基于嵌入式LINUX的電能量數據采集終端設計

1 引言

隨著計算機技術、網絡技術和大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，動態(tài)信號分析系統出現了向著網絡化方向發(fā)展的趨勢。以計算機技術、芯片技術和以軟件為核心的嵌入式系統（Embedded System）再度成為當前研究和應用的熱點。相對于通用計算機系統，嵌入式系統最大的特點是目的性和針對性強，即每一套嵌入式系統的開發(fā)設計都有其特殊的應用場合和特定功能，且通常具有實時性高、功耗低、體積小、集成度高、成本低等特點。

遠程電能量數據采集終端（ERTU）在電能量計費系統中是介于計量主站與費率裝置（電能表）之間的中間設備，主要完成電能量數據采集、處理、存儲及轉發(fā)等功能。嵌入式技術在電力系統中的應用有著悠久的歷史，早在幾年前國內就已經開始引進嵌入式實時操作系統（Real Time Operation System－RTOS）為核心的電網監(jiān)控系統。隨著近年來電力系統自動化程度的不斷提高及嵌入式技術的迅速發(fā)展，嵌入式技術越來越廣泛應用于數據采集、狀態(tài)監(jiān)控、自動裝置、微機保護、集散控制等各個領域，其中電能計量系統由于其自身的用電用戶分散性和管理網絡化的需要，應用嵌入式技術將大大提高系統性能。

2 嵌入式電能量采集系統概述

電能量采集系統作為電力營銷和未來電網商業(yè)化運營的技術支持有著廣闊的應用前景。系統主要由主站端計算機系統、廠站端電量采集器、多功能電子式電量表和信息通信網絡四部分組成，涉及到電子、計算機、通信、網絡、電力系統等多方面的專業(yè)知識。

隨著電力市場的建立和信息技術的發(fā)展，電能量采集系統的發(fā)展出現了新的特點：（1）網絡化程度更高，遠程電能數據采集終端（ERTU）除了具備多種接口和內置Modem,還應具有網絡功能，具有網絡接口，遵從TCP/IP標準協議；數據傳輸安全可靠，具備面向用戶的信息查詢功能以及輔助信息發(fā)布功能；（2）電能表自動抄表ARM（Automatic Reading Meter）是供電部門將安裝在用戶處的電能表所記錄的用電量，通過遙測、傳輸和計算機系統匯總到營業(yè)部門，代替人工抄表及一系列后續(xù)工作。

ARM的實現將克服人工抄表費時、費力、容易出錯及入戶抄表的困難，有利于提高配電自動化水平；（3）在遠程電能數據采集終端（ERTU）采用嵌入式CPU和嵌入式實時多任務RTOS構成完整的嵌入式系統，在RTOS的基礎上結合嵌入式Web服務器技術，可實現實時、動態(tài)的交互查詢功能，為用電管理人員的決策分析提供了強有力的支持。ERTU采用定時或者實時啟動抄表任務，通過RS-485總線讀取智能電能表內的電量信息和事件信息，支持標準的RS-485串口數據輸出。每一個ERTU裝置都可以接多路RS-485總線，這樣就可以同時采集多路的電表信息。根據以上所述電能量采集系統的發(fā)展，在系統的研究中開發(fā)出了一種新型的電能量采集終端，其硬件采用流行的PC104為主的CPU，可保證高速和高可靠性運行,總線式設計，可較為方便的對接口進行擴充，以電子盤為存儲介質，可確保掉電后數據的不丟失；其控制平臺采用實時嵌入式Linux操作系統，多進程/線程設計，各程序模塊并發(fā)運行，可極大地提高系統效率。各電能量計量點對應的智能電表對電能量進行測量，數據采集系統對電能表進行巡回采集并存儲下來，通過專線方式即移動公司的GPRS網絡將采集的數據傳輸到主站系統,通過GPRS網絡與控制中心進行遠程通信。數據采集系統在設計上采用功能模塊插件式結構，主要由接口模塊、RS-485采集模塊、主控模塊、遠程通信模塊（Modem）等組成，各模塊之間通過主控模塊進行連接和管理。采集裝置采用定時啟動抄表任務的方式，也可使用遠程控制方式，通過RS-485總線讀取智能型電表內存儲的電能量信息，分時段存儲在采集裝置內的事件信息。數據采集系統具有對不同電能表規(guī)約轉換的能力，針對不同的電能表，編寫相應的采集程序，建立了一個程序庫。

3 嵌入式電能量采集系統的主要功能

開發(fā)的新型電能量采集系統集數據抄收、存儲、處理、無線上傳等功能于一身，系統可采集32/64路脈沖輸入信號，脈沖掃描周期為10ms，采樣分辨率不小于40ms，具有硬件濾波，同時軟件根據電能表類型和脈寬進行濾波處理。利用電能量采集系統提供4路RS-485接口，每個RS-485接口可接入32只多功能電子式電能表，還可以擴展。抄收間隔由主站遠方設定，也可在采集系統方設定，每個從電能表讀取的數據加入時間信息存儲為帶有時標的數據，電量采集系統的時間信息是通過系統中的GPS模塊進行精確授時，采集系統通過GPS時鐘完成校時并可以對多功能電子式電能表進行廣播方式的校時，該嵌入式電能量采集系統既可以同脈沖式與脈沖式電表終端通信，也可以同數字接口全電子式電能表終端通信，同時提供了一個GPRS接口，支持TCP/IP協議，通過GPRS網絡上傳給主站服務器。系統的功能結構圖如圖1所示。

4 系統實現

4.1數據采集單元的硬件結構

系統的硬件核心用標準PC104“夾層總線”方式和嵌入式操作系統提供應用程序的運行平臺，提高軟硬件設計的標準化程度和系統的復用性，微處理器采用了Intel486處理器平臺，其速度為100MHz，且可用程序改變；它包含一個以太網接口，支持TCP/IP協議，存儲器分為兩部分：512kB的FLASH EPROM（用于運行程序及各個中間變量的存放）；一塊64MB的Disk On Chip的電子盤（用于存放抄收的電能量數據,最多可擴展到1G）。帶有PC104接口的4通道多串口卡，用多串口擴展出8個串口用以連接本地電能表，系統還采用了以下用戶接口設備：一塊兼容標準液晶顯示接口的單色液晶顯示屏，顯示分辨率320×240；用PC-AT鍵盤接口連接的輸入鍵盤，用作用戶輸入設備。

由上可見，主要PC外圍設備都被集中到了一塊體積比較小的主板上，這其中包括：CPU、內存、總線控制器、標準串行通信口、標準并行通信口、標準IDE磁盤驅動器接口、標準VGA驅動芯片、液晶顯示接口、鼠標/鍵盤接口、Watchdog監(jiān)控芯片。用一塊主板加上電源、顯示和存儲設備，組成了一套功能強大，結構緊湊的工業(yè)級的PC。

4.2系統校時模塊

數據采集單元的時間是通過GPS標準模塊輸出的同步時間信號校定，GPS模塊通過RS-232接口與數據采集單元通信，從電能表采集到的電能數據加上時間信息，存儲到電子盤中，然后上傳給主站帶時標的電能數據。

4.3系統GPRS模塊

GPRS是一種移動數據通信業(yè)務，在用戶和數據網絡之間提供一種連接，給用戶提供端到端的、廣域的無線IP連接。電能量采集系統采集完的數據通過GPRS網絡上傳給主站計算機，主站端的GPRS的Modem接收發(fā)送過來的數據。

如圖2所示電能量數據采集部分的硬件結構圖。

4.4數據采集單元的軟件設計

嵌入式Linux系統是以核心為基礎的、完全內存保護、支持多任務多進程，支持廣泛硬件，包括X86、ARM、NEC、MOTOROLA等現有大部分芯片，且價格低廉，開發(fā)資料豐富，可定制內核。Linux程序源碼全部公開，包括系統內核，任何人可以修改并在(GNU General Public License)下發(fā)行，這樣開發(fā)人員可以對操作系統進行定制和修改。

根據開發(fā)的嵌入式電能數據采集系統所完成的功能，軟件設計分為5個模塊：上行通信、下行通信、核心處理、用戶接口、系統服務。電能量采集系統的設備驅動以模塊化方式被動態(tài)的擴展到Linux內核中，驅動模塊包括對時鐘芯片、串口控制器、液晶顯示器以及外圍設備的驅動，同時還包括對PC104自帶的標準網絡口、標準RS-232串行口及標準104鍵盤接口等的驅動,Linux系統在安裝時就自動完成了對PC104標準設備的驅動，采集終端所需要的擴展串口板等外圍設備的驅動納入到Linux內核中。

系統軟件總體結構如圖3所示。

5 結論

針對計算機技術和數據采集技術發(fā)展現狀，研究并開發(fā)出一個新型的基于嵌入式網絡技術的電能量采集系統，該系統以高速發(fā)展的嵌入式網絡技術為核心進行設計，把無線互連技術和嵌入式Linux結合起來，可以真正為用戶提供一個無線互連平臺，使得采集完的電能數據通過無線網絡準確無誤的上傳給主站系統，利用采集系統中GPS模塊的授時可保證采集電能數據時間的確定性。

現開發(fā)出這一基于嵌入式Linux操作系統的新型電能量采集系統具有很好的實時性、可靠性和可擴展性，性能價格比高，能夠滿足電力市場對電能采集和傳輸可靠性高、速度快、維護方便、穩(wěn)定性及擴展性的需求。