基于 ARM11 的电厂无线数据采集与控制系

精品论文基于 ARM11 的电厂无线数据采集与控制系统硬件设计与实现王源，沈炯，刘西陲5（东南大学 能源与环境学院, 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096） 摘要：基于 ARM11 的电厂数据采集与控制系统将嵌入式技术及计算机通信技术运用到电厂 的生产过程中，有效的提高了电厂运行管理的信息化水平，提高了生产效率，大大降低了操 作员劳动强度，对中小型电厂的设计改造具有一定的指导意义。本文首先介绍了嵌入式系统10的概况，并分析了系统的总体设计和各部分的具体设计方法。 关键词：嵌入式系统；ARM11；通信协议；数据采集 中图分类号：TK3The Design and Realization of Power Plant Wireless Data15Acquisition and Control System Based on ARM11WANG Yuan, SHEN Jiong, LIU Xichui(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School ofEnergy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096)Abstract: Based on ARM11, embeded technology and computer communication technology have20been used in the production process of power plant by the data acquisition and control system. The system improves effectively the informationization level of power plant operation management, improves the production efficiency, reduces the operator labor intensity strongly, and has a guiding significance to the design and transformation of small and medium power plant. This paper first introduces the general situation of the embedded system, and analyzes the design of the25whole system and the specific design method of each part.Key words: Embeded system; ARM11; communication protocol; Data Acquisition0引言近些年来电力行业的发展突飞猛进，各电力企业之间的竞争也日趋激烈，电厂大容量、30大机组化趋势明显1。同时，国内以及国际社会对节能减排、低碳经济等愈发关注。以上这 些都迫切要求电厂提高生产运行效率，提高自动化水平，建设安全可靠的数据信息采集及控 制系统。我国早期建立的电厂受技术水平的制约，大多采用模拟指示仪表和控制仪表。直到 21世纪的现在，仍有部分中小型电厂，由于资金等原因，无法采用 DCS 取代模拟仪表，其产生35的直接影响是运行效率的低下，信息采集不准确、不及时，工作人员劳动时间及强度增大。 还有一些电厂由于地理位置的原因，例如供热管道距离主控室较远，并不适合直接接入信号 线。由此可见，如果能够研究出一种成本低廉、自动化程度高、安全可靠的电厂无线数据采 集与控制系统，可以有效的提高电厂经济效益，具有一定的市场前景。所谓数据采集，是指将生产过程中的各种参量，如温度、压力、电流、电压、流量等模基金项目：高等学校博士学科点专项基金(20090092110051); 国家自然科学基金(11190015, 51076027,51036002, 51106024)作者简介：王源(1989), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为能源系统仿真、优化与先进控制通信联系人：沈 炯(1957), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事热力系统建模及先进控制理论在热工过程中 的应用研究. E-mail: shenj- 9 -40拟量信号检测采集到以后，转换为数字信号，送往计算机进行分析处理的过程2。嵌入式计 算机也是计算机的一种，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它将先进的计算机 技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合，具有相当的发展潜力。1系统的功能需求45数据采集与控制系统在生产过程中实时的采集模拟量、数字量等信息，在嵌入式系统（下 位机）中进行处理、储存，并可以通过无线网络与上位机进行通讯。其核心功能包括：1）提供多路的模拟量及开关量信号接口，采集需要的电气信号，采样周期可调。同时实 时监测各继电器的状态，保证执行机构的正确动作，在出现故障情况时能准确迅速地找明原 因。502）提供多路的开关量信号输出接口，在接受到上位机指令或者下位机自身需要时，控制 执行器动作。3）就地加密保存至少一个月的现场数据及报警信息。实时数据保存在系统内存中，定期 处理，未处理的数据及报警在 SD 卡临时目录下备份。所有现场采集数据及报警信息加密后 保存在 SD 卡中至少一个月并设置有独立的密码。除了数据及报警信息之外，系统日志亦加55密保存，保留至少一个月。4）可以定期向上位机传送实时数据及报警信息，传送周期可配置。传送时同时接收上位 机指令，对数据进行一定的修改处理或控制执行机构完成一定的功能。5）提供一个人机交互的接口，就地显示实时、累积的数据信息。在被授权的情况下，可 以为操作人员提供调试窗口以供开发使用。606）至少提供 12 小时的备用电源，下位机断电后可以正常工作，并发出报警；断电后下 位机数据不丢失。2系统的硬件设计方案无线数据采集与控制系统的组成部分主要包括：用于现场数据采集和执行器控制的模块； 用于数据处理和人机交互的嵌入式系统；采集模块与嵌入式系统之间的通信网络；嵌入式计65算机与上位机之间的通讯网络。总体架构如图 1 所示。仪器仪 表数据采集 模块执行器控 制模块下位机Arm11无线通讯 模块存储设备电源上位 机备用电 源显示器人机交互 市电：220/380图 1 系统硬件架构2.1数据采集及控制模块模块采用智能模数转换模块以及继电器模块，最多支持 12 路模拟量信号输入、24 路开70关量输入和 18 路的继电器输出，将传感器采集到的温度、压力等 4-20mA 模拟量信号转换成 数字量信号，继电器模块最高能承受峰值电流 30A，继电器状态亦可作为数字量输出。各类电气 信号传感器 变送器数采及控 制模块嵌入式系 统执行器图 2 模块工作流程系统的数据传输全部采用标准 Modbus-RTU 协议。Modbus 协议是应用于电子控制器上75的一种通用语言，它定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络 进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求， 以及怎样侦测错误并记录。2.2嵌入式系统嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，和通用计算机不同，嵌入式系统的硬80件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的 性能，这样才能在具体应用中更具有竞争力3。2.2.1 嵌入式系统与 PLCPLC 是指可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行 逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/85输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其网络作为工厂企业首选的工业控制装置具有它独特的优点：1）功能齐全：多种控制功能； 输入/输出接口功能；数据存储与处理功能； 通信联网 功能；其他扩展功能。2）应用灵活 ： 标准的积木硬件结构和模块化的软件设计。903）操作维修方便，稳定可靠： PLC 采用电气操作人员习惯的梯形图形式编程与功能助 记符编程；具有完善的监视和诊断功能，其内部工作等状态均有醒目的显示，大多数模件可 以带电插拔。4）模块智能化、通信网络化。 现代的控制产品的设计已经发展到一个追求个性化、差异化设计的阶段，尽管 PLC 拥有95其不可比拟的优点，但是仍无法弥补它的缺陷。常规的 PLC 无法进入本系统的选择范围更多 的就是出于个性化、差异化的原因，如成本控制、特殊功能等。而嵌入式明显的更加贴近个 性化的需求，在成本控制上更加灵活。1001051101151201251301352.2.2 嵌入式系统与工控机系统工业控制计算机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算 机，简称工控机。它是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心，其应用范围已经远远超 出工业过程控制。工控机由计算机基本系统和过程 I/O 系统组成，计算机基本系统由系统总线、主机模板、 存储器板、人机接口板与 CRT、磁盘机、打印机等通用外设组成。本系统之所以选择嵌入式系统而没有使用传统的工业控制计算机，是因为嵌入式相比于 工控机有以下几点优势：1）传统工控机采用 PLC 设计，各厂牌相容性不佳，扩充不易，功能往往因地制宜。而 嵌入式系统一体设计，随插即用，将需要监控点的传感器接上即可。2）工控机各系统需外接 Ethernet 转换模块组，每一个系统一个 IP，对操作人员管理是一 大负担。嵌入式系统单一 IP 对外，稳定性佳，具有 Internet 设备所有标准。3）工控机的安装需由各厂商安装不同的组态软件，整合测试为几天的工程。嵌入式系统 所有接点集中与本机安装便利，软件可以自己一键安装。4）工控机一般不能远程维护，系统费用较高。嵌入式安装后设定 IP 经过 Internet，总部 可以远程监控。5）工控机的建设成本、维护成本和扩容成本都很高。而嵌入式系统就相对来说廉价很多。6）工控机体积比较大，功耗大，移动性差，对环境要求较高。嵌入式系统功耗低、可靠 性高、性价比高，占用空间小，且在网络方面也有很大的优势。2.2.3 嵌入式系统的选择 广义的嵌入式系统包含了全部的带有微处理器的专用系统，如单片机系统和带 OS 的ARM 系统。各类单片机系统在完成较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点，但是由于他们没有操作系统，所以管理硬件和软件的能力有限，在实现复杂的多任务功能时往往困难重 重，甚至无法实现。所以，本系统采用了带有 OS 的 ARM 系统。随着微电子技术的快速发展，ARM 处理器经历了包括 ARM7、ARM9 在内的多个发展历程，而 ARM11 的成熟应用必将为嵌入式的发展带来新的活力，使更高端的产品应用成为 可能6。与 ARM9 的 5 级流水线相比，ARM11 拥有一条具有独立的 load-store 和算术流水的 8 级 流水线，在同样工艺下，ARM11 处理器的性能与 ARM9 相比大约提高了 40%。ARM11 执行 ARMv6 架构的指令，ARMv6 指令包含了针对媒体处理的单指令流多数据流（SIMD）扩展， 采用特殊的设计，以改善视频处理性能。为了能够进行快速浮点运算，ARM11 增加了向量浮 点单元。所有这些结构上的提高，都是 ARM9 处理器不可比拟的。ARM11 为便携式和无线应用，提供了从未有过的高超性能，并且使我们主要关心的成本 和功耗减到最小。ARM11 的微架构保证了系统性能可以从基本的 350-500MHz 范围扩展到最 终的 1GHz 以上。其微架构的高效率表现，允许开发者根据不同的应用来调节时钟频率和电 源电压，从而在性能和功耗之间达到最佳的折衷。例如，一个基于 ARM11 的微架构的处理 器在 1.2V 工作电压下，使用 0.13um 工艺实现，其功率将不会超过 0.4mW/MHz。ARM11 微处理器是一种高性能、低功耗的准 64 位微处理器。对于目前大多数嵌入 式应用，一个真正的 64 位处理器仍然被认为是不必要的，其巨大的功耗和面积让人难以接受。 对此，ARM11 选择了一个折中的方案，以较小的代价，部分实现了一个 64 位微架构。ARM11140145150155160只在处理器整数单位和高速缓存之间，以及在整数单位和协处理器之间实现了 64 位数据总线。这些 64 位数据道路允许处理器在一个时钟周期中同时获取两条指令，还允许在一个时钟 周期执行多个数据读写指令。这使得 ARM11 在执行很多特定序列的代码时能够达到非常高 的性能，特别是那些允许数据搬移与数据处理并行处理的代码序列。S3C6410 是由三星公司推出的一款低功耗、高性价比的 RSIC 处理器，它基于 ARM11 内核（ARM1176JZF-S)，可广泛应用于移动电话和通用处理等领域；S3C6410 为 2.5G 和 3G 通信服务提供了优化的硬件性能，内置强大的硬件加速器：包括运动视频处理、音频处理、2D 加速、显示处理和缩放等；集成了一个 MFC(Multi-Format video Codec)支持 MPEG4/H.263/H.264 编解码和 VC1 的解码，能够提供实时的视频会议以及 NRSC 和 PAL 制式的 TV 输出；除此之外，该处理器内置一个采用最先进技术的 3D 加速器，支持 OpenGL ES 1.1/ 2.0 和 D3DM API， 能实现 4M triangles/s 的 3D 加速；同时，S3C6410 包含了优化的外部存储器 接口，该接口能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。由于以上突出的性能表现，著名的 苹果公司手机 IPHONE 就是基于 S3C6410 处理器。本系统使用的开发板正是基于三星公司最新的 ARM11 处理器 S3C6410，拥有强大的内 部资源和视频处理能力，可稳定运行在 667MHz 主频以上，支持 Mobile DDR 和多种 NAND Flash。开发板上集成了多种高端接口，如复合视频信号、摄像头、USB、SD 卡、液晶屏、 以太网，并配备温度传感器和红外接收头等。这些接口可作为应用参考帮助用户实现高端产 品级设计。图 3 嵌入式系统开发板2.2.4 嵌入式操作系统 嵌入式计算机搭载的操作系统主要有嵌入式 Linux 和 Wince。Linux 本身具备源码开放、内核可裁剪等种种特性，随着嵌入式 Linux 技术的成熟，定制165170175180更加方便，同时支持更多平台。而本系统所选择的 Wince 操作系统在其他方面有着更强的优势。Windows CE 系统是微 软为了应对嵌入式系统的飞速发展以及“后 PC”时代的来临所开发的一个重要产品，它是为 各种嵌入式系统和产品设计的一种压缩的、具有高效的、可升级的、体积小巧、组件化的硬 实时嵌入式操作系统。Wince 的多线程、多任务、全优先的操作系统环境是专门针对资源有限而设计的。这种 模块化设计使嵌入式系统开发者和应用开发者能够定做各种产品，例如家用电器、专门的工 业控制器和嵌入式通信设备。Windows CE 支持各种硬件外围设备及网络系统。 包括键盘、 鼠标、触摸屏、串行端口、以太网连接器、调制解调器、USB 设备、音频设备、并行端口、 打印设备及存储设备等。此外，Windows CE 支持超过 1000 个公共 Microsoft Win32 API 和 几种附加的编程接口，用户可利用他们来开发应用程序。Windows CE 不仅继承了传统的 Windows 图形界面， 并且在 Windows CE 平台上可 以使用 Windows 98/2000/xp 上的编程工具（如 Visual Basic、Visual C+等） 、使用同样的 函数、使用同样的界面风格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就可以在 Windows CE 平台上继续使用。尽管 Windows CE 具有与 Win32 相同的应用编程接口（API） ，而且微软台式机和服 务器操作系统也配备了此类接口，但 Windows CE 的底层操作系统架构和台式机的操作系统完全不同。Windows CE 既支持包括 Win32、MFC、ATL 等在内的台式机应用开发结构， 也支持使用.NET Compact Framework 的管理应用开发，还支持当前实时嵌入式系统设计，提 供操作系统必要之需的实时内核。1851902.3串口通信网络数据采集及控制模块与嵌入式系统间需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。目 前，有多种接口标准可用于串行通信，包括 RS-232、RS-422、RS-423 和 RS-485。本文采用 的 RS-485 串行接口性能优异、结构简单、组网容易，两条传输线通常使用双绞线差分传输， 具有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。另外 RS-485 实现了多点互连，最多 可达 32 台驱动器和 32 台接收器，非常便于多器件的连接4, 5。数据采集系统的网络拓扑采用 485 总线的方式，通过主从的方法进行多机通信。主机为 嵌入式系统开发板，从机为各个模块。每个模块拥有自己固定的地址，由嵌入式系统控制完成网上的每一次通信。各模块通过 RS-485 总线并行采集互不影响，在最后将 RS-485 转换为RS-232 接入开发板中。2.4无线通讯开发板支持的实现无线通讯的方式主要有三种，Wi-Fi, GPRS 以及 3G 技术。1952.4.1 Wi-FiWi-Fi 原先是无线保真的缩写，其英文全称为 wireless fidelity，在无线局域网的范畴是指 “无线相容性认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网的技术，以前通过网 线连接电脑，而现在是通过无线电波来连网；最常见的就是一个无线路由器，那么在这个无 线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用 WIFI 连接方式进行联网。图 4 开发板与 wifi 模块2002052102.4.2 GPRSGPRS 是通用分组无线服务技术的简称，它是 GSM 移动电话用户可用的一种移动数据业 务。GPRS 可说是 GSM 的延续。GPRS 和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包式来传 输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为 便宜。GPRS 的传输速率可提升至 56 甚至 114Kbps。图 5 开发板与 GPRS 模块2.4.3 3G3G 是第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G 服务能够 同时传送声音及数据信息，速率一般在几百 kbps 以上。3G 与 2G 的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地 实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、 电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有的第二代系统的良好兼容性。图 6 开发板与 3G 模块215220225230235WI-FI 与 3G 方式的信号较好，传输速度比较快，在传输大数据量时具有明显的优势，但是相应的费用也较高昂，而且 WI-FI 的网络方式也不适用于所有的场合环境。GPRS 通信方 式比较简单，只需要开通 SIM 卡即可连上移动网络，虽然流量有限但价格低廉。本系统传输 的数据量较小，每一位数据只有几个到十几个字节，因此采用 GPRS 的方式可以较好的满足 通讯需求。基于 GPRS 通讯方式，本系统采用 DTU（Data Transfer Unit）为媒介与上位机进行通讯。 DTU 是专门用于将串口数据转换为 IP 数据或者将 IP 数据转换为串口数据，通过无线通信网 络进行传送的无线终端设备。其优点在于：组网迅速灵活，建设周期短，成本低；网络覆盖 范围广；安全保密性能好；链路支持永远在线、按流量计费用户使用成本低。其核心功能包括：1）内部集成 TCP/IP 协议栈。2）提供串口数据双向转换功能。3）支持自动心跳，保持永久在线。当长时间没有数据通信时，移动网关将断开 DTU 与 中心的连接，心跳包就是 DTU 与数据中心在连接被断开之前发送一个小数据包，以保持连 接不被断开。4）支持参数配置，永久保存。5）支持用户串口参数设置。不同用户设备的串口参数有所不同，DTU 连接用户设备的 串口时，要根据用户设备串口的实际参数对 DTU 端进行相应设置，保证用户设备的正常通 信和可靠数据传输。2.5电源保障系统电源的设计如图 7 所示。5V24V12V15V嵌入式系统阀门模块传感器充电器DC/AC图 7 电源保障正常工作情况下，通过 4 种开关电源为嵌入式系统、模块和传感器供电。 正常情况下通过充电器为蓄电池充电，当系统断电时，蓄电池通过 DC/AC 变换器为母240245250255260线提供电源。充电电路和放电电路各设置一个继电器，充电器设置常开型继电器，放电电路设置常闭 型继电器；系统正常启动时通过控制系统将充电电路合上，放电电路打开；系统失电时充电 电路断开，放电电路接通。3 结束语对于一套完整的数据采集与控制系统，其好坏可以从性价比、系统稳定性、系统可靠性、 系统可操作性、系统可拓展性等几个方面来综合评判。本文所介绍的电厂数据采集系统，基 于嵌入式系统 ARM11，成本较低，量体裁衣，针对性较强，功能设计并不复杂，有利于系统 的安全。通信采用 RS-485 组网的方法，性能优异，组网简单，远距离传输应用中十分可靠， 且每路 485 总线可以支持多个数据采集模块，大大提高了系统的可扩展性。本系统经过初步调试，取得了比较理想的效果，对于中小型电厂的改造升级，不失为一 种经济可行的办法。参考文献 (References)1 曾南，崔敏明，滕叙俊. 电厂数据采集系统J. 电工技术，2001（7）：62-63.2 徐慧，黄文君，江竹轩. 核电站数据采集系统的设计J. 核动力工程，2006，27（4）：93-96.3 王琦，秦娟英，周伟. 用 RS-485 构成总线型多点数据采集系统J. 计算机自动测量与控制，2000，8（6）：45-47.4 何立民. 嵌入式系统的定义与发展历史J. 单片机与嵌入式系统应用，2004，（1）：6-8.5 曾强，罗安，李强. 自备电厂数据采集系统的研制J. 计算技术与自动化，2007，26（1）：26-29.6 梁晋昌，潘盛辉，韩峻峰. 汽车加速度数据采集系统的设计J. 传感器与微系统，2011，30（7）：126-128.