通信電源參數采集系統研究

鄒海東，錢 良

（中國衛星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

通信電源是整個航天測控網絡的關鍵基礎設施，其性能的穩定性決定了關鍵設備的工作性能。因此如何及時有效的掌握所有設備通信電源的工作狀態，需要提高目前情況下的技術維護水平與維護效率，采用集中維護、遠程監測等手段來實現。而隨著工業控制領域的飛速發展，基于ARM的應用系統應運而生。傳統使用單片機實現數據采集的方式，不僅受限于其處理能力，且實時性低與可靠性差也嚴重影響了其總體應用性能。近年來，采用ARM嵌入式系統代替傳統的單片機系統，以實現數據的采集和控制已經成為主流應用。而ARM系統能夠滿足數據采集系統的多種要求，比如功能，可靠性，體積，能耗，成本以及擴展性等[1]。

文中研究提出一種新的基于ARM嵌入式平臺的通信電源參數采集系統，實現對通信電源的基本參數——電源電壓、電流的采集，所采集的數據可以通過RS-485接口或者以太網傳輸至遠程監測中心。將ARM嵌入式系統應用引入到航天測控網絡中，勢必能夠提高設備的性能與維護水平，進而提升系統的整體運行效率。

1 系統結構設計

示。參數采集模塊連接于ARM處理器端，可以實現電壓、電流、溫度等多種模擬數據參量的采集與數字化轉換，處理好的數據可以通過ARM開發板所連接的LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示）直接顯示出來。ARM處理器可以通過RS-485接口，對多個采集模塊參量實現集中處理，再通過以太網傳輸至遠程服務器進行后期的數據顯示與分析等，遠程服務器可以將所有參數進行統一保存。

圖1 系統總體結構圖Fig．1 Overall schematic diagram of the system

通信電源參數采集系統包括參數采集模塊、ARM嵌入式處理器以及遠程服務器等部分組成，其具體結構如圖1所

通信電源參數采集系統的硬件平臺采用32位的ARM嵌入式處理器，另外由于嵌入式系統特別便于同遠程主機進行數據交換，故從系統的實際出發，需要系統集成UART串口模塊、以太網接口模塊以及A/D（Analog/Digital，模擬/數字）轉換模塊。軟件平臺采用Windows CE系統，Windows CE是一個可移植的、實時的、模塊化操作系統，具有多線程、多任務和確定性的實時、完全搶占式優先級的操作系統[2]。硬件開發部分采用標準ARM開發板，配合適當的參數采集模塊，布局設計簡單；應用軟件部分采用模塊化設計的思想，可以使得整個系統的應用設計顯得簡潔、高效。

2 系統硬件設計

2.1 基于ARM處理器的采集系統

通信電源參數采集系統是基于ARM處理器的應用系統，其基本任務是實現對模擬電壓、電流量的采集與A/D轉換，并能夠通過系統內部的軟件進行適當處理，便于傳輸至遠端進行集中處理。因此，在具體實現上，需要解決電壓、電流模擬參數的采集、強參數到弱參數的轉換、多路信號的同時采集與轉換等技術性問題。在開發系統的硬件選擇上，重點需要關注系統的A/D轉換模塊的基本性能[3]。一般而言，分辨率、轉換速率和量化誤差3項指標就決定了整個系統的轉換精度，這個需要根據實際應用進行取舍。

圖2顯示了標準的ARM6410開發板的連接關系圖，其中包括復位電路、LCD屏幕、以太網接口與RS-485串口模塊、JTAG調試模塊、標準電源模塊、鍵盤以及A/D轉換模塊（AD7715）等。

圖2 基于ARM處理器的數據采集系統結構圖Fig．2 Structure diagram of data acquisition system based on ARM

2.2 電源參數處理

本采集系統有兩種類型的采集對象：1mA～5 A電流信號與-15～24 V電壓信號，這也是通信設備電源中最常見的信號。對于大電流信號（＞50mA），需要先通過電流互感器將大電流轉換成小電流（≤50 mA），然后再用采樣電阻將所采集的電流信號轉換成系統可以處理的電壓信號（0～1 V），接入到單通道A/D轉換器的模擬輸入正、負端口（IN+，IN-）；而對于小電流信號（≤50 mA），則可以直接接入采樣電阻進行轉換接入，如圖3（a）所示。對于-15～24 V的電壓信號可以直接通過采樣電阻進行適當降壓，然后再接入到A/D轉換器的模擬輸入端口，如圖 3（b）、（c）所示。

圖4顯示了16位模數轉換芯片AD7715的A/D轉換器的基本接口原理圖[4]。其中INP、INN端口為模擬信號的輸入正、負端，系統開發應用的關鍵端口為CS（芯片選擇信號）、SCLK（系統串行時鐘信號）、DIN（串行數據輸入）、DOUT（串行數據輸出）以及DRDY（邏輯輸出信號，高電平可讀）等5個端口。

圖3 電源參數轉換圖Fig．3 Parameter transform chartof source

圖4 A/D轉換器接口圖Fig．4 Interface chart of A/D transform

3 系統軟件設計

3.1 A/D轉換處理流程

在Windows CE系統中，對外圍設備的控制與數據獲取，需要通過驅動軟件的流接口函數[5-6]，來調用A/D轉換模塊中的寄存器來實現。對于本系統的A/D轉換模塊而言，驅動軟件需要使用如下幾種流接口函數。

1）AD_Init（）：初始化 A/D 轉換模塊；

2）AD_Open（）：打開 A/D轉換模塊，應用程序通過CreateFile（）函數來調用該函數；

3）AD_Close（）：關閉 A/D 轉換模塊；

4）AD_Read（）：從 A/D 轉換模塊中讀取數據；

5）AD_Write（）：向 A/D 轉換模塊中寫入數據。

當A/D轉換模塊工作時，操作系統可以通過調用入口點函數，完成驅動軟件的初始化工作。之后，應用程序先通過執行 CreateFile（）函數，調用 AD_Open（）來打開模塊；然后通過執行函數 ReadFile（）來調用 AD_Read（）。 在函數 AD_Read（）中，通過傳輸函數來實現對所采集數據的讀取。

一般A/D轉換模塊中的寄存器配置均遵從I2C總線協議，因此，對應于讀寫操作均可以按照標準流程來進行。圖5顯示了一個完整的數據采集操作流程。

3.2 數據緩存池設計

由于串口模塊的工作頻率與CPU的工作頻率并不一致，因此需要設計一個數據緩存池來匹配二者之間的差異。當串口端以串行方式給CPU發送數據時，系統先將其逐一存入數據緩存池，待存滿設定數量的數據后，再一并按照“先入先出”的順序將其送給CPU進行集中處理，以提高處理效率。另外，出于對系統效率的考慮，需要區分CPU端對發送數據與接收數據的操作差異，故在系統內存設計兩個數據緩存池，數據緩存池的數據結構按照環隊列方式設計。圖6為數據緩存池的設計示意圖。

圖5 數據采集流程圖Fig．5 Flow chart of data acquisition

而對于其大小的設計，也需要根據實際情況進行具體設定，一方面減少串行數據丟失的概率，同時能夠避免過多的浪費系統存儲空間。

圖6 數據緩存池Fig．6 Data buffer pool

4 結 論

文中提出一種基于ARM平臺的通信電源參數采集系統研究，可以應用于通信電源電壓、電流以及工作溫度等各種電子參數的數據采集與監視，同時通過RS485接口或者以太網接口將所采集的數據傳送至遠程監測服務器；系統采用了ARM處理器，不僅功耗低，成本低，而且可以運行Windows CE、μC/OS-II、VxWorks等嵌入式實時操作系統，應用拓展性強，能夠為系統的大型應用提供保證。

[1]王海峰．基于ARM的綜合信息處理系統設計[J]．電子設計工程，2011，23（19）：38-40．

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[3]孫秋野，孫凱，馮健．ARM嵌入式系統開發典型模塊[M]．北京：人民郵電出版社，2007．

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SUN Hai，MENG Xiang，DENG Xue-wei．Application of AD7715 A/D converter in small signals measuring[J]．Measurement＆ Control Technology，2003，9（22）：66-68．

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