基于S3C44BOX的远程监测系统的设计与实现

引言
发电机是电力系统的核心，随着单机容量的不断增大，其运行可靠性显得尤为重要。对于发电机而言，并网运行后实现在线监测和诊断已成为一项亟待解决的课题。其主要目的在于：检出发电机在初始阶段出现的缺陷，以便有计划地安排检修，减少强迫停机次数，避免事故的发生；延长发电机平均无故障时间及缩短平均修理时间，降低发电机的维护费和提高发电机的可用性。
发电机运行状态监测原理
发电机长期运行后，绝缘性能渐趋劣化，而绝缘结构的劣化是各种劣化的综合表征。目前，射频监测法是较为常用的监测发电机绝缘状态的方法。
本文论述的远程监测系统配合在线运行的SJY-1射频监测仪，通过监测射频仪的输出信号，进行初步的故障诊断。如何确定射频监测仪的示值变化与发电机定子绝缘状况变化趋势的关系是监测与诊断中极为重要的问题。根据发电机定子绝缘变化的过程具有“模糊态”的特点，其监测可划分为良好、中介过渡、注意、警告、危险等几个区域，发电机的绝缘状态与SJY-1射频仪的信号电平具有一定的函数关系。

当SJY-1射频监测仪检测信号低于300 mV或在此附近摆动，而且测量值与发电机负荷无关的情形下，发电机系统的放电总量是微小的，此时表明发电机系统的绝缘状况良好；当SJY-1射频监测仪检测信号电平高于1000 mV，表明在整个发电机系统中放电量比较大，应该引起维修人员的注意。
然而，考虑到1000 mV并非发电机定子内部放电判断的绝对界限，因此不能规定射频信号一旦达到某一特定值就一定要维修检查。发电机绝缘从最初的缺陷发展成为故障所需的时间与故障类型各不相同，相对而言，信号的长期变化可给评判提供更为丰富的信息。为了得到信号的长期变化数据，本监测系统采用设定告警门限与告警次数累计相结合的方法。首先，用户设定告警门限值(一般可设为1000 mV)，告警次数累计为N。然后在实际运行过程中，当射频仪的监测值超过告警门限值时，告警累计次数加一，反之则减一。只有当告警累计次数≥N时，即发电机绝缘状态长期处于告警范围中时，监测系统才认为当前的发电机存在绝缘故障可能，从而启动短消息告警程序，通知维修人员及时排查。

系统的总体设计
考虑到SJY-1射频监测仪会自动把mV级电压(0mV~10000 mV)转换成mA级电流输出(0mA~20mA)，所以本监测系统实际监测的信号是mA级的电流。为方便用户操作，本系统在提供告警门限值设置时仍采用mV级电压单位，而在内部程序处理时完成数值单位的转换。
系统的总体设计框图如图1所示。射频仪产生的0mA~20mA的电流转换成电压信号后输出至数据采集模块，然后微处理器对采集的数据进行监测。一旦发现异常情况，则通过GSM模块TC35i终端发送告警短消息给维修人员。
本系统采用S3C44B0X作为微处理器，针对SJY-1射频监测仪产生的电流信号变化较为缓慢的特点，使用其内部定时器所产生的中断，以每秒12次的采样速率启动ADC，转换后的数据经过初步平滑处理后存入数据缓冲。当缓冲区满时，将数据转存至固态硬盘中。若系统检测到有故障发生时，启动告警程序，发送短消息给维修人员。维修人员可以通过系统与PC联机读出固态硬盘中的历史数据，存入数据库，并分析故障产生的原因及解决方案。

系统的硬件组成
本系统中以微处理器S3C44B0X为核心的小系统由外部程序存储器、LCD显示、UART串口、实时时钟以及键盘组成。在此基础上，本系统对S3C44B0X小系统的外围电路进行了扩展，增加了ADC模块、存储模块、串口通信模块和GSM模块。
本系统的输入信号为射频仪产生的4mA～20mA的电流信号，经精密电阻后转换成0V～4V电压输入至4通道、12位、并行/串行ADC芯片ADS7824。设计时选用了通道0作为原始信号的输入，保留其余三路信号以备将来开发所用。同时选用了串行工作模式。ADC模块的电路如图2所示。为保证电路板是单电源，本设计的ADC模块中采用了DC-DC转换器，给隔离放大器提供其所需的双电源。
考虑到系统需要大容量的数据存储，要求存储芯片体积小、功耗低，所以选用了三星公司的NAND结构Flash存储器件——16MB的K9F2808来作为本系统的固态硬盘。其电源电压为2.7V~3.6V，按页读写，按块擦除。
本系统的串行通信模块由两部分组成：PC通信和Modem通信。S3C44B0X提供两个DB9串口，分别是UART0和UART1。系统设计时将UART0用于连接PC，进行简单的数据传输及接收，并采用MAX3221作为电平转换芯片。UART1则作为全功能串口，经过MAX3243电平转换后与Modem通信。由于S3C44B0X未提供RS-232通信所需的诸如DCD(载波检测)、DTR(数据终端准备好)、DSR(数据准备好)和RIC(振铃指示)等专用的I/O口，因此本设计中选用其通用的I/O口替代，由软件模拟这些握手信号。
此外，系统还要求其GSM模块支持短消息服务，具备标准的RS-232接口以及SIM卡接口，并能直接用AT命令对其进行接口。因此，采用了内置TC35i无线模块的西门子TC35i终端作为系统的GSM模块，通过全功能串口UART1与之通信。
　　
系统的软件设计
系统软件设计包括下位机软件设计和PC机软件设计。前者主要由人机交互模块、数据采集与存储模块，以及短消息发送模块(流程如图3所示)组成，而后者又包括串口通信模块、主界面和数据库设计两部分。
人机交互模块由LCD显示器和键盘组成，负责设定系统的参数，如告警阈值，告警计数门限值、短消息服务中心号码和维修人员手机号码等。如前所述，本系统在提供告警阈值设置时采用mV级电压，并通过内部程序完成数值单位的转换。此外，考虑到维修人员需要把固态硬盘中的数据导入PC中，所以软件设计中还专门设定了PC数据转存功能。当指定的按键中断产生时，软件将自动屏蔽其他中断，启动数据转存子程序，从而将固态硬盘中的数据按页读出，并通过串口传送给PC。
数据采集与存储模块主要负责采样和硬盘K9F2808的读写。采样频率为每秒12次，由MCU内部定时器中断启动。
短消息发送模块主要负责用户数据区编码以及告警短消息的发送。本设计中，MCU与TC35i终端的通信速率设定为19200bps，使用AT指令集进行通信。AT指令是基于字符的命令结构，有TEXT模式和PDU模式，还有早期使用的BLOCK模式。其中，PDU模式在GSM移动设备中使用最为普遍。本设计也是采用的该模式。
在PC机软件设计中，串口通信模块负责PC机与下位机之间数据的收发，而主界面和数据库的设计是为了更好的实现对系统的远程监测功能。

结语
本设计实现了基于S3C44B0X的远程监测系统。实验表明，该系统实时性好、性能可靠、实用性强。此外，由于短消息业务具有永远在线、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等优势，所以该系统还特别适用于一些通信数据量较小的应用

参考文献:

[1]. S3C44B0X datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/S3C44B0X_582.html.
[2]. ADS7824 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/ADS7824_1056178.html.
[3]. MAX3221 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MAX3221_1074311.html.
[4]. MAX3243 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MAX3243_1074313.html.
[5]. RS-232 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.