基于ARM與FPGA的電力電源一體化監(jiān)控裝置

摘要：為了滿足電力電源系統(tǒng)中復雜應用場景的一體化監(jiān)控需求，文中提出了一種硬件設計方案。本方案基于TI公司的AM335x系列ARM Cortex-A8處理器和XILINX公司的Spanan-3系列的FPGA芯片，重點介紹了ARM與FPGA通信互聯(lián)以及其他特殊功能模塊的實現(xiàn)方法。實驗結(jié)果表明本硬件系統(tǒng)有應用價值高、性價比高、穩(wěn)定可靠、靈活多變等優(yōu)點。

隨著現(xiàn)代電力行業(yè)的集成化、信息化、智能化的發(fā)展趨勢，電力系統(tǒng)要求站用交流電源、直流電源、通訊電源、UPS電源、逆變電源等不是再作為分散獨立的系統(tǒng)，而是作為一個整體進行集中監(jiān)控與管理，這就需要一種監(jiān)控裝置適用于電力電源系統(tǒng)一體化的需求。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

作為交直流一體化電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控管理單元，該裝置不僅可以同時監(jiān)控站內(nèi)各設備，還可通過IEC61850規(guī)約與變電站后臺設備連接，實現(xiàn)對一體化電源系統(tǒng)的集中、統(tǒng)一、遠程監(jiān)控維護管理。裝置在系統(tǒng)中的連接示意圖如下圖1所示。因此，該一體化監(jiān)控裝置需要有多路485通信、CAN通信和以太網(wǎng)通信。為了滿足該裝置現(xiàn)場運行情況復雜性的需求，本文提出了一種基于ARM和FPGA的設計架構(gòu)，該方案可根據(jù)現(xiàn)場的不同情況，靈活配置通信端口和開入開出節(jié)點。

本裝置的顯示部分為10寸全彩色LCD顯示觸摸一體屏，外部接口有4路RS-485，1路RS-232，2路CAN2.0，1路GPS-B碼對時，1路USB2.0，2路10/100M RJ-45端口。裝置通過各485總線和CAN總線采集下游裝置信息，匯總后通過RJ-45上傳后臺監(jiān)控主站，裝置也可以對采集的數(shù)據(jù)進行保護運算處理，根據(jù)合適的判據(jù)進行相應的動作。總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，本系統(tǒng)的難點在于靈活多變的多功能模塊的統(tǒng)一實現(xiàn)。

2 主芯片及接口方案設計

裝置所用的主處理器為TI公司基于ARM Cortex—A8的芯片AM3359，F(xiàn)PGA采用XIUNX的Spartan—3系列芯片XC3S250E。主處理器AM3359采用了德州儀器新一代ARMCortex—A8架構(gòu)，內(nèi)置有：高達720 MHz的ARM Cortex—A832位RISC微控制器(包含有NEON SIMD協(xié)處理器)，支持mDDR(LPDDR)/DDR2/DDR3，支持16位ECC的通用存儲器(NAND，NOR，SRAM等)，SGX530 3D圖形引擎，最高支持WXGA(1366x768)分辨率、24位RGB數(shù)據(jù)輸出的LCD控制器，兩個可編程實時單位子系統(tǒng)PRUSS，RTC，兩個具有集成PHY的USB 2.0高速OTG端口，2個支持10/100/1000的工業(yè)用千兆以太網(wǎng)MAC，2個控制器局域網(wǎng)端口(CAN)，6個UART，2個McASP，2個 McSPI，和3個I2C端口，一個12位逐次逼近寄存器(SAR)ADC，3個增強型高分辨率PWM模塊，其功能框圖如圖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現(xiàn)場可編程門陣列家族是為滿足對成本敏感的大量應用需求而特別設計的，是取代掩膜編程ASIC的最佳選擇。FPGA避免了高昂的初始成本，過長的開發(fā)周期，和常規(guī)ASIC固有的不靈活。同樣，F(xiàn)PGA的可編程能力允許現(xiàn)場進行設計升級，不需要替換任何硬件，這都是ASIC所不具備的。正是由于FPGA芯片靈活多變的特性，使得CPU和 FPGA之間交換數(shù)據(jù)的信息量比較大，需要設計專門的數(shù)據(jù)接口通道。

本方案的CPU與FPGA芯片互聯(lián)采用的是并行總線架構(gòu)，ARM芯片的GPMC標準總共有8/16位地址和數(shù)據(jù)非復用模式、16位地址/復用模式和 8/16位NAND設備模式，本方案采用的是16位地址/數(shù)據(jù)復用方式，連接模式如下圖4所示。相對于其他幾種模式，地址/數(shù)據(jù)復用方式的優(yōu)點在于用相對較少的信號線實現(xiàn)較大帶寬的數(shù)據(jù)吞吐量和較快的響應時間。

對于Cortex-A8來說，需要將GPMC模塊配置為16位數(shù)據(jù)/地址復用模式，除了將管理控制信號引出以外，再將相應的數(shù)據(jù)/地址復用信號GPMC_AD[15：0]引至FPGA芯片即可。

Cortex—A8就可以正常按照GPMC模式來訪問FPGA芯片。

3 各模塊實現(xiàn)方案

本方案中各功能模塊較多，包括常見的RS-485，CAN，DDR，NAND Flash等，也包括比較特殊的部分，如采用RvMII的以太網(wǎng)交換芯片，采用數(shù)字隔離的觸摸屏驅(qū)動芯片等。本文僅就部分特殊模塊做如下介紹。

以太網(wǎng)部分：由于Cortex—A8芯片管腳較為緊張，所以各管腳的信號復用情況較為復雜，因此，本方案只能采用MII模式與以太網(wǎng)交換芯片互聯(lián)，以太網(wǎng)交換芯片需配置為RvMII模式，通過100M以太網(wǎng)外擴4路RJ-45。其中，RvMII模式需要注意是，所有的收發(fā)信號線是對接的，與常用的 GMII，RMII，RGMII等不同。具體連接方式如圖5所示。

觸摸屏驅(qū)動部分：由于本裝置的應用場合為電力自動化領域，為了應對國標GB/T17626的各實驗規(guī)范，裝置的各接口部分需要進行特殊的保護處理，特別是觸摸屏部分的靜電放電實驗。

由于電阻式觸摸屏的驅(qū)動原理是AD轉(zhuǎn)換，因此，觸摸屏驅(qū)動電路的保護就可以分為兩個方面，隔離模擬量或者隔離數(shù)字量。本方案的處理思路是隔離數(shù)字部分，在模擬部分增加磁珠和TVS保護。詳細的方案設計如圖6所示。

4 結(jié)束語

本方案以ARM與FPGA雙核為主芯片，利用ARM穩(wěn)定性好、外圍接口豐富的特點，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和傳輸，同時，利用FPGA 在邏輯控制和接口靈活性方面的特點，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、開入開出和液晶控制等功能。整個裝置因此具有豐富且可靈活配置的外圍接口，可以很好的滿足電力電源一體化監(jiān)控項目的需要。