基于PC104和嵌入式Linux的水电机组振摆装置

基于PC104和嵌入式Linux的水电机组振摆装置的研究李友平朱浩施冲夏洲（南瑞集团自控公司江苏南京 210003）摘 要 随着水电机组单机容量的不断变大，为保证机组和电网的安全稳定运行，对机组的振动摆度进行监测变得越来越重要。

本文介绍了一种基于PC104和嵌入式Linux开发的振摆监测装置。

对该装置的结构，功能以及具体的实现方法进行了相关的阐述。

关键词水电机组,振摆监测,嵌入式Linux ,PC104，双端口RAM1、引言随着水电机组单机容量的不断扩大，水电机组的稳定运行不仅仅对水电机组本身的安全是个重要的问题，同时也是电网安全稳定运行的重要保证。

因此，对水电机组，尤其是大型水电机组的状态监测目前越来越受到人们的普遍关注。

根据有关统计资料表明[1]，水电机组80％的故障都可以在振动信号中体现。

因此，对水电机组的振动摆度信号进行监测和分析显得及其重要。

PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，近年来在国际上广泛流行，是一种优化的、小型堆栈式结构的嵌入式控制系统。

其主要特点为[2]：◇小尺寸结构，堆栈式，“针”“孔”总线连接，有极好的抗震性；◇6mA总线驱动即可使模块正常工作，低功耗，能减少元件数量；◇自我堆栈式连接，无须母板。

Linux自1991年问世以来，以其自身独特的自由、奔放、免费的形式吸引了全世界范围内的大量优秀计算机技术人员，投入到对它的开发和不断的完善工作之中去。

Linux所具备的稳定、高效、易定制、易裁减、硬件支持广泛以及开放源代码等特点，使得Linux近年来迅速崛起，使得Linux成为世界上越来越流行的操作系统。

目前嵌入式Linux被广泛的应用于数据采集、过程控制等诸多工业现场。

本文介绍的是一种基于PC104和嵌入式Linux的水电机组振摆装置的开发。

2、系统结构从总体结构开来，系统主要由两部分组成，如图1所示[3]。

第一部分是基于C8051的信号采集部分，其主要功能是对现场传感器信号进行模数转换，同时对其进行基本的信号调理以及实现DI/DO接口等；第二部分是基于嵌入式Linux的信号处理与显示部分，其主要功能是完成数字信号处理、数据存储、人机界面以及外部通讯等。

二者由PC104总线进行连接，通过双端口RAM 进行数据交换。

3、硬件系统研制系统硬件主要由PC104(X86兼容的64位第六代处理器)、高速32K×16静态双端口RAM、Silicon Laboratories 公司的25MHz C8051F020单片机、ALTERA公司的高速CPLD和ADI公司的可同时采样触发的16位6通道模数转换芯片AD7656构成，如图2所示。

面板上有6.4英寸的彩色液晶，并有3个运行指示灯，一些可供巡检用的按键和USB接口，同时还支持标准的PC键盘、10/100Base-T以太网，整体结构美观简洁大方。

系统采用模块化结构设计，除电源模块、CPU模块各一块外，还有3个模拟信号采集模块插槽(有振动摆度模块和水压脉动模块可供选择)。

每个振动摆度模块和水压脉动模块有8路信号输入，模块上提供传感器所需的±12V和±24V电源。

由于本装置可同时采集24路振动信号，若每个旋转周期采样128点数据，连续采8个周期，将产生48Kbyte的数据量，这是一般数据通信所无法承受的，本装置用PC104通过ISA数据总线直接从双端口RAM获取数据，从而保证高速数据传输的安全性和可靠性。

C8051F020可跟踪水轮机转速，并预测下一转的转速，在CPLD的配合下实现同步整周期采样，并把数据送往到双端口RAM中。

4、系统软件研制4.1软件系统结构及功能系统的软件结构如图3所示。

主要由以下几个部分组成：嵌入式Linux操作系统，驱动程序，信号采集，信号处理，数据存储，图形用户界面，外部通讯。

其中操作系统程序主要负责进程管理、进程间通信、内存管理、实现文件系统、提供I/O接口及对其他资源进行管理；驱动程序负责访问系统内核，提供用户程序与操作系统的接口；信号采集主要负责对信号数据的访问以及用户程序和内核程序的数据交换；信号处理程序负责对采集得到的振动摆度信号进行数字信号处理；数据存储程序根据系统的数据存储规则，保存相关的数据；图形用户界面程序负责系统的人机交互；外部通讯程序则负责对本系统与其他系统的数据交换。

4.2 软件系统实现4.2.1 构建嵌入式Linux操作系统构建嵌入式的Linux操作系统，就是对Linux进行裁减，定制系统内核。

Linux提供了方便灵活的方法来定制内核，主要步骤包括：下载安装内核源代码树，配置内核，编译内核等[4][5]，具体的实现方法可以参见本文所列参考文献。

本系统采用的内核版本是Linux 2.4.20-8。

4.2.2 编写驱动设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。

设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。

它主要完成以下的功能[6]：◇对设备进行初始化和释放；◇把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；◇读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据；◇检测和处理设备出现的错误等。

Linux操作系统下有两种设备文件类型，字符设备和块设备。

本系统采用的是字符型设备。

在驱动程序的编制过程中，主要对数据结构struct file_operations中的有关函数：int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int);int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long);int (*release) (struct inode * ，struct file *);进行了实现。

另外，在驱动程序的初始化过程中，还对中断进行了申请，保证驱动程序及时响应中断，以提高系统响应的时效性。

4.2.3 信号采集信号采集程序的功能主要是通过驱动程序完成嵌入式Linux中的用户程序与C8051之间的数据交换。

一方面，当接受到内核数据准备好的消息后，它通过驱动程序对相应的数据进行读取，同时填写系统数据结构的特定字段，完成系统数据包的整合；另一方面，当用户界面程序修改系统的相关参数后，该程序通过驱动程序将特定的命令写入双端口RAM的特定地址，并且对C8051进行中断，要求C8051按照新的参数对各个通道进行数据采集和A/D转换。

4.2.4 信号处理信号采集程序从双端口RAM中得到的是物理值。

信号处理程序首先需要根据每个传感器的特性，将测量得到的物理值转化为对应的工程值，再对工程值进行归一化均值处理，同时找出数据包内的最大振动值V max。

当V max超标时，通知数据存储程序，对该故障点数据进行保存。

当图形用户界面程序需要对相关图形，比如棒图、时域波形、频谱图、轴心轨迹图、瀑布图、空间轴系图等的显示时，信号处理程序会调用对应的信号处理功能块，对相关的数据包进行信号处理，并将结果返回给图形用户界面程序。

4.2.5 数据存储由于嵌入式系统存储容量有限，不能对所有采集得到的数据都进行保存。

从工程应用的角度出发，只要对某些具有代表性的关键数据进行保存即可。

系统在机组正常运行过程中，始终将每个通道的最近10组连续数据保存在内存中，当机组振动超标或者有DI（包括：开机、停机、机组甩负荷以及机组故障）信号输入时，系统将每个通道保存在内存中的这10组数据以及此后的连续的10组数据（称之为“故障点数据”）存入数据文件中，以备事后进行信号分析，为查找事故原因提供原始数据。

对于正常数据，系统将根据时间段进行数据存储，以利于机组振动摆度的趋势分析。

具体规则如下：为每个通道保存最近一小时内的6组数据，最近一天内的48组数据，最近一个月内的60组数据，最近一年内的48组数据。

4.2.6 图形用户界面目前嵌入式Linux系统下有多种图形用户界面解决方案。

比如MiniGUI、Win CE、MicroWindows、QT/Embedded、OpenGUI等。

其中，MiniGUI是国内优秀的嵌入式系统图形界面平台，由北京飞漫软件技术有限公司开发。

它提供了完备的多窗口机制，实现了窗口消息的传递机制；能够支持多字符集和多字体，以及全拼、五笔等汉字输入法；支持多种图形文件格式，如BMP、 GIF、JPEG、PCX、TGA；Windows的资源文件支持，如位图、图标、光标等。

MiniGUI小巧，包含全部功能的库文件大小为300 kB左右。

可以根据开发的需要自行配置和编译，特别适合于作为嵌入式Linux系统的图形平台。

基于以上原因，系统的图形用户界面选择了MiniGUI来进行开发[7]。

当用户需要查看相关图形时，图形用户界面程序向信号处理程序发送特定的消息。

信号处理程序接受到消息后对相关的数据进行处理，然后将处理结果返送给图形用户程序。

图形用户程序得到处理结果后，根据实际需要显示图形。

本装置默认的图形显示为全部通道振幅的棒图显示，显示内容包括：通频振幅、一倍频振幅和当前状态。

4.2.7 外部通讯为了与其他系统进行数据交换，本系统提供了USB、TCP/IP和RS232/485接口，可以方便的实现与其他系统的数据交换。

5、小结水电机组振动摆度信号的监测和数据分析是水电机组状态监测的重要内容，也是开展水电机组状态检修工作的基础。

嵌入式Linux因其代码公开、裁减定制方便、内核体积小等诸多优点，在工业现场得到越来越广泛的应用。

本文介绍了一种基于嵌入式Linux和PC104开发的水电机组振摆装置，同时对其系统结构和实现方法也进行了详细的说明，为水电机组振摆装置的研制提供一种新的思路和方法。

【参考文献】1．李友平．水电机组状态检修系统中的信号处理．武汉大学硕士学位论文．2001年5月 2．PC/104 Embedded Consortium. PC/104-Plus Specification (Version 1.2). August 20013．南瑞自控公司．SJ90振摆监测装置系统设计任务书.2005年94. 邹思铁．嵌入式Linux设计和应用 [M]．清华大学出版社.5．赵志显. 基于Linux的嵌入式系统设计.大众科技杂志网. 2005年第11期(总第85期) 6．Alessandro Rubini. Linux Device Drivers, 2nd Edition. O'Reilly, June 20017. 北京飞漫软件技术有限公司, MiniGUI用户手册, 2005年9月8. 北京飞漫软件技术有限公司, MiniGUI编程指南, 2005年9月9．殷福亮，宋爱军．数字信号处理C语言程序集．辽宁科学技术出版社．1997年7月10．Neil Matthew, Richard Stones. Beginning Linux Programming, 3rd Edition. Alan Cox (Foreword by).January 200411．徐千洋. Linux C函数库参考手册. 中国青年出版社.2002年1月12. 包明，郭建华. 基于FPGA的高速高精度频率测量的研究. 网络文章. 2003年7月13． 牛玉广，侯维宁. 多通道信号的同相位整周期采样. 数据采集与处理. 1997年6月（第2期）14．王珂崙. 水力机组振动. 水利电力出版社，1986年10月【作者简介】1. 李友平 (1976.7 -), 男，工程师，主要从事为水电厂自动化、水电厂水力量测以及水电厂故障诊断与状态检修等方面的工作。