的軟件系統(tǒng)為嵌入式Linux 操作系統(tǒng). Linux 操作系統(tǒng)開(kāi)放源代碼,可裁減, 無(wú)版稅. 經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展系統(tǒng)非常穩(wěn)定,開(kāi)發(fā)技術(shù)比較成熟. 嵌入式Linux 有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) Linux 的是可以定制和可裁減的. Linux 系統(tǒng)從設(shè)計(jì)開(kāi)始就考慮到了系統(tǒng)的定制性和裁減性.不僅Linux 內(nèi)核可以裁減,而且文件系統(tǒng)也是可以裁減的.

(2) Linux 是開(kāi)發(fā)源代碼的,任何都可以獲得其源代碼并加以修改. 這對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是很必要的.

(3) Linux 本身支持包括X86 、ARM 等在內(nèi)的多種硬件平臺(tái).

(4) 系統(tǒng)小巧. 一個(gè)功能完備的Linux 內(nèi)核要求大約1 MB 內(nèi)存.

(5) 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能. Linux 幾乎支持所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備.

     一個(gè)嵌入式Linux 系統(tǒng)只需要下面三個(gè)基本元素:引導(dǎo)程序、Linux 微內(nèi)核(由存管理、進(jìn)程管理和事務(wù)處理構(gòu)成) 和初始化進(jìn)程. 要實(shí)現(xiàn)最低<