基于ARM的网络控制系统及其在电网监控中的应用

【中心议题】

•     *介绍了一种基于us/OS-II嵌入式操作系统和LPC2290 ARM处理器的新型智能电力监控系统控制器的设计
•     *对嵌入式系统的硬件设计和软件开发进行了介绍

【解决方案】

•     *通过电流互感器和电压互感器采集电网上的电流和电压信号
•     *将智能控制器所要完成的各项功能编写成具有不同优先级的任务

1引言

电力系统的智能监控是电力系统智能化发展过程中的一个全新的概念，随着电子技术和电力电子器件的发展,半导体器件等其他非线性负荷在电力系统中的应用越来越广泛，电力系统谐波“污染”越来越复杂.严重的谐波“污染”对某些行业构成了巨大的威胁，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响，显然电力系统中信号的快速、可靠、准确监测对电能质量的治理具有十分重要的意义。电力系统智能监控的目的是当系统中出现故障时，控制电路控制断路器动作，快速切除系统中的故障部分,防止故障扩大，保证设备与人身的安全，且不影响系统其它部分的正常运行。智能控制器是实现智能控制的核心部件，其基本任务是通过对电网参数的采集和处理，给出相应的控制信息。此外,智能控制器通过现场总线或工业以太网可以和计算机连接,进行远程监控管理。

本文介绍了一种采用LPC2290 ARM为核心的新型智能控制器，并且移植了uc/os-Ⅱ嵌入式实时操作系统，采用了触摸屏和液晶显示器以增强人机交互性能，还设计了基于以太网通信的远程监控系统。

2系统设计与实现

2.1智能控制器的硬件设计

智能控制器硬件总体结构如图1所示。该控制器的主要工作原理是通过电流互感器和电压互感器采集电网上的电流和电压信号，经过信号处理电路的调理后,使信号变换到ARM的标准A/D输入电压0～3.3V之间。ARM控制器通过对采集来的信号进行分析,然后对电网的状态做出判断,通过液晶显示器实时显示出信号的波形和参数，并且通过以太网向监控计算机发送相关数据,实现远程监控管理。

智能控制器主要由ARM及其外围电路所构成的最小系统、A/D信号采集与处理电路、液晶显示器与触摸屏电路、以太网通信电路、按键和数码管电路以及电源电路等部分构成。

2.1.1 ARM最小系统

本文在设计中采用PHILIPS公司的LPC2290型ARM处理器，LPC2290是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2路CAN、PWM通道以及多达9个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制领域。通过配置内部总线，LPC2290最多可提供76个GPIO。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。

ARM的外围电路包括晶振、滤波回路和片外RAM连接选择存储空间时使用的一些门电路。ARM的外围电路结构变化通常不是太大，但是对相关参数的选择要慎重，否则会影响ARM正常工作的稳定。本文选用IS61LV25616AL作为外部RAM存储器，SST39VF1601作为外部FLASH存储器。

2.1.2信号采集与处理电路

数据采集电路包括滤波、放大、隔直、较准等功能。本文在设计中采用两级RC滤波电路来滤除6次以上的高次谐波，由于互感器二次侧电压向量比电流向量超前90度左右，所以通过两级RC滤波电路进行硬件滤波的同时也进行了向量调整，使电压向量和电流向量角度大致相同，为了以后的有效值计算提供了条件。考虑到小信号和大信号采集的不同需要，本文采用不同的放大倍数，对小信号采用12倍放大，而对大信号采用3倍放大，同时对放大的信号进行较准以满足AD转换的要求。因为LPC2290自身拥有ADC模块，所以只要将已经调理好的信号接到ADC输入引脚上就可以了。

2.1.3液晶显示和触摸屏电路

图形用户接口GUI是当前嵌入式系统研究中的一个重要内容，而液晶显示屏更以其显示直观便于操作的特点被用作各种控制系统的显示终端，触摸屏技术也已经在自动控制领域得到了广泛的应用。本文提出了设计一个基于ARM平台的图形用户界面为自动控制系统提供一个良好的人机界面。本文采用EPSON公司的液晶显示控制芯片S1D13503作为液晶显示驱动器和液晶显示屏MCT_G320240一起实现了嵌入式系统的图形用户界面显示，同时还选用了触摸屏控制器ADS7843实现了图形用户界面的控制功能。

2.1.4以太网通信电路

为了实现对信号的远程采集，在设计中使用工业以太网将上位机和控制器连接起来，本文选用DM9000网络控制器和隔离变压器HR601680来实现这个功能。通信采用全双工方式，实现了“四遥”功能，通过上位机可以实时的看到控制器发送的信息，并且可以通过监控计算机对控制器进行远程操作。系统设计如图2所示。

2.1.6电源电路

在设计电源电路时主要考虑到对电源的可靠性要求，所以本文在设计时采用冗余设计的方法，使用速饱和电流互感器供电，辅助工作电源，备用电源同时向系统供电，只要有一路电源供电，系统就会正常工作，极大的提高了系统的可靠性。

2.2智能控制器的软件设计

智能控制器的核心部分是软件设计。目前，很多控制器的软件设计还是采用主循环程序和中断服务程序相配合，即前后台系统的设计方法。但是传统的前后台系统虽然形式简单明了，但是一旦程序中出现了错误，便会造成灾难性后果。对于电力系统来说，这是不能允许的。而近年来嵌入式操作系统越来越成熟，使用的成功范例很多。其中us/OS-II嵌入式操作系统由于源代码公开化，内核体积小，可移植性好等原因，受到广泛的应用。本文将us/OS-II嵌入式操作系统移植到ARM芯片中，而将智能控制器所要完成的各项功能编写成具有不同优先级的任务，从而提高了系统的运行效率和可靠性。

2.2.1 us/OS-II嵌入式操作系统在ARM上的移植

us/OS-II在ARM上的实现移植是嵌入式系统软件设计的关键所在，主要工作是对移植相关的OS_CPU.H，OS_CPU_A.S，OS_CPU_C.C三个文件的编写以及对OS_CFG.H配置的正确设定。

在对OS_CFG.H配置中根据嵌入式实时系统的实际需要，对最低优先级OS_LOWE ST_PRIO、最多任务控制块OS_MAX_EVENTS、最多任务数OS_MAX_TASKS进行设置，对需要使用的功能进行选择置位。

对OS_CPU.H文件的编写主要包括对以下4个宏进行设置：

①OS_ENTER_CRITICAL()②OS_EXIT_CRITICAL()③OS_STK_GROWTH④OS_TASK_SW() 其中，OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()是关于关中断和开中断的设置，本文采用软中断设置：

__swi(0x02)void OS_ENTER_CRITICAL(void);/*开中断*/

__swi(0x03)void OS_EXIT_CRITICAL(void);/*关中断*/

OS_STK_GROWTH是关于堆栈的使用方式，由于LPC2290中堆栈是从高地址向低地址递减的，所以本文设置为：#defineOS_STK_GROWTH 1

OS_TASK_SW()是在任务切换中使用的，任务切换其实就是将原来任务的相关寄存器值入栈保存，以便以后这个任务被再次调用时可以恢复原先的相关寄存器的值。本文设置OS_TASK_SW()作为中断调用软中断指令OSCtxSw。

对OS_CPU_C.C文件的编写包括编写10个C语言函数：在本文的实时嵌入式系统设计中，只对OSTaskStkInit()函数进行了编写，OSTaskStkInit()函数的作用是初始化任务的栈结构，将任务所有寄存器的值都保存到堆栈中。其余9个C语言函数只进行了声明，没有包含代码或者为了防止C编译器误发警告只编写了简单的指针自我赋值程序。

对OS_CPU_A.S文件的编写包括编写以下4个汇编语言函数：

①OSStartHighRdy()②OSCtxSw()③OSIntCtxSw()④OSTickISR()

其中，调用OSStartHighRdy()是用来使就绪态任务中优先级最高的任务开始运行。OSCtxSw()是用来实现任务切换，中断服务子程序、陷阱或异常处理的向量地址必须指向OSCtxSw()。

OSIntCtxSw()也是用来实现任务切换的，所不同的是OSIntCtxSw()是在中断服务程序中实现任务切换。OSTickISR()是用来实现时钟节拍功能。

将以上这些函数编写好以后，如果能编译通过并且装载入ARM中，如果运行成功，就在此程序基础上进行嵌入式系统的软件开发。

2.2.2任务划分

本文在进行软件设计时根据需要，编写了以下几个任务功能程序，主要包括A/D采样转换采样任务、液晶显示任务、参数设置和功能选择(触摸屏)任务、以太网通信任务、fft算法分析任务、实时时钟记录任务等。对各个任务要根据不同的实际情况赋予不同的优先级，us/OS-II最多可以创建多达64个任务。其中A/D采样转换由于对实时性的要求最高，应赋予最高的优先级，因此将其设置为中断服务程序，因为中断服务程序可以看成比最高优先级(0级)的任务还要优先的“任务”。

根据紧迫性、关键性、关联性的优先级安排原则，最低优先级OS_LOWEST_PRIO设定为20，各个任务的优先级安排如下：

参数设置和功能选择(触摸屏)任务为优先级3，以太网通信任务为优先级6，fft算法分析任务为优先级9，实时时钟记录任务为优先级12，液晶显示任务为优先级15。当优先级的安排比较宽松时，以后再增加新的任务就比较方便。

2.3上位机监控软件设计

本文采用以太网来完成监控计算机和智能控制器之间的通信，上位机的作用主要是实现“四遥”功能，在基于Winsock控件的基础上，采用VB软件进行编程，实现了以下功能：1）实时接收智能控制器节点上传的数据，智能控制器节点发送包括正常情况下的定时发送和异常情况下的实时发送。2）随时读取智能控制器节点的数据，即工作人员可从上位监控计算机上根据需要随时向智能控制器节点发送命令，索取相关数据。3）具有远程在线设置智能控制器节点相关参数的能力。计算机监控软件界面如图3所示。

3实验研究

本文设计的智能控制器样机在实验室通过对数字合成信号发生器发出的正弦波信号进行模拟试验。主要内容包括测量与显示试验和通信与监控试验。试验结果表明：本设计的智能控制器不仅实现了准确地测量与显示功能，而且实现了基于以太网的通信与远程监控功能，实时性能良好，指标达到预期要求。

4结论与展望

本文为了实现信号检测智能控制器的可通信化与智能化，研制了一种基于ARM和嵌入式实时操作系统us/OS-II的新型智能控制器，不仅实现了测量、显示、通信等基本功能，而且由于采用了us/OS-II嵌入式实时操作系统，提高了ARM的运行效率，增强了控制器的实时性和可靠性。

本文创新点：

①使用嵌入式操作系统us/OS-II取代了传统的前后台工作模式。

②使用液晶显示器和触摸屏实现了图形用户界面(GUI)的设计

③使用以太网通信取代了传统的串口通信，使得信息的传送速度更快、容量更大。