智能電網設備網絡通信性能的便攜式測試裝置研究

江星華 周立中 何鋒

摘 要：智能電網以優良的性能服務于國民生產，主要依靠接入電力系統設備間的網絡通信。便攜式電力設備的網絡通信性能測試對于智能電網的運行具有重要意義。以嵌入式處理器為核心，提出了一種智能電網設備網絡通信性能的便攜式測試裝置的設計方法，對所涉及的硬件設計方法、軟件設計方法進行了詳細分析，結果表明文中提出的設計方法不僅實現了通信、顯示、控制一體化，還具有較好的人機接口。

關鍵詞：智能電網;嵌入式處理器;WinCE操作系統;通信;便攜式測試裝置;人機接口

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-02

0 引 言

智能電網通過電力設備和測量技術實現電網的可靠、安全、經濟、高效使用與電能資源的高度智能化調度[1-2]。由于智能電網的運行需要接入電力系統的設備間進行信息共享，因此接入電力系統的設備需要具備良好的網絡通信性能。在變電站對接入電力系統的電力設備網絡進行性能測試是變電站運行過程中必須面對的問題。

針對電力設備網絡性能的測試問題，目前許多專家和學者做了諸多研究工作。早期的性能測試方法主要建立在操作人員通過電話進行交流測試的基礎上，在網絡通信信息大幅增長的發展現狀下，這種人工測試方法無法滿足測試需求。文獻[3]通過LabVIEW軟件構建了自動測試系統，文獻[4]通過計算機建立了基于計算機的報文分析系統。上述兩種測試方法需要建立在計算機基礎上，在使用過程中無法實現便攜式移動。文獻[5]給出了基于FPGA的報文分析設計方法，文獻[6-7]給出了基于單片機的電力系統接入設備的網絡通信性能測試方法。基于FPGA和單片機的設計方法雖然可以將測試設備設計成便攜式，但這兩種設計方法在實現過程中，網絡通信、顯示數據、命令發送所對應的軟件設計和硬件設計過程較為復雜，所建立的人機接口亦復雜，且操作不便。

集成電路制造技術的發展，使得片上系統得到快速推廣。基于ARM公司生產的擁有ARM內核的嵌入式處理器具有豐富的片內外設資源，可為便攜式系統的設計提供優質的硬件平臺。同時，嵌入式實時操作系統在嵌入式處理器上的應用，使得軟件移植極為方便，極大地簡化了應用系統程序開發的復雜性，提高了系統設計的效率。基于操作系統的嵌入式處理器為智能電網中的電力網絡設備自動化性能測試裝置的設計提供了新的思路。本文基于嵌入式處理器的硬件資源，以及嵌入式實時操作系統的優點，設計了一種智能電網設備網絡通信性能的便攜式測試裝置。

1 硬件設計方案

所建立的系統主要包括嵌入式CPU、網絡接口模塊、觸摸屏、電源變換模塊等。

嵌入式CPU采用韓國三星公司設計的精簡指令集—嵌入式處理器S3C2440，系統時鐘設置為400 MHz。片上資源如下。

（1）1.2 V內核供電，1.8 V/2.5 V/3.3 V儲存器供電，3.3 V外部I/O供電。

（2）具備16 KB指令緩存和16 KB數據緩存。

（3）LCD 控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT），提供1通道LCD專用DMA。

（4）觸摸屏接口。

（5）130個通用I/O口。

（6）具有PLL片上時鐘發生器。

網絡接口模塊的核心為DM9000芯片。該芯片是一個集成的以太網MAC控制器，網路接口模塊的具體設計如圖1所示。外部網絡設備通過網線，借助RJ 45接口建立網絡連接。HR1102是網絡通信隔離器，在通信過程中，對處理器進行保護。DM9000的工作受S3C2440的控制，其8位數據總線可直接與S3C2440的GPIO端口相連。

系統采用電阻觸摸屏，該觸摸屏是系統輸入和輸出的人機接口。電阻觸摸屏含有觸摸輸入功能和LCD顯示功能，觸摸功能主要通過檢測LCD屏電阻薄膜上兩種導電層是否接觸來判斷觸摸位置。觸摸功能對應的信號線與S3C2440的內置觸摸屏控制接口信號線連接。LCD的功能通過S3C2440的內置LCD控制接口實現。在硬件設計過程中，相應的數據線和控制線需要對應連接。

電源變換模塊的主要功能是提供系統工作所需的電壓，具體設計如圖2所示。為了實現系統所需電源的輸出，采用二次變換設計，首先通過220 V轉5 V電壓模塊將輸入的市電轉換成5 V直流電壓，然后分別采用電源變換芯片AMS1117-3.3，AMS1117-2.5，AMS1117-1.2轉換成系統所需的3.3 V，2.5 V，1.2 V電壓信號。

2 軟件設計方案

在上述所設計的硬件平臺基礎上，軟件開發使用嵌入式操作系統WinCE 6.0實現。WinCE 6.0是微軟公司開發的窗口嵌入式實時操作系統，具有如下特點：

（1）提供豐富的驅動程序，方便地完成嵌入式系統應用程序的開發;

（2）采用IDE集成開發環境進行程序開發，方便配置嵌入式系統;

（3）具有強大的網絡通信接口，方便與其他設備完成網絡通信程序的編寫;

（4）與Windows操作系統具有較好的兼容性，為開發人員提供便利;

（5）所編寫的程序基于窗口操作，方便操作人員操作;

（6）用戶界面的圖形化設計較為方便，具有良好的人機接口。

軟件功能主要通過按鈕和對話框的設計模式實現。通過觸摸屏點擊按鈕和對話框，可以實現相應的控制信息設置和發送命令設置。接收到的信息通過對話框顯示，使操作人員方便分析所接入設備的網絡通信性能。

所設計軟件的具體功能如下。

（1）系統初始化。主要完成嵌入式處理器S3C2440外設資源以及外部資源的配置，包括存儲空間的分配、觸摸屏的初始化、中斷設置、所用變量的初始化。