CN107202954A - 基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统 - Google Patents

基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统。所述的系统包括多核嵌入式平台，所述的多核嵌入式平台通过A/D转换模块连接模拟量采集模块，所述的多核嵌入式平台通过GPIO接口连接开关量模块，所述的多核嵌入式平台通过数据通信模块与外界进行交互，所述的模拟量监测模块用于采集断路器机械与电气信号，所述的开关量模块提供GPIO接口，用来实现对开关量信号的监测以及输出继电器控制信号。本发明处理效率高，数据存取方便，同时大大提升了断路器在线监测装置的人机交互能力，完全满足各电压等级的高压断路器在线监测系统装置的需求。

Description

基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统
技术领域：
本发明涉及一种基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，特别是涉及一种基于ARM+FPGA+DSP的多核嵌入式技术用于断路器在线监测系统，属于高压断路器在线监测与故障诊断技术领域。
背景技术：
断路器是电力系统的主要组成部分，它的主要任务是控制和保护，即根据电网的需要控制电力设备的投切。断路器的可靠运行关系到电网的安全性。为了达到断路器安全可靠运行的目的，控制检修的时间成本和损耗，对断路器实施状态检修是很有必要的。状态检修又可以称为在线监测，是对断路器运行状态进行实时在线监测，根据其状态量的长期监测数据指导制定检修计划。
断路器需要监测的状态量的类型有很多，根据IEEE建议的断路器故障监测对象选择原则，最为常见的状态量有：断路器动触头行程、断路器触头及环境温度、分合闸状态、分合闸线圈电流、储能电机电流。其中，断路器动触头行程、分合闸线圈电流、储能电机电流可以通过传感器采集，其数据类型为模拟电压信号，需要经过AD转换后再由FPGA处理，分合闸状态是数字量，直接输入到FPGA上，断路器触头及环境温度可以通过无线温度传感器收集，经过RS232接口直接传送到FPGA上。
现有的断路器在线监测系统多是基于通用PC机的Window内核，一方面是由于较早的ARM芯片不具备支撑大规模数据计算和存储的能力，另一方面是利用了运行Window系统的工控机接口种类多的优势。但是这类的断路器在线监测系统有许多弊端，一是基于Windows内核散热量较大，在酷暑环境下系统本身温度很高，会缩短断路器在线监测系统的使用寿命；二是断路器在线监测系统的硬件体积和重量较大，除了携带不便，对安装工艺的要求也很高，不便于工业化生产；三是现有的断路器在线监测平台兼容性差，系统资源与需求不匹配，需要针对不同断路器在线监测的要求需要添加相应的功能。
随着集成电路的发展，微处理器工艺已经迈入深亚微米的级别，处理器工作频率也迅速上升，高性能的嵌入式微处理器层出不穷。以ARM为处理核心的嵌入式设备具有越来越强大的功能，现有的ARM处理器可以负担大规模数据处理、大容量数据存储、算法分析、视频解码等功能，完全满足了断路器在线监测系统数据处理方面的需要。此外，嵌入式系统功耗和发热量远远低于通用PC机，体积和重量比后者大大缩小，比现有的断路器在线监测系统平台先进很多。
虽然ARM处理器的处理能力强大，但是为了提高断路器在线监测系统的处理速度，方便进行断路器故障诊断，需要开发多核处理器。多核处理器能够集成多个不同功能的处理器核，可以将计算资源、存储资源和GPIO接口资源合理分配到不同处理器核进行使用。就计算资源而言，传统设计是ARM负责所有的数据运算、系统运行和数据存储，而多核处理器可以分配到多个处理器核进行数据运算和多数数据存储，ARM负责系统运行和少量数据存储即可。
发明内容
本发明的目的是针对现有的断路器在线监测系统智能化升级的需求，提供一种基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，三核系统数据处理效率高，数据存取方便，同时大大提升了断路器在线监测装置的人机交互能力，完全满足各电压等级的高压断路器在线监测系统装置的需求。
上述的目的通过以下技术方案实现：
一种基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，包括多核嵌入式平台，所述的多核嵌入式平台通过A/D转换模块连接模拟量采集模块，所述的多核嵌入式平台通过GPIO接口连接开关量模块，所述的多核嵌入式平台通过数据通信模块与外界进行交互，所述的模拟量监测模块用于采集断路器机械与电气信号，所述的开关量模块提供GPIO接口，用来实现对开关量信号的监测以及输出继电器控制信号。
所述的基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，所述的多核嵌入式平台包括以OMAP-L138CPU为核心的ARM+DSP平台，所述的ARM+DSP平台连接FLASH闪存器Ⅱ、动态随机存储器DDR SDRAM，设置有数据通讯接口和LCD接口，并通过数据总线与FPGA通信，FPGA同时连接FLASH闪存器Ⅰ，由此构成了ARM+DSP+FPGA平台。
所述的基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，所述的ARM+DSP+FPGA平台中，ARM实现基于Linux平台的断路器在线监测系统的管理和控制，DSP实现各种断路器状态数据的处理和分析，FPGA实现对各类断路器状态数据进行采集，将不同来源的数据整理融合发送到DSP进行进一步处理。
所述的基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，所述的FPGA与DSP通过数据总线进行通信，通信机制是：在FPGA生成一个先入先出队列(FIFO)，依次读取各AD通道中的数据并放入FIFO中，直到FIFO中存放满预定大小的数据量再上传至DSP；ARM与DSP之间通过Syslink实现数据传输，传输机制是：在动态随机存储器SDRAM中设置共享内存，DSP将处理好的数据编号并发送到共享内存中，ARM再按地址编码读取共享内存中的数据，实现数据交互。
所述的基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，所述的数据通讯接口包括串行接口、USB接口和以太网接口。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的特点在于：
本发明具有三个不同内核架构的处理器：ARM、DSP、FPGA，具有较强的任务处理能力，能够胜任断路器在线监测的数据处理任务。此外，由于DSP分担了部分ARM处理器的计算工作，因此具有系统更高的处理速率和空闲资源，满足运行断路器故障诊断算法的条件。
附图说明
图1基于ARM+DSP+FPGA的多核嵌入式断路器在线监测系统的原理框图。
图2基于ARM+DSP+FPGA的多核嵌入式系统硬件连接图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示为一种基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，包括多核嵌入式平台，数据通讯模块，模拟量采集模块，开关量模块，A/D转换模块等，所述多核嵌入式平台包括OMAP-L138核心芯片，Xilinx Spartan-6XC6SLX16FPGA，FLASH、DDR SDRAM、和LCD；所述数据通讯模块包括串行接口、以太网接口、USB接口；所述模拟量监测模块采集断路器机械与电气信号，由FPGA控制A/D转换模块进行模数转换后，通过数据总线传送给ARM+DSP进行处理；所述的开关量模块提供GPIO接口，用来实现对开关量信号的监测以及输出继电器控制信号；所述数据通讯模块通过相应的数据通信接口与外界进行数据交互。ARM实现基于Linux平台的多核嵌入式断路器在线监测系统的管理和控制，DSP实现各种断路器状态数据的处理和分析，FPGA实现对各类断路器状态数据进行采集，将不同来源的数据整理融合发送到DSP进行进一步处理。
模拟量采集模块包括电流采集模块、位移采集模块。电流采集模块通过霍尔传感器采集断路器的分、合闸线圈电流和储能电机电流，位移采集模块通过位移传感器采集触头行程和振动信号，传感器采集到的模拟量均通过调理电路滤波调理后，传输给A/D转换模块，进行模数转换后传送至FPGA。另外，通过无线温度传感器采集的断路器触头和环境温度数据，通过RS232接口直接传输至FPGA；分合闸状态是数字量，直接输入到FPGA的GPIO接口上。
如图2所示为基于ARM+DSP+FPGA的多核嵌入式系统硬件连接图，SATA接口可以挂载硬盘，Micro SD可以插入SD卡，整个系统除了可以从FLASH启动，也可以从SD卡启动。以OMAP-L138CPU为核心，通过数据总线与FPGA进行数据交互；通过串行接口、USB接口、LCD接口和以太网接口向外接设备(例如PC)发送数据，同时外接设备也可以通过其中部分接口对整个平台进行控制，例如，PC可通过网口和Micro USB 2.0OTG接口控制平台。
ARM+DSP平台以OMAP-L138CPU为核心，连接FLASH闪存器、动态随机存储器DDRSDRAM，ARM+DSP平台设置有串行接口、USB接口和LCD接口，FPGA通过数据总线与上述ARM+DSP平台相通信，并与FLASH闪存器连接，从而构成了ARM+DSP+FPGA平台，A/D采集模块与FPGA连接，将传感器采集的模拟电压输入信号经过模数转换传送给FPGA进行整理采集，开关量模块通过GPIO接口与FPGA连接，用于直接采集和输出数字信号，安装在断路器线圈上的霍尔传感器、安装在断路器操动机构上的三相位移传感器与AD采集模块连接，安装在断路器动静触头的无线温度传感器由RS232与FPGA通信，GPRS模块由RS485与ARM连接，可以发送断路器状态参数到移动终端。同时，外设接口资源分配到不同处理器核，ARM负责LCD触摸屏接口、RS485接口、SATA接口以及USB接口，FPGA负责GPIO接口、RS232接口。以三个嵌入式处理器ARM、DSP、FPGA为基础，可以扩展诸多常用的GPIO接口、通讯接口和人机交互接口，除了上述接口以外，还可以提供以太网网口、VGA接口等方便扩展系统功能。
GPRS模块通过RS485串口与ARM连接，当监测系统检测到故障时，ARM则向GPRS模块发送预警指令，GPRS发送预警信息到移动终端，及时通知工作人员。
程序预先烧写入FLASH闪存器，系统通电后，程序由FLASH通过总线传给SDRAM，由SDRAM启动所得的程序带动系统工作。ARM+DSP+FPGA中，ARM实现基于Linux平台的断路器在线监测系统的管理和控制，DSP实现对断路器各类状态数据的处理和分析，FPGA实现对断路器各类状态数据进行采集整合，将不同来源的数据整理融合发送到DSP进行进一步处理。
所述FPGA+ARM+DSP多核硬件平台中，FPGA与DSP通过数据总线进行通信，通信机制是：在FPGA生成一个先入先出队列(FIFO)，依次读取各AD通道中的数据并放入FIFO中，直到FIFO中存放满预定大小的数据量再上传至DSP。ARM与DSP之间通过Syslink实现数据传输，传输机制是：在动态随机存储器SDRAM中设置共享内存，DSP将处理好的数据编号并发送到共享内存中，ARM再按地址编码读取共享内存中的数据，实现数据上传。
此外，该基于ARM+DSP+FPGA的多核嵌入式断路器在线监测系统还具备控制风扇运行、绝缘子泄漏电流采集、视频图像监测、故障监测预警、数据上传后台服务器等功能。
以故障监测预警为例，安装在断路器触头上的温度传感器将温度数据经过RS232接口传输到FPGA上，FPGA再将数据传输至DSP，经DSP处理数据得到断路器触头的温度，该温度参数存储在ARM与DSP的共享内存里，ARM按分配好的地址读取该温度参数并显示出来，若该温度参数超过了人为设定好的温度阈值，则ARM启动预警机制：(1)ARM经过RS485向GPRS模块发送预警指令，移动终端收到预警信息，提醒工作人员注意触头温度较高；(2)ARM经过DSP向FPGA发出指令，FPGA控制GPIO接口开合，控制开关柜上的风扇运行，从而达到通风降温的目的。
以数据上传后台服务器为例，该基于ARM+DSP+FPGA的多核嵌入式断路器在线监测系统能够拓展RJ45的以太网网口，ARM负责发送断路器状态参数数据到以太网芯片，芯片打包处理后发生到RJ45网口，通过网线上传到后台服务器存储。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，其特征在于，包括多核嵌入式平台，所述的多核嵌入式平台通过A/D转换模块连接模拟量采集模块，所述的多核嵌入式平台通过GPIO接口连接开关量模块，所述的多核嵌入式平台通过数据通信模块与外界进行交互，所述的模拟量监测模块用于采集断路器机械与电气信号，所述的开关量模块提供GPIO接口，用来实现对开关量信号的监测以及输出继电器控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，其特征在于，所述的多核嵌入式平台包括以OMAP-L138CPU为核心的ARM+DSP平台，所述的ARM+DSP平台连接FLASH闪存器Ⅱ、动态随机存储器DDR SDRAM，设置有数据通讯接口和LCD接口，并通过数据总线与FPGA通信，FPGA同时连接FLASH闪存器Ⅰ，由此构成了ARM+DSP+FPGA平台。
3.根据权利要求2所述的基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，其特征在于，所述的ARM+DSP+FPGA平台中，ARM实现基于Linux平台的断路器在线监测系统的管理和控制，DSP实现各种断路器状态数据的处理和分析，FPGA实现对各类断路器状态数据进行采集，将不同来源的数据整理融合发送到DSP进行进一步处理。
4.根据权利要求2所述的基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，其特征在于，所述的FPGA与DSP通过数据总线进行通信，通信机制是：在FPGA生成一个先入先出队列(FIFO)，依次读取各AD通道中的数据并放入FIFO中，直到FIFO中存放满预定大小的数据量再上传至DSP；ARM与DSP之间通过Syslink实现数据传输，传输机制是：在动态随机存储器SDRAM中设置共享内存，DSP将处理好的数据编号并发送到共享内存中，ARM再按地址编码读取共享内存中的数据，实现数据交互。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于三核平台的嵌入式断路器在线监测系统，其特征在于，所述的数据通讯接口包括串行接口、USB接口和以太网接口。
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