嵌入式計(jì)算機(jī)在電力設(shè)備監(jiān)測中的應(yīng)用分析

彭志均

摘要：電力事業(yè)不斷發(fā)展過程中，越來越高要求電力系統(tǒng)長期運(yùn)行的安全性，為能有效預(yù)防發(fā)生災(zāi)難性事故，有必要監(jiān)測電力線路及電力設(shè)備的狀態(tài)，并進(jìn)行故障診斷。基于此，本文分析了電力設(shè)備監(jiān)測中嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，旨在為實(shí)際電力設(shè)備監(jiān)測工作提供參考。

關(guān)鍵詞：嵌入式計(jì)算機(jī)；電力設(shè)備監(jiān)測；應(yīng)用

前言：

現(xiàn)階段，電力部門任務(wù)中最重要的一項(xiàng)即為狀態(tài)監(jiān)測及設(shè)備檢修新技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用，這主要是由兩方面因素決定，一方面，安全性是電氣設(shè)備運(yùn)行中必須要保障的，一旦意外故障發(fā)生，可能會(huì)造成大面積停電，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)后，可對電氣設(shè)備的運(yùn)行狀況做出有效的監(jiān)測，防止意外停機(jī)事件發(fā)生；另一方面，各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測能夠有效的開展。近年來，電力系統(tǒng)對電力設(shè)備監(jiān)測的要求不斷升高，此種背景下，有必要應(yīng)用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)，以能滿足其要求，保證電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

1嵌入式計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文構(gòu)建的對象為ARM9嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主板核心處理器選擇AT91RM9200處理器，其處理能力非常強(qiáng)，ARM920T-ARM Thumb處理器集成在其內(nèi)部，屬于典型的RISC處理器，180MHz工作頻率下，可得到高達(dá)200MIPS的運(yùn)行速度。AT91RM9200處理器內(nèi)帶的數(shù)據(jù)Cache 16K、指令Cache 16K、SRAM 16K、ROM及寫緩沖區(qū)128KB。AT91RM9200處理器集成的外設(shè)數(shù)量眾多，使數(shù)字化電力安全監(jiān)控儀器的需求得到充分的滿足?；谏鲜鎏幚砥鳎O(shè)計(jì)主板硬件時(shí)，主要進(jìn)行以下幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。

2.1電源設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，主板共需要4組電源，電壓分別為+12V、+5V、+3.3V、+1.8V，為使結(jié)構(gòu)盡量簡化，主板供電選擇+12V直流電源，剩余的在主板上集成。利用逐次降壓方法，獲得多路電源，促進(jìn)電源效率的提高。首先，利用集成開關(guān)電源芯片LM2576-5.0，降低+12V電壓，變?yōu)?5V，為外圍設(shè)備、USB提供電源，隨后，通過低壓差LDO電源芯片LT1764-3V3，降到+3.3V，為整個(gè)系統(tǒng)工作提供電源，最后，再利用TPS76718QD，降低至+1.8V，使CPU獲得工作電源。

2.2內(nèi)存SDRAM模塊

SRDAM控制器集成在AT91RM9200內(nèi)部，SDRAM控制器為將芯片存儲能力提高，通常采取將接口提供給16位或32位SDRAM的方法，字節(jié)、半字及字均可以對其做出訪問。結(jié)合電力設(shè)備監(jiān)測需求，SDRAM采用16×16Mbit的（三星公司生產(chǎn)），共2片，使內(nèi)存達(dá)到64Mbytes。設(shè)計(jì)SDRAM內(nèi)存過程中，由于內(nèi)存會(huì)將數(shù)據(jù)與CPU直接高速交換，因此，其數(shù)據(jù)線、控制線及地址線要直接的連接CPU，使內(nèi)存工作優(yōu)先獲得穩(wěn)定性保障。

2.3 NorFlash模塊

必要存儲信息、啟動(dòng)系統(tǒng)程序時(shí)的引導(dǎo)信息均需要固化在嵌入式計(jì)算機(jī)主板上，由此一來，CPU通電后，能夠執(zhí)行的ARM向量才可以被找到，實(shí)現(xiàn)順利的啟動(dòng)主板。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬于典型的狀況下，boot.bin（11K）、uboot.gz（通常50K以下）、Linux的kernel及Ramdisk（前者1000K以內(nèi)、后者6000K以內(nèi)）均要固化在其主板上，存儲固化系統(tǒng)信息時(shí)，采取NorFlash-MT28F128J3RG（Micron公司），為16Mbytes，由此一來，每次通電后，可執(zhí)行秩序會(huì)由CPU自動(dòng)找到，并向內(nèi)存中搬移NorFlash上固化的程序代碼，解壓運(yùn)行[1]。

2.4 USB模塊

在主機(jī)應(yīng)用中，USB主機(jī)端口用于連接USB設(shè)備。跟集線器集成在USB主機(jī)端口，且收發(fā)器集成在下游端口，半雙工高速穿行通信端口提供幾個(gè)，最多時(shí)，打印機(jī)、照相機(jī)等USB可連接127個(gè)，USB集線器連接USB主機(jī)可通過“分層星型”布局實(shí)現(xiàn)。在AT91RM9200中，USB2.0 Host共有2個(gè)，其中一個(gè)為主口，用于采集數(shù)據(jù)、交換數(shù)據(jù)，也負(fù)責(zé)采集USB攝像頭的圖像數(shù)據(jù)。

2.5 RS-232串行通信模塊

通信工業(yè)及PC機(jī)中，串行接口應(yīng)用最廣泛的即為RS-232串行接口。本文設(shè)計(jì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，串口擴(kuò)展4個(gè)，且DBUG調(diào)試口擴(kuò)展1個(gè)，DBUG調(diào)試口主要是連接PC機(jī)的超級終端，并將系統(tǒng)信息輸出，系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)此口進(jìn)行。需要注意，這些串口使用過程中，初始化必須在啟動(dòng)Linux內(nèi)核時(shí)進(jìn)行，注冊后方可使用，因此修改串口配置選項(xiàng)要結(jié)合實(shí)際工作開展。

2.6 10/100M網(wǎng)卡模塊

10/100Base-T型以太網(wǎng)卡接口已經(jīng)集成在AT91RM9200內(nèi)部，同時(shí)，F(xiàn)IFO（28字節(jié)）、專用于發(fā)送、接收DMA數(shù)據(jù)的通道也集成在其中。在此基礎(chǔ)上，將DM9161E芯片（10/100M）增加其中，外擴(kuò)出一片物理層，實(shí)現(xiàn)10/100M網(wǎng)絡(luò)通信的自適應(yīng)[2]。設(shè)計(jì)與制作硬件時(shí)，增加的芯片無論是數(shù)字電源，或是模擬電源，均要開展濾波隔離，而其濾波隔離均利用電感、電容實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)通信傳輸數(shù)據(jù)過程中，通過高速差分信號，所以要優(yōu)先考慮TX+、TX-、RX+、RX-差分信號的走線，并嚴(yán)格匹配其上的50Ω電阻，保證通信質(zhì)量符合要求。

2.7 LCD/VGA接口模塊

嵌入式計(jì)算機(jī)主板中，以SID13806芯片作為顯示控制芯片，其具備功耗低、成本少的優(yōu)點(diǎn)，在各種CPU、LCD/VGA接口中廣泛的應(yīng)用。AT91RM9200顯示控制SID13806時(shí)，利用命令控制字，因顯存并不存在于該芯片內(nèi)部，要通過外擴(kuò)實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)SID13806時(shí)，對LCD/VGA顯示支持，但不支持同時(shí)顯示，因此，設(shè)計(jì)過程中，為解決該問題，采用J24跳線。

2電磁兼容性分析

電力設(shè)備監(jiān)測結(jié)果會(huì)對整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行安全與否產(chǎn)生極大的影響，因此必須要保證監(jiān)測儀器安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。在監(jiān)護(hù)儀器中，決定其穩(wěn)定性及安全性的即為嵌入式計(jì)算機(jī)主板，所以必須要分析其電磁兼容性，保證主板長期穩(wěn)定運(yùn)行。

首先，要消除阻抗反射。消除策略一般有兩種，一種為并行端接，是指將上拉阻抗或下拉阻抗加在與負(fù)載端盡量靠近的位置；另一種為串聯(lián)終端匹配，即傳輸線特征阻抗高于信號源端阻抗時(shí)，將電阻R串聯(lián)在二者之間，實(shí)現(xiàn)二者阻抗相匹配，避免信號從負(fù)載端反射后反射再次發(fā)生。其次，減小串?dāng)_。根據(jù)規(guī)則中的允許最大距離，增加兩條傳輸線的距離；目標(biāo)阻抗設(shè)計(jì)過程中，傳輸線要盡可能緊密的耦合地平面，使鄰近信號線產(chǎn)生的干擾減少；網(wǎng)格嚴(yán)格要求情況下，可采用差分線技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)；相鄰層傳輸線存在的耦合情況相對嚴(yán)重時(shí)，要正交走線；信號間走線平行時(shí)，長度要盡量最??；合理布局，避免擁擠布線[3]。最后，元件合理布局。高頻元器件連接時(shí)，連線盡量縮短，其分布參數(shù)、互相之間存在的電磁干擾要設(shè)法減少；布設(shè)所有電路元器件過程中，各功能電路單元需以電路流程為依據(jù)嚴(yán)格布置其位置，防止信號受阻，并使信號方向盡可能的一致。

結(jié)論：

電力設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用嵌入式計(jì)算機(jī)時(shí)，要十分注重其硬件設(shè)計(jì)及電磁兼容性，以能保證系統(tǒng)有效的監(jiān)測電力設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)故障情況，避免意外故障的發(fā)生，保證電力設(shè)備及整個(gè)電力系統(tǒng)平穩(wěn)的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]張宏釗，黃榮輝，姚森敬，等.對嵌入式系統(tǒng)的電力設(shè)備紫外監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（11）：112-114.

[2]王海峰.基于嵌入式技術(shù)的大型電氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用，2015，34（03）：64-67.

[3]肜瑤，湯亞廣，王威鋒.基于嵌入式系統(tǒng)的電力設(shè)備紫外監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器世界，2014，20（10）：21-25.