嵌入式多串口通信轉(zhuǎn)換器的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
???? 隨著非線(xiàn)性電力電子元器件的應(yīng)用，電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重。因此有必要實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量，以便采取措施提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用多串口卡搭配工控機(jī)的模式，這種模式成本昂貴，而由傳統(tǒng)的單片機(jī)設(shè)計(jì)的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備不能滿(mǎn)足日益復(fù)雜的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)控制要求；在工業(yè)生產(chǎn)控制和通信領(lǐng)域，串行口設(shè)備大多符合RS232標(biāo)準(zhǔn)。為了能夠?qū)⒍鄠€(gè)串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)絡(luò)上，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、設(shè)備的遠(yuǎn)程控制便成了急待解決的問(wèn)題。同時(shí)由于成本問(wèn)題，舊設(shè)備又不可能全部淘汰。
?? 因此，本文搭建了一種基于嵌入式多串口通信轉(zhuǎn)換器的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。
1 電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
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系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層，監(jiān)測(cè)層、現(xiàn)地控制層、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站；監(jiān)測(cè)層包括7臺(tái)電力系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備和電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備；三相電壓表、三相電流表、有功功率、無(wú)功功率等檢測(cè)儀器通過(guò)串口連接到主板上，三相電流、三相電壓等數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)酵ㄐ呸D(zhuǎn)換器，通信轉(zhuǎn)換器再將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，然后通過(guò)局域網(wǎng)發(fā)送到電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站；同時(shí)現(xiàn)地控制層建立了良好的人機(jī)界面, 使用戶(hù)可以一目了然地觀(guān)察電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖標(biāo)顯示、數(shù)據(jù)打印等功能。
監(jiān)控系統(tǒng)第一層為監(jiān)測(cè)層，主要由電氣測(cè)量設(shè)備構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集和監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括三相電壓有效值、三相電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、電壓閃變率和波動(dòng)率、諧波特征值等電網(wǎng)狀態(tài)參量，這些參量通過(guò)串口傳輸給現(xiàn)地控制層，其中計(jì)算諧波時(shí)目前根據(jù)要求只計(jì)算到23次諧波, 截止頻率分別選擇為1.15kHz 和40Hz。計(jì)算閃變所需的數(shù)據(jù)從所存儲(chǔ)10 分鐘中的數(shù)據(jù)中進(jìn)行抽樣獲得, 每隔10 分鐘數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)更新。同時(shí)可對(duì)瞬時(shí)閃變視感度S(t)恒速采樣, 得出累積概率函數(shù),再計(jì)算出閃變值Pst。
由于監(jiān)測(cè)層和現(xiàn)地控制層之間采用串口連接，監(jiān)測(cè)層的儀表點(diǎn)數(shù)最多可以擴(kuò)展到256個(gè)，因此在不改變其他硬件的情況下監(jiān)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。
監(jiān)控系統(tǒng)的第二層為現(xiàn)地控制層，現(xiàn)地測(cè)量的電網(wǎng)狀態(tài)參量通過(guò)串口傳輸給通信轉(zhuǎn)換器，再通過(guò)通信轉(zhuǎn)換器將串性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包，它保證了電網(wǎng)狀態(tài)參量數(shù)據(jù)可以通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站，同時(shí)嵌入式主板還可以接受來(lái)自電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站的控制命令，以適應(yīng)電能質(zhì)量監(jiān)控的需要。
監(jiān)控系統(tǒng)的第三層為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站，采用MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，它根據(jù)來(lái)自現(xiàn)地控制層的數(shù)據(jù)來(lái)判斷三相電壓、電流是否越限，諧波含量是否超過(guò)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)傳達(dá)上級(jí)調(diào)度中心的調(diào)度命令來(lái)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的控制策略，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站還可以跟其他的電力調(diào)度通信中心聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度。
2監(jiān)控層設(shè)計(jì)
監(jiān)控層測(cè)量設(shè)備包括三相電流表等，由于現(xiàn)地控制層采用linux作為操作系統(tǒng)，檢測(cè)層與現(xiàn)地控制層之間的通信利用select機(jī)制實(shí)現(xiàn)多路串口設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與控制，在linux下，串口設(shè)備相當(dāng)于字符型設(shè)備，對(duì)串口的控制也就是對(duì)相應(yīng)文件進(jìn)行讀／寫(xiě)、控制等操作，對(duì)于本系統(tǒng)的8路串口設(shè)備，輪詢(xún)檢測(cè)方法顯然已不滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，所謂輪詢(xún)檢測(cè)方法指對(duì)串口進(jìn)行非阻塞的讀寫(xiě)操作，故監(jiān)控層采用select機(jī)制實(shí)現(xiàn)I/O復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)多串口數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)與控制；其程序流程實(shí)現(xiàn)如下：首先調(diào)用open函數(shù)打開(kāi)串口并獲得各個(gè)串口設(shè)備的文件描述符fd，8個(gè)文件描述符通過(guò)FD_SET、FD_ISSET、FD_ZERO、FD_CLR函數(shù)處理，如果open函數(shù)返回?cái)?shù)非0表明串口設(shè)備已經(jīng)打開(kāi)，再通過(guò)編寫(xiě)自定義函數(shù)將串口配置設(shè)定為波特率115200、起始位1b、數(shù)據(jù)位8b、停止位1b和無(wú)流控協(xié)議，最后調(diào)用select函數(shù),如果沒(méi)有可讀／寫(xiě)的設(shè)備，且沒(méi)有設(shè)置超時(shí)返回功能，那么進(jìn)程將阻塞在select調(diào)用上；否則select函數(shù)返回，并可通過(guò)測(cè)試參數(shù)來(lái)確定哪個(gè)I／O設(shè)備可讀或可寫(xiě)，而后以非阻塞方式操作該I／O設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)期望功能.

3現(xiàn)地控制層軟硬件設(shè)計(jì)
3.1硬件設(shè)計(jì)
現(xiàn)地控制設(shè)備采用嵌入式技術(shù)，主板核心處理器采用三星公司的32位的嵌入式微處理器S3C2410，主頻200MHz以上，能夠滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)處理和大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰哂袕?qiáng)大的處理能力和升級(jí)空間，本系統(tǒng)集成了某公司的多串口通信轉(zhuǎn)換器，提供8路串口，串口參數(shù)設(shè)置為波特率115200、起始位1b、數(shù)據(jù)位8b、停止位1b和無(wú)流控協(xié)議，具有16字節(jié)的FIFO可以減少中斷次數(shù)，一路10M/100M以太網(wǎng)接口，同時(shí)可以選擇、處理串口數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)多個(gè)串口設(shè)備的上網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)測(cè)量節(jié)點(diǎn)增加時(shí)，無(wú)需淘汰原有串口設(shè)備，多臺(tái)設(shè)備可同時(shí)入網(wǎng)，既可以提高設(shè)備利用率，又節(jié)約組網(wǎng)費(fèi)用，還可在已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化布線(xiàn)復(fù)雜度。
3.2軟件設(shè)計(jì)
?? 現(xiàn)地控制層實(shí)現(xiàn)的任務(wù)比較復(fù)雜，既要負(fù)責(zé)與電力測(cè)量設(shè)備的通信，也要保證與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站的通信，因此選擇linux系統(tǒng)作為嵌入式主板的操作系統(tǒng)。
現(xiàn)地控制層在TCP/IP 協(xié)議的基礎(chǔ)上利用套接字（socket）與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)工作站建立面向連接的C/S（客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器）通信方式，服務(wù)器在創(chuàng)建socket后,程序?qū)?chuàng)建的套接字同服務(wù)器地址以及端口綁定,此時(shí)套接字處于偵聽(tīng)狀態(tài),并在固定端口上偵聽(tīng)客戶(hù)機(jī)的連接請(qǐng)求, 服務(wù)器在接收到一個(gè)連接請(qǐng)求后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接收應(yīng)答,利用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)fork 創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程與客戶(hù)機(jī)進(jìn)行通信,父進(jìn)程則繼續(xù)在固定的端口上進(jìn)行偵聽(tīng)。子進(jìn)程在接收到數(shù)據(jù)信息后,利用MySQL更新數(shù)據(jù)庫(kù),在通信過(guò)程中,服務(wù)器與每一個(gè)客戶(hù)機(jī)應(yīng)始終保持連接,從而保證接收現(xiàn)場(chǎng)信息的及時(shí)性。圖2為現(xiàn)地控制層系統(tǒng)流程圖。
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4總結(jié)
???? 經(jīng)試驗(yàn)證明，多串口通信轉(zhuǎn)換器應(yīng)用在電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)需淘汰原有串口設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備可同時(shí)入網(wǎng)，在提高設(shè)備利用率的同時(shí)，又節(jié)約組網(wǎng)費(fèi)用，性?xún)r(jià)比高，易于集成。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：使現(xiàn)有的多串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)的透明傳輸。
項(xiàng)目數(shù)據(jù)來(lái)源于在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建的系統(tǒng)，經(jīng)多次調(diào)試證明系統(tǒng)的性能良好，相信投入后會(huì)產(chǎn)生可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。