基于ARM 与FPGA 的电力电源一体化监控装置

贺渊明，王振华，吴双惠

（许继电气股份有限公司 技术中心，河南 许昌461000）

随着现代电力行业的集成化、信息化、智能化的发展趋势，电力系统要求站用交流电源、直流电源、通讯电源、UPS 电源、逆变电源等不是再作为分散独立的系统，而是作为一个整体进行集中监控与管理[1]，这就需要一种监控装置适用于电力电源系统一体化的需求。

1 系统总体架构

作为交直流一体化电源系统的集中监控管理单元，该装置不仅可以同时监控站内各设备，还可通过IEC61850 规约与变电站后台设备连接，实现对一体化电源系统的集中、统一、远程监控维护管理[2]。 装置在系统中的连接示意图如下图1 所示。 因此，该一体化监控装置需要有多路485 通信、CAN 通信和以太网通信。 为了满足该装置现场运行情况复杂性的需求，本文提出了一种基于ARM 和FPGA 的设计架构，该方案可根据现场的不同情况，灵活配置通信端口和开入开出节点。

本装置的显示部分为10 寸全彩色LCD 显示触摸一体屏，外部接口有4 路RS-485，1 路RS-232，2 路CAN2.0，1 路GPS-B 码对时，1 路USB2.0，2 路10/100M RJ-45 端口。 装置通过各485 总线和CAN 总线采集下游装置信息，汇总后通过RJ-45 上传后台监控主站， 装置也可以对采集的数据进行保护运算处理，根据合适的判据进行相应的动作。 总体结构图如图2 所示，本系统的难点在于灵活多变的多功能模块的统一实现。

图1 本装置在系统中的应用示意图Fig. 1 Application schematic of this device in the system

2 主芯片及接口方案设计

图2 电力电源一体化监控装置总体结构图Fig. 2 Structure diagram of the electric power monitoring device

装置所用的主处理器为TI 公司基于ARM Cortex-A8 的芯 片AM3359，FPGA 采 用XILINX 的Spartan-3 系 列 芯 片XC3S250E。主处理器AM3359 采用了德州仪器新一代ARM CortexTM-A8 架构，内置有：高达720 MHz 的ARM Cortex-A8 32 位RISC 微控制器（包含有NEON SIMD 协处理器），支持mDDR(LPDDR)/DDR2/DDR3，支持16 位ECC 的通用存储器（NAND，NOR，SRAM 等），SGX530 3D 图形引擎， 最高 支持WXGA (1366x768) 分辨率、24 位RGB 数据输出的LCD 控制器，两个可编程实时单位子系统PRUSS，RTC，两个具有集成PHY 的USB 2.0 高速OTG 端口，2 个支持10/100/1000 的工业用千兆以太网MAC，2 个控制器局域网端口 (CAN)，6 个UART，2 个McASP，2 个McSPI，和3 个I2C 端口，一个12 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，3 个增强型高分辨率PWM 模块，其功能框图如图3 所示。

图3 AM3359 功能框图Fig. 3 Structure diagram of AM3359

接口芯片采用的FPGA 是XILINX 公司的Spartan-3E系列芯片XC3S250E。 Spartan-3E 现场可编程门阵列家族是为满足对成本敏感的大量应用需求而特别设计的， 是取代掩膜编程ASIC 的最佳选择。 FPGA 避免了高昂的初始成本，过长的开发周期，和常规ASIC 固有的不灵活。 同样，FPGA 的可编程能力允许现场进行设计升级，不需要替换任何硬件，这都是ASIC 所不具备的。 正是由于FPGA 芯片灵活多变的特性，使得CPU 和FPGA 之间交换数据的信息量比较大，需要设计专门的数据接口通道。

本方案的CPU 与FPGA 芯片互联采用的是并行总线架构[3-4]，ARM 芯片的GPMC 标准总共有8/16 位地址和数据非复用模式、16 位地址/复用模式和8/16 位NAND 设备模式，本方案采用的是16 位地址/数据复用方式， 连接模式如下图4所示。 相对于其他几种模式，地址/数据复用方式的优点在于用相对较少的信号线实现较大带宽的数据吞吐量和较快的响应时间。

图4 CPU 与FPGA 互联的并行总线方式示意图Fig. 4 Communication link between CPU and FPGA

对于Cortex-A8 来说，需要将GPMC 模块配置为16 位数据/地址复用模式，除了将管理控制信号引出以外，再将相应的数据/地址复用信号GPMC_AD[15:0]引至FPGA 芯片即可。Cortex-A8 就可以正常按照GPMC 模式来访问FPGA 芯片。

3 各模块实现方案

本方案中各功能模块较多， 包括常见的RS-485，CAN，DDR，NAND Flash 等，也包括比较特殊的部分，如采用RvMII的以太网交换芯片，采用数字隔离的触摸屏驱动芯片等。本文仅就部分特殊模块做如下介绍。

以太网部分：由于Cortex-A8 芯片管脚较为紧张，所以各管脚的信号复用情况较为复杂，因此，本方案只能采用MII 模式与以太网交换芯片互联，以太网交换芯片需配置为RvMII 模式，通过100M 以太网外扩4 路RJ-45。其中，RvMII 模式需要注意是，所有的收发信号线是对接的，与常用的GMII，RMII， RGMII 等不同。 具体连接方式如图5 所示。

图5 与ARM 互联的RvMII 模式Fig. 5 RvMII mode of ethernet switch

触摸屏驱动部分：由于本装置的应用场合为电力自动化领域，为了应对国标GB/T17626 的各实验规范，装置的各接口部分需要进行特殊的保护处理， 特别是触摸屏部分的静电放电实验。

由于电阻式触摸屏的驱动原理是AD 转换[5-6]，因此，触摸屏驱动电路的保护就可以分为两个方面， 隔离模拟量或者隔离数字量。本方案的处理思路是隔离数字部分，在模拟部分增加磁珠和TVS 保护。 详细的方案设计如图6 所示。

图6 触摸屏驱动及静电防护方案Fig. 6 Circuit of touch screen driver and electrostatic protection

4 结束语

本方案以ARM 与FPGA 双核为主芯片，利用ARM 稳定性好、外围接口丰富的特点，用来实现数据的分析、处理和传输，同时，利用FPGA 在逻辑控制和接口灵活性方面的特点，来实现数据采集、开入开出和液晶控制等功能。 整个装置因此具有丰富且可灵活配置的外围接口，可以很好的满足电力电源一体化监控项目的需要。

[1] 焦国锋,雷宏.智能变电站交直流一体化电源系统的研究与应用[J]. 陕西电力,2010(10):37-40.

JIAO Guo-feng, LEI Hong. Study and application of AC&DC integrated power supplies for intelligent substations [J].Shaanxi Electric Power,2010(10):37-40.

[2] 樊陈,倪益民,窦仁晖, 等.智能变电站一体化监控系统有关规范解读[J].电力系统自动化,2012(19):1－5.

FAN Chen,NI Yi－min,Dou Ren－hui,et al.Interpretation of relevant specifications of integrated supervision and control systems in smart substations [J]. Automation of Electric Power Systems, 2012(19):1－5.

[3] 费继友,周茉. 基于ARM+FPGA的嵌入式数控装置设计[J].制造技术与机床,2010(12):61－64.

FEI Ji－you, ZHOU Mo.Design of embedded CNC device based on ARM+FPGA [J].Manufacturing Technology & Machine Tool,2010(12):61－64.

[4] 聂明星,蒋新华,李光炀,等.基于ARM－FPGA的NURBS插补嵌入式平台研究[J].计算机工程与应用, 2014(6):261－264.

NIE Ming－xing，JIANG Xin－hua，LI Guang－yang，et al. Embedded platform of NURBS interpolation based on ARM－FPGA[J].Computer Engineering and Applications,2014 (6):261－264.

[5] 郑戍华,王向周,南顺成,等.电阻式触摸屏在智能仪表中的应用[J].仪表技术与传感器, 2003(1):35－37.

ZHENG Shu－hua,WANG Xiang－zhou,NAN Shun－cheng,et al.Application of resistive touch screen in the intelligent instrument [J].Instrument Technique and Sensor,2003(1):35－37.

[6] 张耀麒.应用于电阻式触摸屏的ADS7846控制器[J].电子科技,2006(9):49－53.

ZHANG Yao－qi.The ADS7846 controller used in the resistive touch screen[J].Electronic Science and Technology, 2006(9):49－53.