嵌入式計算機在電力設備監測中的應用分析

彭志均

摘要：電力事業不斷發展過程中，越來越高要求電力系統長期運行的安全性，為能有效預防發生災難性事故，有必要監測電力線路及電力設備的狀態，并進行故障診斷。基于此，本文分析了電力設備監測中嵌入式計算機的應用，旨在為實際電力設備監測工作提供參考。

關鍵詞：嵌入式計算機；電力設備監測；應用

前言：

現階段，電力部門任務中最重要的一項即為狀態監測及設備檢修新技術的開發及應用，這主要是由兩方面因素決定，一方面，安全性是電氣設備運行中必須要保障的，一旦意外故障發生，可能會造成大面積停電，產生巨大的經濟損失，而應用狀態監測技術后，可對電氣設備的運行狀況做出有效的監測，防止意外停機事件發生；另一方面，各項科學技術的發展使電氣設備狀態監測能夠有效的開展。近年來，電力系統對電力設備監測的要求不斷升高，此種背景下，有必要應用嵌入式計算機技術，以能滿足其要求，保證電力系統平穩運行。

1嵌入式計算機硬件系統設計

本文構建的對象為ARM9嵌入式計算機系統，主板核心處理器選擇AT91RM9200處理器，其處理能力非常強，ARM920T-ARM Thumb處理器集成在其內部，屬于典型的RISC處理器，180MHz工作頻率下，可得到高達200MIPS的運行速度。AT91RM9200處理器內帶的數據Cache 16K、指令Cache 16K、SRAM 16K、ROM及寫緩沖區128KB。AT91RM9200處理器集成的外設數量眾多，使數字化電力安全監控儀器的需求得到充分的滿足。基于上述處理器，設計主板硬件時，主要進行以下幾個模塊的設計。

2.1電源設計

根據需求，主板共需要4組電源，電壓分別為+12V、+5V、+3.3V、+1.8V，為使結構盡量簡化，主板供電選擇+12V直流電源，剩余的在主板上集成。利用逐次降壓方法，獲得多路電源，促進電源效率的提高。首先，利用集成開關電源芯片LM2576-5.0，降低+12V電壓，變為+5V，為外圍設備、USB提供電源，隨后，通過低壓差LDO電源芯片LT1764-3V3，降到+3.3V，為整個系統工作提供電源，最后，再利用TPS76718QD，降低至+1.8V，使CPU獲得工作電源。

2.2內存SDRAM模塊

SRDAM控制器集成在AT91RM9200內部，SDRAM控制器為將芯片存儲能力提高，通常采取將接口提供給16位或32位SDRAM的方法，字節、半字及字均可以對其做出訪問。結合電力設備監測需求，SDRAM采用16×16Mbit的（三星公司生產），共2片，使內存達到64Mbytes。設計SDRAM內存過程中，由于內存會將數據與CPU直接高速交換，因此，其數據線、控制線及地址線要直接的連接CPU，使內存工作優先獲得穩定性保障。

2.3 NorFlash模塊

必要存儲信息、啟動系統程序時的引導信息均需要固化在嵌入式計算機主板上，由此一來，CPU通電后，能夠執行的ARM向量才可以被找到，實現順利的啟動主板。嵌入式計算機系統屬于典型的狀況下，boot.bin（11K）、uboot.gz（通常50K以下）、Linux的kernel及Ramdisk（前者1000K以內、后者6000K以內）均要固化在其主板上，存儲固化系統信息時，采取NorFlash-MT28F128J3RG（Micron公司），為16Mbytes，由此一來，每次通電后，可執行秩序會由CPU自動找到，并向內存中搬移NorFlash上固化的程序代碼，解壓運行[1]。

2.4 USB模塊

在主機應用中，USB主機端口用于連接USB設備。跟集線器集成在USB主機端口，且收發器集成在下游端口，半雙工高速穿行通信端口提供幾個，最多時，打印機、照相機等USB可連接127個，USB集線器連接USB主機可通過“分層星型”布局實現。在AT91RM9200中，USB2.0 Host共有2個，其中一個為主口，用于采集數據、交換數據，也負責采集USB攝像頭的圖像數據。

2.5 RS-232串行通信模塊

通信工業及PC機中，串行接口應用最廣泛的即為RS-232串行接口。本文設計嵌入式計算機系統時，串口擴展4個，且DBUG調試口擴展1個，DBUG調試口主要是連接PC機的超級終端，并將系統信息輸出，系統調試經此口進行。需要注意，這些串口使用過程中，初始化必須在啟動Linux內核時進行，注冊后方可使用，因此修改串口配置選項要結合實際工作開展。

2.6 10/100M網卡模塊

10/100Base-T型以太網卡接口已經集成在AT91RM9200內部，同時，FIFO（28字節）、專用于發送、接收DMA數據的通道也集成在其中。在此基礎上，將DM9161E芯片（10/100M）增加其中，外擴出一片物理層，實現10/100M網絡通信的自適應[2]。設計與制作硬件時，增加的芯片無論是數字電源，或是模擬電源，均要開展濾波隔離，而其濾波隔離均利用電感、電容實現。網絡通信傳輸數據過程中，通過高速差分信號，所以要優先考慮TX+、TX-、RX+、RX-差分信號的走線，并嚴格匹配其上的50Ω電阻，保證通信質量符合要求。

2.7 LCD/VGA接口模塊

嵌入式計算機主板中，以SID13806芯片作為顯示控制芯片，其具備功耗低、成本少的優點，在各種CPU、LCD/VGA接口中廣泛的應用。AT91RM9200顯示控制SID13806時，利用命令控制字，因顯存并不存在于該芯片內部，要通過外擴實現。啟動SID13806時，對LCD/VGA顯示支持，但不支持同時顯示，因此，設計過程中，為解決該問題，采用J24跳線。

2電磁兼容性分析

電力設備監測結果會對整個電力系統運行安全與否產生極大的影響，因此必須要保證監測儀器安全、穩定的運行。在監護儀器中，決定其穩定性及安全性的即為嵌入式計算機主板，所以必須要分析其電磁兼容性，保證主板長期穩定運行。

首先，要消除阻抗反射。消除策略一般有兩種，一種為并行端接，是指將上拉阻抗或下拉阻抗加在與負載端盡量靠近的位置；另一種為串聯終端匹配，即傳輸線特征阻抗高于信號源端阻抗時，將電阻R串聯在二者之間，實現二者阻抗相匹配，避免信號從負載端反射后反射再次發生。其次，減小串擾。根據規則中的允許最大距離，增加兩條傳輸線的距離；目標阻抗設計過程中，傳輸線要盡可能緊密的耦合地平面，使鄰近信號線產生的干擾減少；網格嚴格要求情況下，可采用差分線技術設計系統；相鄰層傳輸線存在的耦合情況相對嚴重時，要正交走線；信號間走線平行時，長度要盡量最小；合理布局，避免擁擠布線[3]。最后，元件合理布局。高頻元器件連接時，連線盡量縮短，其分布參數、互相之間存在的電磁干擾要設法減少；布設所有電路元器件過程中，各功能電路單元需以電路流程為依據嚴格布置其位置，防止信號受阻，并使信號方向盡可能的一致。

結論：

電力設備監測系統中應用嵌入式計算機時，要十分注重其硬件設計及電磁兼容性，以能保證系統有效的監測電力設備的運行情況，及時的發現故障情況，避免意外故障的發生，保證電力設備及整個電力系統平穩的運行。

參考文獻：

[1]張宏釗，黃榮輝，姚森敬，等.對嵌入式系統的電力設備紫外監測系統設計的分析[J].電子設計工程，2016，24（11）：112-114.

[2]王海峰.基于嵌入式技術的大型電氣監控系統設計與實現[J].電氣應用，2015，34（03）：64-67.

[3]肜瑤，湯亞廣，王威鋒.基于嵌入式系統的電力設備紫外監測系統設計[J].傳感器世界，2014，20（10）：21-25.