嵌入式计算机在电力设备监测中的应用研究

论文摘要

随着电力事业的发展,对电力系统中发电厂、变电站以及输电线路以及电力设备的长期安全运行要求越来越高,为预防灾难性事故的发生,对电力线路和电力设备进行状态监测和故障诊断就显得十分必要。微电子技术的发展越来越快,伴随着超大规模集成电路技术的成熟,嵌入式计算机系统的功能越来越强大,在某些场合完全可以取代传统的工控机,并且其独特的优势在于它的体积小、功耗低、性价比高、便于携带,使得它非常适合应用到电力安全监控仪器中。本论文在嵌入式计算机系统平台的构建中做了大量的研究工作,以电力安全的需求为目标,从嵌入式计算机系统的硬件设计入手,深入研究了嵌入式计算机硬件系统设计和电磁兼容性问题,成功研发出了具有良好电磁兼容性能,能够长时间（连续一个月运行测试）可靠运行的嵌入式计算机主板。在软件部分,实现了嵌入式计算机系统的多种引导模式,嵌入式Linux内核的移植,内核驱动程序中bug的修正和部分新增硬件驱动程序的编写,以及嵌入式图形界面GUI系统Qtopia的移植,完成了整个嵌入式计算机系统从硬件到软件系统平台的构建。在此嵌入式计算机系统平台基础之上,进行了电力安全监控设备的研究开发:1)研发了一套基于嵌入式计算机系统的输电线路舞动监控系统,可以对输电线路舞动情况进行分析、监控,通过采集电力线路的图像并对其进行分析,通过GSM方式发送舞动状态到地面监控中心。该系统已经在江津供电局挂网使用;2)研制了一套具有紫外放电检测和图像采集功能的紫外内窥检测系统,通过实验验证了该紫外内窥系统在电气设备检测方面的实用性。本论文在基于嵌入式计算机系统及其在电力安全中应用研究中,主要完成了以下工作:①研究了嵌入式计算机系统的硬件系统设计,以及高频线路板设计中的信号串扰、阻抗反射、电磁辐射等方面的工程实际问题,通过两次嵌入式计算机系统主板的设计和改进,成功研发出了工作稳定、电磁兼容性能良好的嵌入式计算机主板。②研究了嵌入式计算机系统的启动过程,编写了bootloader启动程序,完成了uboot在AT91RM9200上的移植,并且修改了uboot中的数个bug,新增了许多uboot命令,实现了uboot对NandFlash、IIC和SPIFlash的操作。③在嵌入式计算机主板上移植了Linux-2.4.27内核,修正了显卡驱动中的部分bug,根据系统主板的设计需要,完成了I/O驱动,A/D驱动,RTC驱动等程序研发工作。移植了目前市场上普及流行的USB摄像头驱动,实现了嵌入式Linux内核对USB摄像头的广泛支持。④研究了嵌入式GUI系统的体系结构和工作原理,实现了Qtopia在嵌入式计算机主板上的定制和移植工作,并且在该系统上实现了音频、视频,娱乐等媒体功能,为以后紫外内窥系统以及输电线路舞动监控系统应用软件在图形界面上的开发扫除了障碍。⑤研究了输电导线舞动的理论基础、舞动机理和国内舞动治理工程实例,完成了基于嵌入式计算机系统的输电线路舞动监控系统的研制,通过对大量的挂网实验数据进行统计,并且对典型数据进行了分析对比,证明了该系统具有很好的效果。⑥针对电力工业环境内窥监测及诊断要求,在深入研究紫外放电检测技术、图像采集压缩技术和嵌入式系统技术的基础上,成功研制了一套具有图像和紫外数据采集、数据压缩和无线传输功能的紫外内窥检测系统。本系统的研制为电力安全中非常关键的输电线路与电力设备的状态监测和设备检测探伤提供了数据基础和技术保障,对嵌入式计算机在电力安全中的应用研究进行了积极的探索,对电力安全新技术的推广应用有着很大的现实意义,

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 课题的研究背景
• 1.2.1 嵌入式计算机系统在国内外研究的现状
• 1.2.2 输电线路舞动监控系统的研制背景
• 1.2.3 工业内窥技术的发展概况
• 1.2.4 紫外放电检测的发展
• 1.3 课题研究的内容
• 2 嵌入式计算机系统硬件平台设计与电磁兼容性分析
• 2.1 嵌入式计算机主板硬件设计
• 2.1.1 AT91RM9200 处理器简介
• 2.1.2 嵌入式主板的电源设计
• 2.1.3 内存SDRAM 模块
• 2.1.4 NorFlash 模块
• 2.1.5 USB 模块
• 2.1.6 RS-232 串行通信摸块
• 2.1.7 10/100M 网卡模块
• 2.1.8 LCD/VGA 接口模块
• 2.1.9 实时时钟模块
• 2.1.10 嵌入式计算机主板实物图片
• 2.2 高速集成线路电磁兼容性的研究
• 2.3 本章小结
• 3 嵌入式计算机系统软件平台的构建与研究
• 3.1 嵌入式计算机系统引导程序的研究与应用开发
• 3.2 嵌入式LINUX 操作系统平台构建的研究
• 3.2.1 Linux 操作系统的结构研究
• 3.2.2 嵌入式Linux 操作系统内核的裁减、定制与移植
• 3.3 嵌入式LINUX 系统驱动程序的研究与开发
• 3.3.1 嵌入式Linux 驱动开发的基本函数
• 3.3.2 设备驱动的模块化编程
• 3.4 QT/EMBEDDED 的移植与应用
• 3.4.1 Qt/Embedded 的移植步骤
• 3.4.2 在AT91RM9200 嵌入式平台上的Qtopia 移植和应用
• 3.4.3 Qt/Embedded 下应用程序的开发
• 3.5 本章小结
• 4 基于嵌入式计算机系统的输电线路舞动监控系统的研制
• 4.1 输电线路舞动监控系统的研制意义和主要工作
• 4.2 输电线路舞动数学模型
• 4.2.1 输电线路舞动的机理分析
• 4.2.2 架空输电线路舞动数学模型的发展
• 4.2.3 输电线路舞动数学模型的建立
• 4.2.4 摄像在导线舞动监测中的应用
• 4.3 输电线路舞动监控系统的研制
• 4.3.1 系统整体构架和数据通信平台的构建
• 4.3.2 线路舞动监测系统软件设计与实现
• 4.4 挂网实验数据分析
• 4.5 本章小结
• 5 基于嵌入式计算机系统的紫外内窥检测系统的研究
• 5.1 紫外内窥检测系统的研制背景
• 5.2 紫外内窥检测系统的基本原理
• 5.2.1 局部放电与电晕放电原理
• 5.2.2 紫外脉冲检测原理
• 5.3 工业内窥系统硬件及其驱动设计
• 5.3.1 工业内窥探头设计
• 5.3.2 Linux 系统下的设备驱动开发与研究
• 5.4 工业内窥系统软件设计与实现
• 5.4.1 内窥图像采集软件实现
• 5.4.2 紫外脉冲检测的软件实现
• 5.5 GPRS 数据通信
• 5.5.1 GPRS 通信原理
• 5.5.2 Linux 下GPRS 控制程序设计
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 存在的问题和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果和奖励目录