何雙旺，徐曉輝，宋 濤，李佳毅

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院物理電子學(xué)專業(yè)，天津 300401）

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為計算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的一個非常重要的組成部分，普遍應(yīng)用于商業(yè)和辦公領(lǐng)域的以太網(wǎng)也逐漸進(jìn)入了控制方面；在工業(yè)控制領(lǐng)域，智能設(shè)備、儀器儀表和傳感器方面均有向嵌入式網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備過渡的趨勢，所以以太網(wǎng)與監(jiān)控的結(jié)合已經(jīng)成為一種必然。只要在嵌入式設(shè)備中配上網(wǎng)絡(luò)通訊接口協(xié)議，得到TCP/IP協(xié)議的支持接入Internet網(wǎng)絡(luò)，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測以及共享[1]。而隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用電量劇增，使得對電網(wǎng)的監(jiān)控提出了更高的要求。

設(shè)計了一種電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合51單片機(jī)以及嵌入式傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，組建成一個小型的Web服務(wù)器直接將各項數(shù)據(jù)（包括三相電狀態(tài)、溫度、外界實時畫面等），通過Internet提供給客戶機(jī)，實現(xiàn)對電網(wǎng)的實時監(jiān)測與故障診斷功能。該系統(tǒng)配置靈活方便，又很好的實現(xiàn)了資源的共享，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。

1 嵌入式技術(shù)在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于ARM-Web技術(shù)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的作用主要是監(jiān)測各路電網(wǎng)的狀態(tài)（正常、過壓、欠壓）以及環(huán)境的溫度，連同實時畫面上傳到Internet網(wǎng)絡(luò)，用戶在獲得登陸權(quán)限后，就可以遠(yuǎn)程觀測配電柜的各項參數(shù)，電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1（注：U1a，U1b，U1c 分別為電網(wǎng) U1 的 a，b，c 三相電壓，電網(wǎng)U2同U1類似）。

由于各電網(wǎng)的三相電電氣特性相似，所以本文只針對其中的一相電展開。

電網(wǎng)的各相電經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路、采樣調(diào)理電路后，得到各相電的狀態(tài)信息量，51單片機(jī)通過對各狀態(tài)信息量的接收與邏輯判斷過程后，將最終的電網(wǎng)狀態(tài)連同環(huán)境溫度信息通過485總線一并傳給上位機(jī)S3c6410，上述電路構(gòu)成一個節(jié)點，通過給上位機(jī)搭配另外的節(jié)點后，可實現(xiàn)對電網(wǎng)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測。上位機(jī)S3c6410搭載USB攝像頭，可實現(xiàn)對上位機(jī)附近外界環(huán)境實時畫面的捕捉，搭載溫度傳感器后，實現(xiàn)對上位機(jī)環(huán)境溫度的監(jiān)測，通過DM9000A芯片和Web服務(wù)器實現(xiàn)對以太網(wǎng)的接入，最終遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器實現(xiàn)對各電網(wǎng)狀態(tài)及環(huán)境各參數(shù)的監(jiān)測。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電壓轉(zhuǎn)換電路及采樣調(diào)理電路

圖1 電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of the grid monitoring system

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Voltage conversion circuit

設(shè)計中省略了大部分電路采用到的A/D采樣部分，原因是對于50 Hz頻率交流電壓電流進(jìn)行采樣，需要較高采樣頻率（幾兆到十幾兆赫茲），通過對此查閱相關(guān)資料后得出，DSP以高速的數(shù)據(jù)能力顯得很是優(yōu)越，但是DSP芯片及其外圍電路的成本相比單片機(jī)要高很多，綜合考慮后，省略了A/D轉(zhuǎn)換部分。之所以不采用將調(diào)理過的信號直接接入到ARM芯片上，是為了盡量多的節(jié)省ARM芯片上資源。對于三相電網(wǎng)的每一相狀態(tài)都需要51單片機(jī)對應(yīng)的2個I/O完成，總工需要6個I/O，如果配電柜內(nèi)存在多個三相電網(wǎng)需要檢測，經(jīng)調(diào)理后直接接入ARM芯片，將會占去很多額外的資源，而且不利于長距離的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 采樣調(diào)理電路Fig.3 Sample conditioning circuit

如圖2，電網(wǎng)的220VAC電壓由R1、R2兩端輸入，經(jīng)變壓器和分壓電阻后，通過調(diào)節(jié)可變電阻R4，可以最大限度的減小電阻誤差或者變壓器漏磁等情況帶來的偏差，最終在a1端輸出10 VAC左右的電壓，采樣電路接收電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的10 V交流電，經(jīng)兩級濾波后，交流電的幅度將變得很平滑，近似直流電，再經(jīng)分壓過程，輸入到運(yùn)算比較器的負(fù)極，通過設(shè)定電路中各分壓電阻以及基準(zhǔn)電壓的值，當(dāng)出現(xiàn)過壓或者欠壓情況時，原酸比較器的輸出端將由高電平轉(zhuǎn)為低電平。

通過實驗，將過壓基準(zhǔn)設(shè)為4.70±0.01 V，欠壓基準(zhǔn)設(shè)為2.40±0.01 V。

2.2 溫度和視頻采樣電路

溫度采集傳感器采用PT100，鉑熱電阻，阻值隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100 Ω，在100℃時它的阻值約為138.5 Ω。其RT曲線圖如圖4，當(dāng)PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100 Ω，它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但他們之間的關(guān)系并不是簡單的正比的關(guān)系，而更應(yīng)該趨近于一條拋物線。常見的PT100感溫元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它們由鉑絲分別繞在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再經(jīng)過復(fù)雜的工藝加工而成。通過對PT100兩端電壓的采集，經(jīng)AD0809轉(zhuǎn)換芯片后，接入51單片機(jī)，最終實現(xiàn)對節(jié)點環(huán)境溫度的采集。工作原理如圖5，具體電路原理不再具體介紹。

圖4 PT100鉑電阻RT曲線圖Fig.4 PT100 platinum resistance RT graph

圖5 溫度采集原理圖Fig.5 Schematic of the temperature acquisition

視頻采集方面利用zc301型攝像頭接入S3c6410的USB接口，采用開源代碼mjpeg-streamer完成，主要實現(xiàn)對上位機(jī)S3c6410外界環(huán)境畫面的實時采集功能。

2.3 51單片機(jī)電路

電網(wǎng)的采樣監(jiān)測功能由采樣調(diào)理電路和51單片機(jī)搭配實現(xiàn)，通過模擬電路的調(diào)理過程，得到51單片機(jī)I/O口可以識別的高低電平（高電平大約為+5V，低電平大約為0V），51單片機(jī)通過識別輸入電平，判定電網(wǎng)每一相電的工作狀態(tài)。為了提高精確度，電網(wǎng)的每一相電的狀態(tài)判定對應(yīng)51單片機(jī)的2個I/O口，一個I/O口用來判定該相是否過壓，另一個I/O口用來判定該相是否欠壓，通過組合邏輯判斷，實現(xiàn)對該路電網(wǎng)正常，欠壓和過壓三態(tài)的判定。51單片機(jī)綜合邏輯關(guān)系如表1所示。

表1 單片機(jī)邏輯關(guān)系Tab.1 SCM logical relationship

2.4 外圍通信接口電路

外圍通信接口電路的設(shè)計主要由485總線接口電路，USB接口電路和以太網(wǎng)接口電路3部分組成。

1）485總線是典型的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，1.RS－485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V 表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為－（2～6）V表示。RS－485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps。RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4 000英尺（約1 219 m），實際上可達(dá) 3 000米，另外RS－232－C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS－485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS－485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。因RS－485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。

2）USB接口分為主/從 2種模式，USB主模式可連接 U盤、打印機(jī)等USB接口設(shè)備，USB從模式接口可實現(xiàn)系統(tǒng)和上位機(jī)的通信，本文主要利用USB接口實現(xiàn)由攝像頭到ARM芯片的通信。

3）以太網(wǎng)接口實現(xiàn)檢測結(jié)果并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給其他設(shè)備，DM9000A是集成和高效的10/100MHz自適應(yīng)網(wǎng)卡芯片。DM9000A與ARM芯片連接，可以通過數(shù)據(jù)、地址和控制三總線進(jìn)行連接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在對DM9000A讀寫之前，ARM芯片需要通過控制總線和地址總線提供DM9000A正確的讀寫時序，實現(xiàn)正確尋址。分別設(shè)置片選，工作模式后，才能完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確交換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)如圖6所示，主要包括軟件開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建、設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用開發(fā)環(huán)境的開發(fā)。為使設(shè)備能夠正常工作，SD卡，矩陣鍵盤，USB設(shè)備，LCD屏，網(wǎng)口，485總線等驅(qū)動程序均以模塊的方式加載到內(nèi)核中。應(yīng)用程序主要分為：外圍的通信接口程序，鍵盤和LCD屏的控制程序等。

本電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程是首先對電網(wǎng)各相電的參數(shù)進(jìn)行采集，然后將信號量傳給51單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)對信號量的處理后得出狀態(tài)結(jié)果，再通過485總線將其傳輸給ARM芯片，將結(jié)果存儲在EEPROM中，并可將有關(guān)參數(shù)和分析結(jié)果嵌入到存儲在EEPROM中的事先定制好的網(wǎng)頁中，同時采集環(huán)境的溫度和實時畫面并上傳，供客戶機(jī)通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問，通信主程序流程如圖7所示。

Linux下嵌入式Web服務(wù)器主要有3個：httpd、thttpd和Boa。http和Boa都支持認(rèn)證、CGI等，功能比較全。本系統(tǒng)以Boa搭配Cgic作為服務(wù)器。Boa是一個單任務(wù)的httpd服務(wù)器，源碼開發(fā)、系能高。隨著internet技術(shù)的不斷發(fā)展，在嵌入式設(shè)備的管理與交互中，B/S（即Browser/Server瀏覽器/服務(wù)器機(jī)構(gòu)）結(jié)構(gòu)成為目前的主流。通過對Boa和Cgic源代碼的操作，最后得到可執(zhí)行文件Boa和CGIC庫libcgic.a。

通過調(diào)試輔助程序capture和測試程序cgictest.cgi，可以驗證生成CGIC庫的正確性。將capture和cgictest.cgi復(fù)制到開發(fā)板的CGI程序目錄下，用瀏覽器訪問這個Cgi文件，可以看到頁面，表示CGIC庫和測試腳本都移植成功。為了能夠在ARM上運(yùn)行Web服務(wù)器Boa，需要完成對其運(yùn)行環(huán)境、參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，并將最終的配置文件Boa.conf置于工作目錄下。

4 結(jié)束語

圖6 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Software system structure

圖7 通信主程序流程圖Fig.7 Communication main program flow chart

基于Web服務(wù)器的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)利用51單片機(jī)及采樣調(diào)理電路實現(xiàn)對各電網(wǎng)狀態(tài)的判定，通過485總線將結(jié)果傳輸給S3c6410芯片，同時采集環(huán)境溫度及實時畫面，S3c6410結(jié)合DM9000A芯片實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧，相比8位的MCU，大大的縮減了工作量，并提高了系統(tǒng)的可靠性。基于Web服務(wù)器的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的聯(lián)網(wǎng)和信息共享的功能，也具有測量精度高，硬件電路簡單，操作簡單的特點，因此本系統(tǒng)具有廣泛的發(fā)展空間。

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