（微电子学与固体电子学专业论文）基于arm的智能控制器的设计.pdf

摘要 在国内新的电力市场形势的变化下，配电网自动化尤其是配电网自动化中的无功补 偿和配电数据监测在电力企业中的重要性越来越显著。另一方面，我国电力供需矛盾趋 于缓和，电力负荷控制系统的控制功能变得很少使用，造成了资金、资源的很大浪费。 为了使这些资源更有效地服务于配电网自动化建设，在充分整合电力负荷控制系统原有 硬件资源的基础上，开发了基于a r m 的智能控制器来实现对电网的无功补偿和配电监 测，对原有的数据资源进行了进一步的开发利用。 本论文主要完成了以下几个方面的工作： l 、研究电网数据采集方法、高速数字信号处理算法、智能无功补偿算法 2 、研究基于g p r s 的分布式网络结构及国家电网公司通信协议电力负荷管理系统 数据传输规约- - 2 0 0 4 ) 的实现 3 、研究基于高性能嵌入式系统的终端软、硬件平台的实现 关键词：智能控制器；嵌入式系统；u c o s i i u n d e rt h en e wc i r c u m s t a n c eo fe l e c t r i cp o w e rm a r k e t , d i s t r i b u t i o ns y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dt h eg r i dd a t ar e c o r d i nt h es y s t e m , b e c o m em o r ea n dm o r es i g n i f i c a n t n o w a d a y s ，t h ec o n f l i c t b e t w e e np o w e rs u p p l ya n dd e m a n dt e n d st oh er e l e a s e d t h el o a dc o n t r o l s y s t e m si n s t a l l e di nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m sw i t hal a r g ea m o u n to fi n v e s t m e n t ， o n c ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei np e a kl o a dc l i p p i n gi nt h ep a s td e c a d e ，n o wa r c a l m o s tl e ru n u s e d ，c a u s i n gas i g n i f i c a n tw a s t eo fm o n e ya n dr e s o u r e 圮s i no r d e r t om a k ee f f e c t i v eu s eo f t h e s ei d l er e s o u r c e s ，u n d e rt h er e - i n t e g r a t e dt h ee x i s t i n g h a r d w a r ei nl o a dc o n t r o l s y s t e m s ，a n e wp o w e rs u p p l yo p e r a t i o na n d m a n a g e m e n ts y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e do nt h ee x p l o i t a t i o no ft h eo r i g i n a l d a t ac o l l e c t e df r o mt h el o a dc o n t r o ls y s t e m t h em a j o ra c h i e v e m e n t so ft h ep a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t sa n d s u m m a r i z e da sf o l l o w s 1 、r e s e a r c hg r i dd a t ac o l l e c t i n g ，f a s ts i g n a lp r o c e s s i n ga r i t h m e t i ca n d i n t e l l i g e n tp o w e rc o m p e n s a t i o na r i t h m e t i c 2 、r e s e a r c ht h en e ta r c h i t e c t u r eb a s e do nt h eg p r sa n dt h er e a l i z a t i o no f t h en a t i o n a lg r i d sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 3 、r e s e a r c ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h eh i g h c a p a b i l i t ye m b e d d e ds y s t e m k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l ：u c o s i i ；e m b e d d e ds y s t e m 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名：仓霆 ，7 日期：加1 年 月1 日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的 印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影印、缩印、数 字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学 位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名：舍旁 指导刻醴轹咚漆才 日期：矿 9 l1 日期：加7 s - 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 配电监测及无功补偿控制器现状 电力网络元件及负荷的阻抗主要是电感性的，如变压器、输电线、异步电动机等设 备。这些负荷自然功率因数约为0 6 o 8 ，如果不对其进行无功补偿直接接入电网， 用电负荷所需要的无功功率全靠发配电设备经长距离传送供给，势必加入电网负载、电 压降和线路损耗，因此一般常用电容器作无功补偿。电力系统补偿与无功功率平衡是保 证电压质量的基本条件，有效地控制和合理地进行无功补偿，不仅能保证电压质量，而 且提高了电力系统运行的稳定性与安全性，降低电能损耗，充分发挥经济效益。此外对 电网配电数据进行监测，利于对整个电网进行控制和对供电网络进行分析改进。 目前传统的低压无功补偿设备的状况为： ( 1 ) 采集单一信号，采用三相电容器，三相共补这种补偿方式适用于负荷主要是三相负 载( 电动机) 的场合，如果当前的负载主要为居民用户，三相负荷很可能不平衡。那么 各相无功需量也不同，采用这种补偿方式会在不同程度上出现过补或欠补。 ( 2 ) 投切开关多采用交流接触器，其缺点是响应速度较慢，在投切过程中会对电网产生 冲击涌流，使用寿命短。 ( 3 ) 无功控制策略控制物理量多为电压、功率因数、无功电流。投切方式为：循环投切、 编码投切。这种策略没有考虑电压的平衡关系与区域的无功优化。 ( 4 ) 通常不具备配电监测功能，无法对配电数据进行处理分析。 ( 5 ) 终端软件升级需对电网断电并将终端从变压器等控制节点取下进行升级，或者直接 更换软硬件系统升级。 1 2 本课题的意义 使用配电监测及无功补偿控制器可以带来良好的经济和社会效益【l 捌： 1 可提高供电质量 湖北人学硕十学位论文 信息时代的到来，要求不问断供电的计算机设备越来越多，给供电提出了更高的要 求。停电或限电会导致减产，而忽然的停电则会危害工厂的重要设备。落后的人工配电 方式，在城乡都是不适用的。只有实现配电站的自动化即后台控制系统可对配电终端进 行实时查询和数据分析、配电终端可对故障自动记录并上报，才可能最大限度地提高供 电质量，满足人们日常生活工作与生产的需要。实现配电站自动化可提高供电的可靠性。 实现配电站自动化，可减少故障次数，缩小事故范围，缩短事故时间，为恢复供电、快 速分析、诊断、报告事故原因提供有效的依据。 2 降低网损率的经济效益 可以用最优的方案，现场控制无功电容器组的投切，就地保持系统的无功平衡，提 高配电变压器总负荷的功率因数，降低技术线损。对电网进行无功补偿，在配电站上安 装无功补偿电容器，无功以就地补偿为主，使用电设备消耗的无功得到补偿，提高电网 功率因数，从而降低电网线损率。根据国内配电自动化系统运行的成功经验，通过电 压和无功优化控制，可以降低网损率3 左右。 3 设备管理的经济效益 配电自动化系统的效益还在很大程度上体现在配电设备管理上。比如设备检修，如 果没有相应的配电自动化监控管理系统，所有设备按一定期限定期检修，其工作量巨大， 耗费大量人力物力，配电管理系统的使用可以使设备检修的针对性更强。变故障修为状 态修，变人工巡检为自动故障保修，减轻维护人员的劳动强度；减少操作人员；增强电 力系统的免维护性。通过对负荷的监控，合理分配负荷，还可以最大限度地保护供电设 备投资。有利于提高设备的安全和健康水平，延长使用寿命。 4 环保及社会效益 高剂量的电磁辐射还会影响及破坏人体原有的生物电流和生物磁场，使人体内原有 的电磁场发生异常。值得注意的是，不同的人或同一个人在不同年龄阶段对电磁辐射的 承受能力是不一样的，老人、儿童、孕妇属于对电磁辐射的敏感人群。人体长期处于强 电场的辐射下，能导致引发多种疾病。瑞典斯德哥尔摩的卡洛林斯卡大学的科学家们对 4 3 万多名长期居住在高压线附近的居民进行调查研究后，明确指出电磁波与癌症，尤其 2 第一章绪论 是脑瘤和儿童白血病有直接的联系。美国加州大学流行病学教授萨维兹通过为期两年对 年轻白血病患者追踪研究而得出结论：长期暴露在低频辐射中会增加儿童患癌症的机 率；美国杜兰大学谢协清教授经过实验所发表的专题报告称：极低频脉动电磁场是造成 血癌、孕妇流产、死胎、畸形儿的主要原因之一；另外尚有许多学者、专家强调：低频 电磁、低频辐射，乃是人类癌症、生殖病变、遗传障碍形成的主要原因之一。 采用配网自动化系统，将减少值班员、运行工，检修工，可将一线从业人员拉出到 发生职业病的可能范围以外，减少输配电系统职工的发病率，减轻企业的医疗负担，提 高生活质量。 1 3 本论文主要工作及创新点 概括的说本论文主要有以下几个方面的工作【3 4 】： l 、研究电网数据采集方法、高速数字信号处理算法、智能无功补偿算法 7 2 、研究基于g p r s 的分布式网络结构及国家电网公司通信协议电力负荷管理系 统数据传输规约- - 2 0 0 4 ) 的实现。 3 、研究基于高性能嵌入式系统的终端软、硬件平台的实现。 本论文基于对一套配电监测及无功补偿控制器的设计实现。首先设计了基于a r m 7 的嵌入式硬件平台；然后编写了基于实时操作系统u c o s i i 的终端软件；最后对系统进 行了联合调试，从已完成的成果看，该设计实现了预定目标。 该设计的创新性在于采用了高效实用的数字信号处理算法、新型的智能分相补偿技 术、稳定高性能的嵌入式硬件。终端软件基于实时操作系统编制，响应时间快和稳定性 高，并结合当前快速发展的无线网络技术，通过g p r s 网络实现远程集中控制和数据采 集分析。 3 湖北人学硕十学位论文 2 1 通信方式选择 2 1 1 方案选择 第二章系统总体设计 配电监控及无功补偿控制器作为整个系统的节点必须通过网络连接到远程系统主 站来实现统一控制。具体实现可采用以下三种通信方案【5 6 】： l 、使用专用有线局域网络。通过铺设各控制节点到主站的有线网络实现，优点是传输 速度快、可靠性高。缺点就是初始投资巨大，加上很多监控节点处于野外，铺设线 路难度很大。目前无产品采用此种通信方式。 2 、使用抄表机定期将数据导入到远程主机，由远程主机对数据进行分析处理。具体实 现可由工作人员定期持抄表机采集各控制节点数据，若节点过高( 在塔上等) 可通 过串口透传模块实现短距离无线数据传送。该方案优点是初始投资小，运作成本低。 缺点就是可靠性较差、无实时性、无法主动上报、对监控数据反应慢、无法实现实 时控制。目前有部分产品采用此种方案。 3 、使用g p r s 网络实现数据传送。借用通信运营商的g p r s 网络实现数据的实时传送， 优点是实时性、可靠性高，初始投入成本低；缺点是每个节点每月都需向通信运营 商支付一定数额的通信费用。 综合比较上述三种方案，考虑到系统的性能及成本要求，方案三是最优方案。本设 计选择g p r s 通信方式实现终端与主站之阃的通信。 2 1 2g p r s 技术及其在配电系统中的应用 g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，采用的是基于 g s m 系统的无线高速数据分组传输技术，目前理论传输速率为1 1 5k b p s 。g p r s 业务于 2 0 0 2 年7 月开始在国内移动通信业推出，第一期工程在全国东部1 6 个省的2 5 个城市开 通并进入试商用。试商用的g p r s 系统能够提供传输速率为3 0 5 0k i p s 的分组业务。 g p r s 的出现，很大程度是为多媒体、互联网通信服务，将从根本上改变原有的g s m 的基于话音服务。 4 第二章系统总体设计 g p r s 基本原理是，当用户上传或下载互联网数据时，系统不是利用当时承载服务 所采用的电路连接，而是利用分组将数据在网络中传送，达到多用户问对网络资源的共 享，同时网络运营机构还可以最大限度地使用现有g s m 设备避免了g s m 设备投资 的浪费。另外，数据传送使用g p r s ，而语音传送使用g s m ，使下载资料和通话可以同 时进行。为此，它不但可以为g p r s 用户提供g s m 移动电话通信的所有功能，更为突 出的是为g p r s 用户提供了一种更快捷，更方便，更便宜，更持久的移动上网方式。g p r s 目前被认为是移动通信从第二代向第三代过渡的重要一环。 g p r s 网络在数据链路上相当于无线i p 网络。在网络上两台主机要实现直接通信( 不 通过中转) 的必要条件是至少有一台主机口地址具有固定性和唯一性。由于g p r s 通 讯模块启动接入网络时所获得的是一个随机的口地址，即每次启动获得的m 地址不同， 因此服务器必须有固定i p 地址( 若无法实现该要求，可通过申请域名的方式将服务器 与固定域名绑定) 。 2 2 控制器平台系统设计 控制器平台该项目拟实现以下功能： l 、配变运行数据采集功能 可采集三相电压电流( 含零序) 、三相有无功功率、三相总有无功功率、有功电量、 无功电量、功率因数、视在功率、开关状态等参数。 2 、谐波监测功能 可计算出l 1 6 次之内的a 、b 、c 三相及总电压电流谐波幅值，对电能质量进行 动态监测与纪录。 3 、无功补偿功能 具有无功补偿控制器功能，就地控制最多9 组电容器投切；支持全部平衡补偿、分 相补偿、平衡+ 分相补偿；自动智能投切，也可以远方控制投切和现场手动投切。 4 、数据储存与统计功能 记录整点时各相电压、电流( 含零序) 、有功功率、无功功率、功率因数、电容器组 投切状态等参数。记录每天各相电压、电流( 含零序) 、有功功率、无功功率、功率因数 等参数的最大值、最小值。数据可储存半年。 5 湖北人学硕十学位论文 统计全月各相电压、电流( 含零序) 、有功功率、无功功率、功率因数等参数的最大 值、最小值。 统计计算电压合格率、供电合格率三相不平衡率、谐波等技术指标。 三相过压，欠压累计时间、三相电流越上限的累积时间、三相电流最大最小值及其 出现时间、电流过流起止时间及本次越限极值、三相电压最大最小值及其出现时间、 电压越上下限起止时间及当次越限极值、相标记。 电容器组投切记录( 记录最近1 0 0 条) ，上电记录( 记录最近1 0 0 条) 等。 5 、越限报警功能 可设置定值越限报警，事故报警，记录，清除和复位。 6 、系统参数的设定、更改 系统参数可以在主站远程修改( 或在现场修改) 。修改参数须先输入密码。参数在 主站有备份，更换设备后可恢复参数。 7 、通讯功能 终端与主站采用g p r s 通讯，数据以主动上报、实时数据、历史数据查询等方式上 传到主站。 为实现上述功能设计下述高性能的软硬件平台： 硬件平台，采用a r m 7 为主控制器；1 4 位8 路高速a d 和互感器进行采样；6 4 m 的n a n d f l a s h 做配电监测数据存储；预留g p r s 模块接口、若干继电器控制电容投 切。 软件平台，基于实时操作系统u c o s i i 平台编制。主要包括f 丌处理程序；配电监 测数据库管理程序；国家电网通信标准实现程序；无功补偿控制程序；相关底层驱动程 序1 7 , s , 9 1 。 2 3 硬件系统组成 硬件平台，采用p h l i p sa r m 7 l p c 2 2 9 2 为主控制器；外扩2 5 6 k bs r a m 做数据存 储；1 4 位8 路高速a d 和互感器进行采样；6 4 m 的n a n d f l a s h 做配电监测数据存储； 预留g p r s 模块接口、若干继电器控制电容投切f j o , h , 1 2 。系统功能框图如下： 6 第二章系统总体设计 区。 图2 - 1 系统功能框图 系统框图如上所示，c p u 和各模块的具体连接实现方式为： l 、1 4 位a d 通过a r m 的数据、地址总线接入；位于a r m 的b a n k 3 区。 2 、6 4 mn a n d f l a s h 通过a r m 的数据、地址总线接入；位于a r m 的b a n k i 3 、2 5 6 k bs r a m 通过a r m 的数据、地址总线接入；位于a r m 的b a n k 0 区。 4 、g p r s 通信接1 3 通过a r m 的串口接入；通过m a x 3 2 3 2 提供标准r s 2 3 2 接口。 5 、输入、输出接口通过a r m 的数据、地址总线接入；位于a r m 的b a n k 2 区。 6 、液晶显示模块通过通过a r m 的数据、地址总线接入；位于a r m 的b a n k 3 区。 键盘通过a r m1 2 c 口接入。 7 湖北人学硕士学位论文 2 4 软件系统组成 软件基于u c o s i i 操作系统。采用驱动层、数据传输层、应用层的层次结构。软件 系统框图如下所示1 4 , 2 6 1 ： 图2 - 2 软件系统框图 2 5 配电监控系统总体结构及智能控制器系统级特性 整个配电系统由智能控制器和后台服务器组成。智能控制器负责对相应配电线路实 施监测及控制并采集、储存电网数据；后台服务器负责处理智能控制器采集数据，并可 s 第二二章系统总体设计 实时修改智能控制器设置及远程操作电容器的投切。智能控制器和后台服务器通过 g p r s 网络进行通信，通信协议严格遵守国家电网公司标准通信协议。本文只涉及智能 控制器的设计，下面阐述智能控制器系统级特性： l 、支持s e t - a n d - 脚特性；智能控制器设置后无需后台远程服务器控制也可单独 运行，其启动及运行均不依赖通信线路状态及远程服务器命令 2 、支持国家电网公司标准通信协议；智能控制器可广泛支持符合该协议的远程后台 控制系统，符合标准即可实施接入及控制 3 、智能控制器之白j 无互连关系，但处于同一配电系统内的智能控制器需保证地址的 唯一性；控制器与远程后台服务器之间符合星形总线控制结构 图2 - 3 系统总体结构图 9 湖北人学硕十学位论文 3 1 主控制器模块 第三章智能控制器硬件实现 主控制器模块采用p h l i p sa r m 7l p c 2 2 9 2 ；l p c 2 2 9 2 是一款基于1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i - s ，并支持实时仿真和跟踪的c p u ，并带有2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率 下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过 3 0 ，而性能的损失却很小【1 3 , 1 4 , 1 5 l 。 l p c 2 2 9 2 采用1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、 2 4 路高级c a n 通道、p w m 输出以及多达9 个的外部中断。这款微控制器特别适合自 动化、工业控制、医疗系统、访问控制和故障容限维护总线等应用领域。其内部可用 g p i o s 范围为7 6 脚( 外部存储区) 到11 2 脚( 单片) 。由于内置了宽范围的串行通信接口， 它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的 应用。 主要性能特点如下： 3 2 位机，内置片内乘法器； 1 6 k b 片内s r a m ： 2 5 6k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 位宽度接e l 加速器可实现高达6 0 m i - i zt 作 频率； 可加密：全球首个实现可加密的a r m 微控制器； 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) 。5 1 2 字节行编 程时间为l m s 。单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s ； e m b e d d e di c e - r t 可实现断点和观察点。当使用片内r e a l m o n i t o r 软件对前台 任务进行调试时，中断服务程序可继续运行； 2 1 4 路互连的c a n 接口。带有先进的验收滤波器，另有2 路u a r t ( 1 6 c 5 5 0 ) 。 高速l l c ( 4 0 0 k b i t s ) 及2 路s p i 总线； 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 1 盥； 1 0 第三章智能控制器硬t i ：实现 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实时时 钟和看门狗： 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址； 多达1 1 2 个通用i ol a ( 可承受5 v 电压1 ，9 个边沿或电平触发的外部中断引脚； c p u 工作晶振最大为6 0 m h z ，并内嵌片内可编程锁相环p u ，； 片外晶振频率范围：1 3 0m i - i z ； 两种低功耗模式，空闲掉电； 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 外设功能可单独使胄皂禁止，实现功耗最优化； 双电源 - - c p u 操作电压范围：1 6 5 - - 1 9 5v ( i 8v 士0 1 5 、1 ； - - i o 操作电压范围：3 肛3 6v ( 3 0v 士l o ) ，可承受5 v 电压。 湖北人学硕+ 学位论文 图3 - 1l p c 2 2 9 2 系统框图 采用此款芯片基于以下考虑： 1 、c p u 性能先进。芯片采用3 2 位a r m 7 t d m i s 核；支持高达6 0 m i p s 的指令吞吐量： 并带有片内乘法器，能够满足高速数字信号处理及复杂控制的需求。 2 、寻址能力强。片外提供4b a n k 寻址；每b a n k 寻址范围1 6 m b ；能够满足系统多 样化的外扩需求。 第三章智能控制器硬什实现 3 、支持i a p 。片内固化b o o tb l o c k 提供i a p 功能函数，可方便实现i a p 功能需求。 4 、接口丰富。提供1 2 c 、串口、c a n 等接口，可方便实现和多种外设互连需求。 c p u 及其最小系统如下： 图3 2c p u 最小系统框图 c p u 板将电源板送入的1 2 v 电源使用线性电源转换模块7 8 0 5 转换产生5 v 电压提 供给两个低压差( u 帕) 芯片生成c p u 所需的3 3 v 和1 8 v 电压。c p u 采用1 1 0 5 9 2 m 的外部晶振，经片内的p l l 倍频后产生5 5 m 的系统时钟提供给a r m 7 核使用。2 5 6 k b 的数据存储器提供系统运行时所需的内存区；程序则存放于片内2 5 6 k b 的程序存储器 中。完成上述连接后，c p u 最小系统便可稳定运行起来。 湖北人学硕十学位论文 3 2 数据采集模块 数据采集模块的主要工作为采集电网电压电流数据。采集分两步，首先由电流、 电压互感器将电网上的强电流、电压信号转换为低电压信号；然后使用高速a d 对此低 电压信号进行采样，并将采集数据送入c p u 进行处理【1 6 , 1 7 , 1 8 。 3 2 1 电压、电流互感器 电压互感器是一种电压变换装置。它将高电压变换为低电压，以便用低压量值反映 高压量值的变化。因此，通过电压互感器可以直接用普通电气仪表进行电压测量。由于 采用了电压互感器，各种测量仪表和保护装置不直接与高电压相连接从而保证了仪表测 量和继电保护工作的安全，也解决了高压测量的绝缘、制造工艺等困难。此外，由于电 压互感器的二次侧均为1 0 伏使得测量仪表和继电器电压线圈制造上得以标准化。 电流互感器是一种电流变换装置。它将高压和低压大电流变成电压较低的小电流供 给仪表和继电保护装置并将仪表和保护装置与高压电路隔开。电流互感器的二次侧电流 均为5 安，这使得测量仪表和继电保护装置使用安全、方便，也使其在制造上可以标准 化。 本系统使用某型立式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器，主要使用方法如下： 1 、作电压互感器使用时： 作为电压互感器作用时是一种电流型电压互感器，典型应用如图三。 c 6 固i 吁虢固 胁，1 1 1 2 i l r m 坍n z c l = 3 0 0 d ur f ( 1 lf ) 图3 - 3 电压互感器典型应用 2 、作电流互感器使用时 作电流互感嚣应用时，用户只要在中心孔穿l 匝母线作为输入线圈，其次级有两 种应用方法，如下图所示 1 4 第三章智能控制器硬件实现 1 2 耕 v z = i 加l r 傅2 0 0 c ；1 2r r r 【( “n 图3 - 4 电流互感器典型应用 本项目中电压互感器使用如图三右图所示接法；电流互感器使用图四右图所示接 法。使用双电源运放把互感器输出的电流信号转换为电压信号，并送入高速a d 进行转 换。共使用4 路电压互感器和4 路电流互感器，分别采集a 、b 、c 三相电压、电流和 零线电压、电流。 3 2 2 高速、高精度a d 转换器 为实现上述八路互感器采样要求，需要a d 支持以下特性： 4 、有不少于八路采样通道 5 、采样电压、电流时最好各相能满足同时采样。需要支持八路( 同时采集电压、电 流) 或至少四路( 电压、电流分时采集) 同时采样。 6 、为满足系统各项指标的精度要求，a d 的采样精度要尽可能高( 1 4 位以上) 。 7 、为满足系统l o o m s 以内的响应速度，需要a d 有足够高的采样速度( 2 0 k s p s * 4 路) 。并带采样保持电路确保高速信号的稳定采样。 为实现上述要求，选用1 4 位8 路高速a d 转换芯片m a x l 2 5 ，m a x l 2 5 是美 国m a x i m 公司生产的一种八通道高速1 4 位模数转换器件，它采用了逐次逼近转 换技术，其内部集成了一个八通道的多路开关，一个具有1 4 位分辨率的d 转换器， 四个同步采样保持器，一个可编程序列发生器，两组1 4 路的模数转换结果可以补 码的形式存放于四个1 4 位r a m 中。m a x l 2 5 的八路输入通道均有士1 7 v 的输入 故障保护电路。此器件需要+ 5 v 的双极性供电，其采样电压的范围是5 v + 5 v ， 广泛应用于电机控制，系统监控及数字信号处理等领域之中，非常适合基于单片机的 数据采集系统应用。 潮j b 人学硕十学位论文 m a x l 2 5 的主要特点如下： 八个模拟量输入通道即八种转换工作模式和一种节电模式。 模数转换器的转换时白j 为3 i t s ；模拟量输入电压范围为5 v + 5 v 。 参考电压可选用器件内部提供的2 5 v ，也可选用外部参考电压。 内部集成一个可编程序列发生器。时钟频率为0 i m h z 1 6 m h z 。 具有高速并行的单片机或微处理机接口。 3 2 3 数据采集部分系统框图 图3 5 数据采集部分系统框图 第二章智能控制器硬件实现 3 3 数据存储模块 智能控制器的一个重要功能就是配电监测，要求对电网各种数据进行采集保存，为 后台分析提供依据。另外液晶显示模块需要大容量存储器实现标准汉字库h z k l 6 的存 储。为实现此需求，需要有大容量、可反复擦写的存储芯片 8 , 1 9 , 2 0 。本系统采用三星公 司的n a n d f l a s h 芯片k 9 f 2 8 0 8 u o b ，支持十万次擦写，容量1 6 m 。 k 9 f 2 8 0 8 是s a m s u n g 公司生产的1 2 8 m b ( 1 6 m x 8 位) n a n df l a s h 存储器。该存储器 的工作电压为2 7 3 6v ，内部存储结构为5 2 8 字节x 3 2 页1 0 2 4 块，页大小为5 2 8 字 节，块大小为( 1 6k b + 5 1 2 字节) ；可实现程序自动擦写、页程序、块擦除、智能的读 写和擦除操作，一次可以读写或者擦除4 页或者块的内容，内部有命令寄存器。该器 件按功能可以划分为：存储阵列、输入输出缓冲、命令寄存器、地址译码寄存器和控 制逻辑产生。其中，命令寄存器用来确定外部设备对存储器进行操作的类型；地址译码 寄存器用于保存被访问的地址并产生相应的译码选通信号。主设备通过8 位i o 端口 分时复用访问器件命令、地址和数据寄存器，完成对芯片内存储器的访问。 k 9 f 2 8 0 8 读写和擦除操作的实现： 对于k g f 2 8 0 8 的操作主要有页读取和页编程操作。图3 是n a n df i a s h 的标准页读 取时序图。具体的页读取操作如下：发命令阶段，在片选信号c e 有效的情况下，首先 命令允许信号c l e 有效，此时写入信号w e 有效，芯片准备好信号r b 置高，表示准 备好；同时向i o 口发送读操作命令( o x o o 或o x 0 1 ) ，表示是读操作。发地址阶段，此 时片选有效，地址允许信号a l e 有效，写入信号w e 保持有效，连续发送4 个地址字； k 9 f 1 2 0 8 的地址寄存器接收到地址值后，r b 信号将维持“忙”一段时间，此后r b 变为准备好状态。最后是数据输出阶段，每次读有效信号置低有效时，将会输出一组数 据。如此往复直到所有数据输出完毕。 ( 工e 。，1 、。一 穗_ 3 程、八八八八厂一 a l e3 厂飞 髓弋厂、。厂、厂 嚣 匦炫焚致匹卜仁x c 埔、厂 厂 图3 - 6n a n d f l a s h 页读标准时序 1 7 潮北人学硕士学位论文 图3 8 是n a n df l a s h 的标准页编程时序图。具体的页编程操作如下：发命令阶段， 向i o 口发送页编程操作第一个命令字( o x s o ) ，表示是页编程操作。发地址阶段，连续 发送4 个地址字，k 9 f 2 8 0 8 的地址寄存器接收到地址值后，等待接收数据；当数据总线 发送数据后，k 9 f 2 8 0 8 连续接收数据，直到接收到页编程的第二个命令字( 0 x 1 0 ) ，即结 束等待接收数据的状态：r b 信号将维持“忙”一段时间，此后r b 变为准备好状态。 最后总线上发出读状态命令字( o x t o ) ，则k 9 f 2 8 0 8 的命令寄存器接收并响应该命令，向 i o 口发送表示操作成功的状态数据( 0 x 0 0 ) 或表示操作失败的状态数据( o x o d 。 c l e 八厂 i：i!。1k。，。一 砚、- 厂u 1 厂乙 、厂旷 a l e _ 一一一。 贬_ 、厂- 翟 甄蓖粥溪园匡h 】0 d 堪h 宙岳 啪、厂 图3 7n a n d f l a s h 页写标准时序 n a n d f l a s h 芯片k 9 f 2 8 0 8 u o b 共1 6 m ，分为1 0 2 4 块。实际存储配电监测数据时 根据n a n d f l a s h 的结构特点，将每天的数据存在n a n d f l a s h 的一块中，一天占用 一块，半年数据存储共需1 8 3 块。另外h z k l 6 标准汉字点阵库的存储需要2 0 0 块左右， 剩下6 0 0 多块可用作临时数据的存储。 1 3 第三章智能控制器硬件实现 3 4 通信模块 点阵字库数据区 临时数据区 配电监测数据区 临时数据区 一。，。，。，。；。，。；。，。j 图3 - 8n a n d f l a s h 存储数据区分配 为实现该智能控制器与远端控制中心的通信，需使用g p r s 通信方式。系统提供了 标准的r s 2 3 2 接口来实现g p r s 通信模块的接入。通信模块采用的市场上已成熟的 g p r sd t u 系列透传模块，不独立开发。所有g p r s 功能如协议解析、数据收发均由 d t u 完成，系统按操作串口的方法实现数据的透传1 7 7 1 捌。 系统采用深圳宏电的h 7 7 1 0g p r sd t u ，其有如下特点： 1 ) 透明数据传输。直接提供r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口，为用户的数据设备提供透明传 输通道 湖北人学硕十学位论文 2 ) 无需后台计算机支持。普通g p r s c d m am o d e m 通常需要附着在p c 机上虚拟 拨号上网，利用p c 机的资源进行数据收发和协议转换，h 7 7 1 0g p r s c d m a d t u 内置自动网络连接和协议处理模块，无需后台计算机支持。 3 ) 点对点、点对多点、对等、实时数据传输。可以实现点点、点多点、中心 多点的对等数据传输，传输时延一般小于1 秒。 4 ) 永远在线。一开机就能自动附着到g p r s 或c d m al x 网络上，并与您的数据 中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据。 5 ) 按流量计费。一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据 流量的传递时，不收费用。 6 ) 高速传输。通常，g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b p s ，实际应用带宽大约在 4 0 1 0 0 k b p s ，在此信道上提供t c p i p 连接；c d m al x 理论带宽可达3 0 0 k b s ， 目前的实际应用带宽大约在1 0 0 k b s 左右( 双向对称传输) 。g p r s c d m al x 移 动数据网络的信道可提供t c p i p 连接，可以用于i n t e r n e t 连接、数据传输 等应用。 刀组网简单、迅速、灵活。h 7 0 0 0 移动数据通信系统可以不依赖于运营商交换中 心的数据接口设备，通过m t e m c t 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数 据通信专用网络。 3 5 输入输出控制模块 该模块主要用于实现对电容器投切的控制，电容器的投切由继电器控制，共有十路 继电器分别控制一路共补电容器和九路分补电容器。对这些继电器的控制使用数据总线 对固定地址读写的方式实现而非使用独立i o 对每个继电器进行控制，这样能有效的节 省i o 资源。考虑到数据总线的分时复用及外部投切控制电路的干扰，需要对数据总线 输出的信号进行锁存并对内外控制电路实现光电隔离f 2 3 1 。 第二章智能控制器硬件实现 3 6 显示、键盘模块 显示模块使用1 9 2 x 6 4 点阵液晶显示器( 控制器使用t 6 9 6 3 ) ，键盘模块使用 z l g 7 2 9 0 进行按键扫描和键值检测。液晶显示器位于a r m 系统的外部总线上，a r m 以读写片外寄存器的方式对液晶进行操作；键盘控制器则位于a r m 的1 2 c 总线上，a r m 以操作1 2 c 器件的方式来读取键值 7 3 1 。 t 6 9 6 3 c 控制器是显示模块的核心，该控制器最大的特点是具有独特的硬件初始值 设簧功能。显示驱动所需的占空比系数、驱动传输的字节数行及字符的字体选择等均 由引脚电平设置。这样t 6 9 6 3 c 的初始化在上电时就已经基本设置完成，在软件设计时 可以将主要精力用于显示界面的设计上。以下就从控制部和接口部重点介绍t 6 9 6 3 c 的电路特性。控制部是t 6 9 6 3 c 控制器的核心，它由振荡器、时序控制电路、工作方式 设置寄存器及电路、内部字符库c g r o m 及光标控制电路、显示存储器管理电路、运 算电路和各种功能电路组成。控制部通过振荡器外接晶体振荡器产生振荡脉冲，经时序 控制电路产生t 6 9 6 3 c 的工作时钟脉冲序列。内部工作状态可由控制部引脚电平设冕。 接口部由指令锁存器、数据锁存器、数据缓冲器、状态寄存器以及数据控制电路、数据 栈区等组成，用于接收计算机信息及向计算机发送信息和显示数据，完成计算机与 t 6 9 6 3 c 内部寄存器及显示存储器的存取操作，及计算机操作时序与t 6 9 6 3 c 内部工作 时序的转换。计算机每次对t 6 9 6 3 c 操作时，接口部的锁存器保留了计算机发来的指令 代码或显示数据，并立即封锁了接口部的对外电路，将后续的处理过程转换到t 6 9 6 3 c 控制部的工作时序上，直到处理完成后释放接口部的对外电路，等待计算机的下一次访 问。因此计算机在每次访问t 6 9 6 3 c 之前都要读出接口部状态寄存器的内容，并加以判 断，以确定当前对t 6 9 6 3 c 的访问是否允许。 m c u 单片机对显示存储器的访问实质上都是通过t 6 9 6 3 c 控制器进行的，通常分 两步进行：( 1 ) 送地址指针，读写显示数据( c d = o ) ；( 2 ) 送地址指针，送操作指令 ( c d = d 。由于l c m 是一种慢速器件，一次读写操作的时间达毫秒级，跟不上m c u 的访问速度，因此，在写命令或读写数据之前应先检查本次操作能否进行，即先判断 t 6 9 6 3 c 片内一个8 位的状态寄存器相应位是否准备好，只有l c m 准备好了，才可 以进行新的写操作。t 6 9 6 3 c 的状态字由8 个标志位组成，其含义如下：s o 指令读写状 态；sl 数据读写状态；s 2 数据自动读状态；s3 数据自动写状态；s4 未用；s5 控制器运 行检测可能性；s 6 屏读屏拷贝出错状态s ；7 闪烁状态检测。在计算机写指令或一次读 2 1 潮北大学硕+ 学位论文 ，写数据时，s o 和s l 要同时有效，即”准备好”状态；当计算机使用自动读写功能 时，s 2 或s 3 将取代和s 1 作为”忙“标志位，此时计算机就要判别它是否有效；s 6 标志是考察t 6 9 6 3 c 屏读或屏拷贝指令执行情况的标志位。s 5 和s 7 表示控制器内部 运行状态，在具体应用中不会用到它们。m c u 对l c m 的控制是通过写入不同的指令 实现的。t 6 9 6 3 c 的指令分为无参数指令、单参数指令、双参数指令。 z l g 7 2 9 0 是广州周立功单片机发展有限公司的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯 片。能够直接驱动8 位共阴式数码管( 或“只独立的l e d ) ，同时还可以扫描管理多 达“只按键。其中有8 只按键还可以作为功能键使用，就像电脑键盘上的c t r l 、s h i l l 、 a l t 键样。另外z l g 7 2 9 0 b 内部还设置有连击计数器，能够使某键按下后不松手而连 续有效。采用1 2 c 总线方式，与微控制器的接口仅需两根信号线。该芯片为工业级芯片， 抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。特性如下： 直接驱动8 位共阴式数码管( 1 英寸以下) 或6 4 只独立的l e d ； 能够管理多达“只按键，自动消除抖动，其中有8 只可以作为功能键使用； 段电流可达2 0 m a ，位电流可达1 0 0 m a 以上； 利用功率电路可以方便地驱动1 英寸以上的大型数码管； 具有c i j 烁、段点亮、段熄灭、功能键、连击键计数等强大功能； 提供有l o 种数字和2 1 种字母的译码显示功能，或者直接向显示缓存写入显示数据： 不接数码管而仅使用键盘管理功能时，工作电流可降至l m a ： 与微控制器之间采用1 2 c 串行总线接口，只需两根信号线，节省i o 资源； 工作电压范围：+ 3 3 5 5 v ： 工