智能电网设备网络通信性能的便携式测试装置研究

江星华 周立中 何锋

摘 要：智能电网以优良的性能服务于国民生产，主要依靠接入电力系统设备间的网络通信。便携式电力设备的网络通信性能测试对于智能电网的运行具有重要意义。以嵌入式处理器为核心，提出了一种智能电网设备网络通信性能的便携式测试装置的设计方法，对所涉及的硬件设计方法、软件设计方法进行了详细分析，结果表明文中提出的设计方法不仅实现了通信、显示、控制一体化，还具有较好的人机接口。

关键词：智能电网;嵌入式处理器;WinCE操作系统;通信;便携式测试装置;人机接口

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）07-00-02

0 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，对处理器进行保護。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。

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。