徐紅艷，佃松宜，鄧 翔，王 琪

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065）

0 引 言

高壓直流供電系統(tǒng) （high voltage direct current power system，HVDCPS）給數(shù)據(jù)中心和通信機(jī)房設(shè)備供電時(shí)，在供電可靠性、降低能耗和成本、便于日常維護(hù)等方面比傳統(tǒng)不間斷電源系統(tǒng)顯現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)，因而受到業(yè)界廣泛關(guān)注。2012年國(guó)際國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也已頒布實(shí)施[1，2]。作者所在課題組成功研制出通信用240VHVDCPS新型電源裝置。

電源監(jiān)控是通信用電源裝置中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、故障早期預(yù)警和優(yōu)化運(yùn)行等的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)目前的發(fā)展趨勢(shì)是高可靠性、高實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展、易維護(hù)以及友好人機(jī)交互圖形用戶界面[3]。這就要求監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)變化和用戶操作做出更加快速的響應(yīng)，能夠不間斷、穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)地對(duì)通信電源設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警。嵌入式技術(shù)的應(yīng)用讓這種需求成為可能。本系統(tǒng)從技術(shù)需求出發(fā)，基于ARM平臺(tái)和Qt開(kāi)發(fā)工具，采用三級(jí)集散式監(jiān)控結(jié)構(gòu)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制和總線通信技術(shù)，模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新型電源裝置的嵌入式實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 監(jiān)控系統(tǒng)功能的需求分析

監(jiān)控系統(tǒng)需要檢測(cè)的信號(hào)有:交流輸入、整流模塊、母線和負(fù)載支路的各種電壓和電流，蓄電池組和各單體電池的電壓、電流和溫度，以及系統(tǒng)其它狀態(tài)量等。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求和系統(tǒng)實(shí)際需求，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有的功能概況如下:

（1）監(jiān)測(cè)交直流電壓和電流，對(duì)異常狀況進(jìn)行保護(hù)并報(bào)警。

（2）實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池組及各單體電池的電壓和溫度，對(duì)異常狀況進(jìn)行保護(hù)并報(bào)警。對(duì)蓄電池進(jìn)行管理，在均充與浮充之間智能切換。

（3）檢測(cè)母線和各負(fù)載支路的絕緣狀態(tài)，絕緣下降至不符合要求時(shí)進(jìn)行告警。

（4）記錄系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)正常工作時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)動(dòng)態(tài)曲線顯示。

（5）提供人機(jī)接口，通過(guò)真彩顯示屏和觸摸屏，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，可進(jìn)行系統(tǒng)模塊配置、參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)維護(hù)等。

（6）支持遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)由ARM主控模塊、電池管理模塊、絕緣監(jiān)測(cè)模塊和配電監(jiān)控模塊4個(gè)模塊組成。ARM主控模塊協(xié)調(diào)其它各模塊，對(duì)系統(tǒng)整體性能進(jìn)行優(yōu)化分析；電池管理模塊，絕緣監(jiān)測(cè)模塊和配電監(jiān)控模塊可獨(dú)立運(yùn)行，對(duì)電源系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行獨(dú)立控制。當(dāng)某一模塊出現(xiàn)故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能喪失；當(dāng)系統(tǒng)要增加設(shè)備時(shí)，可增加功能模塊的數(shù)目，易于擴(kuò)展；當(dāng)某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，可以在不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下更換模塊，迅速排除故障。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式檢測(cè)結(jié)構(gòu)。電流電壓等傳感器和其它轉(zhuǎn)換電路在底層通過(guò)各模擬量、數(shù)字量采集模塊，再通過(guò)4條CAN總線向ARM主控制器上傳。另外，上層也可以通過(guò)數(shù)字量輸出模塊來(lái)直接控制繼電器和相關(guān)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷。整流模塊中的DSP控制器通過(guò)CAN總線接受ARM主控制器的管理。

監(jiān)控系統(tǒng)中ARM處理平臺(tái)選用Atmel公司的AT91SAM9G45處理器，處理器頻率達(dá)到400MHz，帶有一個(gè)7寸LCD顯示屏和一個(gè)觸摸屏[4]。選用抗電磁干擾能力強(qiáng)的CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[5]。操作系統(tǒng)選用嵌入式Linux，并在其上移植Qt／Embedded庫(kù)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件平臺(tái)的搭建

系統(tǒng)軟件平臺(tái)的搭建比較復(fù)雜，包括虛擬機(jī)的安裝、交叉編譯環(huán)境的建立、Linux內(nèi)核的移植、文件系統(tǒng)的制作、NFS系統(tǒng)的搭建、Qt和Qwt的安裝以及Qt、Qwt和tslib向開(kāi)發(fā)板的移植等。

本系統(tǒng)程序的開(kāi)發(fā)是在裝有Ubuntu 11.10版本Linux操作系統(tǒng)的宿主機(jī)上完成的。在宿主機(jī)上建立Qt／Embedded開(kāi)發(fā)環(huán)境是開(kāi)發(fā)GUI程序的首要步驟[6]。

3.2 程序設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)程序由數(shù)據(jù)采集與控制程序和人機(jī)交互界面程序兩部分組成，并通過(guò)Linux進(jìn)程間共享內(nèi)存的方式完成數(shù)據(jù)的傳遞，實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 共享內(nèi)存方式原理

管道和消息隊(duì)列等通信方式，需要在內(nèi)核和用戶空間進(jìn)行四次數(shù)據(jù)拷貝。而共享內(nèi)存只拷貝兩次:一次從輸入文件到共享內(nèi)存區(qū)；另一次從共享內(nèi)存區(qū)到輸出文件。因此，共享內(nèi)存是一種較快的進(jìn)程通信方式。系統(tǒng)使用mmap（內(nèi)存映射）方式傳遞數(shù)據(jù)，mmap（）系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過(guò)映射同一個(gè)普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存[7]。共享內(nèi)存區(qū)由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，其余進(jìn)程也可以訪問(wèn)這塊內(nèi)存，直接讀寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不需要在進(jìn)程間進(jìn)行復(fù)制操作。為了達(dá)到進(jìn)程間的同步及互斥，需要與其它通信機(jī)制結(jié)合使用[8]。

設(shè)計(jì)中采用Mutex技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步[9]。當(dāng)一個(gè)線程嘗試操作共享內(nèi)存區(qū)域前，先檢查是否已被Mutex鎖定。如果已被鎖定，則進(jìn)入等待狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)超時(shí)計(jì)數(shù)器，當(dāng)線程等待超時(shí)完畢，則重新嘗試訪問(wèn)共享內(nèi)存區(qū)域；如果未被鎖定，則創(chuàng)建一個(gè)Mutex，以鎖定共享內(nèi)存，同時(shí)啟動(dòng)超時(shí)計(jì)數(shù)器，然后開(kāi)始操作共享內(nèi)存，當(dāng)線程的鎖定超時(shí)完畢，則對(duì)Mutex執(zhí)行解鎖，以釋放共享區(qū)域的操作權(quán)限，以避免死鎖。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

本嵌入式系統(tǒng)采用多線程和多進(jìn)程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)處理等同時(shí)進(jìn)行，從而提高程序的處理效率。程序流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序流程

監(jiān)控系統(tǒng)在Linux下建立一個(gè)讀取CAN數(shù)據(jù)采集模塊的程序。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，建立共享內(nèi)存，然后打開(kāi)串口設(shè)備和CAN接口設(shè)備，并設(shè)置初始值。主節(jié)點(diǎn)（ARM主控模塊）向從節(jié)點(diǎn) （CAN數(shù)據(jù)采集模塊）發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令，各數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)上傳到ARM主控模塊的接收緩存區(qū)。ARM主控模塊從緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)幀頭判斷數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度并進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)保存在共享內(nèi)存中。

系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)線程通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，并將數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，防止因數(shù)據(jù)量過(guò)大造成界面假死[10]。Qt自身?yè)碛蠶Thread線程類，并提供創(chuàng)建新線程的方法。線程通過(guò)重載QThread::run（）函數(shù)完成其操作。通過(guò)調(diào)用QThread::start（）開(kāi)啟線程，線程一直循環(huán)讀取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，為界面刷新提供即時(shí)數(shù)據(jù)。Qt線程中無(wú)法直接操作主進(jìn)程中的GUI控件，即無(wú)法在線程中對(duì)一個(gè)具體的標(biāo)簽或者文本欄做修改，只能依靠 “信號(hào)與槽”的方式，每當(dāng)線程完整的讀一次共享內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)體，就發(fā)出信號(hào)。

不同的界面需要刷新的數(shù)據(jù)不同，因此線程必須針對(duì)不同界面定義相應(yīng)的信號(hào)。本文采用自定義結(jié)構(gòu)化消息的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的異步顯示。自定義的結(jié)構(gòu)化消息包括消息編碼、通道編碼、數(shù)據(jù)類型、采集內(nèi)容。系統(tǒng)所有的采集數(shù)據(jù)在發(fā)送前按照統(tǒng)一的消息結(jié)構(gòu)進(jìn)行組包，然后發(fā)送到數(shù)據(jù)接收線程；數(shù)據(jù)接收線程按照消息編碼進(jìn)行分揀，分別調(diào)用對(duì)應(yīng)的消息處理函數(shù)進(jìn)行解包、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和動(dòng)態(tài)顯示。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

為防止干擾信號(hào)引起錯(cuò)誤報(bào)警，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波預(yù)處理。以直流母線電壓為例介紹軟件濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程。

電池并聯(lián)在直流母線上，因此直流母線電壓等于電池電壓。根據(jù)電池充、放電特性，直流母線電壓的波動(dòng)頻率在1Hz以下，留有一定裕量將截止頻率設(shè)為10Hz。系統(tǒng)采樣頻率為100Hz，采用文獻(xiàn)[11]的方法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的離散傳遞函數(shù)為

根據(jù)傳遞函數(shù)式 （1）可得

按照式 （2）實(shí)現(xiàn)濾波器方法如下:

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理

在主控程序中實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，數(shù)據(jù)庫(kù)主要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)和訪問(wèn)，完成數(shù)據(jù)的查詢、修改、設(shè)置、瀏覽等功能。電源監(jiān)控軟件在運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)建立一個(gè)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表中創(chuàng)建報(bào)警、日期、蓄電池狀態(tài)等字段。對(duì)于大批量數(shù)據(jù)，引用數(shù)據(jù)庫(kù)中 “事務(wù)”的概念，將其當(dāng)做一次事務(wù)從而大大加快批量數(shù)據(jù)的操作速度。數(shù)據(jù)保存在以 “.db”為后綴的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中方便備份和轉(zhuǎn)移，只需要拷貝該數(shù)據(jù)庫(kù)文件就可實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的備份。

3.2.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

采用Qt Designer工具繪制用戶界面[12]，利用獨(dú)有的布局系統(tǒng)使窗口和組件自動(dòng)根據(jù)屏幕空間的大小改變布局。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，制定了圖4所示電源監(jiān)控系統(tǒng) 的界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架方案。

圖4 基于Qt／Embedded的界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架

監(jiān)控系統(tǒng)的主界面包括設(shè)置、操作、狀態(tài)、系統(tǒng)信息、歷史記錄、通信連接、時(shí)間、語(yǔ)言、幫助等界面。各界面又包含其它子界面。為了便于界面修改且易于靈活擴(kuò)展，將主界面 （MainWindow）分成3個(gè)子項(xiàng):TitleBar、CenterView、StatuBar，同時(shí)這3個(gè)子項(xiàng)內(nèi)部管理各自的視圖。MainWindow通知TitleBar切換頁(yè)面，TitleBar負(fù)責(zé)切換主窗口和其他各界面；CenterView通知MainWindow頁(yè)面切換后做必要的處理，負(fù)責(zé)內(nèi)部頁(yè)面的切換邏輯以及當(dāng)界面切換時(shí)通過(guò)信號(hào)告訴MainWindow做相應(yīng)反應(yīng)。當(dāng)某個(gè)界面只需由TitleBar和CenterView組成時(shí)，可發(fā)送信號(hào)隱藏StatuBar。

3.2.5 Qwt繪制動(dòng)態(tài)曲線

本文采用Qwt工具庫(kù)完成電源電壓、電流、溫度等動(dòng)態(tài)曲線的繪制。下面是曲線類的關(guān)鍵代碼:

Qwt畫曲線是先建立畫圖區(qū)域qwtPlot，然后往上面添加曲線和點(diǎn)，在一個(gè)特定區(qū)間所計(jì)算的數(shù)目越大畫出來(lái)的曲線越平滑。曲線需繪制在畫布上，它繼承自QwtPlot－Curve類。由于是實(shí)時(shí)顯示，圖形與橫坐標(biāo)隨著時(shí)間平移，利用QObject的timerEvent（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能[13]。每經(jīng)過(guò)一定的周期，圖形的橫坐標(biāo)發(fā)生平移，曲線需要重繪，時(shí)間間隔由QTimerEvent類型的參數(shù)決定，將默認(rèn)值設(shè)為每秒刷新一次。

除了要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)控波形外，還需要對(duì)電源電壓、電流及溫度波形進(jìn)行分析，以測(cè)評(píng)效果的優(yōu)劣，所以波形的滾動(dòng)縮放查看效果是必不可少的。這個(gè)功能主要用QwtPlotZoomer類來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面是實(shí)現(xiàn)曲線滾動(dòng)縮放的關(guān)鍵代碼:

4 測(cè)試結(jié)果

將整個(gè)工程交叉編譯并下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。在測(cè)試過(guò)程中，主要觀察了監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)主界面以及實(shí)時(shí)曲線界面。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試，在未出現(xiàn)市電異?；驍嚯妶?bào)警的情況下，狀態(tài)主界面顯示如圖5所示，狀態(tài)主界面顯示了整個(gè)電源裝置各主要組成部分的運(yùn)行狀態(tài)，點(diǎn)擊圖標(biāo)可以切換到其它界面了解各組成部分的狀態(tài)或進(jìn)行設(shè)置等相關(guān)操作。界面之間可以自如切換和刷新各種數(shù)據(jù)。

圖5 狀態(tài)主界面

圖6 為直流母線電壓的實(shí)時(shí)曲線波形。由波形可以看出，在開(kāi)機(jī)至1秒后，整流模塊的電壓能夠迅速上升到240 V的標(biāo)稱電壓值。另外系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，輸出電壓的平均值穩(wěn)定在239.5V，滿足直流母線電壓240±2.4V的要求。

圖6 直流母線電壓實(shí)時(shí)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了新型電源監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求分析和整體結(jié)構(gòu)，基于ARM9＋Linux＋CAN總線的平臺(tái)，使用Qt編程技術(shù)，充分利用 “信號(hào)與槽”的獨(dú)特機(jī)制和豐富的控件資源。采用進(jìn)程間共享內(nèi)存和Mutex技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳遞，有效提高進(jìn)程間數(shù)據(jù)通信效率；采用軟件濾波方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理。經(jīng)測(cè)試，本嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行于課題組開(kāi)發(fā)的240VHVDCPS新型電源中，實(shí)現(xiàn)了可靠、實(shí)時(shí)地對(duì)電源設(shè)備各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行嵌入式監(jiān)測(cè)與預(yù)警，人機(jī)交互界面友好，對(duì)類似電源裝置或其它工業(yè)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)有一定的借鑒作用和較好的應(yīng)用前景。

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