用于無(wú)線通訊風(fēng)電場(chǎng)的多功能微處理器設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

李堂國(guó) 曹春蘭 曹祿春 潘巖

摘 ?要：為了采集風(fēng)電場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)、視頻信號(hào)及火災(zāi)消防報(bào)警信號(hào)等關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了用于無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的集成式微處理器及管理平臺(tái)。該多功能微處理可通過(guò)RS485、RS232、USB等工業(yè)級(jí)通訊方式與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳感信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸;通過(guò)該平臺(tái)可集中管理風(fēng)電設(shè)備，提高運(yùn)行人員維護(hù)設(shè)備的效率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng);無(wú)線通訊;微處理器;平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）02-0088-03

Abstract： In order to collect the key parameters such as wind farm vibration signal， video signal and fire alarm signal， an integrated microprocessor and management platform for wireless communication network are designed and developed. The multifunctional microprocessor can communicate with the sensing signal of the wind turbine through RS485， RS232， USB and other industrial communication means to ensure stable data transmission; through this platform， the wind power equipment can be managed centrally and the efficiency of maintenance equipment can be improved.

Keywords： wind farm; wireless communication; microprocessor; platform

1 概述

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控大多采用有線傳輸，但受地域限制，光纖維護(hù)成本較大。隨著電廠信息化、智能化的快速發(fā)展，近年來(lái)已有風(fēng)電場(chǎng)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，但數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性有待進(jìn)一步加強(qiáng)。針對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)自組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為了在采集振動(dòng)信號(hào)情況下，同步增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并集成消防信號(hào)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)多類(lèi)信號(hào)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，作者設(shè)計(jì)并研發(fā)可集成RS485、RS232等不同通訊接口協(xié)議的數(shù)據(jù)采集器，保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備從剛開(kāi)始僅面向軍事領(lǐng)域發(fā)展到如今軍民共用領(lǐng)域。采集裝置從各個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，如數(shù)據(jù)采集及格式轉(zhuǎn)換速度，設(shè)備的穩(wěn)定性以及存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度等[1]。原先采用MOS工藝的A/D采集逐步發(fā)展為了CMOS積分型，同時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度提高到了500Msps，分辨率提高到了24位。但仍然存在很多缺點(diǎn)，如增加了設(shè)備的功耗，同時(shí)存在輸出的不確定性和離散性，導(dǎo)致該技術(shù)只能應(yīng)用在分辨率要求不高的設(shè)備中[2-4]，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，容量逐步擴(kuò)大，由M級(jí)到G級(jí)以及T級(jí)別，在技術(shù)方面得到了質(zhì)的發(fā)展，同時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域得到拓展，如在航天航海領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、武器領(lǐng)域等等，常見(jiàn)的存儲(chǔ)介質(zhì)有SRAM、SDRAM和FLASH等[5-8]。對(duì)于數(shù)據(jù)采集裝置，也由單片機(jī)逐步發(fā)展到了ARM、FPGA、DSP等，同時(shí)隨著需求側(cè)要求的功能的增加，數(shù)據(jù)采集裝置的性能也得到了很大的提升，這一發(fā)展有效地提高了數(shù)據(jù)采集裝置的可靠性，我國(guó)在數(shù)據(jù)采集方面的研究起步較晚，但部分方面也取得了較大進(jìn)展，如中北大學(xué)研發(fā)的設(shè)備采集速率可達(dá)到數(shù)百M(fèi)Hz，設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)到GB級(jí)別，該設(shè)備采用的系統(tǒng)構(gòu)架，為的DSP、ARM、FPGA等多平臺(tái)聯(lián)合控制，大大提升了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能及可靠性。相比我國(guó)，國(guó)外在該方面發(fā)展較早，如DT公司在圖像的分析以及設(shè)備視角的方案解決方面具有很大優(yōu)勢(shì)，以及研發(fā)了基于PCIE總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[9]。

目前工業(yè)技術(shù)取得了較大的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)已經(jīng)在日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用，常見(jiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域有教育、醫(yī)療和交通。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在并行及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)方面，并以處理器為核心。但是缺乏對(duì)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)量的分析。為提升數(shù)據(jù)的處理速度，有些設(shè)備采用并行方式，但該技術(shù)過(guò)于追求容錯(cuò)性及運(yùn)行的一致性，無(wú)法保證該技術(shù)的可行性。為此為了解決該問(wèn)題，引入了大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，可采用Map Reduce并行技術(shù)來(lái)提升數(shù)據(jù)處理速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理。

3 多功能無(wú)線微處理器開(kāi)發(fā)

3.1 微處理器功能需求

微處理器需要采集視頻監(jiān)測(cè)信號(hào)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)、避雷檢測(cè)信號(hào)和消防信號(hào)。同時(shí)，為了滿足風(fēng)場(chǎng)其它采集或控制系統(tǒng)的引入，需要預(yù)留網(wǎng)口、RS232和485接口。采編器將所有網(wǎng)口、串口采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)，傳輸?shù)缴龎赫荆⒔邮諄?lái)自升壓站的相應(yīng)控制指令。微處理器需處理的信號(hào)類(lèi)型見(jiàn)表1。

綜上所述，微處理器既要支持對(duì)多路網(wǎng)口數(shù)據(jù)的采集控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，又要支持對(duì)多路串口的同時(shí)采集與控制功能，同時(shí)網(wǎng)口與串口之間也能實(shí)現(xiàn)相互通信。

3.2 微處理器設(shè)計(jì)方案

多功能無(wú)線微處理器主要由3大功能模塊組成：電源模塊、網(wǎng)絡(luò)交換模塊和串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊。電源模塊以低紋波突發(fā)模式工作，可在低輸出電流條件下保持高效率，并能在典型應(yīng)用中將輸出紋波抑制在15mV以下，結(jié)溫高達(dá)125℃，非常適用于經(jīng)受高環(huán)境溫度的風(fēng)機(jī)內(nèi)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)交換模塊采用Marvell公司的88E6060芯片，集成6端口的快速以太網(wǎng)交換芯片，本處理器采用多片級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)14口100M網(wǎng)口的網(wǎng)絡(luò)交換功能，并通過(guò)其中一片的MII接口連接到CPU中，實(shí)現(xiàn)CPU與其它網(wǎng)口設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊CPU采用ST（意法半導(dǎo)體）的一款A(yù)RM Cortex-M4芯片，用來(lái)將TCP/UDP數(shù)據(jù)包與RS232/RS485/RS422接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。

3.3 軟件設(shè)計(jì)方案

多功能微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，以及不同數(shù)據(jù)格式的處理和轉(zhuǎn)換，以便將數(shù)據(jù)傳向指定的串行口，微處理器軟件系統(tǒng)可同時(shí)與4路串行端口獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)通信，需采集的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送至微處理器。微處理器若完成數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)到串行口之間的傳輸，需要在軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理后，通過(guò)TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀的幀頭信息，獲得該數(shù)據(jù)包的發(fā)送目標(biāo)串口，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口設(shè)備發(fā)送至串口服務(wù)器，借此進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析以及格式轉(zhuǎn)換，完成后將數(shù)據(jù)傳至以太網(wǎng)口。待數(shù)據(jù)整個(gè)打包完成后，通過(guò)以太網(wǎng)口傳輸出去，至此便完成了數(shù)據(jù)從串行口到以太網(wǎng)傳輸。

微處理器的操作系統(tǒng)采用具有豐富源碼資源的ucosII，借助ARM cortex-M4，完成ucosII系統(tǒng)的移植和裁剪，同時(shí)對(duì)根文件系統(tǒng)進(jìn)行完善，為應(yīng)用層系統(tǒng)的研發(fā)提供平臺(tái)，該平臺(tái)具有較全面的TCP/IP協(xié)議棧。應(yīng)用層系統(tǒng)借助ucosII系統(tǒng)完成接口、串口函數(shù)的調(diào)運(yùn)，進(jìn)而讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)socket接口將數(shù)據(jù)發(fā)往以太網(wǎng)口，系統(tǒng)平臺(tái)接收socket端數(shù)據(jù)，并調(diào)取串口設(shè)備函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)往微處理器指定串口。

3.4 微處理器在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

風(fēng)機(jī)內(nèi)所有網(wǎng)口系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)微處理器網(wǎng)口與無(wú)線網(wǎng)橋聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)與風(fēng)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互通互聯(lián)。所有串口系統(tǒng)終端，通過(guò)串口線連接到微處理器對(duì)應(yīng)的串口，經(jīng)微處理器轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后與風(fēng)場(chǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互通互聯(lián)，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用示意圖見(jiàn)圖2。

3.5 數(shù)據(jù)測(cè)試

數(shù)據(jù)上行測(cè)試指串口設(shè)備發(fā)送信息到采編器，通過(guò)與采編器相連的無(wú)線節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)從網(wǎng)口傳輸?shù)斤L(fēng)場(chǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)下行測(cè)試指升壓站通過(guò)無(wú)線網(wǎng)給采編器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，采編器接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，同時(shí)判斷發(fā)往指定的串口設(shè)備。測(cè)試結(jié)果表示，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送沒(méi)有出現(xiàn)丟失現(xiàn)象。

3.6 系統(tǒng)管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)

風(fēng)電場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理平臺(tái)用于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中特定IP設(shè)備的參數(shù)配置。通過(guò)該平臺(tái)不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IP設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接情況，還可以對(duì)特殊需求的IP設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置與集中管理，以方便用戶在多設(shè)備、連接不穩(wěn)定的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)IP設(shè)備進(jìn)行管理。

平臺(tái)集成了設(shè)備管理模塊、日志管理模塊、系統(tǒng)配置、設(shè)備配置及第三方軟件調(diào)用等模塊，各模塊協(xié)調(diào)配合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)局域網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中IP設(shè)備的監(jiān)測(cè)與管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)、視頻信號(hào)及火災(zāi)消防報(bào)警信號(hào)等風(fēng)場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)，開(kāi)發(fā)了用于無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的集成式微處理器。微處理器通過(guò)RS485、RS232、USB等工業(yè)級(jí)通訊方式與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳感信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將數(shù)據(jù)傳送至微基站，能同時(shí)滿足三路視頻信號(hào)同時(shí)穩(wěn)定傳輸。

（2）風(fēng)電場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理平臺(tái)用于無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中特定IP設(shè)備的參數(shù)配置，并能直接調(diào)取風(fēng)機(jī)監(jiān)控畫(huà)面。通過(guò)該平臺(tái)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IP設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接情況，還可以對(duì)特殊需求的IP設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置與集中管理，便于運(yùn)行人員對(duì)風(fēng)電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，提高設(shè)備管理效率。

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