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1、基于嵌入式的变电站蓄电池远程监测平台的设计与实现 基于嵌入式的变电站蓄电池远程监测平台的设计与实现 作者：程子平 摘要：基于AT91RM9200处理器和嵌入式Linux操作系统，应用RS-485及socket通信等技术，以PC机作为远程监测平台，实现了对变电站蓄电池的远方实时监测。该平台采用结构模块化和通讯数据不定长帧格式等设计，为功能扩展及再次开发奠定了基础。 关键词：套接口；CS架构；远程监控；进程；共享内存 0 引言变电站蓄电池是变电站电力电源断电后的最后一道保护屏障，其运行状态关系到供电系统的安全性，因而对变电站蓄电池的监测也是保障电力系统稳定运行的重要措施之一。本文基于ARM嵌入式实
2、现对蓄电池实时、智能的远程数据测量与控制。嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，其中ARM以其小体积、高性能、低成本、低功耗等特点而得到广泛的应用，它已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标准。根据嵌入式处理器类型还需配备一定的嵌入式操作系统。国外操作系统已经从简单走向成熟，有代表性的主要有VxWorks、Windows CE、Linux等。其中Linux操作系统具有开放的源代码、良好的用户界面、丰富的网络功能、可靠的系统安全、标准丰富的API、良好的可移植等优点，受到全球计算机人员的关注。本文以ARM9系列处理器为核心的工业级开发板及Linux操作系统为基础平台进
3、行开发，所设计的蓄电池监测平台具有实时性强、稳定性高、可互操作性等优点，而且具有良好的可扩充性，为进一步开发与研究提供了便利。 1 远程监测系统结构远程监测系统的硬件一般由现场量测终端、传输通道和远程计算机三大部分。测量终端的任务就是采集被监测对象的测量和状态量等数据，对数据作简单的处理后按通讯规约传送给计算机，并接收上位机下达的命令，对现场设备进行控制。传输通道是指信号传送时所经过的通道，即传输媒体1。本文设计所基于的硬件结构包括TM模块、CM模块和PC模块三个部分，如图1所示。TM模块即数据采集与控制输出板，采用C8051单片机及ADC模/数转换器等外围器件，对现场数据采集并对数据作简单的
4、处理。PC模块即远程计算机，作为远程监测及控制平台。CM模块即ARM开发板采用ARM9处理器，集中处理数据和与远程机的通信等。CM模块中嵌入式芯片是一个嵌入式系统的核心，是整个系统功能的实现及稳定性的保证。它采用基于Atmel公司ARM920T(核)微控制器的16/32位 RISC处理器AT91RM9200工业级开发板。ARM9处理器提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构，具有全性能的MMU和MPU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统或实时操作系统；具备5级整数流水线特性，指令执行效率高。外围电路包括64M的同步动态存储器SDRAM、8M的外部存储器NO
5、R FLASH，一个调试串口，两个三线的 RS232串口(通过跳线与RS485进行转换)，以及DM9161E以太网芯片(100Mbit/s的网络速度)等，可供平台功能进一步开发，而不须作大的变动。其具体结构如图2所示。本文基于以上的硬件，对CM模块和PC机端进行软件设计，实现CM端与TM模块和PC的通信以及PC机端与CM模块的通信这两大功能，如图1虚线所框部分。 2 CM模块端的通信软件设计与实现软件的设计主要是模块之间数据的交换及处理， CM模块端即ARM上的软件设计包括两大部分。一是与TM模块的通信，采用传统系统中的现场总线 RS485进行串口数据通信。接收单片机的检测、报警、等数据，并把
6、接收到的PC机控制命令传送至TM模块。另一部分是与PC机的通信，通过Socket的UDP协议进行数据传输，两者之间形成C/S结构模式。应用以太网通信(基于TCP/IP)的通信方式进行数据传输共享，实现交互操作。系统通信流向如图3所示。CM模块端与单片机和PC机两方数据通信采用多进程方式来实现，与单片机串口通信和PC机的套接口通信分别在CMTM和CMPC这两个进程中完成，两进程之间通过共享内存和信号量实现数据的共享及进程间的同步。 2.1 串口通信(CMTM进程)利用串口进行文件传输首先要打开和配置串口，按要求设置好速度和传送方式之类的参数；然后，选择一定的传送协议和方式，设置好传送双方的同步方
7、式；接着就可以按照选择的传送协议和同步方式来传送数据或文件了。Linux平台下串口属性参数全部反映在一个struct termios结构体中，其结构如下：struct termiostcflag_t c_iflag；/输入模式标志tcflag_t c_oflag；/输出模式标志tcflag_t c_cflag /控制模式标志tcflag_t c_lflag；/线路选项cc_t c_line；/行控制cc_t c_ccNCCS；/控制字符；其中含有大约50个标志位，这些标志位在头文件termios.h中定义。串口编程的关键是对串口的配置，为了编程方便，Linux系统还包含了一系列针对 termi
8、os结构的设置函数，用来完成获取和设置串口属性2。Linux下串口设置很多，本设计主要的设置有如下几方面：c_cflag的基本参数设置，如波特率(Baudrate)、数据位(Bits)、停止位(Stops)及校验方式(Parity)等。配置过程如下：struet termios options；/termios的变量声明option s c_cflag|=B9600；/波特率为9600bpsoption s c_cflag|=CS8；/采用8个数据位option s c_cflag|=CSTOPB；/使用1个停止位option s c_cflag&=PARENB；/取消校验位输入输出方式设定。
9、根据是否对传输的数据进行预处理，可分为预处理方式(Canonical)和原始(Raw)方式。预处理方式常用于Modem通信。如果只是串口传输数据，而不需要串口来处理，则使用原始模式(Raw Mode)方式来通讯，本文采用原始输入方式：options.c_lflag &=(ICANON|ECHO| ECH-OE|ISIG)；/Raw Mode for lnput options.c_oflag & =OPOST；/Raw Mode for Output 控制字选项c_cc包含一些控制字的定义和读取等待定时器 (Read Timeout Timer)配置选项。其中，V START和VSTOP参数设
10、定软件流控制的起始和停止字符 (默认是11H和13H)。VMIN和VTIM E参数用来控制系统的读操作，VMIN设置每次读取的最少字节数，VTIME设置读取操作的等待时间(以0.1 s为单位)。这2个参数的具体值影响了读操作的行为。本文无软件流的控制。所以设置如下：Options c_ccVTIME=150；Options c_ccVMIN=0；除了上述的配置，传送协议和方式的设定也是很关键的一环。结合实际情况，基于modbus协议的RTU传输模式作了相应的小变动。由于变电站蓄电池数目较多，实现通信信息的识别，在发送包含自检信息的字节前，先发送4个字节用于接收端的判断，然后是帧长度(1byte
11、)、目标地址(1byte)、源地址(1byte)、命令字 (1byte)、标志数据(2byte)、数据(n*3byte)，最后是帧数据的CRC校验值(2byte)。这里通讯数据采用不定长帧格式，便于后序功能的扩展。串口配置、通讯协议和方式规定完成后，便可用read()和write()等函数进行数据的接收和发送了。ARM与单片机串口数据交换实现在CMTM进程中完成，其主流程图如图4(a)所示。进程TMCM通过串口监听并接收单片机发送的检测信号以及发送PC机的操作命令，负责将TM模块发来的串口数据接收后存人相应的反馈数据共享内存SHM_ TMCM中去，同时负责检查共享内存SHM_CMTM中是否有新
12、的控制或操作命令到来，若有则将其转发到串口。试运行时编写相关的串口软件，手动和自动对CM模块发送和接收数据，此进程能准确实时地与软件进行数据交换，通信效果良好。 2.2 套接口通信(CMPC进程)ARM与PC机的通信采用Socket套接口实现跨平台的C/S(Client/Server)模式，即客户应用层和服务层。客户应用层提供的是管理人员与工业设备的交互通信界面，而服务层则提供管理人员所需的数据采集、存储和处理。这两层通过计算机网络相互连接。一个套接口为三个因素所确定：协议族、套接口类型和协议。协议族说明套接口交互所使用的网络媒介，它包括AF_UNIX(UNIX域协议)、AF_INET(互联网
13、协议)、AF ISO(1SO标准协议)、AF NS(Xerox网络系统协议)；套接口类型表明交流数据的方式，常用的Socket接口有两种：流式接口(SOCKET-STREAM)和数据报接口(SOCKET-DGRAM)。协议是所创建的套接口类型的低层传输机制，一般由套接口协议族和套接口类型决定3。SOCKET-STREAM是面向连接的接口，底层协议为TCP协议，用于面向连接的应用。本文采用的是数据报接口UDP通信，Socket的UDP通信是一种无连接通信方式，比TCP/IP更灵活、方便，只要CM模块 IP地址及端口固定后，客户端PC的IP及端口可自由设定。Linux下同样具备一系列的套接字接口函
14、数，服务器端程序首先由socket()函数创建一个套接字，并用 bind()函数将套接字与服务器的公认地址绑定在一起；然后就可用recvfrom()、sendto()函数进行通信了。ARM与PC机的通信服务程序主要由CMPC进程实现，其主流程图如图4(b)。其主要功能是负责接收PC发来的数据或命令，若收到的是数据索取命令则从反馈数据共享内存SHM_TMCM中的相应单元取出数据通过SOCKET返回给PC；若收到的是控制或参数设置等命令则将其暂存人命令共享内存SHM _CMTM中去，以待TMCM进程转发给TM模块。试运行中，CM模块能实时准确地与PC机进行数据交换，套接口通信效果很好。3 PC模块
15、端的设计与实现PC端作为远程人机交互平台，其软件是一个SOCKET通讯的客户端程序。PC端与CM模块基于 Windows上WinSock接口进行跨平台进程间的通信。在windows系统中实现套接口通信编程的语言很多，其中在VC、VB中都有已封装好的套接口控件，只需作适当的属性设置即可做出相当好的套接口通信应用软件。如图5是采用Visual Basic 6.0进行套接口编程的远程监测界面，它实现了管理人员与工业设备的交互界面4。这个界面，实时显示现场变电站蓄电池的电压、电流、温度等数据及越限报警等状态；反馈给 TM模块电压、电流、温度报警参数的设定以及开关量的控制等，从而对蓄电池实现远程的监测。
16、4 结语本文应用串口和套接口编程，对传输协议和方式做出了合理、高效的定义，能实时准确地对变电站蓄电池进行远方监测，而且软件和硬件都具有可扩充性，能根据需要进一步开发出所需功能，如基于WEB远程访问此监测系统。此外，系统通用性强，可以应用于输电、配电系统等方面，具有一定的理论研究意义和实用价值。参考文献：1盛寿麟电力系统远程监控原理M北京：中国电力出版社，20032 邹思轶嵌入式Linux设计与应用M.北京：清华大学出版社，20023 张斌，高波Linux网络编程M.北京：清华大学出版社，20005 求是科技Visual Basic 串口通信工程开发实例导航M北京：人民邮电出版社，2003 Ed
17、itors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the c
18、rackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and w
19、hen NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping
20、 rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space -
21、 live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line
22、 we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same
23、feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning b
24、ag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as h
25、e told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud
26、cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners
27、 (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back th
28、e door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving int
29、o the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more den
30、se air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute
31、at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner st
32、ill will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
