基于ARM 與FPGA 的電力電源一體化監(jiān)控裝置

賀淵明，王振華，吳雙惠

（許繼電氣股份有限公司 技術(shù)中心，河南 許昌461000）

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，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立的系統(tǒng)，而是作為一個整體進行集中監(jiān)控與管理[1]，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監(jiān)控站內(nèi)各設(shè)備，還可通過IEC61850 規(guī)約與變電站后臺設(shè)備連接，實現(xiàn)對一體化電源系統(tǒng)的集中、統(tǒng)一、遠程監(jiān)控維護管理[2]。 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)場運行情況復(fù)雜性的需求，本文提出了一種基于ARM 和FPGA 的設(shè)計架構(gòu)，該方案可根據(jù)現(xiàn)場的不同情況，靈活配置通信端口和開入開出節(jié)點。

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 碼對時，1 路USB2.0，2 路10/100M RJ-45 端口。 裝置通過各485 總線和CAN 總線采集下游裝置信息，匯總后通過RJ-45 上傳后臺監(jiān)控主站， 裝置也可以對采集的數(shù)據(jù)進行保護運算處理，根據(jù)合適的判據(jù)進行相應(yīng)的動作。 總體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，本系統(tǒng)的難點在于靈活多變的多功能模塊的統(tǒng)一實現(xiàn)。

圖1 本裝置在系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖Fig. 1 Application schematic of this device in the system

2 主芯片及接口方案設(shè)計

圖2 電力電源一體化監(jiān)控裝置總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of the electric power monitoring device

裝置所用的主處理器為TI 公司基于ARM Cortex-A8 的芯 片AM3359，F(xiàn)PGA 采 用XILINX 的Spartan-3 系 列 芯 片XC3S250E。主處理器AM3359 采用了德州儀器新一代ARM CortexTM-A8 架構(gòu)，內(nèi)置有：高達720 MHz 的ARM Cortex-A8 32 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，兩個可編程實時單位子系統(tǒng)PRUSS，RTC，兩個具有集成PHY 的USB 2.0 高速OTG 端口，2 個支持10/100/1000 的工業(yè)用千兆以太網(wǎng)MAC，2 個控制器局域網(wǎng)端口 (CAN)，6 個UART，2 個McASP，2 個McSPI，和3 個I2C 端口，一個12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，3 個增強型高分辨率PWM 模塊，其功能框圖如圖3 所示。

圖3 AM3359 功能框圖Fig. 3 Structure diagram of AM3359

接口芯片采用的FPGA 是XILINX 公司的Spartan-3E系列芯片XC3S250E。 Spartan-3E 現(xiàn)場可編程門陣列家族是為滿足對成本敏感的大量應(yīng)用需求而特別設(shè)計的， 是取代掩膜編程ASIC 的最佳選擇。 FPGA 避免了高昂的初始成本，過長的開發(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)場進行設(shè)計升級，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)計專門的數(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)[3-4]，ARM 芯片的GPMC 標準總共有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。 相對于其他幾種模式，地址/數(shù)據(jù)復(fù)用方式的優(yōu)點在于用相對較少的信號線實現(xiàn)較大帶寬的數(shù)據(jù)吞吐量和較快的響應(yīng)時間。

圖4 CPU 與FPGA 互聯(lián)的并行總線方式示意圖Fig. 4 Communication link between CPU and FPGA

對于Cortex-A8 來說，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引出以外，再將相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址復(fù)用信號GPMC_AD[15:0]引至FPGA 芯片即可。Cortex-A8 就可以正常按照GPMC 模式來訪問FPGA 芯片。

3 各模塊實現(xiàn)方案

本方案中各功能模塊較多， 包括常見的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100M 以太網(wǎng)外擴4 路RJ-45。其中，RvMII 模式需要注意是，所有的收發(fā)信號線是對接的，與常用的GMII，RMII， RGMII 等不同。 具體連接方式如圖5 所示。

圖5 與ARM 互聯(lián)的RvMII 模式Fig. 5 RvMII mode of ethernet switch

觸摸屏驅(qū)動部分：由于本裝置的應(yīng)用場合為電力自動化領(lǐng)域，為了應(yīng)對國標GB/T17626 的各實驗規(guī)范，裝置的各接口部分需要進行特殊的保護處理， 特別是觸摸屏部分的靜電放電實驗。

由于電阻式觸摸屏的驅(qū)動原理是AD 轉(zhuǎn)換[5-6]，因此，觸摸屏驅(qū)動電路的保護就可以分為兩個方面， 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。 詳細的方案設(shè)計如圖6 所示。

圖6 觸摸屏驅(qū)動及靜電防護方案Fig. 6 Circuit of touch screen driver and electrostatic protection

4 結(jié)束語

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，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和傳輸，同時，利用FPGA 在邏輯控制和接口靈活性方面的特點，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、開入開出和液晶控制等功能。 整個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)控項目的需要。

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