基于ARM與FPGA的電力電源一體化監(jiān)控裝置

摘要：為了滿足電力電源系統(tǒng)中復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的一體化監(jiān)控需求，文中提出了一種硬件設(shè)計(jì)方案。本方案基于TI公司的AM335x系列ARM Cortex-A8處理器和XILINX公司的Spanan-3系列的FPGA芯片，重點(diǎn)介紹了ARM與FPGA通信互聯(lián)以及其他特殊功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本硬件系統(tǒng)有應(yīng)用價(jià)值高、性?xún)r(jià)比高、穩(wěn)定可靠、靈活多變等優(yōu)點(diǎn)。

隨著現(xiàn)代電力行業(yè)的集成化、信息化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，電力系統(tǒng)要求站用交流電源、直流電源、通訊電源、UPS電源、逆變電源等不是再作為分散獨(dú)立的系統(tǒng)，而是作為一個(gè)整體進(jìn)行集中監(jiān)控與管理，這就需要一種監(jiān)控裝置適用于電力電源系統(tǒng)一體化的需求。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

作為交直流一體化電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控管理單元，該裝置不僅可以同時(shí)監(jiān)控站內(nèi)各設(shè)備，還可通過(guò)IEC61850規(guī)約與變電站后臺(tái)設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)一體化電源系統(tǒng)的集中、統(tǒng)一、遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)管理。裝置在系統(tǒng)中的連接示意圖如下圖1所示。因此，該一體化監(jiān)控裝置需要有多路485通信、CAN通信和以太網(wǎng)通信。為了滿足該裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況復(fù)雜性的需求，本文提出了一種基于ARM和FPGA的設(shè)計(jì)架構(gòu)，該方案可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同情況，靈活配置通信端口和開(kāi)入開(kāi)出節(jié)點(diǎn)。

本裝置的顯示部分為10寸全彩色LCD顯示觸摸一體屏，外部接口有4路RS-485，1路RS-232，2路CAN2.0，1路GPS-B碼對(duì)時(shí)，1路USB2.0，2路10/100M RJ-45端口。裝置通過(guò)各485總線和CAN總線采集下游裝置信息，匯總后通過(guò)RJ-45上傳后臺(tái)監(jiān)控主站，裝置也可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)運(yùn)算處理，根據(jù)合適的判據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，本系統(tǒng)的難點(diǎn)在于靈活多變的多功能模塊的統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)。

2 主芯片及接口方案設(shè)計(jì)

裝置所用的主處理器為T(mén)I公司基于ARM Cortex—A8的芯片AM3359，F(xiàn)PGA采用XIUNX的Spartan—3系列芯片XC3S250E。主處理器AM3359采用了德州儀器新一代ARMCortex—A8架構(gòu)，內(nèi)置有：高達(dá)720 MHz的ARM Cortex—A832位RISC微控制器(包含有NEON SIMD協(xié)處理器)，支持mDDR(LPDDR)/DDR2/DDR3，支持16位ECC的通用存儲(chǔ)器(NAND，NOR，SRAM等)，SGX530 3D圖形引擎，最高支持WXGA(1366x768)分辨率、24位RGB數(shù)據(jù)輸出的LCD控制器，兩個(gè)可編程實(shí)時(shí)單位子系統(tǒng)PRUSS，RTC，兩個(gè)具有集成PHY的USB 2.0高速OTG端口，2個(gè)支持10/100/1000的工業(yè)用千兆以太網(wǎng)MAC，2個(gè)控制器局域網(wǎng)端口(CAN)，6個(gè)UART，2個(gè)McASP，2個(gè) McSPI，和3個(gè)I2C端口，一個(gè)12位逐次逼近寄存器(SAR)ADC，3個(gè)增強(qiáng)型高分辨率PWM模塊，其功能框圖如圖3所示。

接口芯片采用的FPGA是XILINX公司的Spartan-3E系列芯片XC3S250E。Spartan-3E現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列家族是為滿足對(duì)成本敏感的大量應(yīng)用需求而特別設(shè)計(jì)的，是取代掩膜編程ASIC的最佳選擇。FPGA避免了高昂的初始成本，過(guò)長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期，和常規(guī)ASIC固有的不靈活。同樣，F(xiàn)PGA的可編程能力允許現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)升級(jí)，不需要替換任何硬件，這都是ASIC所不具備的。正是由于FPGA芯片靈活多變的特性，使得CPU和 FPGA之間交換數(shù)據(jù)的信息量比較大，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)接口通道。

本方案的CPU與FPGA芯片互聯(lián)采用的是并行總線架構(gòu)，ARM芯片的GPMC標(biāo)準(zhǔn)總共有8/16位地址和數(shù)據(jù)非復(fù)用模式、16位地址/復(fù)用模式和 8/16位NAND設(shè)備模式，本方案采用的是16位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用方式，連接模式如下圖4所示。相對(duì)于其他幾種模式，地址/數(shù)據(jù)復(fù)用方式的優(yōu)點(diǎn)在于用相對(duì)較少的信號(hào)線實(shí)現(xiàn)較大帶寬的數(shù)據(jù)吞吐量和較快的響應(yīng)時(shí)間。

對(duì)于Cortex-A8來(lái)說(shuō)，需要將GPMC模塊配置為16位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用模式，除了將管理控制信號(hào)引出以外，再將相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址復(fù)用信號(hào)GPMC_AD[15：0]引至FPGA芯片即可。

Cortex—A8就可以正常按照GPMC模式來(lái)訪問(wèn)FPGA芯片。

3 各模塊實(shí)現(xiàn)方案

本方案中各功能模塊較多，包括常見(jiàn)的RS-485，CAN，DDR，NAND Flash等，也包括比較特殊的部分，如采用RvMII的以太網(wǎng)交換芯片，采用數(shù)字隔離的觸摸屏驅(qū)動(dòng)芯片等。本文僅就部分特殊模塊做如下介紹。

以太網(wǎng)部分：由于Cortex—A8芯片管腳較為緊張，所以各管腳的信號(hào)復(fù)用情況較為復(fù)雜，因此，本方案只能采用MII模式與以太網(wǎng)交換芯片互聯(lián)，以太網(wǎng)交換芯片需配置為RvMII模式，通過(guò)100M以太網(wǎng)外擴(kuò)4路RJ-45。其中，RvMII模式需要注意是，所有的收發(fā)信號(hào)線是對(duì)接的，與常用的 GMII，RMII，RGMII等不同。具體連接方式如圖5所示。

觸摸屏驅(qū)動(dòng)部分：由于本裝置的應(yīng)用場(chǎng)合為電力自動(dòng)化領(lǐng)域，為了應(yīng)對(duì)國(guó)標(biāo)GB/T17626的各實(shí)驗(yàn)規(guī)范，裝置的各接口部分需要進(jìn)行特殊的保護(hù)處理，特別是觸摸屏部分的靜電放電實(shí)驗(yàn)。

由于電阻式觸摸屏的驅(qū)動(dòng)原理是AD轉(zhuǎn)換，因此，觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)就可以分為兩個(gè)方面，隔離模擬量或者隔離數(shù)字量。本方案的處理思路是隔離數(shù)字部分，在模擬部分增加磁珠和TVS保護(hù)。詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本方案以ARM與FPGA雙核為主芯片，利用ARM穩(wěn)定性好、外圍接口豐富的特點(diǎn)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和傳輸，同時(shí)，利用FPGA 在邏輯控制和接口靈活性方面的特點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、開(kāi)入開(kāi)出和液晶控制等功能。整個(gè)裝置因此具有豐富且可靈活配置的外圍接口，可以很好的滿足電力電源一體化監(jiān)控項(xiàng)目的需要。