基于ARM与FPGA的电力电源一体化监控装置 远程监控, 变电站, 电源

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随着现代电力行业的集成化、信息化、智能化的发展趋势，电力系统要求站用交流电源、直流电源、通讯电源、UPS电源、逆变电源等不是再作为分散独立的系统，而是作为一个整体进行集中监控与管理，这就需要一种监控装置适用于电力电源系统一体化的需求。1 系统总体架构
作为交直流一体化电源系统的集中监控管理单元，该装置不仅可以同时监控站内各设备，还可通过IEC61850规约与变电站后台设备连接，实现对一体化电源系统的集中、统一、远程监控维护管理。装置在系统中的连接示意图如下图1所示。因此，该一体化监控装置需要有多路485通信、CAN通信和以太网通信。为了满足该装置现场运行情况复杂性的需求，本文提出了一种基于ARM和FPGA的设计架构，该方案可根据现场的不同情况，灵活配置通信端口和开入开出节点。

本装置的显示部分为10寸全彩色LCD显示触摸一体屏，外部接口有4路RS-485，1路RS-232，2路CAN2.0，1路GPS-B码对时，1路USB2.0，2路10/100M RJ-45端口。装置通过各485总线和CAN总线采集下游装置信息，汇总后通过RJ-45上传后台监控主站，装置也可以对采集的数据进行保护运算处理，根据合适的判据进行相应的动作。总体结构图如图2所示，本系统的难点在于灵活多变的多功能模块的统一实现。

2 主芯片及接口方案设计
装置所用的主处理器为TI公司基于ARM Cortex—A8的芯片AM3359，FPGA采用XIUNX的Spartan—3系列芯片XC3S250E。主处理器AM3359采用了德州仪器新一代ARMCortex—A8架构，内置有：高达720 MHz的ARM Cortex—A832位RISC微控制器(包含有NEON SIMD协处理器)，支持mDDR(LPDDR)/DDR2/DDR3，支持16位ECC的通用存储器(NAND，NOR，SRAM等)，SGX530 3D图形引擎，最高支持WXGA(1366x768)分辨率、24位RGB数据输出的LCD控制器，两个可编程实时单位子系统PRUSS，RTC，两个具有集成PHY的USB 2.0高速OTG端口，2个支持10/100/1000的工业用千兆以太网MAC，2个控制器局域网端口(CAN)，6个UART，2个McASP，2个 McSPI，和3个I2C端口，一个12位逐次逼近寄存器(SAR)ADC，3个增强型高分辨率PWM模块，其功能框图如图3所示。

接口芯片采用的FPGA是XILINX公司的Spartan-3E系列芯片XC3S250E。Spartan-3E现场可编程门阵列家族是为满足对成本敏感的大量应用需求而特别设计的，是取代掩膜编程ASIC的最佳选择。FPGA避免了高昂的初始成本，过长的开发周期，和常规ASIC固有的不灵活。同样，FPGA的可编程能力允许现场进行设计升级，不需要替换任何硬件，这都是ASIC所不具备的。正是由于FPGA芯片灵活多变的特性，使得CPU和 FPGA之间交换数据的信息量比较大，需要设计专门的数据接口通道。