ARM嵌入式系统在GIS在线监测中的应用

引言

　　GIS (gas insulated switchgear) 是输配电和变电领域有着广泛和重要应用的电力设备。GIS的封闭性结构加大了运行维护的难度，其故障隐患更难发现，可能造成的损失会更大。为了能够实时地、准确地了解GIS 运行状态，及时发现和消除故障隐患，对GIS 实行在线监测就显得尤为重要。

　　为了规范电力行业自动化系统发展，国际电工委员会提出IEC61850 标准，它针对变电站自动化系统及智能设备提出了互操作性和稳定性的要求。互操作性是指在两个或两个以上的系统之间可以直接、有效地共用数据和信息。另外，该体系还要求自动化系统在通信功能上具备长期稳定性，可在较长时间内适应通信技术的快速发展。

　　鉴于IEC61850 体系对变电站自动化系统提出的确要求，本文对国内主要几种变电站在线监测系统进行了研究。在现有在线监测系统中，通常采用现场总线CAN (controller area network) 作为系统的主通信方式，装置中多采用16 位单片机为核心。该模式在运行中已显示出局限性，例如CAN 作为主通信方式限制了本系统与其他系统进行深层次的互操作; 其次，芯

片对外接口相对单一，难以保证系统功能的自由配置，局部功能调整往往要影响到整个系统。研究表明，在ARM (advanced RISC machine)上运行的嵌入式操作系统uClinux 实现以太网通信，能够保证GIS在线监测系统的互操作性和在通信功能上的长期稳定性，故将ARM 嵌入式系统引入GIS 在线监测研究领域。

基于ARM 的嵌入式系统

　　ARM 采用先进微控制器总线结构AMBA (advanced microcontroller bus architecture) 的模块化设计，具有综合、快速和高性能价格比的优点 。在ARM 处理器中具备ICE-RT 功能单元，通过它可以在代码的任何部分，甚至于在ROM 中设置断点，这就降低了装置调试难度，为装置的稳定性奠定了基础。

　　在ARM 处理器中，采用32b定长指令和三段流水线指令操作(如图1所示) ，指令执行分为3 个阶段：取指、译码和执行。流水线允许几个操作同时进行，在执行第1条指令期间，第2条指令开始译码，同时第3条指令从存储器中被取出，故取指、译码和执行3部分可以同时进行，这就保证了处理器的高速处理性能。

图1　三段流水线操作

　　微控制器性能的提高，为操作系统的引入奠定了基础。传统的嵌入式系统一般不用操作系统，故操作系统的引入就为嵌入式系统赋予新的内涵，也成为区别于传统嵌入式系统的一个明显特征。嵌入式操作系统将替代传统的由手工编制的监控程序或调度程序，成为重要的基础组件，使程序员只需面向操作系统进行应用程序的开发。嵌入式操作系统正在转变成为ARM 应用软件的基础。

系统在GIS 在线监测上的应用

　　基于ARM嵌入式系统，GIS 在线监测装置的设计主要包括装置的内部框架、硬件配置和软件配置等。基于IEC61850 标准的变电站自动化系统(如图2 所示) 具有一个显著的特点：在自动化系统中，层与层之间都采取以太网通信的方式(基于TCP/IP) ，取代了传统系统中的各种现场总线通信方式(如Lonworks，CAN 以及RS-485 等)。

图2　在线监测系统框图

基于ARM 嵌入式系统的硬件框架

　　采用ARM 嵌入式系统之后，硬件电路原理图(如图3 所示) 按照功能主要分为以下几个模块：

　　1) ARM CPU 模块该部分电路是嵌入式系统的核心，本系统采用AT91M40800，它基于ARM7TDMI 内核，其专门为工业控制而制造，各项指标均能达到工业级别。

　　2) CPLD 扩展电路

　　该电路的主要功能是对CPU 芯片的外围功能进行扩充。对于功能要求比较复杂的电路，一般都采用CPU+CPLD 的模式，采用该模式的原因主要有两个方面：a) CPU 作为系统的核心，无法、也没有必要满足所有用户的具体功能要求，只需给用户以标准的外部总线接口EB I (external bus inteRFace)即可，让用户根据自己的需要进行必要的功能扩展；b) CPLD 用在电路设计中有以下几点优势：可方便地实现地址译码；编程方式简便，可方便地通过软件编程实现各种逻辑器件的功能; 时钟延迟可达纳秒级，特别适合在线监测领域的应用，具有高可靠性。

　　3) 闪存FLASH 模块

　　闪存芯片在系统断电之后，能够永久保存系统进行重新启动所需的原始软件设置和数据。本文选用ATMEL公司生产的AT49BV1614 闪存芯片，该芯片容量为2MB，芯片上存储嵌入式操作系统uClinux 内核、系统启动程序以及用户程序等。

图3　基于ARM 的嵌入式系统原理图

4) 现场总线CAN 接口电路

这部分电路是用于装置内部主板与其他数据采集板之间的通信。CAN 的通讯速度可以高达1Mb/s (距离在40m以内) ；CAN 对通信介质没有苛刻的限制，可以为双绞线、同轴电缆或者光纤等，比