用于無線通訊風(fēng)電場的多功能微處理器設(shè)計及開發(fā)

李堂國 曹春蘭 曹祿春 潘巖

摘 ?要：為了采集風(fēng)電場振動信號、視頻信號及火災(zāi)消防報警信號等關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計開發(fā)了用于無線通訊網(wǎng)絡(luò)的集成式微處理器及管理平臺。該多功能微處理可通過RS485、RS232、USB等工業(yè)級通訊方式與風(fēng)力發(fā)電機組的傳感信號進行數(shù)據(jù)通訊，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸;通過該平臺可集中管理風(fēng)電設(shè)備，提高運行人員維護設(shè)備的效率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場;無線通訊;微處理器;平臺

中圖分類號：TP368.1 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0088-03

Abstract： In order to collect the key parameters such as wind farm vibration signal， video signal and fire alarm signal， an integrated microprocessor and management platform for wireless communication network are designed and developed. The multifunctional microprocessor can communicate with the sensing signal of the wind turbine through RS485， RS232， USB and other industrial communication means to ensure stable data transmission; through this platform， the wind power equipment can be managed centrally and the efficiency of maintenance equipment can be improved.

Keywords： wind farm; wireless communication; microprocessor; platform

1 概述

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機組的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控大多采用有線傳輸，但受地域限制，光纖維護成本較大。隨著電廠信息化、智能化的快速發(fā)展，近年來已有風(fēng)電場采用無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，但數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性有待進一步加強。針對某風(fēng)電場自組無線網(wǎng)絡(luò)，為了在采集振動信號情況下，同步增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并集成消防信號系統(tǒng)等，實現(xiàn)多類信號數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，作者設(shè)計并研發(fā)可集成RS485、RS232等不同通訊接口協(xié)議的數(shù)據(jù)采集器，保證風(fēng)電機組的安全運行。

2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備從剛開始僅面向軍事領(lǐng)域發(fā)展到如今軍民共用領(lǐng)域。采集裝置從各個方面進行了深入研究，如數(shù)據(jù)采集及格式轉(zhuǎn)換速度，設(shè)備的穩(wěn)定性以及存儲器的存儲速度等[1]。原先采用MOS工藝的A/D采集逐步發(fā)展為了CMOS積分型，同時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度提高到了500Msps，分辨率提高到了24位。但仍然存在很多缺點，如增加了設(shè)備的功耗，同時存在輸出的不確定性和離散性，導(dǎo)致該技術(shù)只能應(yīng)用在分辨率要求不高的設(shè)備中[2-4]，對于數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，容量逐步擴大，由M級到G級以及T級別，在技術(shù)方面得到了質(zhì)的發(fā)展，同時應(yīng)用領(lǐng)域得到拓展，如在航天航海領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、武器領(lǐng)域等等，常見的存儲介質(zhì)有SRAM、SDRAM和FLASH等[5-8]。對于數(shù)據(jù)采集裝置，也由單片機逐步發(fā)展到了ARM、FPGA、DSP等，同時隨著需求側(cè)要求的功能的增加，數(shù)據(jù)采集裝置的性能也得到了很大的提升，這一發(fā)展有效地提高了數(shù)據(jù)采集裝置的可靠性，我國在數(shù)據(jù)采集方面的研究起步較晚，但部分方面也取得了較大進展，如中北大學(xué)研發(fā)的設(shè)備采集速率可達到數(shù)百MHz，設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲容量達到GB級別，該設(shè)備采用的系統(tǒng)構(gòu)架，為的DSP、ARM、FPGA等多平臺聯(lián)合控制，大大提升了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能及可靠性。相比我國，國外在該方面發(fā)展較早，如DT公司在圖像的分析以及設(shè)備視角的方案解決方面具有很大優(yōu)勢，以及研發(fā)了基于PCIE總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[9]。

目前工業(yè)技術(shù)取得了較大的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)已經(jīng)在日常生活中的各個領(lǐng)域開始應(yīng)用，常見的應(yīng)用領(lǐng)域有教育、醫(yī)療和交通。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在并行及關(guān)系數(shù)據(jù)庫方面，并以處理器為核心。但是缺乏對存儲及數(shù)據(jù)量的分析。為提升數(shù)據(jù)的處理速度，有些設(shè)備采用并行方式，但該技術(shù)過于追求容錯性及運行的一致性，無法保證該技術(shù)的可行性。為此為了解決該問題，引入了大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，可采用Map Reduce并行技術(shù)來提升數(shù)據(jù)處理速度，同時實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理。

3 多功能無線微處理器開發(fā)

3.1 微處理器功能需求

微處理器需要采集視頻監(jiān)測信號、振動監(jiān)測信號、避雷檢測信號和消防信號。同時，為了滿足風(fēng)場其它采集或控制系統(tǒng)的引入，需要預(yù)留網(wǎng)口、RS232和485接口。采編器將所有網(wǎng)口、串口采集到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋節(jié)點，傳輸?shù)缴龎赫荆⒔邮諄碜陨龎赫镜南鄳?yīng)控制指令。微處理器需處理的信號類型見表1。

綜上所述，微處理器既要支持對多路網(wǎng)口數(shù)據(jù)的采集控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，又要支持對多路串口的同時采集與控制功能，同時網(wǎng)口與串口之間也能實現(xiàn)相互通信。

3.2 微處理器設(shè)計方案

多功能無線微處理器主要由3大功能模塊組成：電源模塊、網(wǎng)絡(luò)交換模塊和串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊。電源模塊以低紋波突發(fā)模式工作，可在低輸出電流條件下保持高效率，并能在典型應(yīng)用中將輸出紋波抑制在15mV以下，結(jié)溫高達125℃，非常適用于經(jīng)受高環(huán)境溫度的風(fēng)機內(nèi)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)交換模塊采用Marvell公司的88E6060芯片，集成6端口的快速以太網(wǎng)交換芯片，本處理器采用多片級聯(lián)的方式實現(xiàn)14口100M網(wǎng)口的網(wǎng)絡(luò)交換功能，并通過其中一片的MII接口連接到CPU中，實現(xiàn)CPU與其它網(wǎng)口設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊CPU采用ST（意法半導(dǎo)體）的一款A(yù)RM Cortex-M4芯片，用來將TCP/UDP數(shù)據(jù)包與RS232/RS485/RS422接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。

3.3 軟件設(shè)計方案

多功能微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存，以及不同數(shù)據(jù)格式的處理和轉(zhuǎn)換，以便將數(shù)據(jù)傳向指定的串行口，微處理器軟件系統(tǒng)可同時與4路串行端口獨立地實現(xiàn)通信，需采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送至微處理器。微處理器若完成數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)到串行口之間的傳輸，需要在軟件對數(shù)據(jù)進行解包處理后，通過TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)幀的幀頭信息，獲得該數(shù)據(jù)包的發(fā)送目標串口，采集的數(shù)據(jù)通過串口設(shè)備發(fā)送至串口服務(wù)器，借此進行數(shù)據(jù)的處理、分析以及格式轉(zhuǎn)換，完成后將數(shù)據(jù)傳至以太網(wǎng)口。待數(shù)據(jù)整個打包完成后，通過以太網(wǎng)口傳輸出去，至此便完成了數(shù)據(jù)從串行口到以太網(wǎng)傳輸。

微處理器的操作系統(tǒng)采用具有豐富源碼資源的ucosII，借助ARM cortex-M4，完成ucosII系統(tǒng)的移植和裁剪，同時對根文件系統(tǒng)進行完善，為應(yīng)用層系統(tǒng)的研發(fā)提供平臺，該平臺具有較全面的TCP/IP協(xié)議棧。應(yīng)用層系統(tǒng)借助ucosII系統(tǒng)完成接口、串口函數(shù)的調(diào)運，進而讀取數(shù)據(jù)，通過socket接口將數(shù)據(jù)發(fā)往以太網(wǎng)口，系統(tǒng)平臺接收socket端數(shù)據(jù)，并調(diào)取串口設(shè)備函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)往微處理器指定串口。

3.4 微處理器在風(fēng)電場中的應(yīng)用

風(fēng)機內(nèi)所有網(wǎng)口系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過微處理器網(wǎng)口與無線網(wǎng)橋聯(lián)通，實現(xiàn)與風(fēng)場無線網(wǎng)絡(luò)的互通互聯(lián)。所有串口系統(tǒng)終端，通過串口線連接到微處理器對應(yīng)的串口，經(jīng)微處理器轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后與風(fēng)場的無線網(wǎng)絡(luò)互通互聯(lián)，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸與遠程監(jiān)控功能，實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。應(yīng)用示意圖見圖2。

3.5 數(shù)據(jù)測試

數(shù)據(jù)上行測試指串口設(shè)備發(fā)送信息到采編器，通過與采編器相連的無線節(jié)點將數(shù)據(jù)從網(wǎng)口傳輸?shù)斤L(fēng)場的無線網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)下行測試指升壓站通過無線網(wǎng)給采編器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，采編器接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀并進行格式轉(zhuǎn)換，同時判斷發(fā)往指定的串口設(shè)備。測試結(jié)果表示，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送沒有出現(xiàn)丟失現(xiàn)象。

3.6 系統(tǒng)管理平臺開發(fā)

風(fēng)電場無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理平臺用于無線局域網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的遠程監(jiān)控，并實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中特定IP設(shè)備的參數(shù)配置。通過該平臺不僅能實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IP設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接情況，還可以對特殊需求的IP設(shè)備進行參數(shù)配置與集中管理，以方便用戶在多設(shè)備、連接不穩(wěn)定的無線局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對IP設(shè)備進行管理。

平臺集成了設(shè)備管理模塊、日志管理模塊、系統(tǒng)配置、設(shè)備配置及第三方軟件調(diào)用等模塊，各模塊協(xié)調(diào)配合，共同實現(xiàn)對局域網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中IP設(shè)備的監(jiān)測與管理。

4 結(jié)束語

（1）針對風(fēng)電場振動信號、視頻信號及火災(zāi)消防報警信號等風(fēng)場關(guān)鍵參數(shù)，開發(fā)了用于無線通訊網(wǎng)絡(luò)的集成式微處理器。微處理器通過RS485、RS232、USB等工業(yè)級通訊方式與風(fēng)力發(fā)電機組的傳感信號進行數(shù)據(jù)通訊，將數(shù)據(jù)傳送至微基站，能同時滿足三路視頻信號同時穩(wěn)定傳輸。

（2）風(fēng)電場無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理平臺用于無線局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠程監(jiān)控，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中特定IP設(shè)備的參數(shù)配置，并能直接調(diào)取風(fēng)機監(jiān)控畫面。通過該平臺能實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IP設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接情況，還可以對特殊需求的IP設(shè)備進行參數(shù)配置與集中管理，便于運行人員對風(fēng)電設(shè)備進行維護，提高設(shè)備管理效率。

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