基于ARM与FPGA的电力电源一体化监控装置

摘要：为了满足电力电源系统中复杂应用场景的一体化监控需求，文中提出了一种硬件设计方案。本方案基于TI公司的AM335x系列ARM Cortex-A8处理器和XILINX公司的Spanan-3系列的FPGA芯片，重点介绍了ARM与FPGA通信互联以及其他特殊功能模块的实现方法。实验结果表明本硬件系统有应用价值高、性价比高、稳定可靠、灵活多变等优点。

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，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。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。

2 主芯片及接口方案设计

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XIUNX的Spartan—3系列芯片XC3S250E。主处理器AM3359采用了德州仪器新一代ARMCortex—A8架构，内置有：高达720 MHz的ARM Cortex—A832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。

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，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。

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。

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，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。

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。