基于嵌入式微處理器和PCI總線實現(xiàn)電力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1、 引言

目前，作為監(jiān)測系統(tǒng)核心器件的微處理器一般采用高性能單片機、數(shù)字信號處理器（DSP）等提高系統(tǒng)的處理速度。但是，隨著電力系統(tǒng)監(jiān)測趨于多功能、智能化、可視化的發(fā)展。上述單一的器件已不能完全滿足要求。本文介紹了一種新型嵌入式微處理器PPC 405EP以及基于PPC 405EP的電力監(jiān)測系統(tǒng)，能夠滿足高實時性、良好的人機交互和多種通信方式要求。

2、 PPC 405EP微處理器

20世紀90年代，IBM和Motorola以及Apple公司共同開發(fā)了32位／64位PowerPC系列微處理器，主要應(yīng)用于PC、網(wǎng)絡(luò)通訊、工業(yè)控制領(lǐng)域。PowerPC靈活的體系結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)多種專用系統(tǒng)。PPC405EP是IBM／AMCC公司高性能嵌入式32位RISC，運算速度高達333 MI／s，內(nèi)部集成微處理器的常用外圍組件，特別適用于工業(yè)控制領(lǐng)域，為實現(xiàn)低成本系統(tǒng)，提供了高性價比。PPC 405EP的主要特點為：16 KB數(shù)據(jù)Cache，16 KB指令Cache，寫緩沖區(qū)；虛擬內(nèi)存管理單元MMU；2個10／100 Mb／s以太網(wǎng)控制器；SDRAM控制器；2個UART；外圍接口總線，直接支持8位、16位SRAM和外圍其他設(shè)備；可編程中斷控制器，支持7個外部和19個內(nèi)部的邊沿或電平觸發(fā)中斷：PCI V2.2接口標準模塊；DMA控制模塊，可對8位、16位、32位的數(shù)據(jù)進行操作；I2C系統(tǒng)總線模塊；通用可編程I／O口（GPIO）；可編程定時／計數(shù)器：支持JTAG板級測試。

3、 在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

被監(jiān)測設(shè)備傳輸?shù)碾妷?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流信號經(jīng)電流電壓互感器變換后．再經(jīng)信號調(diào)理電路放大、濾波，送入數(shù)據(jù)采集板。采集板內(nèi)的單片機控制A／D采樣或判斷開關(guān)信號變化，完成各種數(shù)值運算，與預(yù)設(shè)的報警限定值作比較。如果在報警范圍內(nèi)，申請占用CAN總線向嵌入式主模板發(fā)送數(shù)據(jù)，與此同時，嵌入式主模板監(jiān)聽綜自網(wǎng)絡(luò)中的報文，采用103／104協(xié)議解析獲得設(shè)備狀態(tài)等信息（例如：開關(guān)狀態(tài)）。嵌入式主模板把采集板傳輸?shù)墓收闲畔⒑凸收习l(fā)生時解析的報文存入CF卡同時以短信方式通知相關(guān)人員，人們可以通過監(jiān)視器瀏覽、分析這些故障文件。其原理框圖如圖1所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集及信號預(yù)處理模塊

考慮設(shè)備監(jiān)測點較多，而且系統(tǒng)需要處理的任務(wù)種類繁多，既有數(shù)據(jù)采樣、計算、監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)報文等周期性任務(wù)，又有通信、人機交互等隨機性事件。因此在硬件設(shè)計上，選用單片機完成數(shù)據(jù)采集、分析計算以減輕PPC 405EP的負擔(dān)。每塊采集板要完成8路4 mA～20 mA模擬信號采樣或者16路開關(guān)量信號輸入，選用Philip公司的P89LV51RD2能很好滿足采集要求。

AD7939是ADI公司生產(chǎn)的8通道、低功耗（13.5 mW）模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，其分辨率為12-bit，最高采樣頻率達1.5 MS／s。AD7939與單片機接口簡單，不需其他外圍電路，大大簡化電路設(shè)計。值得注意的是，AD7939具有數(shù)字電源與模擬電源，數(shù)字噪聲很容易干擾A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。為了提高抗干擾能力，數(shù)字電源由模擬電源經(jīng)過由22μF、0.1μF和電感組成的π型濾波器后產(chǎn)生，數(shù)字地與模擬地接電感濾波后連接在一起。

3.2 基于PPC 405EP的嵌入式主板

3.2.1 PCI電路

PCI總線是一種先進的高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用局部總線。PPC 405EP處理器帶有PCI總線接口，支持PCI2.2規(guī)范，PCI總線頻率高達66 MHz。利用其PCI總線接口，設(shè)計了3個USB接口分別接鼠標、鍵盤、U盤，1個VGA接口用于顯示器，2個IDE接口用于接CF卡保存數(shù)據(jù)。選用Ali單片實現(xiàn)3個USB接口的PCI轉(zhuǎn)USB控制器。M5273、SMIPCI轉(zhuǎn)VGA控制器LynxEM+SM712和Silicon單片實現(xiàn)2個IDE接口的PCI轉(zhuǎn)IDE控制器SII0680A。直接掛在PPC 405EP的PCI總線上。

3.2.2 通信電路

根據(jù)PPC 405EP處理器的通信端口，設(shè)計了以太網(wǎng)、RS-485通信的外圍電路，其中以太網(wǎng)通信用于監(jiān)聽綜自網(wǎng)絡(luò)中報文，外圍器件選用LXT971ALC；RS-485通信用于與GSM模塊接口，根據(jù)預(yù)設(shè)的故障級別通過短信形式將越限故障信息發(fā)送到相關(guān)人員手機，通信收發(fā)器使用SN65HVD10。為了提高通信質(zhì)量，采用光電隔離器件ADuM1301隔離。選用獨立CAN通信控制器SJA1000實現(xiàn)CAN通信。因為SJA1000與PPC 405EP的讀寫時序不完全兼容，必須對PPC 405EP的讀寫時序進行變換。主要包括地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線、地址鎖存信號ALE、讀（RD）信號、寫（WR）信號和片選信號（CS）的變頻。PPC 405EP器件的高8位數(shù)據(jù)線、讀（POE）、寫（PWE）控制線、片選信號和低8位地址線都接入CPLD。在CPLD內(nèi)部完成PPC 405EP的地址線、控制線組合的邏輯譯碼。VHDL代碼可實現(xiàn)符合SJA1000的讀寫時序。以下為VHDL程序代碼。

另外，PPC 405EP為3.3 V器件，要與5 V的SJA1000無縫連接，還需用電平轉(zhuǎn)換器隔離。電平轉(zhuǎn)換器74KVXC3245加在CPLD與SJA1000之間。CAN通信的外圍電路如圖2所示。CAN通信收發(fā)器使用PCA82C250，同樣用ADuM1301隔離。系統(tǒng)中CPLD除了完成邏輯譯碼，還充當(dāng)PPC 405EP的外部看門狗，在CPLD內(nèi)部計數(shù)器溢出之前CPLD計數(shù)器清零。由于所需資源很少，CPLD采用Altara公司的EPM240即可滿足要求。

3.2.3 串行時鐘和E2PROM電路

I2C總線接口的時鐘器件和存儲器件分別選用PCF8563和AT24C02，它們掛接在PPC 405EP處理器的I2C總線上，如圖3所示。PCF8563是Philips公司生產(chǎn)的工業(yè)級實時時鐘，具有功耗低、精度高特點，使嵌入式系統(tǒng)的硬件主模板具有較長的穩(wěn)定時鐘信號。AT24C02是一個2 KB的串行E2PROM，用于存放系統(tǒng)軟件在運行過程中所需的重要參數(shù)。如采樣頻率、故障報警等級等。

3.2.4 電源

電源是整個系統(tǒng)中的重要部分，系統(tǒng)的大多數(shù)不穩(wěn)定因素或故障都是由于電源設(shè)計而造成的。本設(shè)計采用LT1765和MIC39150-1.8分別產(chǎn)生3.3 V和1.8 V電源。LT1765是Linear公司的3 A開關(guān)電源，其典型電路如圖4所示。輸入電壓為3 V～25 V。輸出電壓則根據(jù)R1和R2（一般固定阻值為10 kΩ）的阻值而定，計算公式如下：

另外，PPC 405EP對上電及掉電的順序的要求：上電時要求先V核后VI／O，而掉電則要求按先VI／O后V核的順序，如果不滿足此順序，PPC 405EP的最小系統(tǒng)不能正常上電復(fù)位。這里采用12 V直流電壓同時輸入LT1765和MIC39150-1.8．滿足上面要求順序。

4、 軟件實現(xiàn)

4.1 內(nèi)核驅(qū)動程序

Linux將每個設(shè)備看作一個文件，即可以像對待文件那樣使用read、write等系統(tǒng)實現(xiàn)讀寫功能。首先在。PPC 405EP平臺的PPC Linux內(nèi)核加入CAN、SII0680A等外設(shè)驅(qū)動。以CAN驅(qū)動為例，簡要說明Linux下驅(qū)動的數(shù)據(jù)處理流程。

由于CAN一幀的數(shù)據(jù)長度最大為8個字節(jié)，以模擬采集板為例，當(dāng)8個測點同時發(fā)生故障時，其通過CAN傳送給PPC 405EP的數(shù)據(jù)幀必然遠超過一幀數(shù)據(jù)，這時需要在驅(qū)動中進行解包、組幀等處理。因此，CAN驅(qū)動中的數(shù)據(jù)處理流程就顯得相當(dāng)重要。

其接收過程：當(dāng)CAN控制器接收數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生接收中斷，啟動接收中斷處理程序上半部分將CAN控制器接收緩沖器中的內(nèi)容復(fù)制到接收隊列而不作任何處理，解包和組幀將在中斷處理的下半部分完成，并將處理的幀放入幀隊列，最后用戶使用系統(tǒng)調(diào)用從接收幀隊列中讀取完整的一幀；發(fā)送過程：用戶進程通過系統(tǒng)調(diào)用向驅(qū)動程序傳送一幀任意長度的數(shù)據(jù)，驅(qū)動程序中發(fā)送數(shù)據(jù)的程序按照協(xié)議將該幀分段打包，放入發(fā)送隊列，并向CAN控制器請求發(fā)送。

4.2 應(yīng)用程序

系統(tǒng)的應(yīng)用軟件由運行在前臺的系統(tǒng)管理程序和運行于后臺的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽、數(shù)據(jù)分析程序兩部分組成。這兩部分程序相互獨立，它們之間的交互是通過信號量和共享內(nèi)存的方式實現(xiàn)。

系統(tǒng)管理程序基于Qt開發(fā)。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，支持Linux平臺。系統(tǒng)管理程序主要完成報警文件瀏覽、文件拷貝、采集參數(shù)管理、磁盤（CF卡）更換、報警參數(shù)管理等人機相互功能。因為Qt是基于C++的，而Linux是基于C，因此在Qt訪問Linux下用戶的函數(shù)時，需在Qt中用關(guān)鍵字extern“C”聲明。

后臺程序為主要在嵌入式PPC Linux下開發(fā)。本系統(tǒng)的任務(wù)劃分為：CAN通信、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽及報文分析。線程之間的數(shù)據(jù)共享采用互斥鎖保護，以免陷入死鎖狀態(tài)。為了增強裝置通用性，關(guān)于測點設(shè)備的相關(guān)信息，根據(jù)現(xiàn)場實際需要事先寫入XML文件中，當(dāng)系統(tǒng)啟動時先讀取該文件內(nèi)容初始化監(jiān)聽、分析程序的配置。其工作流程圖如圖5所示。

5、 結(jié)束語

PPC405EP處理器具有低功耗、低成本、高性能特點，本設(shè)計充分采用PPC 405EP的各種內(nèi)置外圍組件接口，簡化設(shè)計，降低成本。此監(jiān)測裝置已運用于變電站的設(shè)備監(jiān)測中，且運行效果良好。

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