智能电网设备网络通信性能的便携式测试装置研究

引 言

智能电网通过电力设备和测量技术实现电网的可靠、安全、经济、高效使用与电能资源的高度智能化调度 [1-2]。由于智能电网的运行需要接入电力系统的设备间进行信息共享，因此接入电力系统的设备需要具备良好的网络通信性能。在变电站对接入电力系统的电力设备网络进行性能测试是变电站运行过程中必须面对的问题。

针对电力设备网络性能的测试问题，目前许多专家和学者做了诸多研究工作。早期的性能测试方法主要建立在操作人员通过电话进行交流测试的基础上，在网络通信信息大幅增长的发展现状下，这种人工测试方法无法满足测试需求。文献 [3] 通过 LabVIEW 软件构建了自动测试系统，文献 [4] 通过计算机建立了基于计算机的报文分析系统。上述两种测试方法需要建立在计算机基础上，在使用过程中无法实现便携式移动。文献 [5] 给出了基于 FPGA 的报文分析设计方法，文献 [6-7] 给出了基于单片机的电力系统接入设备的网络通信性能测试方法。基于 FPGA 和单片机的设计方法虽然可以将测试设备设计成便携式，但这两种设计方法在实现过程中，网络通信、显示数据、命令发送所对应的软件设计和硬件设计过程较为复杂，所建立的人机接口亦复杂，且操作不便。

集成电路制造技术的发展，使得片上系统得到快速推广。基于 ARM 公司生产的拥有 ARM 内核的嵌入式处理器具有丰富的片内外设资源，可为便携式系统的设计提供优质的硬件平台。同时，嵌入式实时操作系统在嵌入式处理器上的应用，使得软件移植极为方便，极大地简化了应用系统程序开发的复杂性，提高了系统设计的效率。基于操作系统的嵌入式处理器为智能电网中的电力网络设备自动化性能测试装置的设计提供了新的思路。本文基于嵌入式处理器的硬件资源， 以及嵌入式实时操作系统的优点，设计了一种智能电网设备网络通信性能的便携式测试装置。

1 硬件设计方案

所建立的系统主要包括嵌入式 CPU、网络接口模块、触摸屏、电源变换模块等。

嵌入式 CPU 采用韩国三星公司设计的精简指令集— 嵌入式处理器 S3C2440，系统时钟设置为 400 MHz。片上资源如下。

（1）1.2 V 内核供电，1.8 V/2.5 V/3.3 V 储存器供电，3.3 V外部 I/O 供电。

（2）具备 16 KB 指令缓存和 16 KB 数据缓存。

（3）LCD 控制器（ 最大支持 4K 色 STN 和 256K 色TFT），提供 1 通道 LCD 专用 DMA。

（4）触摸屏接口。

（5）130 个通用 I/O 口。

（6）具有 PLL 片上时钟发生器。

网络接口模块的核心为 DM9000 芯片。该芯片是一个集成的以太网 MAC 控制器，网路接口模块的具体设计如图 1 所示。外部网络设备通过网线，借助RJ 45 接口建立网络连接。HR1102 是网络通信隔离器，在通信过程中，对处理器进行保护。DM9000 的工作受 S3C2440 的控制，其 8 位数据总线可直接与 S3C2440 的 GPIO 端口相连。

系统采用电阻触摸屏，该触摸屏是系统输入和输出的人机接口。电阻触摸屏含有触摸输入功能和 LCD 显示功能， 触摸功能主要通过检测 LCD 屏电阻薄膜上两种导电层是否接触来判断触摸位置。触摸功能对应的信号线与 S3C2440 的内置触摸屏控制接口信号线连接。LCD 的功能通过 S3C2440 的内置 LCD 控制接口实现。在硬件设计过程中，相应的数据线和控制线需要对应连接。

图 1 网络接口模块设计原理

电源变换模块的主要功能是提供系统工作所需的电压， 具体设计如图 2 所示。为了实现系统所需电源的输出，采用二次变换设计，首先通过 220 V 转 5 V 电压模块将输入的市电转换成 5 V 直流电压，然后分别采用电源变换芯片AMS1117-3.3，AMS1117-2.5，AMS1117-1.2 转换成系统所需的 3.3 V，2.5 V，1.2 V 电压信号。

2 软件设计方案

在上述所设计的硬件平台基础上，软件开发使用嵌入式操作系统 WinCE 6.0 实现。WinCE 6.0 是微软公司开发的窗口嵌入式实时操作系统，具有如下特点 ：

（1）提供丰富的驱动程序，方便地完成嵌入式系统应用程序的开发 ；

（2）采用 IDE 集成开发环境进行程序开发，方便配置嵌入式系统 ；

（3）具有强大的网络通信接口，方便与其他设备完成网络通信程序的编写 ；

（4）与 Windows 操作系统具有较好的兼容性，为开发人员提供便利 ；

（5）所编写的程序基于窗口操作，方便操作人员操作 ；

（6）用户界面的图形化设计较为方便，具有良好的人机接口。

软件功能主要通过按钮和对话框的设计模式实现。通过触摸屏点击按钮和对话框，可以实现相应的控制信息设置和发送命令设置。接收到的信息通过对话框显示，使操作人员方便分析所接入设备的网络通信性能。

所设计软件的具体功能如下。

（1）系统初始化。主要完成嵌入式处理器 S3C2440 外设资源以及外部资源的配置，包括存储空间的分配、触摸屏的初始化、中断设置、所用变量的初始化。

（2）IP 地址设置。在网络通信过程中，参与通信的双方需进行 IP 地址设置，以便进行点对点通信。

（3）数据发送功能。发送的信息需通过触摸屏设置，设置完成后，通过点击发送按钮发送信息。数据发送后，会在相应的对话框显示。

（4）数据接收功能。接收到的数据经过解析后，会在相应的对话框中显示。

（5）数据保存功能。通过点击按钮，相应对话框中显示的数据将以 txt 文件的方式存放到存储器中。

3 实物装置

依据上述设计方案，所设计的实物装置机械尺寸如图 3所示。整体结构采用铝型材加工，正面只有 1 个触摸屏安装空间。装置对外的接口如图 4 所示。其中，网络接口用于硬件装置与电力系统设备的网线连接，即网线插口 ；输入电源用于为装置供电，带有电源开关。

4 结 语

结合电力系统接入的网络设备通信性能测试，本文建立了一种便携式测试装置设计方法。硬件以基于 ARM920T 内核的嵌入式处理器为基础进行设计，软件基于 WinCE 6.0 嵌入式实时操作系统开发，通过触摸屏建立良好的人机接口。该装置能够为电力系统网络设备通信性能的自动测试提供较好的平台。