基于嵌入式技术远程终端设备的开发与应用

2010-10-22汤小娇雷振山

河北工业大学学报 2010年5期

汤小娇，雷振山

（唐山学院唐山市机电一体化重点实验室，河北唐山 063000）

嵌入式系统是软硬件可裁剪的专用计算机，应用在测控技术领域不仅能够发挥计算机技术的各种优势，而且具有功耗低、体积小、可靠性高和适应性强等特点．嵌入式计算技术在测控系统中应用的主要形式是根据生产现场的不同情况，量体裁衣的开发最适用的远程终端设备（RTU——Remote Terminal Unit）．RTU集信号调理、数据采集、分析报警、远程通信、过程控制功能于一体，进行设备状态信息采集、生产工艺参数监控和产品计量检验．近几年来国内一些高等院校和科研院所在嵌入式计算技术方面开展了深入研究并开发了一系列功能灵活，性能稳定，通信快捷的远程终端设备，可以嵌入各类仪器仪表或直接应用于工业过程，实现“分散测控，集中管理”的企业综合自动化系统模式．

本文以笔者实验室开发的直接面向工业现场应用并取得专利的一系列RTU为主介绍嵌入式系统在测控技术领域的应用．

1 设备状态监测RTU

机械设备的运行状况直接关系到企业的安全生产和经济效益．对设备状态进行监测，能够及时准确地发现设备的故障和隐患．传统的设备状态监测装置结构复杂、安装不便、电磁兼容性差，测量精度低．采用嵌入式计算机技术开发的设备状态监测专用RTU能够直接连接压电晶体加速度传感器和热电阻，结构简单、性能可靠[1]，如图1所示．

嵌入式系统常用的操作系统有WindowsCE、VxWorks、Linux等，其中最为流行的是Linux．因为Linux具有开放源代码、便于二次开发、内核精简、稳定性好、外部设备接口统一、免费授权等特点，因此设备状态监测RTU软件采用了Linux操作系统．

硬件采用Atmel公司针对系统控制和通信领域推出的工业级产品 AT91RM9200，AT91RM9200是基于 ARM920T核的6/32位RISC(Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机)微处理器．目前ARM系列微处理器占据32位RISC微处理器75%以上的市场份额，在工业控制、无线通讯、多媒体等领域得到广泛应用．ARM微处理器具有高性能、低功耗、内部集成丰富的外设资源、工作性能稳定和指令执行速度快、效率高等特点．

采用美国TI公司的3端子可调节稳压芯片TL317作为高精度的恒流源，使其输出4mA和2mA电流，分别为压电加速度传感器和温度传感器供电．模数转换芯片采用美国 ADI公司的12位、16通道逐次逼近型AD7490，最大转换率是1MSPS（Millionsamples per second，每秒钟百万次采样）．AD7490带有高速串行接口SPI（Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口），AD7490和AT91RM9200通过SPI总线进行数据传输．

RTU采集到的数据，通过以太网传送给上位机进行处理．以太网接口电路主要由以太网MAC控制器和物理层接口两部分组成，AT91RM9200集成有MAC控制器，兼容IEEE802.3标准，提供10/100Mbps以太网接入，具有对网上数据帧的控制功能，带 DMA接口，支持媒体独立接口（MII）．选用 DAVICOM 公司的DM9161E作为物理层接口芯片，支持10M和100M以太网传输，起到编码和译码输入输出数据的作用．

RTU采用模块式插接结构，CPU、存储器和网络通信部分构成基础板，信号调理和数据采集部分构成扩展板．对于不同的应用只需要以很小的成本更换扩展板和修改软件，因此具有极大的灵活性和可扩展性．

图1 设备状态检测RTU原理Fig.1 Principle of device status monitoring RTU

2 输油管道泄漏监测专用RTU

输油管道是重要的原油运输工具，但是由于管道老化、地理与气候环境的变化以及人为损坏等原因，泄漏事故经常发生，不仅造成巨大经济损失和资源浪费，而且还会带来安全和环境问题．

当管道某处突然发生泄漏时，泄漏处将出现瞬态压力突降，形成一个负压波．该负压波以一定的速度向管道两端传播，经过若干时间后，分别传到上下游．如果能够准确确定上下游端压力传感器接收到此压力信号的时间差，根据负压波的传播速度就可以确定泄漏点，在监测输油管道压力变化的同时，采集流量和温度的变化，进行综合分析可以排除站内正常人为操作等因素对管道泄漏判断的干扰．RTU结构如图2所示．

来自输油管道的温度、压力信号经过滤波后进行模数转换．流量信号是脉冲序列，经过光电隔离和波形整理后进行计数．流量脉冲信号计数采用LD82C54芯片．LD82C54芯片内部具有3个独立的16位计数器，可在程序中设置成多种工作方式，按十进制计数或二进制计数，最高计数速率可达10MHz．AT91RM9200微处理器控制数据采集并将接收到的数据经计算机网络或无线公用网络送入远程监控的上位机．设备内部具有CDMA无线数据传输模块，传输数据时自动拨号，断线后重拨，保证长期在线．

在负压波法定位泄漏点时，根据泄漏定位公式

图2 输油管道泄漏监测RTU原理Fig.2 Principle of oil pipeline divulging monitoring RTU

数据采集器安装在监控现场，位于监控室的上位机接收管道沿线各站发送的压力、流量和温度数据，通过分析这些特征量判断管道的安全状况，发现泄漏时自动确定泄漏点位置并进行报警．上位机采用美国国家仪器（NI）公司的LabVIEW软件开发平台，开发图形语言的应用程序接收数据并做相关分析，显示带有GPS时间标记的压力信号和温度、流量值．

3 爆破振动监测专用RTU

爆破振动测试对于保证爆破安全、研究爆破规律具有重要意义．

进行振动测试时，需在爆破产生的振动所波及的范围内布置多个测试点，每个测点布置一RTU[4]，采集的数据保存到移动存储器．用笔记本电脑做采样控制器，通过无线数据传输模块发布数据采集指令．数据采集结束后将移动存储器连接到笔记本电脑，将数据提供给信号分析软件得到爆破测试的结果．

爆破振动监测RTU原理如图3所示．微处理器采用AT91RM9200．模数转换采用两片双通道同步、16位分辨率、1MS/s采样率的AD7655AST芯片，可以连接1个3向振动传感器和1个声音传感器[5]．采用CPLD（Complex Programable Logic Device复杂可编程逻辑器件）控制数据采集．采集的数据写进FIFO（First Input First Output先进先出）存储器．微处理器由FIFO读取数据，从GPS卫星接收机读取时间信息，附加到振动数据上，然后将带有时间标尺的数据通过V2.0标准的通用串行总线存入移动数据存储器．

采样控制器和RTU都装有无线数据传输模块，采用无线数据通信方式启动数据采集，保证各测试点在爆破开始前的瞬间同时开始数据采集，避免因外界环境干扰造成误触发或丢掉振动波头的重要信息；充分利用数据存储空间；并可以保证操作人员安全．

AD7655AST芯片为双通道同步，再由CPLD芯片控制两片AD7655AST芯片的同步，从而实现RTU内部的4通道同步数据采集，实现精确测试3个不同方向振动的相位关系．

采用GPS卫星信号控制各个RTU之间同步采集数据，记录的波形要带有精确的时间标尺，便于查找不同振幅所处的时刻．数据采集完成后通过软件读取各个数据存储器的数据，按照时间标记对齐，可以得到任意时刻爆破振动的波形及其传播与分布的信息，准确掌握爆破振动地震波的传播特性．

图3 爆破振动监测RTU原理Fig.3 Principle of blast vibration monitoring RTU

4 嵌入式煤矿安全生产远程监控系统

煤矿的安全监控系统是保证安全生产的关键环节．矿井远程监控系统由井下分站、井上本地监控系统和PC机远程监控端3部分组成．井下分站负责采集井下环境参数，主要包括井下各类传感器信息（如瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、温度、湿度、粉尘、压力等）；开关量信号主要包括现场设备控制信息（如风机启、停状态等）．所有采集到的模拟信号经A/D转换、开关量信号经滤波及光电隔离等预处理后送入ARM微处理器，并通过以太网接口送给地面监控主站;同时接收地面主站下传的控制信息，控制井下相关设备的启、停等动作．井上本地监控系统负责采集井下分站数据和间接控制井下设备，并为井上工作人员提供相关信息，通过GPRS网络与PC机远程监控端数据通信，使远程工作人员及时了解井下环境，在环境发生突变时，应向相关领导发送短消息，让他们及时做出处理决定[6]．基于嵌入式系统的矿井远程监控系统结构如图4所示．

基于嵌入式系统的煤矿安全监测RTU通信可靠，保证了数据采集分站与井上监控中心的高速率通信，系统稳定，可扩展性强，并能适应井下恶劣的环境条件，有利于提高煤矿安全监控技术水平．

图4 矿井远程监控系统结构Fig.4 Schematic drawing of mine remote monitoring system

5 嵌入式电能在线监测系统

随着国民经济的发展，用电负荷日趋复杂和多样化，一些具有非线性、冲击性、不平衡负荷特征、谐波严重的应用设备，都会不同程度地影响供电网，导致出现电气环境污染、威胁电网安全运行、损坏用户设备等情况．我国迄今为止已颁布了6项电能质量指标的国家标准．近几年为了构建全国城市电网系统的数据监测、控制和生产管理，有关单位和科研院所提出了基于嵌入式计算技术的电能质量监测仪作为系统监测网络中的RTU．目前流行的设计模式是采用双CPU结构，例如DSP+单片机，DSP+FPGA/CPLD，ARM+单片机，ARM+FPGA/CPLD，DSP+ARM等，通过双口RAM实现数据交换和协同工作．主从CPU相互合作完成数据采集、实时运算分析、存储和通信．例如89C52从CPU专门控制电流、电压信号的采集，完成电力参数的部分计算，并通过双口RAM将需要处理的数据传给ARM主CPU，ARM硬件则提供网络通信和人机界面功能，硬件组成如图5所示[7]．

这种嵌入式系统结构能将不同的任务合理地分配给不同的CPU进行处理，充分提高了系统的效率，从根本上解决了单CPU多任务、多线程实时处理的难题，在并行处理和实时采集数据方面具有明显的优势．

6 结论

随着工业信息化进程的加快，嵌入式技术研究不断深入，嵌入式系统得到迅速发展，以RTU为代表的应用日益广泛．这些RTU比传统的PLC具有更加丰富和灵活功能，可以实现更高的智能；比普通工业控制计算机具有更可靠的性能、更低的成本、更小的能耗、更强的适应性，对实现高新技术产业化的同时促进传统产业信息化具有意义重大．