功率采集（共7篇）
功率采集 篇1
国网山东巨野县供电公司自2012年积极开展用电信息采集工作, 目前已有20万户安装了采集设备。但采集成功率一直徘徊在94%左右, 很难达到目标值99%以上。该公司通过对采集不成功的用户进行逐一排查、研究发现, 采集不成功用户有50%的故障原因是GPRS通信不畅造成的。而天线接收信号的强弱又是导致通信故障的主要因素。解决天线信号问题, 既要正确安装天线, 又要保持信号稳定性, 为此, 该公司对现有的安装方式做了充分调研分析, 力求对症下药。
1 现有天线安装方式的缺点
(1) GPRS受到金属、墙体、电磁干扰等影响, 信号强度会减弱, 造成天线信号不稳定, 以致无法正常传输数据。
(2) 安装位置和角度受限。用电信息采集系统的GPRS天线大都为磁铁吸盘天线。此天线具有安装简单、信号接收好、可延长功能。现在一般都是直接放置在表箱上, 或者吸附在墙铁上。因表箱和墙铁安装在先, 天线的安装位置和角度已大大受限。如果需要移动天线, 就需要新装或移动原墙铁, 这样费时费力, 信号强弱还存在不确定性。
(3) 天线延长线外露, 不仅容易造成人为破坏, 还加速了其老化进程。长期的风吹日晒, 影响天线的使用寿命。而且天线的老化隐蔽性强, 不容易检测到, 影响采集信号。
2 解决的措施
为解决上述问题, 该公司成立技术攻关小组, 经过收集问题, 提出想法, 多次研究, 制作样品, 反复试验, 不断改进, 历时一个月的时间, 研制出多角度天线支架, 解决了天线受环境影响大的弊端, 增强了信号稳定性。多角度天线支架如图1。支架部件说明及作用如下:
(1) 空心镀锌管。长度可以根据实际安装位置需要自由选择。此管抗氧化性强, 是电力器具常用材质。
(2) 调节槽。在镀锌管一头对称设计一个约10 cm的槽, 可方便地夹在每个表箱上方出户线墙铁上。利用此槽可进行方向调节, 根据信号来源方向, 理论上可以进行180°旋转, 使天线更好地定位。
(3) 压紧螺丝。起到固定天线支架的作用, 在天线支架移动到合适位置后, 旋紧此螺丝。
(4) 天线固定槽。在镀锌管另一端上壁上设计一个长约4 cm, 宽约2 cm的长方形开口, 使天线镶嵌在这个固定槽中, 既防止雨淋, 又使天线底座可安置, 减少了人为破坏和自然损坏。在吸附力减弱时, 还起到稳固作用。
(5) 进出线孔。天线通过此孔与集中器或终端设备相连。
(6) PVC管。此管可根据天线高度安装, 起到保护天线的作用, 减少破坏和老化。
3 安装后的测试对比
用信号强度测试仪对安装前后信号进行了测试:安装前, 天线信号强度一般在-90—-75 d Bm, 最低达到-96 d Bm, 信号强度低于-85 d Bm时, 误码率大大提升, 影响数据采集传输。新装位置天线信号强度一般在-75—-65 d Bm, 最好时-64 d Bm, 信号强度大大提升, 提高了数据采集传输成功率。通过对比可以发现:
(1) 解决了信号死角问题。即使在墙角, 或墙边, GPRS信号较弱的地方, 通过支架的移动功能可以使天线远离铁器、墙体等其他一些干扰物。
(2) 天线安全受到保护。原来天线外露, 磁铁吸盘天线很容易引起孩子们的好奇心, 层出不穷的天线被弹弓射断的现象就是例子, 支架的天线固定槽把天线底座结实地包裹起来, 有效防止了天线遭到破坏。
(3) PVC管的包装使天线穿上外衣, 有效延缓其老化进程, 延长其使用寿命。
(4) 天线安装选择性大了。天线安装不再局限于表箱上面或角铁架上了。可以根据实际需要选择合适的支架, 选择合适的位置, 增加了信号选择角度。
(5) 有利于天线置于高处。天线置于高处更容易接收信号。支架可以根据天线的长度调整安装高度。
4 应用效果
该公司对多角度天线支架进行了推广应用, 在新安装集中器和采集终端时普遍使用, 并对早期安装但采集成功率低的天线进行支架新装。自2014年2月开始, 该公司各项采集指标迅速提升, 采集成功率、自动化抄表核算比率由原来的落后指标变成了先进指标, 在全省处于领先地位。5月份采集成功率达99.9%, 居全市榜首。同时, 通过对用电采集问题的排查, 提高了小组人员对用电采集系统的熟练程度及处理问题的能力, 更好地推动了公司用电采集工程建设, 为早日实现“全覆盖、全采集、全费控”的目标奠定了基础。
EDFA光功率采集研究和应用 篇2
关键词：EDFA,CORBA,光功率采集,通信资源管理
0 引言
目前,通信资源管理系统已经在电力系统普遍应用,实现了电力通信网络运行维护与专业管理工作的智能化、流程化、电子化的闭环管理,为通信调度及业务管理提供了全面支撑,提高了通信资源的管理效率,对电网资源的管理、有效利用以及员工工作效率等各方面有很大的改进和提高[1,2,3]。光功率是光纤通信的主要指标,光功率的大小可以反映传输设备的运行状况,其衰耗可以直观反映光缆的传输质量,因此将光功率参数纳入通信资源管理系统进行实时监控,有利于维护人员及时发现传输网络故障和隐患并进行处理,实现标准化管理。
在长跨距无中继传输系统中,为解决衰耗过大的问题,传输设备通常与掺饵光纤放大器 (Erbiumdoped Optical Fiber Amplifier,EDFA)配合使用,这就要求传输设备网管和EDFA网管都能与资源管理系统通信,才能实现长跨距传输系统的光功率管理。本文通过对EDFA设备进行研究,开发EDFA数据采集功能模块实现光功率管理,并作为通信资源管理系统的子系统,为长跨距传输系统的运行质量提供参考。
1 EDFA 的工作原理、特性及分类
目前,电力系统通信主要采用基于SDH的光纤通信,光纤通信系统传输距离受限于光纤的损耗和色散等因素,以G.652光纤为例,不采用任何长跨距技术,2.5 Gbit/s的SDH系统最大传输距离为82 km,10 Gbit/s的SDH系统仅为75 km[4]。在电力长跨距无中继传输系统中,EDFA技术由于较高的增益和性价比而被广泛用于延长传输距离。
1.1 EDFA 工作原理
EDFA主要由掺饵光纤、泵浦光源、光耦合器、光隔离器和光滤波器等组成[5],其基本结构组成如图1所示。
图 1 EDFA 基本结构组成 Fig.1 Basic structure of EDFA
光隔离器用来保证光信号的正向传输,光耦合器用来将输入光信号和泵浦光源输出的光波混合进入掺饵光纤,光滤波器用来滤除光放大器的噪声, 提高系统的信噪比。EDFA工作原理是通过泵浦光源输出一定功率的光,从而向掺饵光纤提供能量, 将掺铒光纤中基态的饵离子 (Er3+) 激励到高能态, 致使粒子数发生反转,从而产生受激辐射,实现对1 550 nm波段光信号的放大。
1.2 EDFA 工作特性及分类
按照泵浦光源的泵浦方式不同,EDFA分为同向泵浦结构、反向泵浦结构和双向泵浦结构3种结构方式。双向泵浦EDFA结构复杂,但在相同的泵浦光条件下,信号输出光功率高,噪声指数较小,应用效果较好。
根据在传输线路中的安装位置不同,EDFA可以分为功率放大器 (Boost Amplifier,BA)、线路放大器 (Line Amplifier,LA)、前置放大器 (Pre Amplifier, PA)3种应用形式。BA用在光发射机的输出端,用以提高入纤光功率,延长光信号在系统中的传输距离。LA在光纤传输线路中用作光中继器,补偿光信号在线路上的衰耗。PA用在光接收机的输入端,对光信号进行预先放大处理,提高光检测器的接收灵敏度[6]。根据不同的传输距离,不同类型的光放大器可以级联或相互配合使用[7]。
2 EDFA 的应用
以内蒙古电网10 G传输骨干网一期工程为例, 依托500 k V变电站为节点建设,共11个光纤传输数字段,其中有9段传输距离超过70 km,最长距离永圣域变至丰泉变达到156 km。针对长跨距传输系统,工程设计采用EDFA技术实现10 Gbit/s的高速率、大容量通信。根据光功率最坏值计算法进行计算设计,统计全网共分为3种配置情况:50 km以下传输段未配置光放大器,50~70 km传输段配置使用BA,70 km及以上配置使用BA+PA。综合考虑光纤的衰耗、色散及光纤非线性效应等因素影响,传输系统中采用的BA及PA性能指标见表1和表2所列。
由表1可以看出,BA的特点为输出锁定,约为12 d Bm;由表2可以看出,PA特点为增益锁定,约为25 d Bm,经过定期的人工观测统计,EDFA的该项特点得到验证,实际运行值在该性能指标浮动。经过实际测试运行,EDFA配置情况满足10 G网正常通信要求。
3 EDFA 光功率采集设计与实现
3.1 设计理论依据
传输系统中两端设备的收发光功率即为光缆纤芯的出入纤光功率,通过监测在用光纤的光功率大小,可以直观反映此段光缆的衰耗情况。根据传输系统中光放大器的不同配置情况,理论上光纤每千米衰耗值计算公式如下。
1)无光放情况:每km衰耗=(本端光端机输出光功率-对端光端机输入光功率)/ 光缆长度
2)只配置BA:每km衰耗=(本端BA发送光功率-对端光接收机输入光功率)/ 光缆长度
3)BA+PA配置:每km衰耗 =(本端BA发送光功率-对端PA接收光功率)/ 光缆长度
为提高监测的精度,实时采集设备收发光功率十分必要。因此设计光功率采集系统,根据以上公式编制算法,就可以得到光纤每km衰耗值,通过与光缆衰耗系数进行对比和分析,可以为判断光缆运行质量提供参考依据。
3.2 系统与功能设计
E D FA光功率管理系统依托通信资源管理系统,运用公共对象请求代理架构(Common Object Request Broker Architecture ,CORBA )技术进行 设计,通过采集EDFA网管数据 实现光功 率的管理。
3.2.1 CORBA 技术
CORBA技术是对象管理组织(Object Management Group,OMG)提出的一种面向对象的分布式开放计算平台,其接口规范、操作系统及编程语言独立,引入对象 请求代理(Object Request Broker, ORB)提供了对象间发送请求、接收应答的透明机制,已经成为分布式处理领域研究的热点,尤其在网络管理领域得到了较好的应用[8,9]。
3.2.2 EDFA 网管
EDFA网管是网元级的网管系统,采用电信管理网的三层体系架构:管理界面、数据采集服务器以及数据处理服务器,每层都有明确的分工且层间采用严格定义的协议进行通信,实现安全、配置、告警、性能、日志管理以及北向接口等功能,通过北向接口功能,EDFA光功率等数据就可以实现第三方网管的统一采集和管理。
3.2.3 光功率管理系统功能设计
光功率管理系统作为一个子系统嵌入资源管理系统,需要根据资源管理系统的分层协议进行部署。以内蒙古电网通信资源管理系统为例,资源系统通过第三方网管提供的北向CORBA接口进行配置数据、告警数据和性能数据等的采集,在统一综合网管平台实现数据分析和展示,通信资源管理系统功能结构如图2所示。
该系统以集中式数据库为中心设计各个程序模块,数据库数据来源于设备网管和硬件设备,以Web模式为基本表现形式。由图2可以看出,该系统功能分为6层,分别是接口适配层、数据层、应用服务层、辅助支撑层、操作表示层和外部接口层。每层有不同的功能模块,不同模块间采用松耦合的关系进行组织,可以灵活地部署在不同的硬件环境下进行管理。
EDFA光功率管理系统根据资源系统各层协议, 相应的软件功能均融入到资源系统的整体软件结构中。硬件设计方面,EDFA网管通过系统交换机接入资源管理系统网络,相关的光功率管理数据存放在数据库服务器,采集及分析等管理软件部署在应用服务器,在Web服务器上运行光功率管理的Web发布程序,在采集服务器上运行光功率相关的采集程序,各个服务器通过系统网络与终端和EDFA网管通信,共同协作完成光功率管理功能。系统实现主要功能包括光功率等性能数据采集、拓扑监控、衰耗分析、门限管理、越限提示及处理等。
3.2.4 数据采集功能模块设计
EDFA数据采集功能模块是整个系统的关键部分,通过CORBA接口获取需要的技术参数。EDFA光功率采集系统结构如图3所示。
首先与EDFA网管系统正确建立接口适配器连接,创建性能任务,正确选择端口数据信息与光功率任务匹配,然后设置光功率采集周期及时间,执行数据采集程序,后台按各项数据的任务时间点定时发送采集命令进行采集,并将所采集的结果储存在数据库,最后实现在数据采集前台查询该任务数据,通过人性化界面呈现出来。
采集服务器通过CORBA接口主要采集EDFA设备的配置数据、性能数据及告警数据,编制采集程序主要流程为:初始化→获取命名服务→获取会话工厂→获取会话→获取网元管理器→获取性能管理器等,根据EDFA网管提供的相关信息,配置适配器用户名、密码、命名服务等信息,并进行连接测试,以保证数据的正常传递。
4 系统功能实现
根据以上系统功能设计,10 G传输网光功率管理系统拓扑监控界面如图4所示,可以直观看到10个站点的连接及光放配置情况等,在可编辑模式可以实现光放配置、光缆长度和门限等的管理,这里设定光缆衰耗阈值为0.23 d B/km, 超出此门限值便发出告警。选中某光缆段可以查看采集到的光功率大小, 以及查询某一段时间内出入光纤的光功率详细数值和曲线图。
图 4 10 G 传输网光功率管理系统拓扑监控界面 Fig.4 Network topology monitoring interface of 10 G system
汗海—旗下营的光功率曲线如图5所示,统计周期为2014年4月1日至5月20日,左侧曲线 为旗下营侧BA发光功率即入纤光功率,基本保持在–12.8 d Bm左右,右侧曲线为汗海侧PA收光功率即出纤光功率,在–30 d Bm左右浮动,5月20日光功率甚至达到了–40 d Bm,计算得此纤芯平均衰耗值高达0.32 d Bm/km,远远高于普通G.652光纤的0.23 d Bm/km,系统发出越限警告。查看对应传输网管告警情况,发现4月份传输系统有误码出现,5月14日开始出现通信中断告警。结合其他纤芯的光功率采集结果,判定500 k V汗旗 ( 汗海变—旗下营变 ) 线光缆运行质量存在较大隐患,现场测试空余纤芯结果与判断结论一致,由于汗旗线光缆年限较长,出现光缆通信质量下降,设计的EDFA光功率采集分析系统正确无误,已经做好应急预案并安排计划检修此段光缆。
图 5 汗海—旗下营的光功率曲线 Fig.5 Optical power curve of Hanhai-Qixiaying
5 结语
提升专变采集成功率的分析 篇3
1 专变采集现状分析
当前专变客户终端异常现场处理的压力大,处理成本高,工作人员劳动强度大,且不能彻底的解决所有异常问题,未能对进一步提高采集成功率起到积极推动作用,还对科室其他工作的合理开展带来困扰。因此,亟需创新思路,积极探索,改变方式方法,寻找新的异常处理方式,降低异常处理成本和人员劳动强度,并进一步提高专变客户采集成功率。
通过从管理方法、工作人员、技术措施、设备材料等4个方面进行进一步详细的分析,发现“终端档案管理混乱”“终端通信通道不畅”和“终端远程重启成功率低”是影响终端异常现场处理困难的主要原因。
2 制定提升专变采集成功率方法
一是开展运行终端档案一致性核查工作,对所有运行终端现场信息、营销系统信息和采集系统信息进行摸底排查,并建立电子台账,便于后期终端运维工作;二是想法设法改善终端通信环境,积极联系通讯运营商加强终端周边GPRS信号,或引入其他通讯运营商进行多方合作,增加通讯通道;三是深化终端远程重启应用,提升远程重启成功率,进而减少现场处理成本。
2.1 开展运行终端档案一致性核查工作
结合计量室电能表周期轮换及校验、二次压降测试、临时故障处理等日常现场工作,对现场运行终端进行摸底排查,将终端现场信息与营销系统信息和采集系统信息进行一次一致性核查,以现场信息为准,及时调整营销系统和采集系统异常档案信息,做到终端现场信息、营销系统信息和采集系统信息“三个一致”,并建立详细的电子台账,为终端后期运维打下坚实基础。
2.2 改善终端通信环境,增加通信通道
针对通信信号弱、通道少,终端无法上线的情况,根据终端运行环境的不同制定了相应的解决措施。
(1)地下室等GPRS信号尚未覆盖或覆盖不全面的区域,及时联系通信运营商,要求其进行网络覆盖或增强GPRS信号,改善运行终端通信环境。
(2)移动信号薄弱但电信或联通信号较好的区域,通过现场换SIM卡、换模块、换终端等方式,找到适合现场通信环境的终端设备,主动让终端适应当下通信环境。
(3)通信网络已覆盖但由于箱式变电站屏门或其他金属网门对终端造成局部信号屏蔽的区域,采取打孔、延长终端天线等方式,将终端天线彻底暴露在空旷环境中,以保证终端能顺利接受到通信信号。
(4)变电站采集终端,将原有的无线通信方式更换为以太网通信,利用内网光纤数据传输稳定、高速的特点与主站系统进行通信,从而保障变电站终端的全采集。
2.3 深化终端远程重启应用
由于目前在运终端大部分运行时间较长,且厂家型号多杂,终端硬件配置普遍偏低,无法满足终端远程重启要求。因此,与终端厂家协同合作,开展终端远程重启功能开发研究,利用每台终端唯一的SIM卡号,用手机远程发送重启代码至终端通信模块,刺激并唤醒终端,致使终端重启,并恢复采集。目前,浙江华立仪表集团公司生产的专变采集终端(376.1)已经全部具备运程重启功能,并在实际运行中得到实践检验,远程重启成功率高达100%。继续与其他终端厂家开展紧密合作,陆续完成所有厂家终端的远程重启功能配置,并结合班组日常工作用新终端将运行过长时间的旧终端逐步替换,为终端远程重启构建坚实的硬件基础。
3 结束语
功率采集 篇4
关键词：用电信息采集系统,微功率无线,信道仿真系统
0 引言
随着能源的日趋紧张和用电需求的迅速增长, 许多国家都在积极发展智能用电技术。就我国目前形势而言, 建立安全可靠的用电信息采集系统是建立智能电网不可或缺的一部分。
目前的用电信息采集系统中, 本地通信方式大都采用RS485总线和电力线载波方式, 但这两种通信方式都存在着诸多缺点和不足, RS485总线通信方式安装调试复杂、易遭到人为破坏, 电力线载波方式存在信号衰减大、噪声源多且干扰强以及受负载特性影响大等问题, 对通信的可靠性形成一定的技术障碍[1]。已在小范围试点运行的微功率无线通信方式由于具有施工简单、成本低、适应性强等优点, 得到了广泛的关注。
国外在将微功率无线通信技术应用到用电信息采集方面的研究比较早, 自动抄表系统的理论和技术目前己经比较成熟, 在发达国家 (如美国、日本、英国等) , 基本都实现了自动远程抄表[2]。在我国的用电信息采集系统中, 470~510 MHz免申请频段的微功率无线通信方式的成功应用, 使得对于这种通信方式的研究逐步发展起来, 然而, 目前已有的无线通信性能评估系统的功能和性能指标不能完全满足对现有多种无线通信产品性能评估的需求, 国内对于微功率无线通信方式用电侧的无线通信产品的性能评估技术发展相对滞后。
1 国内外研究现状
无线通信产品在用电侧计量设备中的应用, 要求建立完善的产品性能测试系统, 以便全面、准确地考核用电侧所应用的各种通信设备的性能, 为数据传输的可靠性以及通信设备的质量提供保障, 提前发现实际使用过程中存在的隐患。
近年来, 由于数据通信技术需求的推动以及半导体、计算机领域等相关电子技术的快速发展, 无线信道仿真技术发展迅速, 基于软件或硬件均可实现无线信道的模拟仿真。目前软件实现方式上多采用MATLAB、C++编程, 可实现对信道各项参数的仿真设置, 这种方式操作简单、成本低, 适合于学术研究, 但不适用于实际产品的检测;硬件一体化无线信道仿真器也已有成熟的产品, 其中以美国Spirent公司和芬兰的Elektronbit公司的产品较为多见。但这些较为成熟的无线信道仿真设备多针对无线公网如GPRS、CDMA等信道的测试, 通信频点、测试模型以及测试方式上均不适合微功率无线通信信道的环境, 因此目前基于硬件仿真实现这一特定频段、特定通信方式和特殊通信环境的微功率无线通信信道的仿真还处于研究阶段。
目前, 国内有部分微功率无线产品生产厂家也在研制微功率无线通信的检测系统, 这些检测系统只能根据经验值实现对信号损耗的一个模拟, 不能实现对诸如多径衰落、噪声以及衰落类型等信道参数的仿真, 因此这些系统并不能够模拟真实的信道环境。此外, 这些检测系统只能实现对自己产品的检测, 无法实现微功率无线通信产品的互联互通检测, 因而无法大规模应用到实际的微功率无线通信产品的性能检测评估中。
2 微功率无线通信信道分析
2.1 微功率无线通信环境及信道参数分析
微功率无线通信技术是采用频率调制方式把信息加载在470~510 MHz高频电磁波上, 利用空间传播来进行数据通信的方法[3]。其通信特点在于自组网, 采用分簇的Ad hoc分级网络结构, 按照集中器模块内部的智能电能表地址信息, 模块自动组网, 电能表模块不仅可以传输自身的用电信息, 还可为其相邻的电能表模块转发数据, 这使得从电能表到集中器存在多条有效路由, 当某条路由中断时, 无线自组织网络中可立即启用另一路由继续进行数据传输。微功率无线通信设备组成示意如图1所示。
在实际的通信环境中, 集中器并不是采集每个电能表的数据, 而是根据自组网的特点采集相对距离较近的节点信息或者主表位的信息, 从而获得整个小区的用电信息。
对以上环境的分析以及对大量文献研究表明, 虽然微功率无线信道与传统的移动信道一样, 发送的无线电波经历大量反射、散射和绕射造成多径色散[5], 但微功率无线通信信道又同传统的移动信道存在差别。
1) 传统的移动信道为高基站天线、低移动天线, 信号色散的主要原因是固定物体 (如建筑物) , 相比较而言, 人和车辆的移动可以忽略。微功率无线信道的天线都较低, 抄表环境存在于室内或室外, 建筑物、人和其他物体在低高度移动台天线周围的移动都会造成信号的变化。
2) 传统的移动信道的多普勒频移较明显, 而在微功率无线环境中不存在发射端与接收端相对的快速移动, 因此微功率无线信道的多普勒频移可忽略。
3) 微功率无线传播距离比移动信道的要短, 因而传播时延和多径时延差小得多。对微功率信道而言, 最大传输时延约为10μs, 而移动信道会受远处物体, 例如丘陵、山脉、高大建筑物等影响, 附加时延大于100μs。
微功率信道也受到气候、环境、距离等各种因素的影响, 接收到的信号幅度和相位是随机变化的, 必须考虑快衰落、深度平坦衰落、长扩展时延等因素[6], 通信速率高时还要考虑频率选择性衰落等各种不确定因素。
2.2 微功率无线产品检测指标分析
根据现有的一些标准[4], 微功率无线产品的检测包括发射性能测试、接收性能测试、组网性能以及协议分析测试, 这些主要的测试类别中包含对接收信号灵敏度、频偏、误差矢量幅度、抄表时间、抄表成功率等一系列指标的检测和分析。如果在实际的环境中测试, 需要耗费大量的人力和物力, 且需要反复测试产品特性, 可行性较差, 因此迫切需要在实验室环境下建立微功率无线信道的仿真系统, 以便于实现对微功率无线通信产品的检测, 进而建立和完善可靠的用电信息采集体系。
3 系统仿真
3.1 系统概述
本文研究建立了一个无线信道仿真平台来建立对微功率无线通信产品的检测能力, 实现对470~510 MHz微功率无线模块的指标检测。此系统可以全面模拟用电信息采集系统本地通信信道的信号损耗特征、多径衰落特征、信号频移、相移特征以及噪声特性, 并且实现了信号的双工通信, 解决了单向链路无法模拟这一特定通信技术特点的难题, 可完成集中器模块向微功率电表模块发送命令、电表模块回复数据的双向通信过程, 在测试过程中注意信号的屏蔽, 可以实现对外界干扰和噪声的有效隔离, 以实现被测集中器模块与电能表模块的良好通信。
无线仿真测试仪器连接框图和仿真系统功能框图分别如图2、图3所示。
本文的信号模拟方案主要由Agilent公司的N9020A MXA频谱分析仪、N5106A PXB接收机测试仪、E4438C矢量信号源构成。其中E4438C和N9020A完成信号的变频转换, N9020A将用户需要衰落的RF信号下变频到中频, E4438C将模拟后的信号上变频到RF输出, N5106A可设置信道参数完成对中频信号的信道模拟。
为了验证系统可行性, 需采用确定信号以方便对比输入输出信号, 因此, 本文的仿真实验均采用安捷伦E5515C作为信号源, 发送连续波信号。
3.2 传输环境分析及系统仿真
为了验证系统的可行性, 本文对用电信息采集系统的本地通信方式——微功率无线通信的无线信道涉及的各个信道参数进行了仿真, 并对仿真结果进行了分析。
3.2.1 信道衰减
设置频率f=475 MHz, 幅度为-20 d Bm。经测得输入信号的带宽B=63.35 k Hz, 周期T=2.115 ns。输出信号频谱如图4所示。
设信号衰减为10 d Bm, 则接收信号幅度为-30 d Bm, 图4为经过无线信道仿真系统后信号的频谱分析, 输出信号的幅值为-30.75 d Bm, 在可接受误差范围内。
在实际的测试中, 系统最大衰减量能达到-136 d Bm, 可以满足在可接收到信号条件下任何微功率环境的参数模拟。
3.2.2 多径效应
在实际的微功率环境中, 电能表和集中器的安放位置各不相同, 对于一些旧的住宅小区, 电能表多安装在楼道内, 集中器安放在楼外的配电箱内, 对于新建的一些住宅小区, 电能表和集中器往往都安置在地下室的配电室中, 还有一些农村环境下信道的情况也不尽相同, 但由于环境中障碍物的反射、绕射和折射现象, 信号一定会产生多径效应。
根据时间弥散性, 当满足信号带宽大于相关带宽时, 信号产生串扰。对于多径幅度, 在距离信号源较远的地区, 直射波由于扩散损耗较大而很弱, 或者由于遮蔽而没有直射波, 仅有大量反射波, 衰落服从瑞利分布[7]。
测得本文的输入信号带宽B=63.35 k Hz, 因此多径时延需满足τ>15.8μs时才会对不同频率的信号产生频率选择性衰落。
根据以上理论基础, 对信道的多径时延进行了仿真分析, 仿真参数为:多径时延τ=[0, 0.1, 0.5, 17.2, 50], 单位为μs, 5条时延信号的频偏f=[0, 5, 10, 2, 15], 单位为Hz, 相移θ=[0, 7, 15, 18, 20], 单位为度, 信号功率幅度服从瑞利衰落。
多径效应频谱和多径效应时域波形分别如图5和图6所示。
图5记录了3个不同时刻信号的频谱图, 从图中能清楚地看到信号发生了频率选择性衰落。图6为信号时域波形, 经过多径效应的信号幅度都发生了较大的波动。频率幅度数据统计见表1所列。
表1记录了频率和幅度的变化, 可以看出由于信号受多径效应的影响, 幅度的变化范围波动较大, 从3.10~21.13 m V, 即从–37.2~–20.5 d Bm变化, 由此可见, 多径效应引起信号发生了频率选择性衰落。
本文建立的仿真系统可最多模拟24条路径, 多径延时可达2 ms, 且每条路径都可设置发射角度与到达角度, 因此可以满足微功率无线环境的测试。
3.2.3 其他参数仿真
微功率无线环境下的噪声为高斯白噪声, 在实际的仿真中, 可根据实际环境下的信噪比来产生相应的高斯白噪声, 仿真系统信噪比可达–30~30 d B。可在0~360°范围内生成任意角度的入射角、出射角的信号。此外, 可根据衰落特点设置衰落类型, 包括Rayleigh、Rician、Suzuki、对数正态分布等。
4 结语
本文分析了用电信息采集系统中微功率无线信道环境的特点, 根据微功率信道特有的特点, 建立了适合于微功率无线通信产品的检测系统, 完成集中器与电能表的双向链路通信检测, 通过大量的实验验证, 整理了大量的数据和试验结果。从理论上分析了系统的可行性, 可用于对微功率无线产品的检测。
参考文献
[1]赵永良.用电信息采集系统本地通信方式对比研究[J].电力系统通信, 2010, 31 (10) :50–53.ZHAO Yong-liang.Comparison study on local communication way of power consumption information collection system[J].Telecommunications for Electric Power System, 2010, 31 (10) :50–53.
[2]王正风, 高涛.智能电网及国内外发展概述[J].安徽电气工程职业技术学院学报, 2011, 16 (S1) :126–132.WANG Zheng-feng, GAO Tao.Overview of smart grid and its development at home and abroad[J].Journal of Anhui Electrical Engineering Professional Technique College, 2011, 16 (S1) :126–132.
[3]刘述钢.微功率无线自动抄表系统设计新方法及其应用研究[D].长沙:湖南大学, 2011.
[4]Q/GDW 379.4-2009.电力用户用电信息采集系统检验技术规范:通信单元检验技术规范—微功率 (短距离) 无线电设备的技术要求[S].2009.
[5]王鹏, 陈吉余, 李栋.无线信道特性及仿真[J].中国传媒大学学报 (自然科学版) , 2006, 13 (2) :11–14.WANG Peng, CHEN Ji-yu, LI Dong.The characteristics and modeling of mobile radio channels[J].Journal of Communication University of China (Science and Technology) , 2006, 13 (2) :11–14.
[6]于春锐.无线通信系统的信道建模与仿真研究[D].长沙:国防科技大学, 2007.
功率采集 篇5
随着我国经济的蓬勃发展, 生活水平的不断提高, 对电的需求量越来越大, 对供电质量的要求也越来越高。将电子、计算机、网络和通信等技术融入电能采集管理系统, 逐渐形成了电能采集终端系统。此系统可以对用电进行实时监测和控制, 实现了配电管理的智能化, 自动化, 科学化。下面将为大家介绍一下电能采集终端:
二、电能量采集终端系统的硬件及其功能设计
电能量采集终端由智能电表、集中器、网络表、通讯系统、以及主站系统组成。其中智能电表应基本实现瞬时电量 (包括电流、电压、功率、功率因数等) 、正反向有无功分时电量、负荷率、峰值、峰谷比等。集中器的作用是电能信息的采集、数据管理、数据传输及执行或转发主台下发的控制命令。网络通讯通过通信网络安全, 及时, 保密的传输各种数据和指令, 及时有效的完成电能信息的采集和控制。
三、电能采集终端系统应用中存在的问题及解决措施
1. 电能采集终端在运行中常见的几个问题
近些年我国供电企业针对传统电能计量采集管理系统存在的一些问题进行了探讨, 研发出了电能采集终端管理系统, 该系统的运行情况基本政策, 主要完成了电网信息与客户信息资源的共享, 让客户在一定基础上可以实现对信息资源的了解。但是电能采集终端也是存在一定缺陷的, 针对这些缺陷进行一下说明:
(1) 在抄表过程中, 电能采集终端系统往往会对用电表中的信息造成混乱, 这样也就会导致系统中的数据丢失。
(2) 对于电能采集终端对用电量信息的采集, 还是会经常出现传输不成功的情况, 而且对于采集数据不能成批删除, 这样就会造成有的用户用电量数据存在, 有的用户用电量不存在, 容易引起用户与供电企业之间的矛盾, 这些用电数据也不能在供电系统数据库中进行查找, 这才是最为困难的。
(3) 在数据发布方面, 主站系统的很多功能还不能完全满足系统应用的需要。
2. 关于上述问题的几项解决措施
为了满足日益增长的数据量的采集需求, 我们必须使主站系统在任务设置、数据补采方面的效率不断提高。经过负责操控的人员和厂家技术人员对系统各个部分功能的研究和数据采集过程的分析研究, 就上述问题提出了解决方案:
(1) 面对在定时抄表任务中, 出现集中器没有返回数据或者丢包的情况。目前集中器数据都是通过网络表转发的, 同时网络表对命令的处理具有串行性, 采集系统在采集数据时一般是先采集网络表本身的数据再采集集中器的数据, 采集网络表数据所耗时间跟采集的数据项多少有关, 即分配的任务越多, 同网络表交互次数越多, 所用时间越长 (一次交互假设为5~40秒) 。采集集中器数据时, 因为集中器本身电表数就比较多 (假设1000户) , 打包采集日电量数据和卡表数据一次10块, 这样采集集中器数据就需要同集中器交互1000/10×2=200次, 耗时200×5=1000秒到200×40=8000秒。当采集集中器时就有可能因为用时较长而致使某些时间点的网络表实时数据不能够被采集。假如集中器不作出回答就会立即进行再次重试, 此时采集时间就会更长, 进而会导致更多的网络表实时数据采集不到。并且在采集过程中可能因为网络表转发数据出错、网络问题、集中器采集数据过慢等原因而导致采集失败。
基于以上原因我们可以施行系统补采采用当天进行, 主站将统一补采的定时任务时间设置为每天的22点进行。把补采数据的时间设为该时段, 主要是考虑该时间段服务器工作任务相对来说比较少, 容易实现数据的补采。假如采用相隔足够长时间的方式进行再次补采仍然没有采集到数据, 就可能是定时任务程序在当天曾经重起过, 因为电表是否要补采的标志记录是否存在。
(2) 针对区档案下发接口上有一些数据处理细节上的问题, 经过公司操控人员和生产厂家技术人员共同对主站后台系统进行二次开发以后, 以实现了功能上的逐步完善, 达到日常工作的需要。
(3) 针对在数据发布方面, 主站系统的功能不能完全满足系统应用的需要。为了提高该系统的使用功能, 对该系统进行了一下几方面的优化设置:
(1) 首先对变压器的额定容量进行设置, 选取三个不同区段内的容量, 进行序号排列, 然后再进行以下步骤。
(2) 在用户用电过程中, 都会有一个卡表存在, 这个卡表的作用就是对不同客户的用电量进行统计, 当电卡余额达到报警值时就会自动发出报警信号。
(3) 该系统会对每天的用电量进行统计, 然后做出相应处理, 在第二天时又会自动进行档案更新, 进行下一次用电信息统计工作。
3. 处理效果
在供电企业对传统电能采集系统进行改革后, 新型电能采集终端系统自投入使用到今, 以上改进措施的成武供电公司公变采集总数已经达到3029个, 采集完成率达到了91.7%, 在线率达到93%。居民台区在线总数1089个, 采集完成率达到了93.2%。初步实现了台区标准化采集, 由此可见该电能采集终端的采集成功率得到了显著地提高。
四、结束语
在对传统电能信息采集系统进行改造后, 无论是在电能统计、信息传输、对比分析等方面, 还是在经济效益增长方面, 电能采集终端系统都做出了巨大贡献。同时我们也逐渐形成了一套完善的终端管理模式:
电能采集终端不断完善, 实现了对电网和用户电量信息的自动采集和管理的目标, 使得电网智能化发展之路上迈出了一大步, 也为供电企业减少了大量资金的浪费。
参考文献
[1]张磊, 王晓峰.电能信息采集系统运行及维护技术[M].中国电力出版社, 2010.
功率采集 篇6
关键词：集中抄表终端,窄带载波通信,抄表成功率
1 引言
电力用户用电信息采集系统可理解为智能化自动抄表系统, 相对于人工抄表其优点十分突出:一方面可以大大节约人力成本, 一方面实时性、准确性和可靠性也更高, 显著提高了供电企业的经济效益。低压用户在用电用户中占有相当大的比例, 集中抄表终端作为针对低压用户用电信息进行采集的设备, 自然是不可或缺的。
本文首先对集中抄表终端应用原理、应用模式以及应用现状进行介绍;通过几种主流抄表通信方式进行比较, 分析其中应用最为广泛的窄带载波通信方式原理与实现条件;最后根据对终端应用和通信原理分析的结果针对各供电公司比较关注的抄表采集成功率低问题的原因进行剖析, 提出一些可提高采集成功率的有效措施。
2 集中抄表终端及其应用原理
集中抄表终端包括集中器和采集器。集中器是指收集各采集器或电能表的数据, 并进行处理存储, 同时能和主站和手持设备进行数据交换的设备。采集器是用于采集多个或单个电能表的电能信息, 并可与集中器交换数据的设备。
集中器分为集中器I型与II型, 通常提到集中器一般都是指集中器I型, 其功能较为强大, 在电表数据采集方面, 除了可以通过R S485串口总线抄读本地电表外, 还可以完成基于微功率无线通讯和低压载波通信方式的电表数据采集;集中器II型仅能实现本地R S485总线抄表, 在全国各省份低压用户用电信息采集系统中应用较少。
采集器一般分为采集器I型和II型。通常所说的采集器一般都是指采集器I型, 国网电力公司2013年发布的《Q_G D W 1375.3采集器形式规范》里已经规定采集器I型必备三路抄表串口, 因此它可以抄读和暂存多块电能表的数据, 更适合用户相对集中的台区或者用户较多的大台区;而采集器II型则更像是一个通讯转换模块, 完成本地R S485串口通讯的电表数据与集中器之间数据的交互, 其结构简单, 使用更为方便, 成本也相对较为低廉, 更适合用户比较分散的台区。
集中抄表终端应用模型如图1。
集中抄表终端实现原理是:用户根据需要将所有采集节点信息、抄表数据项要求、抄表间隔等参数设置到集中器, 集中器按照用户需求智能抄读接入的电表, 集中器与采集器通过低压电力线交互数据, 采集器与电表通过R S485串口交互数据, 集中器将抄读的数据用于存储和监测, 形成实时数据、冻结数据、事件数据等上传至主站, 主站也可以随时召测。
3 抄表通讯方式
集中抄表终端主流抄表方式有3种:R S485总线串口抄表、低压电力线载波抄表、微功率无线抄表。
R S485总线抄表具有稳定性强、抗干扰性好、速度快、通信质量好的优点, 但是单独依靠R S485总线通讯对于目前用户相对分散、走线颇为复杂的绝大部分电网结构来说显然是不适用的。
对于低压电力线载波抄表, 主要分为窄带载波和宽带载波两种方式, 都是以电力线为信息载体完成数据交互, 窄带载波通讯其成本低廉、易于实现、较稳定而且设备安装十分方便, 但是易衰减、抗干扰能力相对较弱, 而宽带载波通讯在这些方面有显著的优化, 在组网能力、传输效率、稳定性方面要优于窄带载波通讯, 但同时也存在成本较高的缺点。
微功率无线通讯主要是通过无线传感器网络技术实现组网和抄表, 其成本低廉、组网能力较强、可靠性也相当高, 但是其传输距离受障碍物影响, 传输信号已被其他网络接收器接收, 数据安全性不好。
目前全国低压用户采集系统中, 微功率无线通讯方式是北京主推的抄表方式, 在陕西等地偏远农村地区以及西藏高压地区也较为常见, 使用最为广泛的是电力线窄带载波抄表方式, 也是国家电网公司营销部主推的抄表方式。
利用电力线窄带载波通讯方式抄表实现的关键主要借助调频技术、中继路由技术。
电力线载波中用到的调频方式主要包括相移键控 (phase-shift keying, 简称PSK) 和频移键控 (Frequency-shift keying, 简称FSK) 。在电力线载波通讯中, 相移键控是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1和0, 因为仅需要调制出二进制的数据, 所以该调频方式为B PSK;频移键是利用频率承载数据, 电力线载波通信系统一般是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统, 又被称为B FSK;两种调制都是数字调制常用的调制方式, 抗干扰与抗衰减能力较好。
中继路由技术, 与公共无线通信中的定义相同, 都是由一组中继路由器组成, 为不能交换路由信息的路由域配置恰当的中继路由器, 为所有中继路由器分配泛播地址, 将它们当作一个逻辑节点, 借助泛播路由以最短路径到达改逻辑节点, 通过该逻辑节点与其他逻辑节点建立通讯链路, 从而实现一个网络中所有节点的数据交互。
电力线载波通信中, 中继级别一般支持三级以上, 最多可以达到十几级, 为适应低压电力线载波通信技术的高衰减、高噪声、时变性大的特点, 很多载波路由模块厂家采用了动态组网的技术, 动态选择中继路由, 用动态的路由适应动态的电网, 其实现模型如图2。
对于电力线载波中继抄表的实现, 可以举个例子如下:
假设在一个用户变压器下接入了500个低压用户, 相应地要配置500只电能表, 分别分散在变压器下;每个电能表可以是载波电表能够作为独立的从节点存在, 也可以是几个或者十几个电表共用一个采集器作为通讯节点, 假设有200只非载波电表, 分散接在50只采集器下, 那么载波网络中从节点的数量为350个;集中器安装于变压器出线测附近, 集中器配有本地载波模块作为整个电力线载波网络的主节点, 在抄表过程中, 集中器可与其中的150个从节点直接进行通信, 这150个节点便是通讯的第一级, 之后由通讯成功的载波节点去寻找剩下的200个节点, 又找到了其中的100个并完成了数据交互, 那么新找到的这100个就是通讯的第二级, 这样下去, 依次找到的电表就会作为整个载波通讯网络的第三级、第四级, 载波主节点也会记录每个从节点的级数、路径等信息, 完成了路由与中继的实现。
由此可见, 在低压用电网中, 每个采集器或者载波电表都有可能是其他采集器或载波电表的中继, 所以在供电半径较大, 用户较多的线路末端或者离集中器载波主节点最远的从节点可能要经过十几级的中继, 其中的每一级出现了问题, 相关联的从节点都需要重新分配中继路由并更新记录的路由路径。
4 低压用户用电信息采集中存在的问题
2010年, 国家电网公司全面启动电力用户用电信息采集系统的建设, 计划2014年建成覆盖2亿多电力用户的用电信息采集系统, 实现国家电网公司经营区域内电力用户的“全覆盖、全采集、全费控”目标, 时至今日, 抄表采集成功率依然是各供电公司的主要关注的问题, 并且目前的用电信息采集系统使用中, 仍然有不少的台区存在抄表采集成功率低的问题。
抄表采集成功率, 即采集成功率, 是指某个台区下用电用户采集成功数与用户总数的比例, 通常以一天为周期。
导致采集成功率低的问题有很多, 其中, 由于电力用户用电复杂性或者人为原因, 导致参数错误、接线错误以及设备故障占一部分, 还有一部分台区用户参数设置正确, 物理链路也没有问题但同样这两个问题, 根据其现场应用情况以及集中抄表终端制造厂商、载波通讯设备制造厂商的实地勘察与分析, 其原因大致有以下几点:
1) 台区用户的用电属性复杂或者用户电器的非线性干扰较多, 线路上的谐波较大, 导致载波通讯环境噪声较多, 从而影响通信;
2) 台区供电半径较大、用户十分分散, 部分从节点易被载波通讯网络所孤立, 尤其是距离集中器距离较远以及线路较末端的用户, 以至于载波主节点找不到或很难找到合适的路由中继点与其通信;
3) 三相四线供电台区, 三相负载不平衡现象严重, 此问题使供电电力线上的波形发生畸变, 从而影响载波信号的传输;
4) 供电不稳定, 此种现象目前农村电网中个别存在, 尤其是较为偏僻的农村, 供电电压达不到额定的标准。
5 提高抄表成功率的措施
针对低压用户用电信息采集系统中存在抄表成功率地的问题, 通过集中抄表终端的原理分析和窄带载波通讯原理的分析, 突破低压电力线窄带载波技术瓶颈的约束是以后用电信息采集研究的一个关键, 除此还可以从以下几点进行优化:
1) 三相负载不平衡的优化。对于三相四线供电系统, 三相负载不可能完全平衡, 但是供电公司可以根据每个台区下面各个用户的属性, 尽量使三相负载做到平衡, 实现三相负载的平衡, 其收益的将不仅仅是较好的载波通讯环境;
2) 根据电网结构选择合适的终端。对于用户相对分散的可以使用采集器II型或者载波电表, 供电半径大的台区, 每只采集器II型下电表不宜过多, 使两个相邻采集器或者载波表彼此之间距离不要过远;江苏很多地区仅采用采集器II型, 而且每个采集器下接入点表数一般都在3只以下, 抄表成功率普遍都在99%以上;
3) 谐波治理。对于重点用户较多, 载波通讯环境较差的台区, 建议采用一些谐波治理设备、无功补偿设备等;
4) 终端抄表机制。由于目前电网中低压用户电表数据采集量的增多, 以及载波通信本身速率与易受干扰的特性, 终端抄表可选择在用电量较少的波谷时段抄读重要的电能示值等数据, 以保证重要数据的采集成功率。
6 结论
“全采集”的实现是用电信息采集系统的重要目标, 本文分析的集中抄表终端的类型、应用模型以及通信原理旨在了解低压用户用电信息采集的实现原理, 从而根据现场的实际情况去分析影响抄表成功率的因素, 从而找到有效的解决措施。从很多抄表成功率高的台区或者地区与抄表成功率较低的台区进行比较, 不难发现抄表成功率较低的台区存在的共性与分析出的因素是符合的。
参考文献
[1]朱彬若, 杜卫华, 李蕊.电力用户用电信息采集系统数据分析与处理技术[J].华东电力, 2011.
[2]卢玲.智能电网下的用电信息采集[J].硅谷, 2011.
[3]刁培忠.用电信息采集系统在电力企业的应用分析[J].中国电力教育, 2010.
[4]赵勇良.用电信息采集系统本地通信方式对比研究[J].电力系统通信, 2010.
功率采集 篇7
音频信号进入发射机经过调制后,通过信道功率控制使调制信号输出电压值逼近功放理想输入值,从而提高功放效率。信道功率控制主要包括自动增益控制(AGC)与自动电平控制(ALC)。
实际工作中,调制信号经过信道功率控制后会有各种不同的瞬态响应,可能产生毛刺或发生包络失真,从而降低通信质量,增大误码率,严重的可能损坏功放[1]。分析射频信号的毛刺等高频信号的变化特性、功率上升时间、包络长期稳定性等参数,发现射频信号采集分析系统可以检测通信设备功率控制中是否存在设计缺陷或发生故障。这对于保证通信质量和保护功放,具有重要意义。
由于毛刺等高频信号的变化特性往往是瞬态的,因此,对采样检测系统的采样率和处理速度提出了较高要求。此外,由于信号包络变化慢,延续时间长,因此,包络失真检测系统的存储容量足够大。
为实现整个系统功能,需要FPGA和DSP作为下位机,以完成毛刺检测这类“高频”信号特征检测,并可将发现的异常波形标记后返回上位机。另外,由PC完成大存储量、低速的“低频”信号特征(包络失真等)检测。上位机与下位机之间的数据交互量大,实时性要求高,因此,需要一种数据传输更为可靠、传输速率更快的上位机与下位机之间的通信方案。
本文设计了一款可实现上位机与下位机大量数据实时传输的通信系统。下位机由DSP与FPGA构成,完成数字信号的初步处理,其中DSP完成复杂算法及控制任务,FPGA完成实时性要求高、运算量大的毛刺识别等高速信号处理。上位机程序则利用MATLAB编程,完成实时性要求不高但数据量较大的信号处理及显示控制任务。上位机与ARM之间通过以太网连接,基于UDP协议实现。ARM通过HPI接口控制DSP,实现数据采集和命令控制。
1总体设计
1.1系统结构
PC机的各类并行总线通常无法直接连接机外高速并口设备,如各类DSP的高速主机接口(HPI,Host Port Interface)。本文采用ARM作为DSP与PC之间的桥梁。PC与ARM之间采用以太网通信方式,ARM与DSP在同一电路板上集成,从而解决了并行高速总线的连接问题,使系统设计简洁,应用方便,同时满足高速数据传输的要求。
图1显示了系统的硬件结构框图。从图1中可以看出,上位机通过网线连接ARM,ARM控制DSP的主机接口,AD采样的大量数据经过FPGA做相应处理后返回给DSP的EMIF接口。数据采集系统中,FPGA与ARM由各自晶振提供时钟,FPGA对晶振频率做锁相处理后给DSP和A/D提供时钟。
系统中,ARM控制板基于TI公司的LM3S9B96芯片;FPGA采用ALTERA公司StratixⅡ系列的EP2SGX30D;DSP选用了TI公司的TMS320C6416。
1.2工作流程
上位机与DSP完成一次通信的工作流程如图2所示。从上位机发出的命令被处理成UDP报文形式后,经过以太网连接器与控制器进入ARM,再经过UDP协议解析后被转发送至DSP。由于ARM直接控制HPI接口,因此,命令转发过程即是ARM改写DSP的RAM空间的过程。DSP收到命令后将解析报文,执行命令。执行完命令后,DSP将要返回给上位机的数据写到之前定义好的RAM空间内。ARM之后将访问DSP的RAM空间,即进行读操作,将该数据整理成UDP报文形式,并通过网口转发给上位机。DSP与ARM之间采用中断方式通知对方新数据或命令的到来。
2硬件设计
2.1 ARM控制板设计
ARM开发板硬件设计如图3所示。本设计中的ARM开发板是基于TI公司的LM3S9B96芯片,其硬件模块主要包括1个看门狗复位电路、1个网络变压器以及2个晶体振荡器。
L M 3 S 9 B 9 6的时钟来源是主振荡器(MOSC)或16MHz内部振荡器(IOSC)。最终产生的系统时钟用于Cortex-M3处理器内核以及大多数片内外设。本设计中,主振荡器通过外部单端时钟源连接到OSC0输入引脚,以提供频率精准的时钟源。
看门狗复位电路是一个定时器电路。正常工作的MCU每隔一段时间输出一个复位信号到看门狗复位电路输入端,给WDT清零。若超过规定时间未发送复位信号(一般在程序陷入死循环时),WDT定时超过后,看门狗电路就会发出一个复位信号到MCU,使MCU复位,防止MCU死机[2]。
LM3S9B96芯片集成了MAC和PHY功能,只需要连接集成变压器的RJ45网口和必要的阻容器件,便可以实现以太网通信。
2.2 DSP主机接口(HPI)设计
上位机通过ARM可访问主机接口(HPI)。主机接口是主设备或主处理器与DSP的通信接口。在C6x系列DSP中,主机接口是一个16位或者32位宽的并行端口,可以实现并行高速数据传输[3]。上位机掌管该接口的控制权。通过上位机不仅可以直接访问DSP所有的存储空间,而且可以直接访问DSP片内存储空间映射的外围设备。
系统硬件连接如图4所示。本设计中,ARM的地址线AMR_A[4:1]复用为HPI接口的控制信号。HCNTL[1:0]用作接口功能选择,用来区分外部主机当前访问的HPI寄存器种类[4]。
表1描述了主机访问HPI寄存器的选择信号HCNTL[1:0]。HR/W信号决定当前对HPI接口是读或写的操作。内部HPI选通信号来源于3个输入信号HCS、HDS1和HDS2。HCS输入用于使能HPI、HDS1和HDS2信号控制着HPI的数据传输。通过这些信号控制线可以顺利实现HPI的读/写操作。
上位机通过网口与ARM开发板连接,信号均为差分输入,差分输出。
2.3射频信号采集
射频信号采集采用ADI公司的AD9637实现。AD9637可同步将8路模拟射频信号转换为数字信号,转换精度有10bit与12bit可选,转换速率最高可达80MSPS,最大数据量为480MSPS,用户可通过芯片的SPI控制口对AD9637进行设置。
本设计中,DSP通过FPGA实现SPI接口与AD9637通信。考虑到实际采样信号为2M~30M的短波射频信号,设置AD采样时钟为62.5MHz,并使用斩波(CHOP)模式,从而使其具有较小的低频分量。
3软件设计
3.1基于MATLAB的上位机软件设计
上位机程序基于MATLAB R2012a开发。利用MATLAB图形用户接口开发环境(GUIDE)可以方便地建立GUI对象,同时建立M文件框架。用户在该框架下编写GUI组件的回调函数,可以控制并决定GUI对用户操作的响应。
本设计中,DSP负责实时高速采样的分析。DSP将采样数据发送至上位机,MATLAB负责大量非实时低速信号的分析。上位机与ARM之间的通信基于UDP协议,即用户数据报协议。UDP协议提供面向事务的简单不可靠信息传送服务,属于传输层协议。虽然UDP不提供数据包分组、组装,不能对数据包进行排序,在网络环境较差的情况下存在丢包问题,但其有简单、高效的优点。在本设计中,PC与ARM通过网线连接,传输距离不远,网络质量较好,不必考虑丢包问题。
UDP报文一般分为首部和数据区两部分。本设计中,首部内容包括源端口、目的端口、报文长度与校验和[5]。MATLAB软件提供了UDP对象的创建函数。本设计在此基础上设计了顶层协议,并根据协议编写了数据读取程序,将读取到的数据打印或存入工作空间,进行包络失真等检测[6]。
在上位机给DSP下达命令前,需要对发送端与接收端的参数进行设置。参数设置包括本地IP地址、本地发送端与接收端端口号、远端IP地址、远端数据发送端和接收端的端口号。基本参数设置完毕后,将设置接收端缓存大小。然后,打开接收数据端UDP,在后台等待下位机数据。
上位机发送命令时,预先设置发送数据端缓存大小;打开发送数据端UDP后,发送命令;数据发送完成后,关闭发送数据端UDP。
3.2下位机软件设计
3.2.1 ARM控制板软件设计
本设计中,ARM主要负责上位机与DSP之间的通信,以Ke i l u V i s i o n 4作为开发环境,C++语言为开发语言。
在实现上位机与DSP通信前,A R M先进行初始化。初始化过程包括设置系统时钟、EPI总线初始化、设置本地IP、目标IP及物理地址等参数,设置回调函数响应中断、定时器初始化以及清中断。设计中定义的回调函数包括ARM向DSP转发命令函数与ARM向上位机转发数据函数。定义完回调函数后,回调函数的函数指针会注册给调用者。当收到来自上位机或DSP的中断后,ARM将使用函数指针调用指定的回调函数对事件进行处理[7]。
初始化完成后,ARM的IP地址、HPI接口控制寄存器、地址寄存器的初始值均设置完毕,开始等待上位机发来的命令,即等待中断的过程。DSP返回数据给ARM前,同样也会给ARM硬中断,从而通知ARM对DSP进行读操作。当收到来自上位机或DSP的中断后,ARM会根据特定中断调用事先定义好的回调函数,实现命令或数据的透传[8]。
3.2.2 DSP主机接口控制软件设计
HPI接口通过EDMA控制器与内存空间相连,因此,上位机访问DSP内存空间时不需要DSP的CPU参与。主机通过操作3种不同的HPI寄存器实现对DSP内存的访问,分别为控制寄存器(HPIC)、地址寄存器(HPIA)和数据寄存器(HPID)[9]。
中断后,ARM将执行之前定义好的回调函数,接收UDP报文并解析。上位机既可以通过网口给ARM发送命令,也可给DSP发送命令。ARM收到来自上位机的中断后,会先将命令解析,分析是否是给自己的命令。若是,则将命令透传给DSP。ARM透传命令给DSP时,将访问DSP的RAM地址,命令内容写入相应寄存器,并改写控制寄存器,通知DSP访问该空间并执行命令。DSP执行完命令后,将数据写入之前定义好的RAM内,拉低HINT,通知ARM访问该空间并将数据转发给上位机。ARM收到上位机命令后的工作流程如图5所示。
4实验验证
本文通过对下位机数据发送包计数与上位机数据接收包计数进行统计对比,得出此通信方案的可靠性。经过多次实验对比,部分收发数据包计数统计如表2所示。可见,上位机收包计数与下位机发包计数结果基本一致,说明本通信设计方案可靠性高,且满足大量数据实时交换的要求。
5结语
本文设计并实现了一种以ARM为桥梁实现上位机与DSP通信的嵌入式系统,给出了系统设计总框图,介绍了ARM与DSP通信接口设计、上位机程序设计以及系统开始工作后信号在系统中的处理及流程。本文设计的通信结构高速、稳定且易于调试,可推广应用到各种信号采集和控制系统的设计中。
摘要：短波发射机自动功率控制中,算法设计缺陷或反馈控制系统故障可能导致输出波形失真,甚至产生毛刺,损坏发射机功放或降低功放输出效率。针对短波发射机自动功率控制波形检测采集分析中的数据交互量大、实时性要求高等特点,提出了一种自动功率控制异常时波形实时采集设计方案。实验表明,本设计不仅灵活可靠,且能满足大量数据的实时交换要求。
关键词：数据采集,异常波形检测,自动功率控制,发射机,短波
参考文献
[1]赵俭,张效义,于永莉.突发通信模式下数字自动增益控制的FPGA实现[J].舰船科学技术,2006,28(03):53-55.
[2]孙雪飞,胡巍.例说TI ARM Cortex-M3--基于LM3S9B96[M].北京:北京航空航天大学出版社,2013.
[3]汪安民,张松灿,常春藤.TMS320C6000 DSP实用技术与开发案例[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[4]熊斌,赵曙光,郭星明.一种多路视频处理系统新方案[J].通信技术,2011,44(05):116-118.
[5]蔡钧,段文伟,付俊杰等.一种改进的DCS通信接口方案及应用[J].自动化仪表,2011,32(08):50-52.
[6]Chia-han Y,Gulnara Z,Yang Chen-Wei,et al.Cosimulation Environment for Event-Driven Distributed Controls of Smart Grid[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2013,9(03):1423-1435.
[7]裴科,张刚.一种互补性多处理器系统中OS间通信接口设计[J].计算机工程与应用,2010,46(17):60-62.
[8]曹理发.基于ARM+DSP的视频处理系统设计与实现[D].武汉:武汉理工大学,2008.