基于Cortex-M3處理器的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)設計

文/國網(wǎng)電力科學研究院 湯祥林 曹翊軍 李桂平/

0 引言

智能電網(wǎng)由智能電廠、智能輸電網(wǎng)及智能售用電等組成，智能輸電網(wǎng)是其中的重要一環(huán)，因此對輸電設備管理的要求會更高。維護和管理輸電設備的安全運行的工作會面臨更大的挑戰(zhàn)。大容量、超高壓、遠距離、北電南送、西電東送的大電網(wǎng)對輸變電設備的運行和維護，以及管理的要求更高。電網(wǎng)的通道微氣象、微地形特征明顯，強雷暴、覆冰雪、颮線風等極端天氣較為多發(fā)，嚴重威脅設備的安全運行。因此有必要引入信息通信領域新技術，積極自主創(chuàng)新，建設特大電網(wǎng)輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，提高特大電網(wǎng)輸電線路管理控制水平和應急快速處置能力。

在線監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸要求可靠，實時。如何建立高速可靠的通信方式，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)實時準確回傳是狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設需重點考慮的問題。

相同或類似的產(chǎn)品在公開刊物上沒有明顯的報道，一般是在單一傳感器中集中數(shù)據(jù)采集和通訊模塊，每個單一傳感都要配備一套通訊器件，這樣需要多個或多種傳感器時，產(chǎn)品的通訊方式單一，產(chǎn)品成本和通訊成本較大，也不利于數(shù)據(jù)管理等。

最大限度的優(yōu)化資源配置，降低裝置成本、降低通信費用、提高裝置可靠性、降低裝置功耗、提高監(jiān)測精度。將近年來才出現(xiàn)的ARM Cotex-M3處理器新技術應用在輸電線路數(shù)據(jù)采集裝置中，并與嵌入式操作系統(tǒng)結合，使本項目中所涉及的技術新型、可靠、低功耗等優(yōu)點，順應電網(wǎng)智能化的發(fā)展趨勢，這些特點使其能夠廣泛的運用于輸電線路在線監(jiān)測領域，保障輸電線路的安全和可靠。

1 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信系統(tǒng)架構

1.1 通信系統(tǒng)總體架構

根據(jù)國家電網(wǎng)公司頒布的《輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術導則》和《輸電線路狀態(tài)監(jiān)測代理技術規(guī)范》，輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信結構框圖

圖1所示，系統(tǒng)中有三個重要的組成部分：主站（含CAG）、CMA和CMD。主站系統(tǒng) Master Station System（MSS），能接入各類輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測信息，并進行集中存儲、統(tǒng)一處理和應用的一種計算機系統(tǒng)。主站系統(tǒng)包括集中數(shù)據(jù)庫、CAG、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)服務及各種狀態(tài)監(jiān)測應用模塊。CAG（Condition Acquisition Gateway）狀態(tài)接入網(wǎng)關機，是一種關口設備，部署在主站系統(tǒng)側，遠程連接CMA（狀態(tài)監(jiān)測代理）的一種計算機。它可從CMA獲取各種狀態(tài)信息并由校驗功能，而且可對控制CMA。在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，有線路CAG和變電CAG兩種。在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，采用線路CAG。CMA（Condition Monitoring Agent）狀態(tài)監(jiān)測代理，具有協(xié)調(diào)局部區(qū)域內(nèi)的各種輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置的作用，收集狀態(tài)監(jiān)測裝置采集到的數(shù)據(jù)，可替代狀態(tài)監(jiān)測裝置同主站系統(tǒng)進行可靠的數(shù)據(jù)通信。不同廠家、不同類型、不同線路上的狀態(tài)監(jiān)測裝置都可接入CMA，這樣可對各種狀態(tài)監(jiān)測裝置實現(xiàn)實現(xiàn)智能、標準和安全的接入。CMD（Condition Monitoring Device）狀態(tài)監(jiān)測裝置，同樣有輸電CMD和變電CMD,輸電CMD安裝在被監(jiān)測的輸電設備桿塔附近或桿塔上。輸電CMD一方面采集被監(jiān)測設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，處理并保存；另一方面和狀態(tài)監(jiān)測代理、綜合監(jiān)測單元等進行數(shù)據(jù)交換。另外其本身直接連接傳感器，采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。同時輸電CMD可以通過命令方式控制數(shù)據(jù)采集單元。

1.2 狀態(tài)監(jiān)測裝置系統(tǒng)結構

數(shù)據(jù)采集器是狀態(tài)監(jiān)測裝置（CMD）的一個組成部分，上聯(lián)各種通訊終端，與狀態(tài)監(jiān)測代理（CMA）數(shù)據(jù)通信，下接各種狀態(tài)量傳感裝置，控制并收集各狀態(tài)量數(shù)據(jù)。

圖2是狀態(tài)監(jiān)測裝置(CMD)的系統(tǒng)結構圖，核心部分是數(shù)據(jù)采集器，各種狀態(tài)數(shù)據(jù)主要來自覆冰監(jiān)測、風偏監(jiān)測、微風振動、桿塔傾斜、導線弧垂和導線溫度等測量裝置。數(shù)據(jù)采集器通過通訊協(xié)議I1向狀態(tài)監(jiān)測代理接收命令和發(fā)送數(shù)據(jù)。主要通訊終端有衛(wèi)星終端、GPRS終端、WIFI終端和VHF終端。根據(jù)實際情況，采用多種供電方式，一種或多種方式同時采用，包括光伏供電、風機供電和市電方式供電。

圖2 狀態(tài)監(jiān)測裝置 CMD）系統(tǒng)圖

2 數(shù)據(jù)采集器主要功能

2.1 具有掉電數(shù)據(jù)保護功能，系統(tǒng)失電后，裝置內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)及各種工作、測量用參數(shù)不丟失。

2.2 支持在系統(tǒng)升級，即在不拆卸設備外殼、不改變設備硬件狀態(tài)的前提下可對其進行軟件功能升級或維護。

2.3 支持主信道，備用信道雙信道通訊, 采用I1層協(xié)議,遠程傳輸數(shù)據(jù)到狀態(tài)監(jiān)測代理（CMA）,通信終端可以是VHF、PSTN、GPRS、CDMA、北斗衛(wèi)星等。同時也支持Ethernet遠程通訊.

2.4 具有定時測量、自報、蘇醒、心跳等功能，測量結果可形成文件，通過SD卡保存并交換。

3 數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結構

系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng), 該系統(tǒng)是一個完整的可移植的操作系統(tǒng)。用戶能結合自身的功能裁減，固化操作系統(tǒng)。主要有以下特點：

1）可移植性 可以移植到多種CPU上。

2）可固化 可以固化到嵌入式系統(tǒng)中。

3）可裁減 可以定制嵌入式操作系統(tǒng)，使用少量的系統(tǒng)服務。

4）可剝奪性 嵌入式操作系統(tǒng)是完全可剝奪的實時內(nèi)核，操作系統(tǒng)總是運行優(yōu)先級最高的就緒任務。

5）多任務運行 操作系統(tǒng)的可以管理最多256個任務。每個任務要求有不同的任務優(yōu)先級，系統(tǒng)調(diào)度不支持時間片輪轉。

6）可確定性 操作系統(tǒng)的函數(shù)調(diào)用和系統(tǒng)服務的執(zhí)行時間可以確定。

7）任務棧 每個任務都有自己的單獨的棧，而且每個任務?？臻g的大小可以不一樣。

8）系統(tǒng)服務 操作系統(tǒng)有很多系統(tǒng)服務，如信號量、時間標志、消息郵箱、消息隊列、時間管理等等。

圖3為數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結構圖，其中CPU為ARM Cortex-M3處理器,使用外部SRAM, 提供操作系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)空間，Nand Flash為系統(tǒng)存放數(shù)據(jù)文件，以太網(wǎng)采用工級以太網(wǎng)芯片。系統(tǒng)具備5個RS232通信口，分別用于主信道、輔信道、本地通信、SDI接口及RS485通訊。

圖3 數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)采用ARM Cortex－M3處理器[1]，它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架構，它擁有功耗低、成本低、性能高的優(yōu)點。性能是ARM7性能的2倍，功耗比ARM7低1/3。哈佛結構，分離的指令總線和數(shù)據(jù)總線，取指和取值互不影響，運算速度快。其主要特點有：

1）采用了基于哈佛架構的3級流水線內(nèi)部核心[2]，集成了單周期乘法、分支預測、硬件除法等眾多功能強大的特點。運行速度達到1.25DMIPS/MHz,而功耗僅為0.19mW/MHz。

2）采用Thumb-2指令集具有更強的性能河更高的指令效率。Thumb-2指令集結合了16位指令的代碼密度和32位指令的性能，其低層關鍵特性使得C代碼的執(zhí)行更加自然，無需交互使用ARM代碼和Thumb代碼。

3）Cortex-M3具有豐富的中斷和豐富的中斷優(yōu)先級。通過搶占、尾鏈、遲到（Late-arriving）技術，使得對中斷事件的響應更加迅速，從低功耗模式喚醒時間只需6個CPU周期。

4 低功耗設計

低功耗設計是保證野外環(huán)境下系統(tǒng)可靠運行和方便安裝維護的關鍵技術。電子產(chǎn)品的功耗主要與工作頻率、電源電壓及節(jié)點電容等因素相關，需要考慮元器件選型和接口電路處理等[3]。系統(tǒng)采用3.3V供電，主要考慮主要器件的選型上采用低功耗器件，包括處理器，網(wǎng)絡通信及串口通信器件。

系統(tǒng)采用ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，功耗低。在內(nèi)核級支持睡眠模式和深度睡眠模式。通過使用等待中斷指令和等待事件指令，內(nèi)核可以進入睡眠模式，并且以不同的方式喚醒。另外，模塊的時鐘是盡可能地分別提供，所以在睡眠時可以把Cortex-M3的大多數(shù)功能模塊停掉。采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器有三種低功耗模式[4]，睡眠模式、停止模式和待機模式。為了保證系統(tǒng)低功耗，又能及時處理外部中斷，使處理器平時處于掉電模式，在相應的事件觸發(fā)后立即進入全速運行狀態(tài)，任務完成后自動返回掉電模式。

網(wǎng)絡芯片的功耗一般是低功耗系統(tǒng)中主要耗電器件，因此選用一款既可靠，又能進入理想低功耗狀態(tài)的芯片是系統(tǒng)設計的關鍵。網(wǎng)絡芯片采用3.3V工作電壓，支持三種低功耗模式，硬件待機、硬件掛起和軟件掛起,所有三種模式都由軟件控制實現(xiàn)。在網(wǎng)絡芯片不工作時，使其進入硬件待機模式，使芯片處在最低功耗方式，其最高功耗不大于100uA。

串口通訊是系統(tǒng)的主要通訊方式。串口數(shù)量多且通訊工作時間長，因此處理好串口通訊的功耗，就基本解決了系統(tǒng)的低功耗問題。采用低功耗的RS232轉換器件，能夠在應用程序控制下，自動地打開和關閉串口器件，器件掉電時，最小電流僅為1uA。當外部有數(shù)據(jù)請求時，會觸發(fā)系統(tǒng)中斷，打開串口器件，進行通訊。

5 結語

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測中是重要一環(huán)，輸電線狀態(tài)監(jiān)測涉及的傳感器種類多，數(shù)量大；參數(shù)具有多樣性和復雜性。文章結合ARM Cortex-M3系統(tǒng)特點，將Cortex-M3的技術特點充分應用在輸電線路數(shù)據(jù)采集器設計中，并通過合理的功能設計，研制的一種功耗低、功能強、安裝方便、便于使用的數(shù)據(jù)采集器，為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測提供了可靠、有效的基礎數(shù)據(jù)來源。

[1]ARM Cortex-M3Revision: r1p1 Technical Reference Manual .

[2]ARM ARM-v7-M Architecture Reference Manual.

[3]曹年紅.水利水電與電網(wǎng)氣象綜合監(jiān)測系統(tǒng).水電自動化與大壩監(jiān)測.2010.3.

[4]ST STM32F103 Reference manual.