基于ARM的智能配电房通信管理机设计

刘姜涛 ，邓其军，聂明媚，刘震宇

（1湖北第二师范学院 物理与电子信息学院，武汉430205；2武汉大学 动力与机械学院，武汉430072；3江西省电力公司赣西供电公司，新余338025）

当前我国大多数配电房中的配电系统（特别是低压部分）没有实现智能化监控[1-6]，配电房现场数据无法准确、及时地被上传到供电公司运行监控部门，导致配电房突发事件无法得到及时处理。为了配合佛山供电局，把依云水岸第三期项目建设为智能用电小区，此小区采用低压配电自动化终端DTU对现场的配电站（房）内的自动化设备进行数据采集（遥测、遥信、遥控）、报警、状态监视、事件顺序记录、趋势曲线、事故追忆、历史数据存储和制表打印等。该文结合此科技项目的需要，设计了一种基于ARM和Linux操作系统的配电房通信管理机，并于2013年被相关单位投入使用。

1 通信管理机的硬件结构

本文设计的通信管理机硬件主要由电源板、ARM核心板、底板三部分组成，其硬件结构如图1所示。其中，ARM核心板集成了三星S3C2440的ARM9架构微处理器及存储器等外围电路；底板用于连接ARM核心板，并扩展通信接口[7-8]；电源板为整个管理机提供5 V电压的电源。

图1 通信管理机硬件结构图Fig.1 Hardware structure chart of communication manager

1.1 ARM核心板

ARM核心板选用天嵌科技的TQ2440核心板。该核心板除了集成三星S3C2440的ARM9架构微处理器外，还集成有256 MB Nand FLASH及64 MB SDRAM，并通过192针的DC-2.0双列直插接口来实现处理器与外部的总线的连接。选用该核心板，能够极大地简化硬件设计[9-11]，从而，只需专注于底层通信接口的设计。

1.2 底板232串口通信

ARM核心版提供有三路UART通信。利用这三路UART模块，在底板上选配3.3 V隔离电源F0303S-1WR、高速光隔 HCPL601、双通道 RS-232线路驱动器/接收器MAX3232，即可得到3路5针RS-232通信接口。

1.3 底板485串口通信

为扩展串口通讯的端口数量，选用了SC16C554B芯片进行并口/串口通信转换。该芯片是4通道通用异步接收器和变送器，其主要功能是将串行数据转换成并行数据，反之亦然，可以处理的UART串行数据率高达5 Mb/s，每个通道具备收/发独立的16 BYTE FIFO，其中还能通过DMA中断来触发该数据传输模式，每一路都有对应的中断源。

通过SC16C554B扩展得到4路串口收发通信后，还需要选用八位总线收发器SN74HC245N实现数据并行总线与串行总线的隔离，防止外部串口通信带来的信号干扰，保证核心芯片的稳定性和通信的稳定性。

从SN74HC245N出来的每路信号，还需要再外接高速光隔HCPL601和RS-485收发器SN65HVD12，即得到4路RS-485收发端口。

1.4 底板网络通信

网络通讯主要由单芯片快速以太网MAC控制器DM9000、网络隔离器HR1102和RJ45网络接口变压器13F-60FGYDPNW2实现。其中，HR1102主要用于信号电平耦合。其一，可以增强信号，使其传输距离更远；其二，使芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，而且对芯片增加了很大的保护作用（如雷击）；其三，当接到不同电平（如有的PHY芯片是2.5 V，有的PHY芯片是3.3 V）的网口时，不会对彼此设备造成影响。

2 通信管理机的软件设计

2.1 管理机软件的分层架构设计

通信管理机软件采用分层设计的方法[5]，主要由以下三层组成：设备操作层、电力规约应用层、实时数据存取层，如图2所示。

图2 通信管理机软件分层架构Fig.2 Software layered architecture of communication manager

在图2中，设备操作层提供对各种硬件接口的直接操作，并为电力规约应用层提供统一的API接口函数。这样，设备操作层在进行数据收发时，只需要调用相应的API接口函数，而不需要考虑具体的硬件实现。

实时数据存取层提供一个共享内存区，用以存储从各种设备采集到的遥测、遥信、SOE事件等实时数据，以及上位机对这些设备的操作指令。例如，通信管理机从DTU、配变计量终端、微气象站采集到数据，都会保存到这个共享内存区，并定期、或在上位机召唤时、或在数据值改变时，通过某个网络端口，以104规约上发。

电力规约应用层按类型可分为通用电力规约（如101规约，104规约等）和自定义规约。通用规约在Linux环境下，通过C++语言编程，编辑成库文件，下载到ARM板使用。自定义规约由运行在上位机的规约配置管理工具软件进行定义后，生成相应的规约定义XML文件。系统运行时，会对这些XML文件进行解析，形成自定义规约。

2.2 电力规约应用层对报文的处理流程设计

硬件接口层与数据存储层的信息交换主要是通过报文[12]交换。这类信息交换具有突发性（报文到达时间不能预知）和异步性（对同一信息的不同操作有选择限制而不能同时进行）两个显著的特点。

为此，设计一个规约基类，用报文组装、报文发送、报文提取、报文分析、数据存储等几个粗象函数来描述规约的处理流程。具体的规约类则从规约基类来继承，并完成对上述几个粗象函数的具体实现。

一个具体规约类的处理流程如图3所示。

图3 一个规约类的处理流程Fig.3 Processing flow for a protocol class

（1）初始化

打开相应的端口；初始化规约参数（如信息体地址长度等）；根据遥测、遥信、遥控量的点数，创建相应长度的共享内存区。

（2）报文组装

根据上一步报文分析的结果（如需要将遥控指令下达到下位机），从共享内存区提取数据，进行报文组装（当然，如果没有需要组装的报文，则进入下一步流程）。

（3）报文发送

将组装好的报文，发送给目标端口（如果没有组装好的报文，则转入下一步操作）。

（4）报文提取

对端口接收缓冲区未提取的字节进行分析，如果符合该端口对应的规约的报文格式，则进入报文分析步骤；如不符合规约格式，则重新循环提取，直至报文合格或没有未提取的字节。

（5）报文分析与数据存储

如果第（4）步得到了一帧完整的报文，则根据规约的分类，和该帧报文的内容，进行分析，提取该帧报文中的点号及点号对应的遥测、遥信和遥控值，并按点号存储到共享内存区。

这种分层模块化的系统设计体系结构最大限度地减少了系统各个部分之间的耦合，进一步提高了系统的灵活性和可靠性。而且内核层软件和应用层软件的耦合度比较低，便于调试和维护。

3 系统的应用

本通信管理机应用于南方电网公司某智能用电小区科技项目。该项目采用低压配电自动化终端DTU对小区4个配电房电量及气象进行监测。其中一个配电房中所使用的通信管理机的各端口连接的设备、测点及协议包括：

（1）RS-232 端口 COM1，配置为采集端口，连接变压器测温监测系统，1路遥测量；自定义协议；

（2）RS-232 端口 COM2，配置为采集端口，连接高压开关温度监测系统，1路遥测量；自定义协议；

（3）RS-232 端口 COM3，配置为采集端口，连接微气象系统，两路遥测量；自定义协议；

（4）RS-485 端口 COM4，配置为采集端口，连接3台DTU，合计42路遥测量，20路遥信量；101协议；

（5）RS-485 端口 COM5，配置为采集端口，连接1台是配变计量终端，合计10路遥测量；广东电网公司配变监测计量终端通讯规约（0903版）；

（6）网络端口NET1，连接到网络交换机，配置为转发端口，上传46路遥测量，20路遥信量；104规约。

4 结语

本文设计的管理机系统在相关单位的使用过程中，表现出以下优点：规约可扩展性强。系统除自带有电力系统常用的101、104等规约外，还能够通过自定义规约的方式来扩展规约类型，极大方便了与非标准设备的通信；端口规约配置方便。该系统所支持的电力系统通用规约只有101、CDT、104等几种，对DNP、MODBUS等接入方式还有待开发。

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