電力監控系統是為配合變電站實現無人值守而增設的電網輔助監控系統. 它的作用是將變電站的設備運行情況、主變壓器、斷路器、隔離刀閘等的運行狀態實時圖像、防火防盜等智能設備報警信息傳輸到監控中心,監控人員可通過實時圖像和運動信息對變電站的運行情況進行綜合分析、處理.

1 　系統總體結構

    應用嵌入式技術設計的變電站監控系統,提高了變電站運行和維護的安全性和可靠性,逐步實現電網的可視化監控和調度,使電網調控運行更為安全、可靠.

1. 1 　監控前端

    系統前端由現場控制器、攝像頭和傳感器組成.現場控制器。設計一塊基于小巧的控制板,采用三星公司的S3C2410 處理器,系統特性如下(1)203 MHz 的ARM920 T 內核; (2) 8 個內存bank , 每個ba nk 可尋址128M 內存; (3) 支持從NANDFlash 啟動; (4) 3 個UART 接口,一個IIC 接口,兩個SPI 接口; ( 5) 24 個外部中斷,117 個CP IO;(6) 集成實時時鐘, PWM 輸出; (7) 多模式管理電源和時鐘,可軟件切換處理器工作頻率; ( 8) 兩個USB Host 接口. 在處理器豐富資源的基礎上,還進行了相關的配置和擴展, 平臺配置64M NANDFlash 和64M SDRAM. 通過以太網控制器芯片CS890O 擴展了一個網口, 另外引出了一個USBHost 接口.

攝像頭選用的是具有USB 接口的外置攝像頭,該攝像頭的配套芯片是OV511 系列的,OV511 是一個專用的數字攝像IC 到USB 的接口芯片,內含數字攝像IC 接口、DRAM 接口、實時圖像壓縮引擎、USB 接口、I2C 接口、FIFO 等功能,用于將攝取的數字視頻圖像直接通過USB 接口送入開發板進行處理.

    傳感器是將紅外傳感器、煙霧傳感器等集成到上面,連接到現場控制器. 能夠實時監控現場外來人員入侵、儀表過熱及其它突發事件.

1. 2 　通訊網絡

    建立變電站內部專用局域網,通過以太網接口和網絡上的其他用戶互連,攝像頭連接到控制板的USB 接口上,負責數據的采集功能,并通過局域網提供給網絡客戶進行訪問. 每個網絡攝像頭提供唯一的IP ,方便用戶對不同的網絡攝像頭進行監控.

1. 3 　監控中心

    主要由圖像監控中心服務器、圖像存儲系統、監控客戶終端等組成,完成現場圖像接收,用戶登錄管理,優先權的分配,控制信號的協調,圖像的實時監控,錄像的存儲、檢索、回放、備份、恢復等.

2 　系統硬件設計

2. 1 　硬件總體設計

    本系統硬件開發采用基于ARM 的PC/ 104 嵌入式模塊, PC/ 104 是一種專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線,IEEE 協會將它定義為IEEE -P996. 1 , 實質上就是一種緊湊型的IEEE - P996(IEEE - P996 是ISA 工業總線規范) .

    硬件系統由ARM 核心板和外圍功能擴展板組成,均采用PC/ 104模塊,體積小巧,又因為外圍模塊獨立于ARM 處理器模塊,可以擴展更多功能。

    S3C2410 的芯片結構如圖2所示通用的ARM處理器都在片內集成了豐富的外設控制器,ARM 處理器在訪問外圍設備時, 并不需要對外設進行橋接,對外設的訪問都是采用實地址模式. 所有的外設都是連接在AMBA 總線上, 根據地址在系統空間中的分配,通過內部集成了存儲器控制器(Memory Cont roller ) 進行訪問、控制. 基于ARM的嵌入式系統中并沒有非常龐大的架構,只是簡單的實現結構.

     視頻采集模塊采用網眼V3000 攝像頭, USB控制器為OV511 , Linux 操作系統支持該驅動模塊,通過USB Host 模塊與S3C2410 芯片鏈接.紅外傳感器模塊采用熱釋電紅外傳感器,通過I/ O Port 端口模塊與S3C2410 芯片鏈接. 報警電路采用雙探測元熱釋電紅外傳感器,其結構示意圖如圖3 所示. 該傳感器將兩個特性相同的熱釋電晶體逆向串聯,用來防止其他紅外光引起傳感器誤動作.另外,當環境溫度改變時,兩個晶體的參數會同時發生變化,這樣可以相互抵消,避免出現檢測誤差. 該傳感器使用時, D 端接電源正極, G端接電源負極,S 端為信號輸出.

    煙霧火警探測模塊由兩部分組成:檢測發射部分和接受控制部分. 采用nRF401 單片射頻收發器,達到了無線傳輸的目的,能迅速的發出報警信號,方便及時的控制火情檢測發射端和接收控制端選用了目前市場上已經成熟的高性能芯片,其外圍電路結構簡單,實現容易,可靠性強系統由三大芯片互相配合構成,檢測裝置采用了Motorol a 公司生產的具有聲光報警電路的MC14468 芯片, 能實現多點并行檢測,配合外圍電路可構成多點煙霧報警系統. 無線收發器采用美國Nordic 公司最新推出的基于無線通信的nRF401 型單片射頻收發器. 它采用了無線通信和F SK(頻移鍵控) 調制解調技術,工作頻率穩定且抗干擾能力強,不需要對數據進行編碼,外圍電路簡單,使用方便. 由于采用低發射功率和高接收靈敏度的設計方案,因此不受無線電管理條例的限制,無須辦理許可證. nRF401 的引入是本系統的突出特點之一, 它極大的提高了系統的實時性,這對安全系統是相當重要的.

2. 2 　基于ARM 處理器的PC/ 104 計算機體系結構

    嵌入式設備都是根據具體應用而設計,具備高度可裁減性等特點,因此很難給各種嵌入式設備的體系結構進行準確的定義. 但是針對實際研發的計算機,根據所采用的ARM 處理器和實際應用需求,還是可以對其體系結構進行標準定義. 如圖4 所示,是基于ARM 處理器的PC/ 104嵌入式計算機的系統結構框圖.

2. 3 　PC/ 104 總線設計

    在電路設計上, CPL D 采用了XIL INX 的XC95144XL. ARM 的數據、地址總線,以及讀寫等需要使用的控制信號全部連接到CPLD 上, 作為ARM 處理器訪問CPLD 的信號線. 并將CPLD 的部分IO 引出,通過BUFFER 后,全部連接到PC/104 的總線接口上. 這樣, ARM 處理器直接訪問CPLD ,CPLD 則根據信號線上的變化完成相應的PC/ 104 總線上的操作.

對于接口設計來說,最主要的就是時序設計. 時序設計正確了, 系統就能正確地工作. 同,CPLD的標準輸入輸出為L VT TL 電平,輸入電平則可以兼容與T TL 電平, 因此雖然LD 可以直接與TTL 電平的總線相連, 但是可能因為一些電氣特性、信號完整性方面的問題導致系統的可靠性下降,所以使用了BUF FER 來進行兩個電平間的轉換,確保系統的穩定性和可靠性.

ARM 和PC/ 104 的接口如圖5 所示.

3 　系統軟件設計

3. 1 　嵌入式操作系統設計

    本系統采用的軟件系統為嵌入式Linux 操作系統. Linux 操作系統開放源代碼,可裁減, 無版稅. 經過多年的發展系統非常穩定,開發技術比較成熟. 嵌入式Linux 有以下優點:

(1) Linux 的是可以定制和可裁減的. Linux 系統從設計開始就考慮到了系統的定制性和裁減性.不僅Linux 內核可以裁減,而且文件系統也是可以裁減的.

(2) Linux 是開發源代碼的,任何都可以獲得其源代碼并加以修改. 這對嵌入式開發來說是很必要的.

(3) Linux 本身支持包括X86 、ARM 等在內的多種硬件平臺.

(4) 系統小巧. 一個功能完備的Linux 內核要求大約1 MB 內存.

(5) 強大的網絡功能. Linux 幾乎支持所有的網絡協議和網絡設備.

     一個嵌入式Linux 系統只需要下面三個基本元素:引導程序、Linux 微內核(由存管理、進程管理和事務處理構成) 和初始化進程. 要實現最低<