基于ARM的UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究

【摘要】 隨著UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，UPS以其自身的優(yōu)勢(shì)在供電系統(tǒng)中得到認(rèn)可。然而傳統(tǒng)UP電源監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)用過程中并未真正實(shí)現(xiàn)支撐工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)速率的目標(biāo)。對(duì)此現(xiàn)狀要求在UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中注重Internet與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合，使監(jiān)控任務(wù)向更廣的空間進(jìn)行擴(kuò)展。本文主要對(duì)UPS電源的基本概述、UPS監(jiān)控系統(tǒng)方案分析以及基于ARM的監(jiān)控系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行探析。

【關(guān)鍵詞】 UPS 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

前言：作為不間斷電源，UPS近年來在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。尤其在電子技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展下，使UPS在工作效率以及遠(yuǎn)程故障監(jiān)控方面逐漸完善。但其中UPS監(jiān)控系統(tǒng)傳統(tǒng)構(gòu)建采集體系所采用的主要為LON-WORK等總線結(jié)構(gòu)，使采集過程中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不具備較強(qiáng)的靈活性，對(duì)此需要以ARM為基礎(chǔ)對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)以提高其穩(wěn)定性與可靠性。因此，對(duì)以ARM為基礎(chǔ)的UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析具有十分重要的意義。

一、UPS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的基本概述

提及UPS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，首先需對(duì)UPS進(jìn)行分析，其源于Uninterruptible power supply一詞，指為介于交流電網(wǎng)與負(fù)載間存在的電子裝置，能夠使交流供電電源在發(fā)生故障的情況下保證對(duì)負(fù)載繼續(xù)供電。在構(gòu)成部分上主要包括整流器、逆變器、蓄電池以及靜態(tài)開關(guān)等。而在長期發(fā)展過程中，UPS更傾向于向綠色無污染、智能化、小型化、高可靠性、電池管理的完善以及控制電路數(shù)字化方向發(fā)展。尤其在智能化技術(shù)中由于以往信號(hào)處理能力以及相關(guān)通信技術(shù)等因素的限制，使其中的監(jiān)控系統(tǒng)多采用模擬方式，進(jìn)而使模擬信號(hào)很難促進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展。對(duì)此在實(shí)踐研究中發(fā)現(xiàn)可在UPS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中引入嵌入式系統(tǒng)，其將計(jì)算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ)，通過軟硬件自身的可靠性以及功能性等使UPS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)更加完善。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特征以及傳統(tǒng)UPS監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，可將以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義歸納為：首先，監(jiān)控系統(tǒng)可構(gòu)建于存在網(wǎng)絡(luò)的地方，減少布線費(fèi)用與維護(hù)費(fèi)用。其次，通過對(duì)中間環(huán)節(jié)如代理服務(wù)器以及網(wǎng)關(guān)的減少，使安裝難度降低。再次，應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)后，監(jiān)控軟件開始以B/S模式取代C/S模式，用戶操作僅需利用瀏覽器便可完成。最后，通信信道利用效率以及設(shè)備的通信速率得到很大程度的提高[1]。

二、UPS監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

作為信息與控制網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的產(chǎn)物，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)本身以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過本地與遠(yuǎn)端的組成使其基本的軟硬件能夠滿足現(xiàn)代自動(dòng)化控制以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能需求。在嵌入式技術(shù)的引入下，使傳統(tǒng)UPS電源監(jiān)控中應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代Internet技術(shù)，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能的完善。

2.1 UPS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的具體分析

UPS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)在構(gòu)成上主要包括現(xiàn)場(chǎng)控制與數(shù)據(jù)通信兩方面系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中要求現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，使用戶通過訪問Internet便能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程瀏覽并對(duì)其中需要改動(dòng)的運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)調(diào)整，同時(shí)需注意UPS監(jiān)控系統(tǒng)具備較強(qiáng)的安全性。對(duì)此設(shè)計(jì)中對(duì)該系統(tǒng)也提出了較高的技術(shù)要求，如UPS電源運(yùn)行參數(shù)可通過網(wǎng)絡(luò)終端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且為其他操作功能如自動(dòng)開機(jī)與關(guān)機(jī)或故障報(bào)警等得以實(shí)現(xiàn)，需引入一定的接口，使用戶與UPS電源間通信能夠滿足網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控要求[2]。

2.2 UPS電源與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)間的通信

監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)很大程度上得益于現(xiàn)場(chǎng)總線，由于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)并未統(tǒng)一且其自身具有較高的性能價(jià)格比，在長期應(yīng)用過程中逐漸產(chǎn)生CAN，即控制器局部網(wǎng)。作為現(xiàn)場(chǎng)總線的一部分，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)與其他通信網(wǎng)存在較大的差異，具體體現(xiàn)在：第一，將全網(wǎng)廣播作為基礎(chǔ)，目標(biāo)地址不存于所傳送的文件中，而且能夠通過多站接收等方式過濾其中無用的文件。第二，注重?cái)?shù)據(jù)安全性，使控制系統(tǒng)滿足數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)幕疽?。以往的監(jiān)控系統(tǒng)中多采用集中式、分布式以及集散式監(jiān)控系統(tǒng)，盡管對(duì)信息的管理取得一定的成效，但多存在處理數(shù)據(jù)效果不佳且效率較低的缺點(diǎn)，所以為使用監(jiān)控系統(tǒng)基本要求，設(shè)計(jì)中選用以ARM為基礎(chǔ)的處理器，并以CAN協(xié)議為運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)總線。另外，在通信方式上，所選擇的方式也主要以CAN總線網(wǎng)絡(luò)為主，在系統(tǒng)中運(yùn)行的原理主要指各從節(jié)點(diǎn)由主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，主節(jié)點(diǎn)在發(fā)布指令的同時(shí)也能對(duì)從節(jié)點(diǎn)處相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)，各從節(jié)點(diǎn)需在主節(jié)點(diǎn)指令的基礎(chǔ)上將運(yùn)行信息顯示出來并將檢測(cè)數(shù)據(jù)向主節(jié)點(diǎn)傳輸。此外，節(jié)點(diǎn)間的串行通信主要由CAN接口電路負(fù)責(zé)，可利滿足CAN線路電阻的兩只標(biāo)準(zhǔn)電阻[3]。

2.3網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)與Internet的通信

在研究網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)與Internet通信中，常用的結(jié)構(gòu)主要包括C/S與B/S兩種結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)過程中可對(duì)二者進(jìn)行比較應(yīng)用，如在安全性方面。C/S在控制信息安全方面表現(xiàn)的能力較為突出，所以適合應(yīng)用于高度機(jī)密的系統(tǒng)中。而B/S應(yīng)用中采用的安全措施多集中在加密或身份認(rèn)證等形式，不具備較強(qiáng)的安全控制能力。在開發(fā)成本方面，應(yīng)用C/S需要操作人員具備較高的技術(shù)水平，而且數(shù)據(jù)交互服務(wù)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)利用專門的服務(wù)器。相比之下，B/S應(yīng)用的成本較低，很大程度上只需利用瀏覽器與操作系統(tǒng)便能實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的管理。另外，在可重用性與可擴(kuò)展性等方面，B/S自身獨(dú)立的功能以及系統(tǒng)無縫升級(jí)都具備較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。所以比較而言，設(shè)計(jì)過程中采用的應(yīng)主要以B/S模式為主，可以促進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展[4]。

三、UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件分析

以ARM為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所涉及的部分主要包括ARM數(shù)字控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)接口模塊以及CAN總線接口模塊等組成部分。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)過程中考慮的主要為處理器的選型、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題等方面。

3.1從處理器選型角度

處理器選型中考慮的主要為ARM內(nèi)核處理器，其本身具有成本與功耗低、性能與效率高的優(yōu)勢(shì)。但需注意保證ARM微處理器在內(nèi)核方面應(yīng)根據(jù)用戶的實(shí)際需求選擇具有MMU功能的芯片或其他具備MMU功能的處理器。而且在系統(tǒng)工作頻率方面應(yīng)注重ARM微處理器所具備的處理能力，以此為依據(jù)合理選擇系統(tǒng)工作頻率。另外除ARM微處理器外，由于AMR芯片在不同領(lǐng)域中應(yīng)用的特征不同，所以可使其他功能模塊進(jìn)行擴(kuò)展，能在芯片中實(shí)現(xiàn)集成，如IIS接口、USB接口等，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的同時(shí)促進(jìn)可靠性的提高[5]。

3.2從系統(tǒng)硬件電路角度

設(shè)計(jì)電源電路中，為使系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，需注重系統(tǒng)輸入電壓滿足一定要求。而且設(shè)計(jì)中也可引入NAND Flash接口電路，其本身作為具有低成本與高集成度優(yōu)勢(shì)的存儲(chǔ)器，將ROM與RAM的優(yōu)勢(shì)集于一身，能夠防止掉電后出現(xiàn)信息丟失的情況。同時(shí)，硬件中的單元電路可選擇SDRAM，其應(yīng)用在微機(jī)處理系統(tǒng)中盡管不具備掉電后保持?jǐn)?shù)據(jù)的性能，但在容量、成本以及存取速度方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。另外，網(wǎng)絡(luò)控制器的選擇方面可以以太網(wǎng)接口模塊為主，使其無論在全雙工模式或半雙控模式下能夠支持系統(tǒng)中相應(yīng)的協(xié)議，常見的接口卡芯片主要為CS8900，利用實(shí)際的工作原理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電路連接。除此之外，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中電源電路問題還需考慮到CAN總線接口模塊以及人機(jī)交互的模塊，確保UPS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠保證系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性[6]。

四、UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件分析

4.1系統(tǒng)應(yīng)用的軟件技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要為使遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，所以其軟件技術(shù)要求主要體現(xiàn)在三方面，即：檢測(cè)UPS運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)其中如斷電、電池電壓過低或溫度較高等進(jìn)行報(bào)警；系統(tǒng)管理中具備查閱、記錄、轉(zhuǎn)逆變等功能；可將系統(tǒng)的通信方式以及通信時(shí)間等進(jìn)行設(shè)定[7]。

4.2監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

以ARM為基礎(chǔ)的UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需注重系統(tǒng)中的一系列關(guān)鍵問題。具體包括：首先，進(jìn)行l(wèi)inux系統(tǒng)移植并構(gòu)建系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。其主要體現(xiàn)在系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序bootloader設(shè)計(jì)、linux系統(tǒng)移植以及交叉編譯環(huán)境的開發(fā)等方面。其次，CAN接口模塊的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中可引用MCP2510，其能夠?qū)U(kuò)展后的信息幀進(jìn)行發(fā)送或接收，并具備管理信息與過濾接收信息的功能，但引用過程中需注意對(duì)MCP2510寄存器函數(shù)進(jìn)行讀寫，分析驅(qū)動(dòng)初始化部分以及實(shí)際操作函數(shù)。再次，注重嵌入式系統(tǒng)中的QT圖形用戶界面。設(shè)計(jì)時(shí)可通過對(duì)QT開發(fā)工具以及GUI的分析進(jìn)行GUI平臺(tái)的搭建。最后，嵌入式WEB SEVER與數(shù)據(jù)庫SQLITE的設(shè)計(jì)。其中嵌入式WEB服務(wù)器要求與Internet保持連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。而數(shù)據(jù)庫SQLITE設(shè)計(jì)的步驟主要通過構(gòu)建后端數(shù)據(jù)庫、制作頁面與表單并完成GGI程序的編寫[8]。

結(jié)論：以ARM為基礎(chǔ)的UPS電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是促進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用完善的必然途徑。通過文中的設(shè)計(jì)實(shí)踐充分說明其能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，但需注意其采用的硬件與軟件應(yīng)滿足系統(tǒng)的基本要求，并引用B/S模式使系統(tǒng)在線監(jiān)控得以實(shí)現(xiàn)，這樣才可保證UPS電源監(jiān)控維護(hù)成本降低，促進(jìn)其安全可靠的運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)

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