基于S3C44BOX的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文所論述的基于S3C44B0X的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是SJY-1發(fā)電機(jī)射頻監(jiān)測儀的組成部分之一，具備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及無線通信等功能，支持SMS傳送和PC聯(lián)機(jī)傳送兩種通信方式，支持告警功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，性能可靠，實(shí)用性強(qiáng)。對于設(shè)計(jì)通信數(shù)據(jù)量較小的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)測；嵌入式；S3C44B0X

引言
發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的核心，隨著單機(jī)容量的不斷增大，其運(yùn)行可靠性顯得尤為重要。對于發(fā)電機(jī)而言，并網(wǎng)運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測和診斷已成為一項(xiàng)亟待解決的課題。其主要目的在于：檢出發(fā)電機(jī)在初始階段出現(xiàn)的缺陷，以便有計(jì)劃地安排檢修，減少強(qiáng)迫停機(jī)次數(shù)，避免事故的發(fā)生；延長發(fā)電機(jī)平均無故障時(shí)間及縮短平均修理時(shí)間，降低發(fā)電機(jī)的維護(hù)費(fèi)和提高發(fā)電機(jī)的可用性。
發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測原理
發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行后，絕緣性能漸趨劣化，而絕緣結(jié)構(gòu)的劣化是各種劣化的綜合表征。目前，射頻監(jiān)測法是較為常用的監(jiān)測發(fā)電機(jī)絕緣狀態(tài)的方法。
本文論述的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)配合在線運(yùn)行的SJY-1射頻監(jiān)測儀，通過監(jiān)測射頻儀的輸出信號(hào)，進(jìn)行初步的故障診斷。如何確定射頻監(jiān)測儀的示值變化與發(fā)電機(jī)定子絕緣狀況變化趨勢的關(guān)系是監(jiān)測與診斷中極為重要的問題。根據(jù)發(fā)電機(jī)定子絕緣變化的過程具有“模糊態(tài)”的特點(diǎn)，其監(jiān)測可劃分為良好、中介過渡、注意、警告、危險(xiǎn)等幾個(gè)區(qū)域，發(fā)電機(jī)的絕緣狀態(tài)與SJY-1射頻儀的信號(hào)電平具有一定的函數(shù)關(guān)系。
當(dāng)SJY-1射頻監(jiān)測儀檢測信號(hào)低于300 mV或在此附近擺動(dòng)，而且測量值與發(fā)電機(jī)負(fù)荷無關(guān)的情形下，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的放電總量是微小的，此時(shí)表明發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的絕緣狀況良好；當(dāng)SJY-1射頻監(jiān)測儀檢測信號(hào)電平高于1000 mV，表明在整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中放電量比較大，應(yīng)該引起維修人員的注意。
然而，考慮到1000 mV并非發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部放電判斷的絕對界限，因此不能規(guī)定射頻信號(hào)一旦達(dá)到某一特定值就一定要維修檢查。發(fā)電機(jī)絕緣從最初的缺陷發(fā)展成為故障所需的時(shí)間與故障類型各不相同，相對而言，信號(hào)的長期變化可給評判提供更為豐富的信息。為了得到信號(hào)的長期變化數(shù)據(jù)，本監(jiān)測系統(tǒng)采用設(shè)定告警門限與告警次數(shù)累計(jì)相結(jié)合的方法。首先，用戶設(shè)定告警門限值(一般可設(shè)為1000 mV)，告警次數(shù)累計(jì)為N。然后在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)射頻儀的監(jiān)測值超過告警門限值時(shí)，告警累計(jì)次數(shù)加一，反之則減一。只有當(dāng)告警累計(jì)次數(shù)≥N時(shí)，即發(fā)電機(jī)絕緣狀態(tài)長期處于告警范圍中時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)才認(rèn)為當(dāng)前的發(fā)電機(jī)存在絕緣故障可能，從而啟動(dòng)短消息告警程序，通知維修人員及時(shí)排查。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
考慮到SJY-1射頻監(jiān)測儀會(huì)自動(dòng)把mV級(jí)電壓(0mV~10000 mV)轉(zhuǎn)換成mA級(jí)電流輸出(0mA~20mA)，所以本監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)測的信號(hào)是mA級(jí)的電流。為方便用戶操作，本系統(tǒng)在提供告警門限值設(shè)置時(shí)仍采用mV級(jí)電壓單位，而在內(nèi)部程序處理時(shí)完成數(shù)值單位的轉(zhuǎn)換。
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。射頻儀產(chǎn)生的0mA~20mA的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后輸出至數(shù)據(jù)采集模塊，然后微處理器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，則通過GSM模塊TC35i終端發(fā)送告警短消息給維修人員。
本系統(tǒng)采用S3C44B0X作為微處理器，針對SJY-1射頻監(jiān)測儀產(chǎn)生的電流信號(hào)變化較為緩慢的特點(diǎn)，使用其內(nèi)部定時(shí)器所產(chǎn)生的中斷，以每秒12次的采樣速率啟動(dòng)ADC，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過初步平滑處理后存入數(shù)據(jù)緩沖。當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至固態(tài)硬盤中。若系統(tǒng)檢測到有故障發(fā)生時(shí)，啟動(dòng)告警程序，發(fā)送短消息給維修人員。維修人員可以通過系統(tǒng)與PC聯(lián)機(jī)讀出固態(tài)硬盤中的歷史數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，并分析故障產(chǎn)生的原因及解決方案。

系統(tǒng)的硬件組成
本系統(tǒng)中以微處理器S3C44B0X為核心的小系統(tǒng)由外部程序存儲(chǔ)器、LCD顯示、UART串口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及鍵盤組成。在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)對S3C44B0X小系統(tǒng)的外圍電路進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了ADC模塊、存儲(chǔ)模塊、串口通信模塊和GSM模塊。
本系統(tǒng)的輸入信號(hào)為射頻儀產(chǎn)生的4mA～20mA的電流信號(hào)，經(jīng)精密電阻后轉(zhuǎn)換成0V～4V電壓輸入至4通道、12位、并行/串行ADC芯片ADS7824。設(shè)計(jì)時(shí)選用了通道0作為原始信號(hào)的輸入，保留其余三路信號(hào)以備將來開發(fā)所用。同時(shí)選用了串行工作模式。ADC模塊的電路如圖2所示。為保證電路板是單電源，本設(shè)計(jì)的ADC模塊中采用了DC-DC轉(zhuǎn)換器，給隔離放大器提供其所需的雙電源。
考慮到系統(tǒng)需要大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，要求存儲(chǔ)芯片體積小、功耗低，所以選用了三星公司的NAND結(jié)構(gòu)Flash存儲(chǔ)器件——16MB的K9F2808來作為本系統(tǒng)的固態(tài)硬盤。其電源電壓為2.7V~3.6V，按頁讀寫，按塊擦除。
本系統(tǒng)的串行通信模塊由兩部分組成：PC通信和Modem通信。S3C44B0X提供兩個(gè)DB9串口，分別是UART0和UART1。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將UART0用于連接PC，進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)傳輸及接收，并采用MAX3221作為電平轉(zhuǎn)換芯片。UART1則作為全功能串口，經(jīng)過MAX3243電平轉(zhuǎn)換后與Modem通信。由于S3C44B0X未提供RS-232通信所需的諸如DCD(載波檢測)、DTR(數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好)、DSR(數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好)和RIC(振鈴指示)等專用的I/O口，因此本設(shè)計(jì)中選用其通用的I/O口替代，由軟件模擬這些握手信號(hào)。
此外，系統(tǒng)還要求其GSM模塊支持短消息服務(wù)，具備標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口以及SIM卡接口，并能直接用AT命令對其進(jìn)行接口。因此，采用了內(nèi)置TC35i無線模塊的西門子TC35i終端作為系統(tǒng)的GSM模塊，通過全功能串口UART1與之通信。
　　
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)。前者主要由人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊，以及短消息發(fā)送模塊(流程如圖3所示)組成，而后者又包括串口通信模塊、主界面和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)兩部分。
人機(jī)交互模塊由LCD顯示器和鍵盤組成，負(fù)責(zé)設(shè)定系統(tǒng)的參數(shù)，如告警閾值，告警計(jì)數(shù)門限值、短消息服務(wù)中心號(hào)碼和維修人員手機(jī)號(hào)碼等。如前所述，本系統(tǒng)在提供告警閾值設(shè)置時(shí)采用mV級(jí)電壓，并通過內(nèi)部程序完成數(shù)值單位的轉(zhuǎn)換。此外，考慮到維修人員需要把固態(tài)硬盤中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC中，所以軟件設(shè)計(jì)中還專門設(shè)定了PC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存功能。當(dāng)指定的按鍵中斷產(chǎn)生時(shí)，軟件將自動(dòng)屏蔽其他中斷，啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存子程序，從而將固態(tài)硬盤中的數(shù)據(jù)按頁讀出，并通過串口傳送給PC。
數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊主要負(fù)責(zé)采樣和硬盤K9F2808的讀寫。采樣頻率為每秒12次，由MCU內(nèi)部定時(shí)器中斷啟動(dòng)。
短消息發(fā)送模塊主要負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)區(qū)編碼以及告警短消息的發(fā)送。本設(shè)計(jì)中，MCU與TC35i終端的通信速率設(shè)定為19200bps，使用AT指令集進(jìn)行通信。AT指令是基于字符的命令結(jié)構(gòu)，有TEXT模式和PDU模式，還有早期使用的BLOCK模式。其中，PDU模式在GSM移動(dòng)設(shè)備中使用最為普遍。本設(shè)計(jì)也是采用的該模式。
在PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，串口通信模塊負(fù)責(zé)PC機(jī)與下位機(jī)之間數(shù)據(jù)的收發(fā)，而主界面和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)是為了更好的實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。

結(jié)語
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于S3C44B0X的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、性能可靠、實(shí)用性強(qiáng)。此外，由于短消息業(yè)務(wù)具有永遠(yuǎn)在線、不需撥號(hào)、價(jià)格便宜、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，所以該系統(tǒng)還特別適用于一些通信數(shù)據(jù)量較小的應(yīng)用?！?/P>