摘要:为适应电网监测提出的网络化、信息化和标准化等新要求，提出了一种新的B／S模式下电网参数远程监测实现方案。采用专用的三相电能计量芯片能满足电网监测对计量精度和实时性的技术要求。在ARM9上构建嵌入式Linux平台，移植一个支持CGI功能的Boa服务器实现远程动态网页的监测页面，并且移植了嵌入式数据库SQLite。Internet作为系统的通讯方式，客户可以在远程IE浏览器对电网参数进行实时的监测，而不需要安装专门的客户端软件。
关键词:电网参数远程监测 B/S模式 Boa服务器 嵌入式数据库 IE浏览器
中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2011)10(b)-0000-00
Remote Monitoring System of Electrical Network Parameter Based on ARM
Liang Yong, LIU Yongming, LIU Gang
( Liaoning Tianxin Engineering Design And Consulting co.,Ltd Fuxin 123000, Liaoning)
Abstract: In order to meet the power monitoring network, and standardization of information and other new requirements, a new remote monitoring of network parameters under B / S mode was proposed to achieve the program. The special-purpose three-phase electrical energy measurement chip was used to be able to satisfy the electrical network monitor to the measuring accuracy and the timely specification. Embedded Linux platform was built in the ARM9, transplants a Boa server which support the CGI function to realize remote monitoring of dynamic web pages, and embedded database SQLite was transplanted. Internet as a system of communication, customers can use remote IE browser realize the remote monitoring of Electrical Network Parameter on the real-time without the need to install special client software.
Key word: Remote monitoring of Electrical Network Parameter; B/S model; Boa server; Embedded Database; IE browser
对电网进行实时监控，及时得到现场的基本参数和运行状况，对电网的安全运行是非常必要的。目前电力系统规模越来越大,监测点越来越多，要求实现不同供电点甚至多个供电系统的集中监测。电能质量的监测在在线监测、实时分析的基础上，又提出了网络化、信息化和标准化的要求，这样传统的8位单片机就不能满足系统的需要。基于上述原因，本文提出了一种基于ARM的电网参数远程监测系统，通过Boa嵌入式Web服务器和CGI动态网页设计技术编写出适用于嵌入式远程控制网络运行的动态网页监控界面，从而使得远程用户不需要安装任何客户端软件就可以通过IE浏览器在Web页面上实现对电网参数的远程监测。非常方便实用，具有体积小，价格低，功耗低，稳定可靠的特点，为电网参数的远程监测提供了一个良好的解决方案。
1 系统总体结构
本系统以S3C2440A为核心,外围扩展了电网数据采集单元、LCD显示、按键、电源、存储器和以太网控制芯片等。在ARM处理器上移植Linux操作系统，利用它强大的网络功能构建一个Web服务器,通过网络用户可以在任何一个IE浏览器实现远程数据的采集和监测。如图1所示。主要功能有：采集现场三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、电量等数据。并具有液晶显示、按键、RS232/RS485等人机交互接口，方便现场操作。
本系统基于B/S模式来设计，采用三层结构实现。最底层为前端数据采集层，主要进行电网运行参数的数据采集。第二层为服务器层，主要对采集的数据进行接收和存储，并进行分析处理，然后以Boa为基础构建的嵌入式Web 服务器实现以网页形式提供给第三层的客户端。客户端通过IE浏览器与服务器进行交互，实现对电网的远程监测。
2 系统的硬件设计
2.1 电网数据采集模块
系统采用专用的三相电能计量芯片采集和处理由PT和CT获取的电网参数信息，通过SPI接口与ARM连接，进行数据的传递。相对于使用DSP的监测方案，采用专用的计量芯片具有较高的性价比，既能满足电网远程监测计量精度和实时性的技术要求，又满足处理复杂多任务的需要，而且其开发难度相对较低。
2.2 ARM微处理器
ARM是近年来在嵌入式系统有影响力的微处理器制造商，本系统选用基于ARM920T内核的S3C2440A，主频400MHz，最高533MHz，5级整数流水线，指令执行效率更高，提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。具有外部存储器控制器，LCD控制器，4通道DMA控制器，三通道UART，两通道SPI，有130个I/O端口和24路外部中断源，全性能的MMU，支持Windows CE、Linux等多种主流嵌入式操作系统，这一特性可以移植Linux系统和建立Web服务器。
2.3 系统存储器
系统存储器包括FLASH和SDRAM，配置了一片NAND FLASH (128M),两片32M 的三星SDRAM, 采用两片半字（half-word）SDRAM 器件共同组成一个32 位数据宽度的SDRAM 系统，提高了其与CPU 的通信效率。NAND FLASH存储模块掉电后信息不会丢失，用于存储启动代码、内核和文件系统。SDRAM是系统的内存，它不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于FLASH存储器，在系统中主要作程序的运行空间、数据和堆栈区。
2.4 网络通讯模块
系统选用了CIRRUS LOGIC公司的CS8900A建立网络接口。它是一款单芯片、全双工、全面支持IEEE802.3标准的高集成以太网控制器。CS8900A集成了片上4 KB RAM，10Base-T传输和接收滤波器，以及带24 mA驱动的直接ISA总线接口。CS8900A集成度高，拥有完整的以太网电路，这使它不再需要其他以太网控制器所必需的昂贵的外部部件。网络控制器发负责将监测数据发送到Internet，并把来自Internet的控制指令传送至ARM微处理器。
3 系统软件设计
操作系统(0S)是一种系统软件，通过在计算机硬件与计算机应用程序之间提供应用程序接口(API)，屏蔽了计算机硬件工作的一些细节，从而使应用程序在一个友好的平台上进行应用程序的设计和开发，提高了开发效率。应用在嵌入式系统中的操作系统就叫做嵌入式操作系统。嵌入式系统的软件一般只有操作系统和应用软件两个层次，如图2。
Linux操作系统是一种基于文件的操作系统，各种硬件也被当作文件来处理。在应用程序来看，因而应用程序可以使用和普通文件一样的系统调用(System Call，如open()，close()，read()，write()函数等)就能达到目的。系统的软件设计主要包括以下工作：
3.1 Bootloader的移植
Bootloader就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序, 类似PC机上常用的BIOS(Basic Input Output System)。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。本系统用到Bootloader是VIVI，是韩国三星公司开发的Bootloader，支持NAND FLASH启动，内置了丰富的命令。
3.2 Linux系统的移植
本系统选用Linux2.6内核在S3C2440A上移植。首先准备Linux2.6.14内核移植所必需的文件，然后对起代码进行修改，主要有：采用与处理器字长相匹配的数据类型和数据结构；修改与目标操作系统提供的API不一致的函数；针对目标操作系统特有的特点做处理。在编译内核前首先要修改根目录下的Makefile文件，然后进入配置菜单，选择需要的选项后运用Make命令编译内核生成内核镜像文件zImage文件，把这个文件通过烧写软件烧写到NAND FLASH中。
3.3 嵌入式数据库SQLite的移植
本系统中需要对大量的数据进行实时的采集和处理，进行交互的数据很多，需要移植嵌入式数据库SQLite。嵌入式数据库SQLite嵌入到了应用程序进程中，运行时需要较少的内存，消除了与客户机服务器配置相关的开销，对于嵌入式设备，其速度更快，效果更理想。SQLite在使用前无需安装设置，不需要专门的进程来启动、停止和配置，在系统崩溃或掉电之后可以自动恢复。使用SQLite时，访问数据库的程序直接对磁盘上的数据库文件进行读写，没有中间服务器进程。
3.4 嵌入式服务器的移植和配置
本系统使用的服务器是由Boa+CGIC构成。随着Internet 技术的兴起，基于Web 方式的应用成为目前在嵌入式设备的管理与交互中的主流，这种程序结构也就是B/S 结构。Boa是一款单任务的Web服务器软件，源代码开放，支持能够实现动态Web技术的CGI技术，速度快，性能优秀，特别适合应用在嵌入式系统中, 为每一个CGI 连接启动新的进程，实现了其速度快的特点。CGIC是一个功能比较强大的支持CGI开发的标准C库，并支持Linux, Unix 和Windows等多操作系统。
3.5 CGI程序的编写
CGI提供了一个外部应用扩展应用程序与WWW服务器交互的一个标准接口，Web服务器通过CGI程序实现和浏览器的交互，也就是CGI程序接受浏览器发送给Web服务器的信息进行处理，服务器接收到用户的请求，会收集客户所提供的信息发送给指定的CGI扩展程序，CGI扩展程序进行信息处理并将结果返回服务器回送给Web服务器及用户浏览器。如图3所示。CGI最常用的方法是用C语言来编写，但开发像CGI这种需要大量进行字符串操作的程序，这里使用可复用的CGIC库来支持快速高效的开发CGI程序。
4 结语
电网参数的实时监测实现对电网的主动监视、测量，为电能质量分析提供了重要的前提条件。本文从硬件和软件两个方面实现了基于ARM的电网参数远程监测系统，具有一定的实用价值和创新性。实验结果表明本系统可以通过远程IE浏览器对电网参数进行实时的监测，并且可以查询历史数据。克服了以往系统以单片机为控制器的硬件资源受限、不易网络化等缺点，因而具有重要的现实意义和泛的推广价值。
参考文献
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