基于S3C2440處理器和Windows CE實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量帶電核查儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大規(guī)模工業(yè)用電和商業(yè)用電需求快速增長(zhǎng)。我國(guó)城鄉(xiāng)普遍使用的國(guó)家電壓標(biāo)準(zhǔn)10 kV及以上的高壓供電系統(tǒng)，出于對(duì)供電可靠性及變損的考慮，10KV及以上的工業(yè)供電多數(shù)采用高壓供電高壓計(jì)量（簡(jiǎn)稱高供高計(jì)）的計(jì)量方式。但是對(duì)現(xiàn)有的計(jì)量裝置核查時(shí)，為了保障現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全，需要斷電后才能對(duì)高供高計(jì)進(jìn)行檢查和數(shù)據(jù)讀取，這給用戶的正常用電造成了很大不便。由于受高供高計(jì)設(shè)備帶高壓電的特殊性和困難性的影響，目前國(guó)內(nèi)對(duì)高供高計(jì)設(shè)備的檢測(cè)設(shè)備還很少，但市場(chǎng)很需要。

電能計(jì)量帶電核查儀系統(tǒng)主要用于對(duì)10 kV及10 kV以上帶電設(shè)備的核查、探傷和數(shù)據(jù)采集。具有采集高供高計(jì)電力設(shè)備的各方位外觀圖像信息，可以很方便在計(jì)算機(jī)或筆記本電腦上觀測(cè)高壓設(shè)備的具體情況，為設(shè)備探傷和識(shí)別提供依據(jù);具有電力設(shè)備信息條碼的掃描閱讀功能，能在任意方向讀取高供高計(jì)設(shè)備的條碼信息，為設(shè)備識(shí)別驗(yàn)證提供依據(jù);具有紅外通信模塊，可快捷、可靠的采集高供高計(jì)電能表的數(shù)據(jù)信息電能，完成電能計(jì)量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析等工作。

1、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電能計(jì)量帶電核查儀系統(tǒng)是根據(jù)對(duì)高供高計(jì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需求設(shè)計(jì)的，主要由電能計(jì)量帶電核查儀和電腦后臺(tái)支持軟件構(gòu)成。其中電能計(jì)量帶電核查儀具有圖像視頻采集壓縮、條碼信息采集、電表紅外通訊數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸?shù)墓δ堋ｋ娔X后臺(tái)支持軟件經(jīng)無(wú)線傳輸接收模塊接收數(shù)據(jù)完成視頻解壓與呈現(xiàn)、條碼身份的判別、電表數(shù)據(jù)的紀(jì)錄和分析等工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2、 電能計(jì)量帶電核查儀硬件實(shí)現(xiàn)

由于電能計(jì)量帶電核查儀在功能上要集成圖像的采集、條碼掃描、遠(yuǎn)紅外通訊和無(wú)線的傳輸功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要求各部件按功能要求安裝合理、結(jié)構(gòu)緊湊，還要充分考慮在外殼的絕緣性和密封性的基礎(chǔ)上減小設(shè)備的整體體積和重量等因素，特別是在圖像的采集和壓縮上的處理，圖像無(wú)線傳輸處理要占用大量的時(shí)間。這些因素要求電能計(jì)量帶電核查儀處理器的速度和無(wú)線傳輸速度要快，硬件架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，軟件的實(shí)時(shí)性能好。因此，電能計(jì)量帶電核查儀在設(shè)計(jì)時(shí)選用以S3C2440處理器為核心的硬件系統(tǒng)、以Windows CE嵌入式系統(tǒng)下的軟件系統(tǒng)和采用Wi—Fi無(wú)線通訊方式。

電能計(jì)量帶電核查儀的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。S3C2440ARM處理器、時(shí)鐘電路、電源管理電路和MCP電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，使Windows CE嵌入式系統(tǒng)能夠正常啟動(dòng)、運(yùn)行，自動(dòng)裝載運(yùn)行本系統(tǒng)應(yīng)用程序。系統(tǒng)程序運(yùn)行后初始化攝像頭模塊、條碼掃描模塊、紅外通訊模塊和Wi—Fi通訊模塊，并通過(guò)Wi—Fi通訊模塊與電腦后臺(tái)支持軟件建立連接。在收到執(zhí)行命令后與各功能模塊通訊，使各功能模塊實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，最后將采集的數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)支持軟件中，供后臺(tái)支持軟件對(duì)數(shù)據(jù)分析和處理。

2.1 嵌入式處理器

S3C2440處理器芯片是Samsung公司開發(fā)的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，其高性能、低功耗、接口豐富的特點(diǎn)能滿足嵌入式系統(tǒng)的要求。

其主頻400 MHz，處理器核心實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA、BUS、Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的16 lB的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。集成SDR AM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART接口、I2C總線接口、I2S總線接口、SD和MMC接口、觸摸屏接口、8通道10位A/D控制器、2端口USB主機(jī)/1端口USB設(shè)備、4通道PWM定時(shí)器、1通道內(nèi)部定時(shí)器/看門口定時(shí)器、最大支持4096x4096像素的像機(jī)接口、130個(gè)通用的I/O口、24通道的外部中斷等功能，非常適合系統(tǒng)開發(fā)和手持設(shè)備的應(yīng)用。

2.2 MCP存儲(chǔ)模塊

MCP（Multi-Chip-Package即多制層封裝芯片）模塊采用Hynix公司的H8ACOEHOBCR芯片，內(nèi)部集成128MBNandFlash存儲(chǔ)和64MB SDRAM存儲(chǔ)，協(xié)助處理器加快運(yùn)行速度，更高效地完成多任務(wù)。Flash模塊用來(lái)存放系統(tǒng)引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)程序、本系統(tǒng)應(yīng)用程序和其它在系統(tǒng)掉電后需要存儲(chǔ)的用戶數(shù)據(jù)和軟件參數(shù)設(shè)置。SDRAM存儲(chǔ)模塊是系統(tǒng)的內(nèi)存，用來(lái)存放系統(tǒng)及系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行軟件執(zhí)行的代碼和變量，是系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行存取操作的存儲(chǔ)器，具有讀取和寫入速度快的特點(diǎn)。

2.3 電源管理模塊

電源管理模塊將由USB口來(lái)的5 V電源（或鋰電池提供的3.7電源）降壓至3.3 V（系統(tǒng)供電）、2.8 V（攝像頭模塊供電）、1.8 V（基準(zhǔn)電源供電）、1.3V（ARM處理器核心工作頻率400 MHz供電）、1.2 V（ARM處理器核心工作頻率300 MHz供電），監(jiān)控鋰電池的電量，管理鋰電池充電。為了延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，智能管理對(duì)攝像頭模塊、條碼掃描模塊、紅外通訊模塊和Wi—Fi通訊模塊的供電。

2.4 紅外通訊電路模塊

紅外通訊模塊功能實(shí)現(xiàn)與數(shù)字式電能表的通訊，采集電能表電能信息，通過(guò)串口通訊方式與處理器連接。按照DL/T645-1997DL/T645-1997多功能電能表通信規(guī)約，處理器將通訊的命令發(fā)送到紅外通訊模塊，由紅外通訊模塊進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射，傳遞給電能表，電能表將數(shù)據(jù)以紅外的方式傳遞給紅外通訊模塊，再經(jīng)紅外通訊模塊解調(diào)，將數(shù)據(jù)送到處理器進(jìn)行處理。

2.5 條碼掃描模塊

條碼掃描模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)高供高計(jì)設(shè)備自身?xiàng)l碼信息的采集，為管理者進(jìn)行高供高計(jì)設(shè)備辨別唯一性提供依據(jù)。采用霍尼韋爾公司的58XX系列條碼掃描模塊，支持5 V或3.3 V電源供電，有待機(jī)模式，可識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)的一維和二維的條碼，能快速捕捉數(shù)字影像、360度全向的讀取條碼，體積小巧，適合工業(yè)應(yīng)用，通過(guò)串口通訊方式與處理器連接。處理器對(duì)條碼掃描模塊發(fā)出條碼掃描的觸發(fā)指令，條碼掃描模塊開始條碼掃描處理，當(dāng)識(shí)別成功后將條碼信息經(jīng)串口發(fā)送給處理器處理，并進(jìn)入等待命令狀態(tài)，處理器可啟用待機(jī)模式實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間。

2.6 攝像頭模塊

攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)高供高計(jì)設(shè)備及其他設(shè)備的外觀圖像、視頻信息的采集。采用SIV100B攝像頭模組，它是一款1/7英寸，最大640 x 480分辨率的CMOS攝像頭，具有高質(zhì)量的視頻采集和低噪聲的特性，通過(guò)內(nèi)部集成的一個(gè)10位ADC轉(zhuǎn)換電路，將圖像信息傳輸?shù)絻?nèi)嵌的圖像處理器。實(shí)現(xiàn)圖像自動(dòng)曝光、白平衡補(bǔ)償、黑電平補(bǔ)償、5*5矩陣的插補(bǔ)、假彩色的矯正等等處理。支持多樣的尺寸輸出格式如VGA和CIF，數(shù)據(jù)輸出格式如RGB和YCbCr。嵌入式處理器可通過(guò)8位并口讀取SIV100B攝像頭模組圖像信息，通過(guò)I2C接口可設(shè)置模組中彩色效果X、Y軸圖像轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.7 Wi—Fi通訊模塊

Wi—Fi（Wireless Fidelity）是IEEE所定義的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11。在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過(guò)無(wú)線HUB、無(wú)線訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)（AP）、無(wú)線網(wǎng)橋、無(wú)線網(wǎng)卡等設(shè)備使無(wú)線通信得以實(shí)現(xiàn)。無(wú)線接入和高速傳輸是Wi—Fi的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。其中IEEE 802.11b最高速度為11 Mb/s，IEEE 802.11 n/g最高速度為54 Mb/s。

本系統(tǒng)中Wi—Fi通訊模塊實(shí)現(xiàn)與電腦后臺(tái)支持軟件的通訊，將后臺(tái)軟件發(fā)送的查詢、設(shè)置等命令下發(fā)到本系統(tǒng)，或?qū)⒈鞠到y(tǒng)采集到的各種數(shù)據(jù)（如圖像視頻信息、條碼信息、電能表數(shù)據(jù)信息等）上傳到后臺(tái)中，供后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、對(duì)比和分析。采用環(huán)隆電氣公司的MR09 Wi—Fi通訊模塊支持IEEE 802.11n/g/b協(xié)議，3.3 V供電，SDIO/SPI接口通訊，最大傳輸速度300 Mb/s工作在2.4 GHz頻段，覆蓋范圍最遠(yuǎn)100 m（由環(huán)境決定）。

3、 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電能計(jì)量帶電核查儀系統(tǒng)軟件分為電能計(jì)量帶電核查儀軟件和后臺(tái)應(yīng)用軟件兩部分。

3.1 電能計(jì)量帶電核查儀軟件設(shè)計(jì)

電能計(jì)量帶電核查儀軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。

3.1.1 嵌入式操作系統(tǒng)的介紹

本系統(tǒng)采用的是Windows CE的操作系統(tǒng)，它是Microsoft公司針對(duì)嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，是一種緊湊、高效、可伸縮的32位操作系統(tǒng)。其具有精簡(jiǎn)的模塊化操作系統(tǒng)、多硬件平臺(tái)支持、支持有線和無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)連接、穩(wěn)健的實(shí)時(shí)性支持、豐富的多媒體和多語(yǔ)言支持、提供了強(qiáng)大的開發(fā)工具等特點(diǎn)，非常適合消費(fèi)類電子、手持類電子設(shè)備、專用工業(yè)控制設(shè)備和嵌入式通信設(shè)備的開發(fā)。

3.1. 2 嵌入式操作系統(tǒng)的移植

Platform Builder是一個(gè)定制Windows CE操作系統(tǒng)的嵌入式平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境，在Platform Builder軟件中可對(duì)系統(tǒng)部分硬件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行更改（如Wi—Fi、攝像頭等），最后經(jīng)Platform Builder編譯生成Windows CE的操作系統(tǒng)及Bootloader的鏡像文件，將鏡像文件下載到MCP的Flash存儲(chǔ)器中，并配置操作系統(tǒng)啟動(dòng)文件boot.ini。

3.1.3 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)

電能計(jì)量帶電核查儀應(yīng)用軟件是本系統(tǒng)的核心，在Visual C++2005開發(fā)環(huán)境下完成設(shè)計(jì)。本應(yīng)用軟件在Windows CE操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，自動(dòng)裝載并運(yùn)行。主要包括讀電表單元、條碼掃描單元、圖像采集單元和Wi—Fi通訊單元等。

電能計(jì)量帶電核查儀應(yīng)用軟件工作流程如圖3所示。應(yīng)用軟件啟動(dòng)后，先對(duì)各模塊單元進(jìn)行初始化，然后開始啟動(dòng)Wi—Fi通訊單元模塊，并與后臺(tái)Wi—Fi通訊單元建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的設(shè)備連接。通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過(guò)判斷網(wǎng)絡(luò)通訊狀況保持與后臺(tái)的實(shí)時(shí)連接。當(dāng)有TCP /IP時(shí)間發(fā)生后，根據(jù)接收到的命令進(jìn)行程序執(zhí)行，如執(zhí)行讀電表命令，將啟動(dòng)紅外通訊模塊，發(fā)送讀電表數(shù)據(jù)命令，接收電表根據(jù)電表數(shù)命令返回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返回到后臺(tái);如執(zhí)行讀設(shè)備條碼信息，將啟動(dòng)和觸發(fā)條碼掃描模塊，等待接收條碼模塊返回所讀到的條碼信息，并將數(shù)據(jù)返回到后臺(tái);如執(zhí)行圖像采集命令，將啟動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行連續(xù)的圖像采集，并將圖像信息壓縮返回到后臺(tái)。

3.2 后臺(tái)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)包括接口程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和控制程序設(shè)計(jì)3部分。

接口程序完成通過(guò)Wi—Fi無(wú)線通訊的方式與電能計(jì)量帶電核查儀建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，并將由控制程序下發(fā)命令傳送到電能計(jì)量帶電核查儀，將從電能計(jì)量帶電核查儀獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行緩沖預(yù)處理，翻譯成后臺(tái)處理系統(tǒng)可識(shí)別數(shù)據(jù)，然后傳送到控制程序。

控制程序完成客戶信息的錄入（客戶名稱、地址、電表信息、高供高計(jì)裝置數(shù)量、位置和自身?xiàng)l碼信息等等，并將信息存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中）根據(jù)操作員的需要下發(fā)命令（如讀電表、條碼掃描和圖像采集等），控制電能計(jì)量帶電核查儀的個(gè)模塊工作、將由電能計(jì)量帶電核查儀讀回來(lái)的電表數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、將電能計(jì)量帶電核查儀傳回來(lái)的高供高計(jì)裝置條碼信息與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)的條碼信息對(duì)比，做出身份判斷等等。

數(shù)據(jù)庫(kù)程序主要完成將客戶固定信息按數(shù)據(jù)類型進(jìn)行存儲(chǔ)，將客戶使用的電量信息按照時(shí)間索引的進(jìn)行存儲(chǔ)。

4 、結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種便攜式的電能計(jì)量帶電核查儀設(shè)備，詳細(xì)介紹了由S3C2440處理器為核心的系統(tǒng)硬件構(gòu)成和在Windows CE的操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上應(yīng)用軟件工作流程實(shí)現(xiàn)。它在電力核查部門的使用將會(huì)減少電力員工使用工具數(shù)量，提高了勞動(dòng)效率，保證工作質(zhì)量，減少人身傷害的事故率率，促進(jìn)電力核查工具的自動(dòng)化水平。

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