基于A(yíng)RM9的電力負(fù)控終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要 介紹了采用高端嵌入式單片機(jī)ARM9和嵌入式Linux操作系統(tǒng)構(gòu)成的電力負(fù)荷終端系統(tǒng)，以及該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。終端利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)為應(yīng)用軟件提供強(qiáng)大、穩(wěn)定的資源環(huán)境，根據(jù)Q／GDW 374．1-2009《電力用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范：專(zhuān)變采集終端技術(shù)規(guī)范》的要求，將智能電網(wǎng)管理終端多個(gè)任務(wù)劃分為應(yīng)用軟件下執(zhí)行任務(wù)多個(gè)線(xiàn)程，使得系統(tǒng)完成多任務(wù)的能力更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高。
關(guān)鍵詞 電力負(fù)荷終端；ARM9；GPRS；Linux

隨著客戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量要求的逐步提高，傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)難以滿(mǎn)足發(fā)展要求。為此，提出發(fā)展“全覆蓋、全采集、全預(yù)付費(fèi)”智能電網(wǎng)的設(shè)想，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級(jí)。電力用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)——智能電網(wǎng)管理終端，是一種集計(jì)算機(jī)、通信、用電及計(jì)量技術(shù)于一體的智能抄表設(shè)備，它具有抄收速度快、計(jì)算精度高、抄表實(shí)時(shí)性好、集成度高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、安裝使用方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，可直接與營(yíng)業(yè)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，對(duì)電力用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集計(jì)算及控制管理。電能計(jì)量自動(dòng)抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從電能數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)教幚淼淖詣?dòng)化，采用自動(dòng)抄表可以緩解抄表人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人為因素造成的抄表誤差，并能迅速統(tǒng)計(jì)低壓時(shí)線(xiàn)損，降低用電成本，同時(shí)對(duì)加強(qiáng)用電管理，防止國(guó)家電力資源流失，對(duì)推進(jìn)電能管理現(xiàn)代化具有積極意義。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
基于GPRS的負(fù)荷控制管理系統(tǒng)，以公共GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為載體，輔以現(xiàn)場(chǎng)RS485總線(xiàn)等通訊方式，將變電站、大用戶(hù)、公用配變、居民戶(hù)等為主要控制管理對(duì)象，實(shí)現(xiàn)從變電站到供電線(xiàn)路再到電力用戶(hù)的綜合供用電監(jiān)測(cè)、控制和管理。其工作流程如圖1所示。

1．1 電力負(fù)荷管理終端系統(tǒng)組成
終端主要由5部分組成：電源單元、處理單元、通信單元和GPRS單元，其系統(tǒng)組成原理框圖如圖2所示。

1．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
采用美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的AT91SAM9260CUARM9 CPU芯片為核心硬件架構(gòu)搭建系統(tǒng)硬件電路。
傳統(tǒng)的低端嵌入式單片機(jī)或多片單片機(jī)聯(lián)合控制(MCU)作為核心控制器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化、多任務(wù)的管理終端控制已不能滿(mǎn)足需要。特別在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、電表數(shù)據(jù)抄錄、GPRS通信控制、485通信控制、負(fù)載控制、大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多任務(wù)并行方面，傳統(tǒng)的單片機(jī)已不適用。原因是：(1)采用低端嵌入式單片機(jī)ARM7為采集終端的核心控制器件，可以實(shí)現(xiàn)程序的實(shí)時(shí)性，但其資源相對(duì)有限，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理、實(shí)現(xiàn)USB控制和以太網(wǎng)控制等方面不理想。(2)采用多片單片機(jī)聯(lián)合形式實(shí)現(xiàn)如上要求的控制，其性能比采用低端嵌入式計(jì)算機(jī)ARM7還差，僅將多個(gè)任務(wù)分解，每單個(gè)任務(wù)由相應(yīng)的一塊單片機(jī)完成，這給每塊單片機(jī)間的協(xié)調(diào)性帶來(lái)壓力，處理不好時(shí)程序運(yùn)行很不穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)程序的實(shí)時(shí)性。
ARM9系列微處理器在高性能和低功耗方面提供最佳性能。具有以下特點(diǎn)：(1)5級(jí)整數(shù)流水線(xiàn)，指令執(zhí)行效率更高。(2)提供1.1MIPS／M Hz 的哈弗結(jié)構(gòu)。(3)支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。(4)支持32位的高速AMBA總線(xiàn)接口。(5)全性能的MMU，支持WindowsCE、Lin ux、Palm OS等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。(6)MPU支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。(7)支持?jǐn)?shù)據(jù)Csche，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。
采用美國(guó)Enfora公司的ENFORA0306-GPRS模塊作為數(shù)據(jù)上傳核心部件，完成主站軟件的各項(xiàng)操作。與傳統(tǒng)通信方式相比，基于GPRS的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)成本低廉。(2)建設(shè)工程周期短。(3)適應(yīng)性強(qiáng)。(4)擴(kuò)展性好。(5)設(shè)備維護(hù)方便。采用與GSM同樣的無(wú)線(xiàn)調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶以及同樣的TDMA(時(shí)分多址)幀結(jié)構(gòu)。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)(BSS)可以提供全面的GPRS覆蓋。GPRS引入的分組交換傳輸模式，使原來(lái)采用電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本變化，這在無(wú)線(xiàn)資源稀缺的情況下顯得尤為重要。按電路交換模式而言，在整個(gè)連接期內(nèi)，用戶(hù)無(wú)論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨(dú)占無(wú)線(xiàn)信道。而對(duì)分組交換模式，用戶(hù)只有在發(fā)送或接收期內(nèi)才占用資源，這意味著多個(gè)用戶(hù)可以高效共享同一無(wú)線(xiàn)信道，提高了資源利用率。GPRS用戶(hù)計(jì)費(fèi)以通信的數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)，其連接時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，卻只需支付相對(duì)低廉的連接費(fèi)用，從而提供一種高效、低成本的無(wú)線(xiàn)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。因此這種數(shù)據(jù)傳輸方式特別適用于簡(jiǎn)短的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾大量的數(shù)據(jù)傳輸方式。