基于嵌入式Linux電網(wǎng)集抄系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)

邱麗莉

文章編號(hào)： 2095-2163（2018）03-0154-04中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

摘要： 關(guān)鍵詞： reading system based on embedded Linux

（Experimental Center， Zhengzhou University of Science and Technology， Zhengzhou 450064， China）

Abstract： With the rapid development of information technology in the new era， the grid collection system has become a hot technical issue in the industry system of supply and sale. According to the design of intelligent power supply and sale of electricity in the core of the data concentrator in the system， based on embedded Linux operating system， the artificial leakage copy， wrong copy could be solved，which is beneficial to evaluate power loss for power management department， and promotes to maximize energy efficiency greatly. The research provides the convenient and efficient collecting means for the supply and sale of electricity industry.

Key words：

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期： 引言

隨著新時(shí)代信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)集抄系統(tǒng)成為供用、售電行業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)性熱點(diǎn)問(wèn)題。高科技信息技術(shù)為供用、售電行業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障。信息技術(shù)集抄系統(tǒng)將不再單純依靠某一種通訊方式和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將逐漸向信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的綜合化方向發(fā)展，從而保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性和精準(zhǔn)性。供用、售電行業(yè)單位為了提供有力的數(shù)據(jù)依據(jù)更好地服務(wù)經(jīng)營(yíng)決策，供用、售電部門數(shù)據(jù)的信息化集抄和自動(dòng)化運(yùn)作采用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)將勢(shì)在必行[1]。嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心，軟硬件可篩減，適用于對(duì)效能、成本、可靠性、能耗要求嚴(yán)格的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) [2]。目前，嵌入式Linux系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究已成為該領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)操作中的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1構(gòu)建交叉編譯環(huán)境

交叉編譯環(huán)境是由編譯器、解釋器庫(kù)和連接器等組成的研發(fā)環(huán)境。環(huán)境的構(gòu)建需要很多的系統(tǒng)模塊一起工作。例如，目標(biāo)板為AT91SAM9261研發(fā)板，宿主機(jī)為L(zhǎng)inux系統(tǒng)Ubuntu 10.04。

1.2引導(dǎo)加載程序

引導(dǎo)加載程序（BootLoader）是啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng)之后運(yùn)行的首段代碼。在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，引導(dǎo)加載程序負(fù)責(zé)存儲(chǔ)空間的映射、硬件的初始化以及整個(gè)操作系統(tǒng)的加載。

BootLoader最終的作用就是用來(lái)加載內(nèi)核{(lán)3]。BootLoader的啟動(dòng)過(guò)程分為State1和State2這2個(gè)階段，BootLoader的啟動(dòng)過(guò)程如圖1所示。

當(dāng)前主流嵌入式引導(dǎo)加載程序包括：VlVl、U—Boot、RedBoot和ARMBoot。每種BootLoader都有自身優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)依照硬件的具體配置進(jìn)行移植以實(shí)現(xiàn)各自的功能，所采用的BootLoader是VlVI。

1.3Linux內(nèi)核

嵌入式Linux操作系統(tǒng)與專用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，幾乎所有流行的CPU均能夠正常運(yùn)行。Linux的移植可以分為板級(jí)移植和片級(jí)移植。由于該系統(tǒng)采用的Linux2.6.30版本的內(nèi)核中己經(jīng)包含AT91SAM9261處理器的移植包，所以移植過(guò)程比較簡(jiǎn)單。在移植過(guò)程中，首先配置Linux內(nèi)核，配置完成后進(jìn)行編譯，生成Linux映像文件zlmage，然后通過(guò)SAM_BA軟件或Uboot下的tftp命令將該文件下載并執(zhí)行[4]。移植流程如圖2所示。

2數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器在系統(tǒng)中起著極其關(guān)鍵作用。集中器可支持服務(wù)器、客戶端2種通訊模式，并且采用模塊化設(shè)計(jì)，可通過(guò)更換通信模塊直接改變通信方式。集中器原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)集中器在整個(gè)自動(dòng)集抄系統(tǒng)中起到一個(gè)橋梁的作用，是整個(gè)自動(dòng)集抄系統(tǒng)的核心單元，主要功能就是要進(jìn)行年、月、日數(shù)據(jù)的抄送或根據(jù)系統(tǒng)要求接收某個(gè)電表或某組電表的數(shù)據(jù)；另外，對(duì)電能表的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及異常情況的主動(dòng)輸送，將單元用戶（每月1日零點(diǎn)）凍結(jié)電能數(shù)據(jù)。

2.1集中器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集中器由AT91SAM9261微處理器、GPRS通信模塊GTM900C、鍵盤控制模塊、LCD顯示模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、SDRAM模塊和USB接口模塊等組成。由于AT91SAM9261速度比較快，操作LCD時(shí)還需加軟延時(shí)。微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，實(shí)時(shí)地采集和處理電表的數(shù)據(jù)，同時(shí)接收并執(zhí)行管理中心的操作指令。集中器硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2集中器硬件設(shè)計(jì)

2.2.1集中器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

集中器硬件設(shè)計(jì)要求從根本上保證系統(tǒng)穩(wěn)定、精確、可靠。載波集中器系統(tǒng)由2部分構(gòu)成：主CPU和載波部分。具有強(qiáng)弱電隔離、電源凈化的作用。集中器的管理容量：某個(gè)轄區(qū)內(nèi)用戶電表的實(shí)際數(shù)據(jù)與該轄區(qū)變壓器的容量相關(guān)。因?yàn)榧衅魇前惭b在變壓器下的，管理著整個(gè)轄區(qū)的用戶電表。

濕度范圍：RH10%～85%

一次抄表成功率=抄表成功的次數(shù)/應(yīng)抄表的總次數(shù)×100%

2.2.2主處理器AT91SAM9261

AT91SAM9261是以ARM926EJ-S ARM Thumb 處理器為核心部位的完全的片上系統(tǒng)，擴(kuò)展了DSP 指令集和Jazelle Java 加速器。主時(shí)鐘頻率為190MHz 時(shí)性能高達(dá)210 MIPS。AT91SAM9261 是一個(gè)為攜帶LCD 顯示應(yīng)用而優(yōu)化的主機(jī)處理器[5]。AT91SAM9261 還包括JTAG-ICE，專用的UART 調(diào)試通道（DBGU）和嵌入式實(shí)時(shí)追蹤。

2.2.3電力載波模塊

集中器與采集器是利用內(nèi)部的載波Modem模塊，主要完成該系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)傳輸。利用電網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)信息，Modem模塊由載波芯片SC1128、前級(jí)放大模塊、前端濾波模塊、輸出功率放大模塊和電源電路組成。電力載波通信結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2.4GPRS模塊

因?yàn)樵撓到y(tǒng)設(shè)計(jì)是覆蓋各種有無(wú)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的地區(qū)，所以增加了GPRS傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)方式。GPRS即通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)，是在GSM上發(fā)展起來(lái)分組交換的新型的資料承載和傳輸方式[6]。本系統(tǒng)采用華為的GTM900C模塊含有完整TCP/IP協(xié)議，GTM900C模塊功能非常強(qiáng)大。GPSR通信模塊示意如圖6所示。

2.2.5TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

（1）協(xié)議分析

TCP/IP協(xié)議即為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，也稱為網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。因此嵌入式系統(tǒng)接入Internet最終必須通過(guò)TCP/IP鏈接。 TCP/IP一般情況下是由鏈路、網(wǎng)絡(luò)、傳輸、應(yīng)用4層協(xié)議組成。

（2）接口設(shè)計(jì)

臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制，在一塊芯片上集成了一個(gè)16KB的SDRAM存儲(chǔ)器和RTL8019內(nèi)核。其兼容NE2000 8bit和RTL8019控制軟件的傳輸，支持PNP、BNC、AUI和UTP自動(dòng)檢測(cè)模式，支持外接FLASH模塊讀寫操作，支持I/O口地址的完全解碼，具有LED模塊指示功能。

2.3集中器軟件設(shè)計(jì)

2.3.1基于AT91SAM9261嵌入式系統(tǒng)軟件的建立

（1）ncurses庫(kù)（ubuntu默認(rèn)是未安裝的）

編譯內(nèi)核時(shí)make menuconfig動(dòng)態(tài)配置內(nèi)核時(shí)需要curses庫(kù)。

終端下輸入命令：

$ sudo apt-get install build-essential

$ wget http：//ftp.gnu.org/pub/gnu/ncurses/ncurses-5.6.tar.gz

$ tar zxvf ncurses-5.6.tar.gz

$ cd ncurses-5.6

$ ./configure—prefix=/usr/local

$ make

$ sudo make install

進(jìn)入內(nèi)核代碼根目錄

$ cd /usr/src/linux-headers-2.6.32-21

如果沒(méi)有找到該目錄，可以在/usr/src 下找到內(nèi)核代碼根目錄

$ makemenuconfig

正常出現(xiàn)菜單則ok

（2）arm-linux-gcc（使用linux系統(tǒng)）

終端下輸入命令：

$ wget http：//arm9download.cncncn.com/linux/arm-linux-gcc-4.3.2.tgz

$ sudo tar zxvf arm-linux-gcc-4.4.3.tar.gz -C /

添加環(huán)境變量

$ gedit ～/.profile

末行添加 export PATH=$PATH：/usr/local/arm/4.3.2/bin

更新環(huán)境變量

$ source ～/.profile

取消～/.profile文件中剛添加的內(nèi)容，否則系統(tǒng)重新啟動(dòng)都需添加

$ gedit ～/.profile

關(guān)閉。

進(jìn)入根目錄

$ cd /

$ arm-linux-gcc -v

安裝成功則會(huì)顯示 arm-linux-gcc 的版本信息等

（3）內(nèi)核配置

linux-2.6.30.tar.bz2

2.6.30-at91-exp.3.tar.gz

2.6.30-at91.patch.gz

at91sam9261ek_defconfig

zcat 2.6.30-at91.patch.gz | patch -p1

tar xvzf 2.6.30-at91-exp.3.tar.gz

for p in 2.6.30-at91-exp.3/*； do patch -p1 < $p ； done

cp at91sam9261ek_defconfig .config

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabi- xconfig

編譯完成后執(zhí)行

cd /opt/linux/kernel/linux-2.6.30/arch/arm/boot

2.3.2通訊程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

（1）TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議稱為網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，即為傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議[7]。因此嵌入式系統(tǒng)接入Internet最終必須通過(guò)TCP/IP鏈接。TCP負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)傳輸問(wèn)題，有問(wèn)題則發(fā)出信號(hào)，要求重新傳輸，直到所有的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳送到目的地。

TCP狀態(tài)的變遷過(guò)程如圖7所示。

（2）實(shí)現(xiàn)RTL8019AS驅(qū)動(dòng)程序

①RTL8019AS停止運(yùn)行，設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器16位，復(fù)位RTL8019AS，選中頁(yè)0寄存器。

②遠(yuǎn)程DMA計(jì)數(shù)器及中斷寄存器清零，啟用自動(dòng)校驗(yàn)和CRC自動(dòng)生成。

③初始化組播物理地址，選擇頁(yè)0寄存器，設(shè)置當(dāng)前的CURR，啟動(dòng)RTL8019AS執(zhí)行。（3） GPRS通訊軟件設(shè)計(jì)

GPRS是在GSM上發(fā)展起來(lái)分組交換的新型的資料承載和傳輸方式，即通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)[8]。本系統(tǒng)采用華為的GTM900C模塊，該模塊含有完整TCP/IP協(xié)議。由AT命令或嵌入式應(yīng)用進(jìn)行訪問(wèn)其TCP/IP協(xié)議棧。同時(shí)為了確保智能集抄的順利完成，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須采取Linux多任務(wù)執(zhí)行方式。

3結(jié)束語(yǔ)

基于嵌入式Linux的電網(wǎng)集抄系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自動(dòng)電網(wǎng)集抄系統(tǒng)中的核心設(shè)備數(shù)據(jù)集中器的調(diào)試運(yùn)行。根據(jù)集抄系統(tǒng)的需求進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)該系統(tǒng)的軟、硬件方面進(jìn)行了詳盡設(shè)計(jì)。還遵循規(guī)約設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層程序。極大地提高了電力行業(yè)管理人員或集抄人員工作效率，給供用、售電行業(yè)和廣大用戶帶來(lái)巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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