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1 引言 目前，作為監測系統核心器件的微處理器一般采用高性能單片機、數字信號處理器(DSP)等提高系統的處理速度。但是，隨著電力系統監測趨于多功能、智能化、可視化的發展。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的電力監測系統，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公司共同開發了32位／64位PowerPC系列微處理器，主要應用于PC、網絡通訊、工業控制領域。PowerPC靈活的體系結構可實現多種專用系統。PPC405EP是IBM／AMCC公司高性能嵌入式32位RISC，運算速度高達333 MI／s，內部集成微處理器的常用外圍組件，特別適用于工業控制領域，為實現低成本系統，提供了高性價比。PPC 405EP的主要特點為：16 KB數據Cache，16 KB指令Cache，寫緩沖區；虛擬內存管理單元MMU；2個10／100 Mb／s以太網控制器；SDRAM控制器；2個UART；外圍接口總線，直接支持8位、16位SRAM和外圍其他設備；可編程中斷控制器，支持7個外部和19個內部的邊沿或電平觸發中斷：PCI V2.2接口標準模塊；DMA控制模塊，可對8位、16位、32位的數據進行操作；I2C系統總線模塊；通用可編程I／O口(GPIO)；可編程定時／計數器：支持JTAG板級測試。 3 在線監測系統的設計 被監測設備傳輸的電壓電流信號經電流電壓互感器變換后．再經信號調理電路放大、濾波，送入數據采集板。采集板內的單片機控制A／D采樣或判斷開關信號變化，完成各種數值運算，與預設的報警限定值作比較。如果在報警范圍內，申請占用CAN總線向嵌入式主模板發送數據，與此同時，嵌入式主模板監聽綜自網絡中的報文，采用103／104協議解析獲得設備狀態等信息(例如：開關狀態)。嵌入式主模板把采集板傳輸的故障信息和故障發生時解析的報文存入CF卡同時以短信方式通知相關人員，人們可以通過監視器瀏覽、分析這些故障文件。其原理框圖如圖1所示。 3.1 數據采集及信號預處理模塊 考慮設備監測點較多，而且系統需要處理的任務種類繁多，既有數據采樣、計算、監聽網絡報文等周期性任務，又有通信、人機交互等隨機性事件。因此在硬件設計上，選用單片機完成數據采集、分析計算以減輕PPC 405EP的負擔。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公司生產的8通道、低功耗(13.5 mW)模／數轉換器，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，大大簡化電路設計。值得注意的是，AD7939具有數字電源與模擬電源，數字噪聲很容易干擾A／D轉換結果。為了提高抗干擾能力，數字電源由模擬電源經過由22μF、0.1μF和電感組成的π型濾波器后產生，數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位地址數據復用局部總線。PPC 405EP處理器帶有PCI總線接口，支持PCI2.2規范，PCI總線頻率高達66 MHz。利用其PCI總線接口，設計了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卡保存數據。選用Ali單片實現3個USB接口的PCI轉USB控制器。M5273、SMIPCI轉VGA控制器LynxEM+SM712和Silicon單片實現2個IDE接口的PCI轉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PPC 405EP處理器的通信端口，設計了以太網、RS-485通信的外圍電路，其中以太網通信用于監聽綜自網絡中報文，外圍器件選用LXT971ALC；RS-485通信用于與GSM模塊接口，根據預設的故障級別通過短信形式將越限故障信息發送到相關人員手機，通信收發器使用SN65HVD10。為了提高通信質量，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。主要包括地址數據復用總線、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位數據線、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，還需用電平轉換器隔離。電平轉換器74KVXC3245加在CPLD與SJA1000之間。CAN通信的外圍電路如圖2所示。CAN通信收發器使用PCA82C250，同樣用ADuM1301隔離。系統中CPLD除了完成邏輯譯碼，還充當PPC 405EP的外部看門狗，在CPLD內部計數器溢出之前CPLD計數器清零。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公司生產的工業級實時時鐘，具有功耗低、精度高特點，使嵌入式系統的硬件主模板具有較長的穩定時鐘信號。AT24C02是一個2 KB的串行E2PROM，用于存放系統軟件在運行過程中所需的重要參數。如采樣頻率、故障報警等級等。 3.2.4 電源 電源是整個系統中的重要部分，系統的大多數不穩定因素或故障都是由于電源設計而造成的。本設計采用LT1765和MIC39150-1.8分別產生3.3 V和1.8 V電源。LT1765是Linear公司的3 A開關電源，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的最小系統不能正常上電復位。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 4.1 內核驅動程序 Linux將每個設備看作一個文件，即可以像對待文件那樣使用read、write等系統實現讀寫功能。首先在。PPC 405EP平臺的PPC Linux內核加入CAN、SII0680A等外設驅動。以CAN驅動為例，簡要說明Linux下驅動的數據處理流程。 由于CAN一幀的數據長度最大為8個字節，以模擬采集板為例，當8個測點同時發生故障時，其通過CAN傳送給PPC 405EP的數據幀必然遠超過一幀數據，這時需要在驅動中進行解包、組幀等處理。因此，CAN驅動中的數據處理流程就顯得相當重要。 其接收過程：當CAN控制器接收數據時，產生接收中斷，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容復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，最后用戶使用系統調用從接收幀隊列中讀取完整的一幀；發送過程：用戶進程通過系統調用向驅動程序傳送一幀任意長度的數據，驅動程序中發送數據的程序按照協議將該幀分段打包，放入發送隊列，并向CAN控制器請求發送。 4.2 應用程序 系統的應用軟件由運行在前臺的系統管理程序和運行于后臺的網絡監聽、數據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存的方式實現。 系統管理程序基于Qt開發。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，支持Linux平臺。系統管理程序主要完成報警文件瀏覽、文件拷貝、采集參數管理、磁盤(CF卡)更換、報警參數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下用戶的函數時，需在Qt中用關鍵字extern“C”聲明。 后臺程序為主要在嵌入式PPC Linux下開發。本系統的任務劃分為：CAN通信、網絡監聽及報文分析。線程之間的數據共享采用互斥鎖保護，以免陷入死鎖狀態。為了增強裝置通用性，關于測點設備的相關信息，根據現場實際需要事先寫入XML文件中，當系統啟動時先讀取該文件內容初始化監聽、分析程序的配置。其工作流程圖如圖5所示。 5 結束語 PPC405EP處理器具有低功耗、低成本、高性能特點，本設計充分采用PPC 405EP的各種內置外圍組件接口，簡化設計，降低成本。此監測裝置已運用于變電站的設備監測中，且運行效果良好。 |
