劉宏偉，趙春宇

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中不對(duì)稱性、沖擊性、非線性負(fù)荷的不斷增加，導(dǎo)致電能污染日益嚴(yán)重。對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析從而提高和改善電能質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。而在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的科學(xué)存儲(chǔ)和安全管理對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的性能起到重要作用。以此為切入點(diǎn)進(jìn)行了基于嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文首先介紹了基于DSP和ARM的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，然后分析了傳統(tǒng)嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理方法的優(yōu)缺點(diǎn)并詳細(xì)闡述了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite的基本原理。最后重點(diǎn)介紹了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，以及ARM控制模塊的軟件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括CPLD器件，多通道電流模塊、電壓模塊(可依需求配置)和ARM主控模塊。CPLD器件負(fù)責(zé)仲裁總線，建立各模塊的通信;每個(gè)電流或電壓模塊負(fù)責(zé)單通道的電流或電壓相關(guān)參數(shù);ARM模塊負(fù)責(zé)接受電流電壓模塊存儲(chǔ)采集到的電能質(zhì)量參數(shù)，與上位機(jī)通信以及更新系統(tǒng)等。電壓和電流模塊與ARM控制模塊之間通過SPI總線實(shí)現(xiàn)通信，SPI通信的建立和仲裁通過CPLD實(shí)現(xiàn)的[2]。如圖1所示。

ARM主控模塊以S3C6410芯片為核心，配置了豐富的外設(shè)資源，并提供GPRS、GPS和Wi－Fi功能服務(wù)。另外，該模塊提供了USB OTG功能，可以及時(shí)更新系統(tǒng)軟件。

2 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)

傳統(tǒng)的嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理方法主要是根據(jù)具體存儲(chǔ)器硬件電路設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)管理算法或采用基于文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。前者簡(jiǎn)單直接，但是軟件的可移植性差，對(duì)于復(fù)雜的算法很難達(dá)到高可靠性要求;后者程序?qū)τ涗浳募苯舆M(jìn)行操作，不僅會(huì)增加系統(tǒng)的開銷，而且導(dǎo)致可重用性變差[3]。采用數(shù)據(jù)庫(kù)來管理數(shù)據(jù)可以很好解決地上述問題。數(shù)據(jù)庫(kù)是通過事務(wù)來實(shí)行調(diào)度和并發(fā)控制的，可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，查詢等操作，而且數(shù)據(jù)庫(kù)具有安全性和完整性檢查的措施，可確保系統(tǒng)具有較好的整體性能。

SQLite是一款開源的嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，它直接在應(yīng)用程序進(jìn)程空間中運(yùn)行，不僅系統(tǒng)資源占用小，而且具有移植性好、簡(jiǎn)單易用、高效可靠等優(yōu)點(diǎn)[4]。SQLite采用模塊化的設(shè)計(jì)，可分為三個(gè)子系統(tǒng)，八個(gè)獨(dú)立的模塊組成。如圖2所示。

接口(Interface):即 SQLite與程序、腳本或者庫(kù)文件交互的接口，由一組C語(yǔ)言接口函數(shù)組成。其它程序語(yǔ)言與SQLite交互最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的C API調(diào)用;編譯器(Compiler):編譯器由分詞器、解析器和代碼生成器構(gòu)成，其中分詞器和解析器對(duì)SQL語(yǔ)句進(jìn)行語(yǔ)法檢查，然后把它轉(zhuǎn)化為語(yǔ)法樹并傳給代碼生成器，代碼生成器根據(jù)它生成一種針對(duì) SQLite的匯編代碼，最后由虛擬機(jī)執(zhí)行;虛擬機(jī)(Virtual Machine):和Java虛擬機(jī)相似，虛擬機(jī)解釋執(zhí)行字節(jié)代碼。虛擬機(jī)的字節(jié)代碼由128個(gè)操作碼構(gòu)成，它的每一條指令都用來完成特定的數(shù)據(jù)庫(kù)操作或者為這些操作?？臻g的準(zhǔn)備。后端(Back－End):后端由B－樹、頁(yè)緩存和系統(tǒng)調(diào)用構(gòu)成。B－樹負(fù)責(zé)維護(hù)著各個(gè)頁(yè)面之間的復(fù)雜的關(guān)系，便于快速找到所需數(shù)據(jù)。而頁(yè)緩存則通過系統(tǒng)調(diào)用在B－樹和磁盤之間傳遞頁(yè)面。

圖1 在線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

圖2 SQLite基本原理

3 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用程序以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，數(shù)據(jù)庫(kù)為程序的其它功能模塊提供數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)涉及到的數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)控制信息、實(shí)時(shí)電能質(zhì)量參數(shù)、歷史電能質(zhì)量參數(shù)和電能事件數(shù)據(jù)。其中實(shí)時(shí)電能質(zhì)量參數(shù)從DSP模塊接收后，在ARM控制模塊中暫時(shí)存儲(chǔ)，并不需要單獨(dú)建立數(shù)據(jù)庫(kù)。所以為了降低系統(tǒng)復(fù)雜度，只將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分為系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和事件記錄數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)子庫(kù)。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)DSP模塊和ARM控制模塊的設(shè)置參數(shù)。DSP模塊的系統(tǒng)參數(shù)包括存儲(chǔ)間隔、電壓設(shè)置、接線方式、浪涌/塌陷設(shè)置、三相不平衡設(shè)置、頻率設(shè)置和傳感器設(shè)置;ARM控制模塊的系統(tǒng)參數(shù)包括接線方式、瞬變?cè)O(shè)置、存儲(chǔ)間隔、電壓設(shè)置、浪涌/塌陷設(shè)置、諧波設(shè)置、三相不平衡設(shè)置、頻率設(shè)置和開關(guān)通道輸入設(shè)置。系統(tǒng)軟件中存有默認(rèn)的設(shè)置參數(shù)，系統(tǒng)第一次上電時(shí)，會(huì)建立數(shù)據(jù)庫(kù)并將默認(rèn)參數(shù)導(dǎo)入。之后每次上電，系統(tǒng)都會(huì)先從參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取參數(shù)并設(shè)置。ARM控制模塊接收到上位機(jī)發(fā)送的更新系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)命令后首先更新系統(tǒng)，然后更新參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.2 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

ARM控制模塊會(huì)對(duì)從DSP模塊接收到的15組實(shí)時(shí)電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行判斷統(tǒng)計(jì)，然后將得到的一組電能質(zhì)量參數(shù)存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中每一條記錄包括統(tǒng)計(jì)時(shí)間點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)、各相電能參數(shù)、頻率、三相不平衡度以及長(zhǎng)閃短閃等。系統(tǒng)使用SQLite只是來實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的短期存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)最終需要傳送到大型數(shù)據(jù)庫(kù)中。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，舊的數(shù)據(jù)存放超過一定時(shí)限會(huì)被新的數(shù)據(jù)覆蓋。

3.3 事件記錄數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

事件記錄數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)電能質(zhì)量事件。電能質(zhì)量事件是指電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)中指標(biāo)超過限值的事件，包括頻率超標(biāo)、電壓超標(biāo)、電壓瞬變、諧波電壓、諧波電流、三相不平衡以及開關(guān)量各通道輸入輸出等[5]。為了方便上位機(jī)查詢數(shù)據(jù)，事件記錄數(shù)據(jù)庫(kù)又分為事件記錄表，事件波形表和事件趨勢(shì)表，分別用于存儲(chǔ)電能質(zhì)量事件發(fā)生時(shí)的詳細(xì)信息、趨勢(shì)數(shù)據(jù)和波形。

4 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ARM控制模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制，根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)要求向 DSP發(fā)出控制命令并要求回傳相應(yīng)數(shù)據(jù) 與 信 息[6]。ARM控制模塊的軟件部分主要由以下五部分組成:①LCD液晶顯示;②上位機(jī)通信;③數(shù)據(jù)接收和處理;④數(shù)據(jù)庫(kù)的管理;⑤系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。如圖3所示。

ARM控制模塊向下使用GPIO、IIC總線以及SPI總線與DSP模塊通訊，從DSP模塊接收測(cè)量處理后的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite中;向上通過232串口，485串口以及網(wǎng)口與PC機(jī)通訊，回饋上位機(jī)的命令，并將所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)從SQLite讀出發(fā)送給上位機(jī);同時(shí)，ARM控制模塊搭載有一塊液晶顯示屏，用來顯示系統(tǒng)狀態(tài)和電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)。

基于上述功能需求及模塊化設(shè)計(jì)的考慮，程序設(shè)計(jì)為兩個(gè)進(jìn)程，一個(gè)為系統(tǒng)控制進(jìn)程，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)顯示以外的其它所有任務(wù);另一個(gè)為系統(tǒng)顯示進(jìn)程，主要負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取數(shù)據(jù)并傳送給屏幕顯示。系統(tǒng)控制進(jìn)程又分為以下8個(gè)線程:1、SYS線程:負(fù)責(zé)更新系統(tǒng)時(shí)鐘，復(fù)位DSP模塊，異常檢測(cè);2、EVT線程:處理電能事件的捕捉、緩存等;3、PARA線程:電能參數(shù)的接收、修正、統(tǒng)計(jì);4、SAVE線程:處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任務(wù);5、COMM線程:執(zhí)行串口/485/UDP/TCP指令接收及簡(jiǎn)單指令回饋的任務(wù);6、ECHO線程:執(zhí)行串口/485/UDP/TCP復(fù)雜指令回饋的任務(wù);7、I2C線程:讀取溫度;系統(tǒng)設(shè)置，特殊設(shè)置，時(shí)間更新等;8、TCP線程:處理TCP端口狀態(tài)查詢。

圖3 ARM控制模塊軟件架構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文引入嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集統(tǒng)計(jì)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，不僅優(yōu)化了檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化了開發(fā)過程，而且提高了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)管理的效率。嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，滿足了電能質(zhì)量數(shù)據(jù)處理的需求，為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支持。

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