對嵌入式系統(tǒng)的電力設(shè)備紫外監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的分析

張宏釗，黃榮輝，姚森敬，向 陽，段生鵬（.深圳供電局有限公司 廣東 深圳 5800；.深圳市同步銀星電氣有限公司 廣東 深圳　5800）

對嵌入式系統(tǒng)的電力設(shè)備紫外監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的分析

張宏釗1，黃榮輝1，姚森敬1，向 陽2，段生鵬2
（1.深圳供電局有限公司 廣東 深圳 518001；2.深圳市同步銀星電氣有限公司 廣東 深圳518010）

若要將電力設(shè)備的檢測效率提高，就需要采用建立在紫外內(nèi)窺檢測技術(shù)和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上的先進(jìn)檢測方式。本文給出了相應(yīng)的電力設(shè)備紫外監(jiān)測系統(tǒng)，它在構(gòu)造上主要分為部分，即GPRS模塊、嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)與紫外探頭。經(jīng)由紫外傳感器對紫外線進(jìn)行檢測來了解電力設(shè)備的放電情況，且在對電力設(shè)備紫外放電進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測當(dāng)中運(yùn)用了視頻內(nèi)窺技術(shù)，大幅提升了實際檢測的效果，在檢測中得到的有關(guān)數(shù)據(jù)可以經(jīng)由系統(tǒng)之中的GPRS模塊通信網(wǎng)絡(luò)直接傳遞給研究者進(jìn)行分析。

監(jiān)測系統(tǒng)；電力設(shè)備；紫外放電；嵌入式系統(tǒng)

電力系統(tǒng)是屬于一個綜合的系統(tǒng)，在它的里面含有許多輸、配、傳、送、用電設(shè)備共同工作，這些設(shè)備是否能夠正常發(fā)揮出作用，對于整個系統(tǒng)的運(yùn)行來講具有很大的影響，同時也影響著供電的效果，隨著電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化程度的不斷提高，以及電力使用者要求的提高，電力系統(tǒng)對其運(yùn)行穩(wěn)定性等各項性能的要求也變得更加嚴(yán)格。若要確保電力設(shè)備能夠正常運(yùn)行就必須要做好檢修這項工作，通過檢修能提高設(shè)備的工作年限，以及降低其在工作中的損耗率，并能使電力公司的實際收入得到較大的提高。

在這一設(shè)計里面綜合應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)與圖像分析技術(shù)、紫外檢測技術(shù)。主要考慮了高壓電力設(shè)備局部放電的全過程監(jiān)測情況，例如高壓電纜、高壓開關(guān)設(shè)備等，把各項技術(shù)綜合在一起進(jìn)行運(yùn)用。在嵌入式平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種非常適用于高壓電力設(shè)備的先進(jìn)的紫外內(nèi)窺系統(tǒng)。通過所設(shè)計出的這一系統(tǒng)能夠很好地處理電力系統(tǒng)中監(jiān)測的不足。這一系統(tǒng)的操作不復(fù)雜，且運(yùn)行十分可靠。而且還可以很形象地了解到電力設(shè)備里面的放電變化情況。

1　電力設(shè)備在線監(jiān)測設(shè)計方案

1.1總體方案設(shè)計

該方案整體來看有四項內(nèi)容，即無線 GPRS模塊、紫外內(nèi)窺探頭、電力設(shè)備、嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)。在下圖 1中顯示的就是該在線監(jiān)測系統(tǒng)的全部構(gòu)造。1.2紫外內(nèi)窺系統(tǒng)組成和運(yùn)行

圖1　紫外內(nèi)窺在線監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

在紫外內(nèi)窺系統(tǒng)之中一共含有3個部分，即無線GPRS模塊、紫外內(nèi)窺探頭、采用LPC2138技術(shù)的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)。

在電力設(shè)備里面出現(xiàn)不均勻放電時，其放電的產(chǎn)生的紫外光能夠被檢測出，，能夠?qū)⑵湓谀骋恢付〞r間范圍內(nèi)的紫外光子數(shù)值計算出來。如果在某一時間范圍里檢測到的紫外光子數(shù)值超過了事前給出的數(shù)值時，則這一應(yīng)用系統(tǒng)就會經(jīng)由無線 GPRS模塊向后臺智能分析平臺發(fā)出報警信號，操作人員再根據(jù)相關(guān)的信息對此電力設(shè)備采取適合的檢修辦法。

2　在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

嵌入式處理器是設(shè)計嵌入式系統(tǒng)硬件的一個十分關(guān)鍵的設(shè)備，在本設(shè)計中所確定的為LPC2138。設(shè)計中用到的嵌入式計算機(jī)主板是新研制的［2］。下面是這一嵌入式計算機(jī)主板的工作參數(shù)情況：

VGA接口與LCD接口各1個，180 MHz的CPU工作頻率，90 MHz的總線速度，USB2.0 Client接口1個，RS-232串口1個等。其中，在進(jìn)行這一主板的設(shè)計時采取了分塊設(shè)計的方式。在系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分是核心板，為了能夠使系統(tǒng)的功能更加完善又增加了擴(kuò)展板。采取這樣的設(shè)計有很多的益處，它可以使核心板的操作變得更加簡捷，且能使系統(tǒng)的檢測以及查找出現(xiàn)故障的位置會更加的容易。見圖2。

圖2　系統(tǒng)硬件工作圖

2.1紫外傳感器驅(qū)動電路

通常將這一電路的工作電壓確定在300～350 V范圍內(nèi)，因為這樣才能夠保證外傳感的運(yùn)行不受到影響。本設(shè)計中采用DC/DC高壓直流模塊。經(jīng)由改動輸入電阻的數(shù)值能夠把輸出電壓確定在 300～350 V的范圍內(nèi)。在紫外線沒有出現(xiàn)時，傳感器是處于不放電的狀態(tài)。當(dāng)LED燈是關(guān)閉時，就會有紫外線產(chǎn)生，這時傳感器是處于放電的狀態(tài)，通過充電電容C給出電流，當(dāng)LED燈開啟時，對這個脈沖光子數(shù)值做出處理，就能夠得到理想的傳出光子數(shù)值波形。在放電電容 C的工作能力減弱時，陽極電位也開始下降，在下降到比放電維持電壓還要小的情況下，放電就會停止，在這時，電容 C就開始接受外部電源的傳來的電流，陽極電位也會逐漸的增加，在上升到超過規(guī)定電壓后，如果紫外線被紫外傳感器收集到了，就會有二次放電。見圖 3。

2.2收集USB攝像頭的視頻圖像

1）USB攝像頭驅(qū)動的移植

在收集視頻圖像的過程中，一定要借助于設(shè)備驅(qū)動。文中在確定驅(qū)動時，為了提高應(yīng)用效果，采用了在 Linux系統(tǒng)平臺上移植當(dāng)下最先進(jìn)的USB攝像頭驅(qū)動Spca5xx。下面對其工作過程進(jìn)行介紹。

圖3　紫外傳感器的驅(qū)動電路

①將補(bǔ)丁安裝在它的內(nèi)核上，把usb.2.4.31.patch.gz復(fù)制到相關(guān)的程序中，然后按照系統(tǒng)的要求進(jìn)行操作。

②對Linux內(nèi)核進(jìn)行重新的調(diào)整，將module配置在這一內(nèi)核之中，以使該內(nèi)核的性能得到改善。

③對Linux內(nèi)核進(jìn)行再次編譯，在確定好USB攝像頭的驅(qū)動后，將驅(qū)動安裝在操作系統(tǒng)里面，把 spca5xx.0加進(jìn)運(yùn)行的腳本里面。這樣在將Linux系統(tǒng)打開的時候就會有USB攝像頭驅(qū)動在進(jìn)行工作，在確定好USB攝像頭之后，即能夠收集視頻圖像了。

2）收集USB攝像頭的視頻圖像

在Linux系統(tǒng)里面一般都是通過write等系統(tǒng)的工作來實現(xiàn)對文件的操作，為了確保這些系統(tǒng)能正常工作，需要在驅(qū)動中對一些函數(shù)在相關(guān)空間里相互轉(zhuǎn)換，可是在圖像數(shù)據(jù)的數(shù)量很多的情況下，采取這種轉(zhuǎn)換的方法所花的時間會比較多，所以，通常都是采取內(nèi)存映射的方法來進(jìn)行處理。先是獲取一定的核態(tài)內(nèi)存空間，把所收集到的圖像數(shù)據(jù)在此空間里暫存；之后選擇相關(guān)的函數(shù)將它們?nèi)坑成涞接脩魬B(tài)內(nèi)存空間里，選擇相關(guān)的函數(shù)將這一空間里的圖像處理，如此一來就使得支出大幅減少，提高了內(nèi)存的使用率。所有相關(guān)的程序可以像查看一般內(nèi)存那樣對文件進(jìn)行查看。查看當(dāng)中無須再使用文件操作函數(shù)。因為采取該方式具有上面提到的好處，因此在實際操作上采用了內(nèi)存映射的方式。收集的過程含有以下兩個部分：

①視頻設(shè)備初始化。

②收集視頻的信息。通過frame來進(jìn)行收集，在做好了全部的收集后，開始處理得到的有關(guān)數(shù)據(jù)：先是要查看有關(guān)的程序是否處于空閑狀態(tài)，若是處于空閑狀態(tài)則采取壓縮算法來處理得到的有關(guān)數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)在相關(guān)的文件中做好保存，在進(jìn)行此項操作當(dāng)中一定要采取互斥操作的辦法，并注意選擇適合的程序信息。

3　開發(fā)電力設(shè)備紫外內(nèi)窺系統(tǒng)的軟件

3.1嵌入式系統(tǒng)軟件流程開發(fā)

所開發(fā)的電力設(shè)備紫外內(nèi)窺系統(tǒng)的里面一般都是多線程。數(shù)據(jù)采集線程的工作是負(fù)責(zé)進(jìn)行有關(guān)信息的收集，主線程的工作是針對圖形界面使用者接口的。在收集工作完成后，主線程就會收到任務(wù)完成的提醒。然后系統(tǒng)把某一時間范圍里收集到的紫外光子數(shù)值和事前給出的安全紫外光子數(shù)值進(jìn)行對比。若發(fā)現(xiàn)前者的光子數(shù)值大，則會把得出的結(jié)果傳至操作者的手機(jī)上，操作者就可根據(jù)得到的信息來對該電力設(shè)備做出相應(yīng)的檢修。在檢修中通過嵌入式計算機(jī)所給出的圖像信息能夠了解到電力設(shè)備里面的情況，便于將問題的位置及時找出來。

圖4為實際操作的流程。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

3.2嵌入式軟件設(shè)計方案

在嵌入式系統(tǒng)的軟件之中主要含有以下幾項內(nèi)容，即應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核和驅(qū)動、啟動代碼、文件系統(tǒng)與圖形界面等。本系統(tǒng)采取的圖形界面是目前最為先進(jìn)的Qtopia，所用的內(nèi)核是Linux。在這個系統(tǒng)開始工作的時候，最先執(zhí)行的是boot loader程序，然后運(yùn)行Linux內(nèi)核，并實現(xiàn)與U盤的掛接，這樣就可進(jìn)入嵌入式 Qtopia的使用者界面了。因為Qtopia之中的程序需要較大的空間來容納，如果將其始終留在Flash里面，會不利于系統(tǒng)工作。若被使用者不小心在操作當(dāng)中損壞，系統(tǒng)將不易再恢復(fù)。所以本設(shè)計中將該文件系統(tǒng)程序保留在U盤里面。

4　系統(tǒng)測試結(jié)果

在經(jīng)由核驗軟件的編程設(shè)置，以及檢測硬件的有關(guān)鏈接，可使系統(tǒng)里面的LCD能夠直觀的顯示電力設(shè)備之中的放電情況。如果放電引發(fā)的紫外線超出事先所給的值時，就可能產(chǎn)生一系列的反應(yīng)。這時系統(tǒng)會給適合的處理，指揮紫外檢測系統(tǒng)對電力設(shè)備里面的圖像信息進(jìn)行整理，對里面的放電情況進(jìn)行全過程的監(jiān)測，且經(jīng)由無線 GPRS將結(jié)果在最短時間內(nèi)傳到操作者的手機(jī)上。

5　結(jié)束語

文中對遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)計做了全面的闡述，這項設(shè)計建立在嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，且在對電力設(shè)備進(jìn)行檢測管理中采用了紫外監(jiān)測系統(tǒng)。之后介紹了紫外監(jiān)測系統(tǒng)在實際工作中的各個步驟。設(shè)計分軟件與硬件兩個方面，前者主要闡述了建立在電力設(shè)備紫外內(nèi)窺系統(tǒng)基礎(chǔ)上的軟件設(shè)計方案與嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計步驟圖，后者主要闡述了建立在嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)上的硬件設(shè)計，還有收集USB攝像頭的一些圖像與紫外傳感器驅(qū)動電路。

［1］何為，陳濤，劉曉明，等.基于紫外脈沖法的非接觸式低值（零值）絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30 （10）:69-70.

［2］蘇東.主流ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)與實例精解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］徐光毅，張曉林，崔迎煒.Qt/Embedded在嵌入式 Linux系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004，25（12）: 14-17.

［4］陳濤 ，何為 ，劉曉明，等.高壓輸電線路在線檢測系統(tǒng) ［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（7）:88-90.

［5］汪金剛，何為，李青文，等.基于紫外脈沖檢測的非接觸式特商壓驗電儀［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2008，23（5）:138-140.

［6］王滔，于潔.Linux系統(tǒng)下 USB攝像頭驅(qū)動開發(fā)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004，35（11）:8-10.

For electrical equipment uv monitoring system design of the embedded system analysis

ZHANG Hong-zhao1，HUANG Rong-hui1，YAO Sen-jing1，XIANG Yang2，DUAN Sheng-peng2
（1.Shenzhen Power Supply Co.，Ltd，Shenzhen 518001，China；2.Simul＆amp;Silver Star Electric Co.，Ltd.Shenzhen 518010，China）

if electrical equipment is to be the detection efficiency，you need to use based on ultraviolet endoscopic detection technology and embedded computer system on the basis of advanced detection means.This paper presents the corresponding uv monitoring system of power equipment，and it mainly on structure is divided into sections，namely，GPRS module，embedded computer system with uv detector.Through ultraviolet sensors to detect ultraviolet light to understand the status of discharge power equipment，and in for remote monitoring of power equipment ultraviolet discharge using video endoscopic technology，improved the actual test results，in the detection of the relevant data can be passed directly through the system of GPRS module communication network for researchers were analyzed.

monitoring system；Electric power equipment；Ultraviolet discharge，An embedded system

TP

A

1674－6236（2016）11-0112-03

2015-06-15稿件編號：201506147

張宏釗（1987—），男，河北衡水人，助理工程師。研究方向：設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與評價。