基于ARM的通信電源參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 剛，蕭展輝

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

ARM處理器是面向大眾的微型處理器，價(jià)格優(yōu)惠，功能完善。其內(nèi)部是32位指令，比傳統(tǒng)的處理器16位指令要多出一倍，在保證同等級(jí)32位指令的優(yōu)勢下，降低了價(jià)格，是現(xiàn)如今用途最廣泛的處理器。因此，本文將基于ARM設(shè)計(jì)通信電源參數(shù)采集系統(tǒng)[1]。相對(duì)比SD處理器，ARM處理器的成本更低，并可以滿足通信電源參數(shù)采集系統(tǒng)的各項(xiàng)要求，屬于低功耗、低成本、高效率以及高可靠性的采集設(shè)備。通過ARM技術(shù)采集通信電源參數(shù)，必能使參數(shù)采集效率提高，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行水平。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 無線通信傳感器

本文設(shè)計(jì)的無線通信傳感器是參數(shù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，利用溫度測量計(jì)測量通信電源溫度信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換器將所得的溫度信息進(jìn)行處理、校準(zhǔn)，并將最后所得數(shù)據(jù)送至無線傳感器中，再將信息數(shù)據(jù)通過無線通信的方式送回通信電源中，完成一次循環(huán)。其他信息參數(shù)也如上所述，最終通信電源終端會(huì)得到溫度、電壓、電流以及精度等多個(gè)參數(shù)信息。在外形上，本文設(shè)計(jì)了較為小巧的尺寸，大小為7.5 mm×5 mm×2.5 mm。

本文認(rèn)為，無線通信傳感器濕度傳輸范圍應(yīng)該在0～100%，分辨率為0.005% RH，采集精度為±0.3% RH，測量范圍越廣，參數(shù)采集越準(zhǔn)確。溫度上傳感器可傳輸?shù)姆秶鸀?50～+136.7 ℃，并且分辨率為0.000 1 ℃，采集精度為±0.04 ℃[2]。此外，本文設(shè)計(jì)中的無線通信傳感器的采集核心在于采集精度，參數(shù)采集準(zhǔn)確度越高，系統(tǒng)運(yùn)行效果越好。

1.2 STMF控制芯片

在設(shè)計(jì)無線通信傳感器后，參數(shù)采集系統(tǒng)有了基本構(gòu)架，因此進(jìn)一步設(shè)計(jì)STMF控制芯片。本文STMF控制芯片設(shè)計(jì)中，以Control-M2內(nèi)核電路為主體，此內(nèi)核電路滿足高性能和低能耗的特點(diǎn)，在同類產(chǎn)品中極具競爭力。STMF控制芯片的設(shè)計(jì)將會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)行能力，能夠帶動(dòng)多個(gè)通信電源設(shè)備的同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)核電路短路或斷路時(shí)，STMF控制芯片會(huì)對(duì)當(dāng)前事件進(jìn)行判斷，以最快速的方式處理電路[3]。此外，STMF控制芯片內(nèi)部還設(shè)計(jì)了電壓和電流監(jiān)測模塊，內(nèi)嵌入振蕩器，可以支持睡眠、停機(jī)以及待機(jī)3種工作狀態(tài)[4]。外部設(shè)計(jì)了定時(shí)器、SDI、USA、ADC等多個(gè)接口，在參數(shù)采集過程中持續(xù)監(jiān)測，最大程度地保證了系統(tǒng)的安全。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 建立參數(shù)同步采集模塊

本文軟件設(shè)計(jì)上首先建立了參數(shù)同步采集模塊，通過硬件設(shè)計(jì)中的無線通信傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行同步采集，同時(shí)讀取并行接口的采集參數(shù)，并通過ARM處理器處理參數(shù)。由于ARM處理器的工作速度更快，因此采集頻率不會(huì)受到限制，ARM處理器也不會(huì)出現(xiàn)讀取不到參數(shù)的失誤[5]。

本文中參數(shù)采集模塊思路比較簡單，在特定采集頻率信號(hào)下，同步采集多路傳感器的信號(hào)，達(dá)到采集參數(shù)的設(shè)定值時(shí)暫停采集。此外，參數(shù)采集后，通過控制芯片中的任意接口直接發(fā)送到無線通信傳感器，或者利用ARM處理器對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理和分析后發(fā)送到通信電源中，等通信電源接收參數(shù)信息后中斷采集，開始新一輪的參數(shù)采集。

2.2 制定參數(shù)采集流程

在實(shí)際參數(shù)采集中，采集點(diǎn)數(shù)往往設(shè)置成2的冪函數(shù)，采集點(diǎn)數(shù)通常設(shè)置為1024或2048。在本次采集模塊設(shè)計(jì)中，參數(shù)采集點(diǎn)數(shù)默認(rèn)為2048，相應(yīng)的采集頻率也會(huì)作出設(shè)置。具體來說，參數(shù)采集主程序需要初始化無線通信傳感器與控制芯片，設(shè)置參數(shù)采集范圍和中斷采集方式等[6]。利用ARM處理器，開始參數(shù)采集，當(dāng)ARM自動(dòng)處理參數(shù)時(shí)即為轉(zhuǎn)換完成，此時(shí)中斷采集，完成參數(shù)采集，進(jìn)入?yún)?shù)處理模塊，判斷當(dāng)前采集點(diǎn)數(shù)是否與設(shè)定值相同，若相同則采集完成，不相同則根據(jù)上述采集模式重新采集，直到采集計(jì)數(shù)達(dá)到采集設(shè)定值。

2.3 基于ARM設(shè)計(jì)通信電源參數(shù)存儲(chǔ)格式

通信電源參數(shù)采集系統(tǒng)的常規(guī)SD處理器較為煩瑣，且不容易操作，成本也較高，因此存儲(chǔ)內(nèi)容也較少。ARM處理器摒棄以上缺點(diǎn)，融入到通信電源參數(shù)采集系統(tǒng)中后，設(shè)計(jì)了模擬電壓和電流的轉(zhuǎn)換，并通過ARM技術(shù)處理內(nèi)部軟件，將參數(shù)集中采集處理后實(shí)現(xiàn)參數(shù)采集的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)格式采用模板的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，保密性幾乎等于零。一般意義上來講，越復(fù)雜的存儲(chǔ)格式保密性越強(qiáng)[7]。本文設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)格式則相反，利用簡單無規(guī)則的存儲(chǔ)模式，設(shè)計(jì)的初衷就是利用簡單卻難編譯的代碼設(shè)置存儲(chǔ)格式。為了方便破譯采集參數(shù)，本文對(duì)存儲(chǔ)參數(shù)作出標(biāo)記，并且針對(duì)每一輪參數(shù)采集過程都加入初始代碼，用于區(qū)分真實(shí)參數(shù)。

2.4 配置NFS網(wǎng)絡(luò)采集服務(wù)

在配置NFS網(wǎng)絡(luò)采集服務(wù)時(shí)，編輯參數(shù)文件，并添加參數(shù)共享目錄。在此目錄中會(huì)以網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化的形式采集多通信電源參數(shù)，避免線下采集的冗雜性。隨后開啟NFS網(wǎng)絡(luò)采集服務(wù)，NFS中具有防火墻的防病毒軟件，在網(wǎng)絡(luò)采集服務(wù)中至關(guān)重要，采集參數(shù)之初就會(huì)打開防火墻，避免電腦病毒中斷采集流程[8-10]。當(dāng)共享目錄設(shè)置好并成功啟動(dòng)NFS后，共享目錄會(huì)自動(dòng)成為ARM的參數(shù)采集系統(tǒng)，在后臺(tái)使用時(shí)，無論是睡眠、停機(jī)還是待機(jī)狀態(tài)都可以在后臺(tái)進(jìn)行參數(shù)采集，并且本文還設(shè)計(jì)了超大的網(wǎng)絡(luò)采集空間，避免出現(xiàn)因?yàn)榉磸?fù)采集而燒毀程序的現(xiàn)象。最后，打開網(wǎng)絡(luò)采集軟件中的LOCKED命令和安全管家的設(shè)置界面，選擇DISABL，永久打開防火墻，使參數(shù)采集過程不會(huì)出現(xiàn)干擾。

3 系統(tǒng)測試

本次系統(tǒng)測試目的在于監(jiān)測本文設(shè)計(jì)的參數(shù)采集系統(tǒng)采集信號(hào)范圍，并將在系統(tǒng)界面以采集信號(hào)的幅值、頻率以及時(shí)間等方面展現(xiàn)出來，驗(yàn)證本系統(tǒng)的通用性。

3.1 測試準(zhǔn)備

測試程序界面打開后，設(shè)置連接類型、地址以及端口，并以客戶端為目的IP，根據(jù)設(shè)置向系統(tǒng)發(fā)出連接請(qǐng)求，以十六進(jìn)制的0×5566為起始命令，以0×5588為結(jié)束命令，完成數(shù)據(jù)命令發(fā)送后，啟動(dòng)參數(shù)采集。具體參數(shù)采集結(jié)果如圖1所示。

圖1 參數(shù)采集結(jié)果

如圖1所示，通過查看參數(shù)采集文件，觀察到參數(shù)文件以0×1234開始，以0×2233為結(jié)尾的規(guī)律命令。從采集到的參數(shù)文件上看，系統(tǒng)通信正確，可以正常采集參數(shù)。

3.2 測試結(jié)果

以上硬件軟件運(yùn)行正常后，開始測試本文設(shè)計(jì)的通信電源參數(shù)采集系統(tǒng)界面的幅值、時(shí)間以及采集頻率最大最小值等信息。在相同條件下，測試本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)采集信號(hào)幅值范圍，具體測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于ARM的通信電源參數(shù)采集系統(tǒng)界面

如圖2所示，本文設(shè)計(jì)方法采集的參數(shù)信息也較為準(zhǔn)確，符合本文設(shè)計(jì)的要求，極具推廣價(jià)值。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)SD參數(shù)采集系統(tǒng)的采集信號(hào)覆蓋范圍小，因此采集精度低，其中的軟硬件設(shè)備均不能達(dá)到通信電源的要求，因此亟待作出改革。隨著ARM的普及，通信電源參數(shù)采集系統(tǒng)有了新的研究方向，本文基于ARM的通信電源參數(shù)采集系統(tǒng)中，以無線通信傳感器與控制芯片為基礎(chǔ)，完成溫度和濕度等外部環(huán)境采集。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)可以達(dá)成超大內(nèi)存、采集信號(hào)覆蓋面廣以及采集精度高等功能，在通信電源的采集過程可以擁有更加精準(zhǔn)的參數(shù)信息。