于振，趙蓉，夏君

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250011）

基于S3C2410和ATT7022B的網(wǎng)絡(luò)智能電力監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

于振，趙蓉，夏君

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250011）

以S3C2410微處理器和ATT7022B電能計(jì)量芯片為核心，設(shè)計(jì)智能網(wǎng)絡(luò)化電力監(jiān)測(cè)儀。電量采集模塊采集的數(shù)據(jù)由S3C2410處理通過(guò)以太網(wǎng)控制器DM9000接入局域網(wǎng)傳輸給管理主機(jī)，用戶使用WEB瀏覽器可以瀏覽電力參數(shù)和用電情況，采用TCP/IP協(xié)議的高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制和自動(dòng)抄表等功能。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)智能化電力監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性好、運(yùn)行穩(wěn)定。

網(wǎng)絡(luò)電能表；S3C2410；ATT7022B；TCP/IP協(xié)議棧；DM9000

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高和電力技術(shù)的進(jìn)步，智能電網(wǎng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電能質(zhì)量監(jiān)控和數(shù)量計(jì)量受到更加密切的關(guān)注。衡量電能質(zhì)量的主要參數(shù)包括電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等，計(jì)量電能數(shù)量的主要參數(shù)包括有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功電量以及無(wú)功電量等，這些參數(shù)需要進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和執(zhí)行相應(yīng)的決策［1］。隨著嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于ARM處理器的嵌入式設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多。相對(duì)于單片機(jī)處理器，ARM處理器可以運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)，支持以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)集成度高、硬件干擾少，能較好地實(shí)現(xiàn)所需的功能。為此設(shè)計(jì)了基于ARM微處理器和專用電能計(jì)量芯片的網(wǎng)絡(luò)智能電力監(jiān)控儀。

1 網(wǎng)絡(luò)智能電力監(jiān)測(cè)儀總體設(shè)計(jì)

S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核的32位微控制器，是嵌入式市場(chǎng)上頗具競(jìng)爭(zhēng)力的ARM9處理器。S3C2410可以運(yùn)行開(kāi)放源碼的Linux操作系統(tǒng)，軟硬件的開(kāi)發(fā)和調(diào)試方便。ATT7022B是高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線配電系統(tǒng)應(yīng)用。ATT7022B能夠測(cè)量各相有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功電量以及無(wú)功電量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，滿足電力監(jiān)視儀的功能需求。

電力監(jiān)測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相電壓、電流采樣信號(hào)輸入三相電能計(jì)量專用芯片ATT7022B，在設(shè)定的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，ATT7022B的數(shù)字信號(hào)處理單元根據(jù)電壓、電流的采樣值計(jì)算出有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)，ARM處理器通過(guò)SPI接口讀取ATT7022B各參數(shù)寄存器的值。以太網(wǎng)是基于CSMA／CD運(yùn)行的，當(dāng)以太網(wǎng)內(nèi)的管理主機(jī)訪問(wèn)監(jiān)測(cè)儀時(shí)，監(jiān)測(cè)儀上的以太網(wǎng)控制器接收到這個(gè)信號(hào)，ARM處理器從緩沖區(qū)讀取該信號(hào)的數(shù)據(jù)包，并按照TCP／IP協(xié)議發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，按照同樣的方式由管理機(jī)接收，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀通過(guò)以太網(wǎng)通信，完成電力參數(shù)監(jiān)控功能［2-3］。

圖1 電力監(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)控制器、三相電能計(jì)量模塊。在硬件的選擇上要考慮硬件的功能、功耗、性價(jià)比、體積大小、電磁兼容性等。主要硬件配置有ARM處理器S3C2410、NAND FLASH、K9F1208（128 MB）、以太網(wǎng)控制器DM9000、三相電能計(jì)量芯片ATT7022B等。

2.1 S3C2410基本外圍電路設(shè)計(jì)

S3C2410的外圍數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，包括掉電非易失的Nand Flash和掉電易失的SDRAM，Nand Flash主要用來(lái)存放操作系統(tǒng)與程序文件，SDRAM主要作為操作系統(tǒng)與程序的運(yùn)行空間。Nand Flash采用一片128M的K9F1208芯片，通過(guò)8條數(shù)據(jù)總線掛接到S3C2410，并由專門的控制接口與CPU相連。為了增加訪問(wèn)速度，S3C2410使用了兩片外接的32M SDRAM芯片HY57V561620FTP，其并聯(lián)形成32位數(shù)據(jù)總線，與S3C2410的32條數(shù)據(jù)總線相連，并由12條地址總線、片選、時(shí)鐘、使能等信號(hào)線控制［4］。

觸摸顯示模塊選用索尼公司生產(chǎn)的3.5吋240× 320分辨率TFT型四線電阻式觸摸顯示屏，該觸摸屏外部提供XP、XM、YP、YM 4條引腳，各自對(duì)應(yīng)X軸和Y軸電阻，由S3C2410的外部控制器驅(qū)動(dòng)，通過(guò)4個(gè)MOS管完成觸摸屏工作模式的選擇。其中XP、YP分別為觸摸屏被按下時(shí)X軸、Y軸的坐標(biāo)模擬量輸入信號(hào)，該輸入信號(hào)可以通過(guò)AIN［7］與AIN［5］管腳送給S3C2410；通過(guò)S3C2410控制MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)，XM、YM可以被設(shè)置為接地或高阻態(tài)，以適應(yīng)不同的工作模式。

2.2 ATT7022B采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用在三相三線制的電網(wǎng)中，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控24回路電力負(fù)荷監(jiān)控，S3C2410處理器分時(shí)復(fù)用3片ATT7022B計(jì)量芯片，第一、二、三片分別采集1～8、9～16、17～24回路。3片ATT7022B并聯(lián)后共同接在S3C2410的一個(gè)SPI總線而每片ATT7022B保留獨(dú)立的復(fù)位檢測(cè)信號(hào)線SIG、片選線CS、復(fù)位線RESET。ATT7022B與S3C2410連接如圖2所示。

圖2 采集電路設(shè)計(jì)

2.3 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)控制器DM9000通過(guò)數(shù)據(jù)總線SD15～SD0，地址總線SA4～9，控制總線CMD、PWRST、IOR、IOW、AEN、INT與S3C2410相連。DM9000外部接有25M晶振，保證其正常工作。對(duì)DM9000的讀寫操作，首先要保證能對(duì)DM9000正確尋址。SA4～SA9是地址總線的4～9位，當(dāng)AEN（輸入引腳片選信號(hào)）、SA4、SA5、SA6、SA7為低電平，且SA8和SA9為高電平時(shí)，網(wǎng)卡芯片DM9000就會(huì)被選中。DM9000通過(guò)物理層接收端的正負(fù)極（RXI+、RXI-）和物理層發(fā)送端口正負(fù)極（TXO+、TXO-）四根引腳連接到RJ45網(wǎng)卡接口。RJ45連接頭內(nèi)部已經(jīng)包含了耦合線圈，因此不需要另接網(wǎng)絡(luò)變壓器，使用普通的水晶頭網(wǎng)線即可連接本電力監(jiān)測(cè)儀至本地的以太網(wǎng)管理主機(jī)。接口電路如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)的整體性能和縮短軟件的開(kāi)發(fā)周期，采用了以開(kāi)放源代碼的Linux嵌入式操作系統(tǒng)，并移植了精簡(jiǎn)的TCP／IP協(xié)議棧。Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)，它具有很強(qiáng)的平臺(tái)可伸縮性，有著豐富的圖形用戶界面和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，因而能夠很好地應(yīng)用在智能儀表領(lǐng)域［5］。如圖4所示，軟件結(jié)構(gòu)大致分為3個(gè)層次結(jié)構(gòu)，從上向下依次為應(yīng)用層、中間層、驅(qū)動(dòng)層。從圖4可以看出，底層是網(wǎng)絡(luò)接口、儲(chǔ)存電路等其他系統(tǒng)硬件的驅(qū)動(dòng)程序，這些程序都建立在Linux操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，通過(guò)操作系統(tǒng)的調(diào)用、中斷等機(jī)制來(lái)直接管理硬件［3］。中間層是對(duì)數(shù)據(jù)包作過(guò)濾、解包、打包、分包、包校驗(yàn)、包流向判斷，來(lái)分析數(shù)據(jù)包是接收還是發(fā)送，接收包來(lái)自什么通道，發(fā)送包要發(fā)往哪個(gè)通道。此外，中間層還做一些標(biāo)志位刷新、緩存讀寫等管理工作。頂層的應(yīng)用層則是功能最為復(fù)雜的一層，來(lái)自底層和中間層的數(shù)據(jù)包在這里得到解析和執(zhí)行。

3.2 TCP／IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

TCP／IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，它定義了網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)的對(duì)話協(xié)議，通過(guò)自定義的讀寫函數(shù)來(lái)接受或發(fā)送數(shù)據(jù)，并提供給應(yīng)用層簡(jiǎn)便快捷的API接口函數(shù)。TCP／IP協(xié)議棧可分為鏈路層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、傳輸層協(xié)議、應(yīng)用層協(xié)議四部分。在滿足通信要求的前提下，為了能夠讓系統(tǒng)運(yùn)行高效穩(wěn)定且占用內(nèi)存資源少，只設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議。其中IP協(xié)議是TCP／IP協(xié)議中的核心，它負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)分組（每一個(gè)分組都擁有一個(gè)目的IP），根據(jù)目的IP才能把數(shù)據(jù)從源地址發(fā)送到目的地址。為了建立網(wǎng)絡(luò)連接，ARP地址解析協(xié)議建立了從IP地址到主機(jī)MAC地址的映像，TCP傳輸控制協(xié)議提供了面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸服務(wù)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了ICMP控制報(bào)文協(xié)議，用于傳輸錯(cuò)誤報(bào)告的控制信息［6－7］。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

為了能夠?qū)⒏咚俨杉碾娋W(wǎng)參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)管理主機(jī)，需要為TCP／IP模塊在SDRAM中分配兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)TCP－TxBuffer和TCP－RxBuffer。其中，TCP－TxBuffer用來(lái)給要發(fā)送的TCP數(shù)據(jù)幀提供緩沖內(nèi)存，TCP－RxBuffer用來(lái)給接收到的TCP數(shù)據(jù)幀提供緩沖內(nèi)存。在接收數(shù)據(jù)包時(shí)，將S3C2410從電能采集模塊取得的MAC數(shù)據(jù)幀送到TCP／IP協(xié)議棧。在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，從TCP／IP協(xié)議棧取得數(shù)據(jù)，放到緩沖區(qū)，然后S3C2410通過(guò)GPIO口發(fā)給電能采集模塊。采用封裝好的API函數(shù)Socket－Server（）或Socket－Client（）建立網(wǎng)絡(luò)通信連接。函數(shù)Socket－Se rver（）的作用是用于監(jiān)聽(tīng)是否有連接接入服務(wù)器并把數(shù)據(jù)包送入TCP／IP協(xié)議棧。函數(shù)Socket－Client（）的作用是根據(jù)本地客戶端的IP地址、端口號(hào)、MAC地址、上位機(jī)IP地址和端口號(hào)，建立一個(gè)Socket連接，建立成功之后，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖區(qū)，然后調(diào)用send（）函數(shù)，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理主機(jī)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)通信流程

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊是通過(guò)一個(gè)小型Socket服務(wù)器，利用嵌入式TCP／IP協(xié)議來(lái)管理接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)端口接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，EINT9請(qǐng)求S3C2410處理數(shù)據(jù)包，這是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的核心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路通信的流程如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于S3C2410和ATT7022B芯片的設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)電力監(jiān)控儀大大加快了數(shù)據(jù)處理的速度。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)和TCP／IP協(xié)議棧，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。其開(kāi)放性的TCP／IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)，通過(guò)瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)瀏覽、參數(shù)設(shè)置、在線升級(jí)等。硬件上采用ATT7022B電能計(jì)量芯片，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)電力監(jiān)測(cè)儀監(jiān)控多個(gè)回路電能質(zhì)量和數(shù)量的集中化管理模式。

［1］孫國(guó)棟，雷在栓，周玉國(guó)，等.綜合電力監(jiān)控儀表的設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2007，44（499）：37－40.

［2］珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司.ATT7022B手冊(cè)［Z］，2005.

［3］基于CS5460A的多用戶多功能預(yù)付費(fèi)電能表［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（9）：121－124.

［4］Samsung Electronics Co.，Ltd.S3C2410X User＇s manual［Z］，2003

［5］陳立定，呂盛林.嵌入式Linux監(jiān)控終端的多進(jìn)程控制［J］.自動(dòng)化儀表，2011，32（1）：13－15.

［6］林宇，郭凌云.Linux網(wǎng)絡(luò)編程［M］.北京：人民郵電出版社，2000.

［7］于杰.基于嵌入式系統(tǒng)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

Design of the Intelligent Network Electric Monitor Based on S3C2410 and ATT7022B

YU Zhen，ZHAO Rong，XIA Jun
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250011，China）

Taking S3C2410 microprocessor and ATT7022B electrical energy measurement chip as the core，the intelligent network electric monitor is designed.The data gathered from the power acquisition module are firstly processed by S3C2410，and then transmitted to the admin host via Ethernet controller DM9000 through the network.Users can browse the electric parameters and the electricity supply by means of a WEB browser.Functions of control and automatic meter reading are realized by means of TCP/IP protocol of high-speed network.Experiments demonstrate that the network intelligent power monitor is of the quality of high detection precision，real-time processing and stable operation.

network watt-hour meter；S3C2410；ATT7022B；TCP/IP protocol stack；DM9000

TP277；TM76

B

1007－9904（2015）03－0069－04

2014－11－05

于振（1987）男，從事開(kāi)關(guān)類設(shè)備研究工作。