chanong 目前，作为监控系统核心器件的微处理器一般采用高性能微控制器和数字信号处理器（DSP）来提高系统的处理速度。然而，随着电力系统监控的发展，往往向多功能、智能化和可视化方向发展。上述单个设备已无法完全满足要求。本文介绍了一种新型嵌入式微处理器PPC 405EP和一种基于PPC 405EP的功率监控系统，可以满足高实时性、良好的人机交互和多种通信模式的要求。
2 PPC 405EP 微处理器
20世纪90年代，IBM与苹果联合开发了32位/64位系列微处理器，主要应用于PC、网络通信和工业控制等领域。灵活的架构支持各种专用系统。它是IBM/AMCC的高性能嵌入式32位RISC，计算速度高达333MI/s，内部集成了微处理器常用的外围元件，特别适用于工业控制领域，为实现低成本系统提供了高性价比。PPC 405EP的主要特点是：16 KB数据缓存、16 KB指令缓存、写缓冲区;虚拟内存管理单元 （MMU）;2 个 10/100 Mb/s 以太网控制器;SDRAM控制器;2 个 UART;外设接口总线，直接
支持8位、16位SRAM等外围设备;可编程中断控制器，具有 7 个外部和 19 个内部边沿或电平触发中断：PCI V2.2 接口标准模块;DMA控制模块，可操作8位、16位、32位数据;I2C系统总线模块;通用可编程 I/O 端口 （GPIO）;可编程定时/计数器：支持JTAG板级测试。
3 在线监控系统设计
电压和电流
被监控设备传输的信号由电流和电压互感器转换。然后，它被信号调理电路放大和滤波，并发送到数据采集板。采集板中的单片机控制开关信号变化的A/D采样或判断，完成各种数值运算，并与预设的报警限值进行比较。如果设备在告警范围内，则使用CAN总线向嵌入式主模板发送数据，同时嵌入式主模板监听来自网络的数据包，并使用103/104协议解析并获取设备状态（例如交换机状态）等信息。嵌入式主模板将采集板传输的故障信息和故障发生时分析的数据包存储到CF卡中，并以短信的形式通知相关人员，以便人们通过监视器浏览和分析这些故障文件。框图如图1所示。
3.1 数据采集和信号预处理模块
考虑到设备监控点较多，系统需要处理各种各样的任务，包括数据采样、计算、监听网络消息等周期性任务，以及通信、人机交互等随机事件。因此，在硬件设计方面，选择单片机完成数据采集、分析和计算，以减轻PPC 405EP的负担。每个采集板应完成8路4mA~20mA模拟信号采样或16路开关信号输入，选型公司能很好地满足采集要求。
它是ADI公司的一款8通道、低功耗（13.5 mW）模数转换器，分辨率为12位，最大采样频率为1.5 MS/s。与单片机接口简单，不需要其他外围电路，大大简化了电路设计。值得注意的是，使用数字电源和模拟电源时，数字噪声很容易干扰A/D转换结果。为了提高抗干扰能力，数字电源由模拟电源通过由22μF、0.1μF和电感组成的π滤波器产生，并以数字方式连接到滤波后的模拟接地电感器。
3.2 基于PPC 405EP的嵌入式主板
3.2.1 PCI电路
PCI 总线是一种先进的高性能 32/64 位地址数据多路复用本地总线。PPC 405EP 处理器具有 PCI 总线接口，支持 PCI 2.2 规范，PCI 总线频率高达 66 MHz。 使用其PCI总线接口，设计了3个USB接口来连接鼠标、键盘和U盘，1个用于显示的VGA接口，以及2个用于CF卡存储数据的IDE接口。Ali 被选中实现具有三个 USB 接口的 PCI 转 USB 控制器。M5273，转VGA控制器+ SM712和PCI转IDE控制器，单芯片上有2个IDE接口。直接挂在 PPC 405EP 的 PCI 总线上。
3.2.2 通信电路
根据来文
PPC 405EP处理器的端口，设计了以太网和RS-485通信的外围电路，其中以太网通信用于监控网络中的数据包，并选择外围设备。采用RS-485通讯与GSM模块接口，根据预设故障等级，将超限故障信息以短信形式发送到相关人员的手机，使用通讯收发器。为了提高通信质量，采用光电隔离器件进行隔离。选用独立的CAN通讯控制器，实现CAN通讯。由于 PPC 405EP 的读写时序不完全兼容，因此必须转换 PPC 405EP 的读/写时序。主要包括地址数据复用总线、地址锁存信号ALE、读（RD）信号、写（WR）信号和片选信号（CS）的变频。PPC 405EP 器件的高 8 位数据线、读取 （POE）、写入 （PWE） 控制线、片选信号和低 8 位地址线都连接到 CPLD。在CPLD中完成PPC 405EP地址线和控制线组合的逻辑解码。VHDL代码可用于符合读取和写入时序。以下是VHDL程序代码。
此外，PPC 405EP 是 3.3 V 器件，需要通过电平转换器进行隔离，以便无缝连接到 5 V。电平转换器被添加到CPLD和另一个CPLD之间。图2显示了CAN通信的外围电路。使用CAN通信收发器以及隔离。除了完成逻辑解码外，系统中的 CPLD 还充当 PPC 405EP 的外部看门狗，在 CPLD 内部计数器溢出之前清除 CPLD 计数器。由于所需的资源很少，CPLD采用公司就足够了。
3.2.3 串行时钟和电路
I2C 总线
选择接口时钟和存储器件，并将其连接到 PPC 405EP 处理器的 I2C 总线，如图 3 所示。它是公司生产的工业级实时时钟，具有低功耗和高精度的特点，使嵌入式系统的硬件主模板具有长期稳定的时钟信号。是用于存储的 2 KB 串行
把系统软件在运行过程中需要的重要参数放进去。如采样频率、故障报警等级等。
3.2.4 电源电源
是整个系统的重要组成部分，系统的不稳定因素或故障大多是由电源设计引起的。此设计使用 和 -1.8 分别产生 3.3 V 和 1.8 V 电源。是该公司的3A开关电源，其典型电路如图4所示。输入电压为 3 V~25 V。输出电压基于R1和R2的电阻值（通常固定电阻为10 kΩ），计算公式如下此外，PPC 405EP需要上电和断电的顺序：上电时，先需要V-core，然后是VI/O，
而断电需要先VI/O，然后是V-core。这里使用12 V直流电压进行同步输入，-1.8电压满足上述要求。
4 软件实现
4.1 内核驱动程序
Linux 将每个设备视为一个文件，也就是说，它可以使用读、写等系统来实现像文件一样的读写功能。先入为主。PPC 405EP平台的PPC Linux内核增加了CAN等外设驱动程序。本文以CAN驱动为例，简要介绍了Linux驱动的数据处理过程。
由于一个CAN帧的最大数据长度为8字节，以模拟采集板为例，当8个测量点同时失效时，通过CAN传输到PPC 405EP的数据帧必然会远不止一帧数据，然后需要在驱动器中解压成帧。因此，CAN驱动程序中的数据处理过程非常重要。其接收过程：当CAN控制器接收到
数据时，产生接收中断，启动接收中断处理程序的上部，将CAN控制器接收缓冲区中的内容复制到接收队列中无需任何处理，在中断处理的
下部完成解包和成帧，将处理好的帧放入帧队列中，最后用户使用系统调用从接收帧队列中读取一个完整的帧;发送进程：用户进程通过系统调用将任意长度的一帧数据传输给驱动，驱动中发送数据的程序按照协议将帧分段打包，放入发送队列，请求发送到CAN控制器。
4.2 应用
系统的应用软件由前台运行的系统管理程序和后台运行的网络监控数据分析程序两部分组成。程序的这两个部分是相互独立的，它们之间的交互是通过信号量和共享内存实现的。
虚拟机管理程序基于Qt。Qt是一个跨平台的C++图形用户界面库，支持Linux平台。系统管理程序主要完成报警文件浏览、文件复制、采集参数管理、磁盘（CF卡）更换、报警参数管理等人机交互功能。由于Qt基于C++，而Linux基于C，因此在Linux下访问用户功能时，需要使用关键字“C”声明Qt。
守护程序主要在嵌入式 PPC Linux 下开发。该系统的任务分为：CAN通信、网络监控和数据包分析。线程之间的数据共享受互斥锁保护，以避免陷入死锁。为了增强设备的通用性，根据现场的实际需要，提前将测点设备的相关信息写入XML文件，并在系统启动时先读取文件内容，初始化监测分析程序的配置。工作流程图如图 5 所示。
5 结束语
该处理器具有低功耗、低成本、高性能的特点，本设计完全采用PPC 405EP内置的各种外围组件接口，简化设计，降低成本。该监测装置已应用于变电站的设备监测，运行效果良好。
微信扫一扫打赏
支付宝扫一扫打赏
