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基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行 数据采集终端

阅读：389发布：2020-05-17

专利汇可以提供基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，涉及热电联产机组运行监测技术领域。该采集终端包括基于ARM9架构的嵌入式硬件系统及在该硬件系统中内嵌的基于嵌入式Linux 操作系统为应用底层的软件系统；硬件系统包括ARM9架构处理器、电源和复位电路、时钟电路、64M SDRAM、64M NAND FLASH、NOR FLASH、串行通讯接口、以太网接口、LCD接口，及机壳上对应于外围接口的各种物理接口和人机交互模块；软件系统包括Linux嵌入式操作系统内核和硬件电路驱动程序和上层数据采集处理应用程序。本发明具有高性能、低功耗、体积小、多端口、多线程等特点。，下面是基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，其特征在于：包括基于ARM9架构的嵌入式硬件系统及在该硬件系统中内嵌的基于嵌入式Linux 操作系统为应用底层的软件系统；
所述基于ARM9架构的嵌入式硬件系统包括主板和机壳；
所述主板包括核心电路和外围接口电路；所述机壳上安装有对应于外围接口电路的各种物理接口，通过排线与外围接口电路的插座相连；所述机壳上还设有人机交互模块，包括LCD液晶显示屏和输入键盘；
所述核心电路包括ARM9架构处理器、电源和复位电路、时钟电路、64M SDRAM数据存储器、64M NAND FLASH程序存储器，各电路之间通讯采用I2C串行总线连接；
所述ARM9架构处理器，为内核32位嵌入式RISC 微处理器，用于结合其他核心电路和外围接口电路，加载嵌入式操作系统Linux的引导程序，自动运行上层应用程序，完成采集数据的处理与传输；所述电源和复位电路中采用5V直流电源为整个终端供电；所述时钟电路包括两路时钟输入，一路是ARM9架构处理器工作时钟，另一路是RTC时钟；所述64M SDRAM数据存储器，用于存放可执行代码，包括底层Linux操作系统进程、数据采集处理应用程序，SDRAM通过I2C串行接口与ARM9架构处理器相连；所述64M NAND FLASH程序存储器，用于软件系统文件的存储，包括嵌入式操作系统Linux操作系统、Linux系统下的硬件电路驱动程序及上层应用程序的固化存储；
所述外围接口电路连接在ARM9架构处理器核心板卡上，所有外围电路都是支撑ARM9架构处理器运行，包括NOR FLASH、串行RS485通讯接口、以太网接口、LCD接口；
所述NOR FLASH，用于存放ARM9架构处理器启动程序；所述串行RS485通讯接口，设有多个，通过连接串行总线，将ARM9架构处理器与采集传感器或智能仪表设备相连接，通过该接口从采集传感器或智能仪表设备获取通讯数据；所述以太网接口，设有多个，用于连接互联网，实现数据采集终端与远端监测主站的网络通讯，将ARM9架构处理器处理后的数据传输到远端监测主站；所述LCD接口，通过数据排线连接LCD液晶显示屏；
所述LCD液晶显示屏用于输出当前运行状态、数据采集统计、系统参数值、报警信息、历史数据；所述输入键盘使用4×4阵列按钮键盘，通过数据排线与外围电路板连接，通过串行总线通讯，用于完成数据采集终端参数的配置；
所述软件系统包括底层Linux系统程序和上层数据采集处理应用程序，所述底层Linux系统程序包括Linux嵌入式操作系统内核和硬件电路驱动程序，用于直接操作硬件系统，负责硬件资源分配、调度、管理；所述上层数据采集处理应用程序以操作系统API为基础，使用高级语言及面向对象方法开发，基于操作系统内嵌的TCP/IP协议栈通过多线程实现多端口通讯，用于完成通过串行通讯接口传输的电厂上网电量、热电联产机组负荷和发电量、供热蒸汽的压力和温度、供汽流量、入炉煤量采集数据的处理、传输，对采集数据进行预处理，判断数据正确性、精度、数值是否越限，然后将数据缓存的同时通过互联网发送给远方监测主站；上层数据采集处理应用程序包括数据通讯模块、数据处理模块、数据存储模块、任务处理队列管理模块；数据通讯模块，完成基于Socket的数据异步通讯功能；数据处理模块，对采集数据进行分类、格式化、精度处理、数值判断；数据存储模块，对采集到的数据进行序列化，存储到非易失存储器中；任务处理队列管理模块，完成对采集任务队列的排序、优先级、任务队列执行情况进行综合管理。
2.根据权利要求1所述的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，其特征在于：所述ARM9架构处理器为S3C2410X处理器。
3.根据权利要求1或2所述的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，其特征在于：所述ARM9架构处理器工作时钟为12MHz的有源晶振，无需外部电容，由内部PLL倍频至200MHz；所述RTC时钟为32.768KHz的无源晶振，其电路与以太网接口所使用的时钟电路相同。
4.根据权利要求1所述的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，其特征在于：所述NOR FLASH采用64K容量的SST39VF200A型号NOR FLASH芯片。
5.根据权利要求1所述的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，其特征在于：所述多个串行通讯接口采用SP3232ECA芯片。
6.根据权利要求1所述的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，其特征在于：所述以太网接口采用以太网接口芯片CS8900A。
7.根据权利要求1所述的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，其特征在于：所述机壳上包括操作面板和接口面板，所述操作面板为机壳的前端面板，安装人机交互模块，所述接口面板为机壳的后端面板，安装各种物理接口。

说明书全文

基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行 数据采集终端

技术领域

[0001] 本发明涉及热电联产机组运行监测技术领域，尤其涉及一种基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端。

背景技术

[0002] 热电联产是指在同一发电机组中将供热和发电联合在一起生产。热电联产有利于能量的梯级利用，能有效促进机组发挥效率优势和节能环保优势。当前对热电联产机组的实时运行状态缺少在线监测系统，传统的热电成本分摊方法由于能量的数量和品质在热与电之间的分配存在争议，经常采用“以热定电”模式，对电厂缺乏相应的监测监管，不利于促进热电联产企业的健康发展。因此有必要建设一种在线数据采集终端，将热电联产机组关键点位的传感器信息进行实时采集，并通过该采集终端设备传送到远端监控中心。

[0003] 现有热电联产机组运行参数采集装置，通常采用51系列单片机或工控计算机作为系统的硬件平台。基于51系列单片机开发的数据集中采集装置，虽然体积小、功耗低、易安装，但其处理性能成为多传感器接入的瓶颈，多采集点接入，会造成数据量增大，给51系类单片机的处理能力带来挑战。而采用工控计算机作为系统硬件平台的数据采集装置其性能强劲，但体积大、功耗高、不利于安装部署。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，具有高性能、低功耗、体积小、多端口、多线程等特点。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

[0006] 一种基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，包括基于ARM9架构的嵌入式硬件系统及在该硬件系统中内嵌的基于嵌入式Linux 操作系统为应用底层的软件系统；

[0007] 所述基于ARM9架构的嵌入式硬件系统包括主板和机壳；

[0008] 所述主板包括核心电路和外围接口电路；所述机壳上安装有对应于外围接口电路的各种物理接口，通过排线与外围接口电路的插座相连；所述机壳上还设有人机交互模块，包括LCD液晶显示屏和输入键盘；

[0009] 所述核心电路包括ARM9架构处理器、电源和复位电路、时钟电路、64M SDRAM数据存储器、64M NAND FLASH程序存储器，各电路之间通讯采用I2C串行总线连接；

[0010] 所述ARM9架构处理器，为内核32位嵌入式RISC 微处理器，用于结合其他核心电路和外围接口电路，加载嵌入式操作系统Linux的引导程序，自动运行上层应用程序，完成采集数据的处理与传输；所述电源和复位电路中采用5V直流电源为整个终端供电；所述时钟电路包括两路时钟输入，一路是ARM9架构处理器工作时钟，另一路是RTC时钟；所述64M SDRAM数据存储器，用于存放可执行代码，包括底层Linux操作系统进程、数据采集处理应用程序，SDRAM通过I2C串行接口与ARM9架构处理器相连；所述64M NAND FLASH程序存储器，用于软件系统文件的存储，包括嵌入式操作系统Linux操作系统、Linux系统下的硬件电路驱动程序及上层应用程序的固化存储；

[0011] 所述外围接口电路连接在ARM9架构处理器核心板卡上，所有外围电路都是支撑ARM9架构处理器运行，包括NOR FLASH、串行RS485通讯接口、以太网接口、LCD接口；

[0012] 所述NOR FLASH，用于存放ARM9架构处理器启动程序；所述串行RS485通讯接口，设有多个，通过连接串行总线，将ARM9架构处理器与采集传感器或智能仪表设备相连接，通过该接口从采集传感器或智能仪表设备获取通讯数据；所述以太网接口，设有多个，用于连接互联网，实现数据采集终端与远端监测主站的网络通讯，将ARM9架构处理器处理后的数据传输到远端监测主站；所述LCD接口，通过数据排线连接LCD液晶显示屏；

[0013] 所述LCD液晶显示屏用于输出当前运行状态、数据采集统计、系统参数值、报警信息、历史数据；所述输入键盘使用4×4阵列按钮键盘，通过数据排线与外围电路板连接，通过串行总线通讯，用于完成数据采集终端参数的配置；

[0014] 所述软件系统包括底层Linux系统程序和上层数据采集处理应用程序，所述底层Linux系统程序包括Linux嵌入式操作系统内核和硬件电路驱动程序，用于直接操作硬件系统，负责硬件资源分配、调度、管理；所述上层数据采集处理应用程序以操作系统API为基础，使用高级语言及面向对象方法开发，基于操作系统内嵌的TCP/IP协议栈通过多线程实现多端口通讯，用于完成通过串行通讯接口传输的电厂上网电量、热电联产机组负荷和发电量、供热蒸汽的压力和温度、供汽流量、入炉煤量采集数据的处理、传输，对采集数据进行预处理，判断数据正确性、精度、数值是否越限，然后将数据缓存的同时通过互联网发送给远方监测主站；上层数据采集处理应用程序包括数据通讯模块、数据处理模块、数据存储模块、任务处理队列管理模块；数据通讯模块，完成基于Socket的数据异步通讯功能；数据处理模块，对采集数据进行分类、格式化、精度处理、数值判断；数据存储模块，对采集到的数据进行序列化，存储到非易失存储器中；任务处理队列管理模块，完成对采集任务队列的排序、优先级、任务队列执行情况进行综合管理。

[0015] 进一步地，所述ARM9架构处理器为S3C2410X处理器。

[0016] 进一步地，所述ARM9架构处理器工作时钟为12MHz的有源晶振，无需外部电容，由内部PLL倍频至200MHz；所述RTC时钟为32.768KHz的无源晶振，其电路与以太网接口所使用的时钟电路相同。

[0017] 进一步地，所述NOR FLASH采用64K容量的SST39VF200A型号NOR FLASH芯片。

[0018] 进一步地，所述多个串行通讯接口采用SP3232ECA芯片。

[0019] 进一步地，所述以太网接口采用以太网接口芯片CS8900A。

[0020] 进一步地，所述机壳上包括操作面板和接口面板，所述操作面板为机壳的前端面板，安装人机交互模块，所述接口面板为机壳的后端面板，安装各种物理接口。

[0021] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，采用ARM9架构高性能处理器硬件平台构建，其性能基本接近或达到工控计算机水平，而且体积小、低功耗，同时采用Linux嵌入式操作系统作为应用开发运行的底层，使用高级语言(面向对象的C++语言等)进行采集传输程序开发，同时Linux嵌入式操作系统内嵌TCP/IP协议栈、支持多线程等特性，极大方便开发人员快速完成协议转换程序。本发明还支持多接口、多线程、多并发，正是由于ARM9处理器架构的优异性能和Linux嵌入式操作系统的多线程支持，才得以实现多接口并发的数据处理功能。如上所述，本发明实现了性能、功耗、体积、性价比的多个平衡与统一，做到了数据采集终端的最优化。附图说明

[0022] 图1为本发明实施例提供的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端应用系统示意图；

[0023] 图2为本发明实施例提供的硬件系统框架示意图；

[0024] 图3为本发明实施例提供的机壳接口面板示意图；

[0025] 图4为本发明实施例提供的机壳操作面板示意图；

[0026] 图5为本发明实施例提供的软件系统框架示意图。

[0027] 图中：1、采集传感器，2、智能仪表，3、RS485总线，4、基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，5、Internet网络，6、远程监测主站，7、LCD液晶显示屏，8、输入键盘。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0029] 如图1所示，部署在热电联产机组关键点位的采集传感器1或智能仪表2实时获取热电联产机组不同运行状态数据，如电厂上网电量、热电联产机组负荷和发电量、供热蒸汽的压力和温度、供汽流量、入炉煤量等数据后，通过RS485总线3传递给本实施例提供的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端4，数据采集终端4对采集数据进行预处理，判断数据正确性、是否越限等，然后将数据缓存的同时，通过互联网5发送给远方监测主站6。监测主站6通过对信息的深入处理、挖掘、存储、分析、显示等操作，最终通过计算机UI接口展现给用户。

[0030] 本实施例提供的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端4包括基于ARM9架构的嵌入式硬件系统及在该硬件系统中内嵌的基于嵌入式Linux操作系统为应用底层的软件系统。

[0031] 基于ARM9架构的嵌入式硬件系统，如图2所示，包括主板和机壳。主板包括核心电路和外围接口电路。核心电路包括ARM9架构处理器、电源和复位电路、时钟电路、64M SDRAM数据存储器、64M NAND FLASH程序存储器。外围接口电路连接在ARM9架构处理器核心板卡上，包括NOR FLASH、多个串行通讯接口、多个以太网接口、LCD接口。机壳的后端面板作为接口面板，如图3所示，其上安装有对应于外围接口电路的各种物理接口，通过排线与外围接口电路的插座相连；机壳的前端面板作为操作面板，如图4所示，其上还设有人机交互模块，包括LCD液晶显示屏和输入键盘。

[0032] 本实施例中，ARM9架构处理器采用S3C2410X处理器，是一种内核32位的嵌入式RISC微处理器。电源和复位电路中采用5V直流电源为整个终端供电。时钟电路，S3C2410X处理器需两路时钟输入，一路是处理器工作时钟，另一路是RTC时钟。处理器工作时钟为12MHz的有源晶振，无需外部电容，由内部PLL倍频至200MHz，RTC时钟为32.768KHz的无源晶振，其电路与后面以太网接口芯片CS8900A所使用的时钟电路完全相同。64M SDRAM数据存储器，特点是容量大、存取速度快、成本低，用于存放可执行代码，由于S3C2410XARM处理器内部带有存储控制器和刷新逻辑，所以选用的SDRAM可以同ARM处理器通过接口电路直接相连。64M NAND FLASH程序存储器，选用SAMSUNG的K9F1208程序存储器芯片，容量为64M，8bit数据宽度，用于Linux操作系统内核、文件系统以及应用程序的固化存储。

[0033] 本实施例中，NOR FLASH，选用64K容量的SST39VF200A型号NOR FLASH芯片，用于存放启动程序，ARM处理器通过NOR FLASH存储的启动程序启动。串行通讯接口，多个串口采用SP3232ECA芯片，是与采集传感器或智能仪表设备相连接，用于通过串口从采集传感器设备获取通讯数据，本实施例中设有4个串行通讯接口RS485。以太网接口，用于连接互联网，实现数据采集终端与远端监测主站的网络通讯，本实施例中设有2个以太网接口RJ45。

[0034] LCD液晶显示屏选用TOPPOLY光电公司的TD035STEB1，是一款3.5”TFT型透反式液晶显示屏，显示分辨率为240×320象素，提供18位RGB象素数据接口、象素时钟信号CLK、数据使能信号DE以及触摸屏的定位信号YU，XR，YL，XL。通过3.5英寸LCD液晶显示屏来输出当前运行状态、数据采集统计、系统参数值信息。输入键盘选用4×4阵列键盘，用于完成数据采集终端参数的配置。

[0035] 软件系统，如图5所示，包括底层Linux系统程序和上层数据采集处理应用程序。底层Linux系统程序包括Linux嵌入式操作系统内核和硬件电路驱动程序，用于直接操作硬件系统，负责硬件资源分配、调度、管理。上层数据采集处理应用程序以操作系统API为基础，使用C++语言及面向对象方法开发，基于操作系统内嵌的TCP/IP协议栈通过多线程实现多端口通讯，用于完成通过串行通讯接口传输的电厂上网电量、热电联产机组负荷和发电量、供热蒸汽的压力和温度、供汽流量、入炉煤量采集数据(的处理、传输，对采集数据进行预处理，判断数据正确性、是否越限，然后将数据缓存的同时通过互联网发送给远方监测主站；上层数据采集处理应用程序包括数据通讯模块、数据处理模块、数据存储模块、任务处理队列管理模块。数据通讯模块，完成基于Socket的数据异步通讯功能；数据处理模块，对采集数据进行分类、格式化、精度处理、数值判断；数据存储模块，对采集到的数据进行序列化，存储到非易失存储器中；任务处理队列管理模块，完成对采集任务队列的排序、优先级、任务队列执行情况进行综合管理。

[0036] 本实施例中的硬件架构的核心是S3C2410X ARM9架构的处理器，当电源电路为系统供电后，S3C2410X处理器从NOR FLASH中读取启动程序到自身RAM中，完成系统启动过程。上述工作流程后，加载NAND FLASH存储的嵌入式操作系统Linux的引导程序。嵌入式操作系统Linux运行后，自动运行上层应用程序，负责数据处理与传输。系统在RS485接口采集到实时数据后，交由ARM9处理器进行处理，由RJ45以太网接口传送给远方监测中心主站。

[0037] 本是实例提供的基于ARM9架构的高性能热电联产机组运行数据采集终端，基于ARM9架构高性能处理器硬件平台构建，性能基本达到工控计算机水平，而且体积小、低功耗，同时采用嵌入式操作系统作为应用开发运行的底层接口，可以使用高级编程语言(面向对象的C++语言)等进行数据采集及处理代码编写，操作系统内嵌TCP/IP协议栈、支持多线程等特性，非常方便开发人员快速编写采集处理控制程序。还支持多接口(4个串口、2个RJ45接口)、多线程、多并发，得益于ARM处理器架构的优异性能，和嵌入式操作系统的多线程支持。

[0038] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

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