（电力系统及其自动化专业论文）变电站培训仿真系统实物平台的研究.pdf

a b s t r a c t t r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mf o rs u b s t a t i o n ，w h i c hi su s e dt 0t r a i nt h ew o r k e r so f s u b s t a t i o n ，i sd e s i g n e d c o r d i n gt ot h em o d e lo fr e a is u b s t a t i o n s t u d e n t sc a nm a s t e r t h en o wo fo p e r a t i o nf o rt h es u b s t a t i o nf u n c t i o nb yo p e r a t i n gs i m u l a t i o ns c r e e n 锄d o b s e r v i n gt h ep h e n o m e n o ns h o w nb yt h et r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e m o i dh a r d w a r eo f 的i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mu s e si n d u s t r i a lc o n t r o ic o m p u t e rt 0 m o n i t o re q u i p m e n to fs j m u l a t i o ns y s t e m o w i n gt ot h eh i g hp r i c eo fi n d u s t r j a lc o n t r o l c o m p u t e r ，c e n t r a “z e dc o n t r o li su s e d ，w h i c hm a k e si td i m c u l tt 0 b ef i x e da n d m a i n t a i n e d s oa ne m b e d d e dc o n t r o ld e v i c e ，b a s e do na r m ，i sd e s i g n e da i m i n ga tt h e p r o b i e mc a u s e db yu s i n gi n d u s t r i a lc o n t r o ic o m p u t e r e m b e d d e dc o n t r o ld e v i c ei s f i x e di nt h es i m u i a t i o ns c r e e n i tm a k e st h es i m u l a t i o ns c r e e nt 0b ean o do ft h e e t h e m e tn e 觚o r k 锄db el o c a lc o n t r o l l e d g e n e r a li oi n t e m c ei ss u p p l i e do n e m b e d d e dc o n t r o ld e v i c e ，锄dd i 日 e r e n ti om o d u l e sa r ee q u i p p e dt om e e tt h en e e do f s i m u i a t i o ns c r e e nc o n t r 0 1 i g ，o s i ii st r a n s p l a n t e dt 0b et h eo p e r a t i n gs y s t e mo ft h e e m b e d d e dc o n t r o ld e v i c e a n ds o c k e ti su s e df 0 rc o m m u n i c a t i o nt oe n s u r et h ef l o wo f i n f o r m a t i o nt ob ef a s t 锄de x p e d b s t i p u l a t i o no ft h ef l o wo fs w i t c h i n gv a l u e ，s u c ha s o u t p u t ，i n p u t ，a n a l o go u t p u ta n dl i q u i dc 巧s t a lo u t p u ti se s t a b l i s h e dt o c o n v e n i e n c e c o m p u t e ro fc o n t m l l i n gt h ew h b l es i m u l a t i o ns c r e e n o na c c o u n to ff a rd i s t a n c ef 而mt h er e a le q u i p m e n ta n ds i m u l a t i o nc o n t r o lr o o m ， w i r e l e s sc o n t r o lt e 嗍i n a ia n d c o m m u n i c a t i o nc o n v e r t e ri sd e s i g n e dt 0m a k ef i x i n gt h e a d d e dc o n t r o ld e v i c ee a s y w i l e s sc o n t r o it e r i l l i n a lw o r k sb yt h es u p p i yo fb a t t e 巧 a n dt op r o l o n gt h eu s eo fb a h e i y ，7 4 h cl6 6a n d7 4 h c 5 9 5 ( s e r i a l 卸dp a r a l l e l c o n v e r r t e r ) i su s e dt 0i n c r e a s et 0 趴) p o r t t h ed e s i g no fh a r d w a r eo ft r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mf o rs u b s t a t i o ni nt h i sa r t i c l e i s 印p l i e di nt h ei t e mo ft r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mf o rs t a t i o no fb 萄i a z ii ns o n gy u a n ， j i i i np r o v i n c e t h ed e s i g nh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e 醐dr e a lt i m e p e r f o 咖a n c e ，w h i c hw i l li m p r o v e t b er e a l i t ) ，o fs i m u l a t i o na n dh a v e w i d ea p p l i c a t j o n k e yw o r d s ： s u b s t a t i o n ，t r a i n i n gs i m u l a t i o n ，h a r d w a r c ，e m b e d d e dc o n t r o i d e v i c e ，w i r e i e s sc o n t r o it e n n i n a i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 。 学位论文作者签名： 副蒜 i 签字日期：一7 年月柏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存：汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲川写、 签字日期：岫一7 年月，罗日 导师签名：彦细占 签字日期：闸年护舌月歹同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 变电站培训仿真的重要性 现阶段，随着我国经济持续快速的发展，电力行业作为经济发展的生命源泉 正经历着历史性的发展阶段。新的电力设备相继投入使用，新的电能技术和管理 方法加快应用于电力部门的运行管理平台。因此，能够在这样的时期保证电力的 安全稳定成为现阶段电力部门工作的重中之重。 电力系统的安全运行不仅依赖于设备的先进性和可靠性，更重要的在于运行 人员的技术水平，即在保证安全、可靠运行的基础上，运行人员能够对于可能出 现的事故正确地做出处理行为。因此提高运行值班人员的素质对于降低电力系 统重大事故发生率起着关键的作用。 由于电力系统的操作不允许随意进行，电力系统中的事故很少发生，运行人 员积累运行经验存在一定难度。并且，当电力系统出现故障时会破坏电力系统的 稳定运行，造成经济损失，所以不允许将运行的系统作为实验品，更不允许人为 设置一些事故让学员观察和处理。这些都使得运行人员难以有机会到训练。理论 学习和跟班实习对运行人员的培训效果很差，运行人员不能够很好地建立故障出 现时果断、正确的执行操作感觉。当真正遇到事故时，没有事故经验的人员通常 束手无策，会加重事故造成的损失。因此需要针对运行人员制造出能够提供运行 场景，反映工况和进行运行操作的培训系统，使受训人员在其中感受实际运行的 情况，对模拟的故障进行操作训练。 变电站培训仿真就是针对培训变电站运行值班人员设计的模拟仿真系统。通 过营造逼真的变电站环境、。模拟变电站可能的各种事故对学员进行培训。目前国 内的变电站培训仿真系统已经初具规模，并且根据培训需要开发出不同类型的变 电站培训仿真系统。已经投入使用的变电站培训仿真系统在实际运行中，表现出 良好的效果，得到了参与培训人员的认可。 1 2 变电站培训仿真概况 变电站培训仿真系统已经有2 0 年左右的研究开发历史，开发的技术比较成 熟。变电站培训仿真系统的仿真对象是变电站主控室及其电气主要设备，培训的 第一章绪论 对象为变电站值班运行人员。因此，以什么样的方式、采用何种技术将变电站主 控室及其电气设备展示给接受培训的运行人员成为变电站培训仿真的主要研究 课题。 变电站培训仿真系统大致有三种主要类型：实物性仿真、虚拟性仿真以及实 物性仿真和虚拟性仿真相结创1 】【4 j 。 早期所开发的培训仿真系统，大多以实物型仿真为主，如天津大学与天津大 港水电培训中心联合开发的变电站培训仿真系统。通过建造一座仿真变电站，用 l ：1 的变电站模拟屏、控制屏和保护屏硬件组成变电站培训仿真系统的主控室和 保护室。屏柜上的各种器件如：操作开关把手、投退压板、保险和按钮等以开关 量的形式传送到后台机，再由后台计算机完成仿真的实时计算。计算结果反馈到 屏柜上的表计指示、光字牌、信号灯等f 5 】 引。这些仿真系统具有仿真效果好、视 觉直观及操作逼真等优点。但是投入资金多，培训功能单一，培训效率低等问题 制约着其广泛的应用。 针对实物型仿真资金投入过多，纯软件的虚拟型仿真逐渐发展。纯软件的虚 拟型仿真，就是将变电站的一次、二次设备完全由计算机模拟，接受培训人员可 以从计算机屏幕上直观的看到变电站的实际场景，并进行各种运行和事故处理等 操作。在纯软件变电站培训仿真中计算机新技术得以应。在场景设计上，虚拟现 实技术得到了很好的应用。通过3 d 建模构造出与实际设备场景相同的三维画面， 并利用三维动画等技术使场景中的设备可以由学员操作。同时将仿真结果反映在 模型上，实现完全代替实物模型的仿真【h j - 【1 8 j 。纯软件的虚拟型仿真的优势在于 投资小，方式灵活，能模拟多个变电站并且可以扩充和推广，培训人数多。但由 于学员所面对和接触的是计算机屏幕，因此无法感受真实现场环境，并且没有实 际动手操作设备的过程，因此培训效果上达不到实物型仿真的真实效果。 由于实物型仿真和虚拟型仿真各有优缺点，现阶段在变电站培训仿真系统的 开发过程中，根据实际的需要将两种方式结合起来，形成具有一定实物规模并且 与软件仿真相结合的培训系统。在降低开发成本的同时弥补了各自的不足，提高 了培训效果。目前，国内新上的变电站培训仿真系统更多地采用了实物型仿真与 虚拟型软件仿真相结合的模式。 文献【9 】介绍的内蒙古电力学校仿真培训中心2 2 0 k v 培训仿真系统。开发出使 用多媒体，利用虚拟仿真技术实现的继电保护仿真系统，形成了一个完整的 2 2 0 k v 变电站仿真培训系统。以一个典型的枢纽变电站为仿真对象，重点仿真网 络内发电、输变电设备的继电保护功能和操作，并以实物仿真的变电站控制盘台 和虚拟仿真的保护屏为操作界面，具有很好的临场感。 文献【1 0 】介绍了利用虚拟现实技术提高变电站仿真培训系统的真实感的方 2 第一章绪论 法。在0 s g 开发平台提出了变电站仿真培训系统的虚拟环境的体系结构。给出了 一种基于空间约束和电气特性的虚拟场景组织方法，提出了一种面向实体特性的 l o d 模型调度方法和基于图象的i m p o s t o r 模型的调度方法，并研究了高压放电 现象的统计模型，采用粒子系统实现了放电特效仿真。从而提高纯软件变电站仿 真培训系统效果。 文献【l l 】中提出的川渝5 0 0 k v 变电站和电网仿真系统以5 0 0 l ( v 变电站为全仿 真对象，同时对川渝5 0 0 k v 电网进行了原理性仿真。该系统实现了仿真的全软件 化，即所有的显示和操作都在计算机屏幕上完成。实际的系统接线、设备参数、 调度系统监控画面及各种控制和保护的定值均在计算机上体现。 文献【1 2 】中介绍的黑龙江5 0 0 k v 变电站仿真培训系统，由清华大学主持研制 开发，采用带盘台模式，具有监视、巡视、操作、故障现象和处理功能。保护由 定值启动，对微机保护的液晶输出进行了仿真。 文献【1 3 】介绍基于局域网的变电站培训仿真系统的研究与设计，给出了培训 仿真系统采用物理仿真与计算机数字仿真相结合的方式，对电网部分采用全数字 仿真，对变电站一次采用数字仿真，对变电站二次主控设备采用1 ：1 物理仿真， 使用工控机在后台控制，通过微机通讯盘与电网仿真系统相连。 1 3 本文的研究对象和主要工作 本文结合吉林省松原油田八家子变电站培训仿真系统的开发实例，针对实物 型变电站培训仿真系统的实物平台，制定设计方案。 八家子变电站是松原油田6 0 k v 6 k v 终端变电站。考虑到变电站培训仿真专 用性特点，模拟变电站的主接线采用八家子变电站的主接线形式。负荷方面，结 合八家子变电站为油田变电站的实际情况，在常规的负荷线路和电容器之外配备 了电机负荷。保护方面，八家子变电站采用传统的电磁保护与微机保护结合的方 式运行，因此培训仿真系统配备了常规保护和微机保护。另外，为加强培训效果， 改造使用6 k v 高压设备和常规保护屏。具体情况如下： 1 ) 6 0 k v 侧有三条进线，母线采用单母分段的形式。 2 ) 两台6 0 k w 6 k v 变压器 3 ) 6 k v 部分的母线采用单母分段带旁路形式，每段有2 条配出线、l 台电 机和l 台电容器 4 ) 6 k vi i 段设备采用电磁保护，其它各设备采用微机保护 5 ) 6 k v 部分与原有高压室内的开关柜相联，其它部分的一次设备通过模拟 操作盘上的模拟元件来表示 第一章绪论 模拟变电站电气主接线如图1 1 所示。 图1 1 模拟变电站电气主接线图 按照模拟变电站的规模和电气主接线的形式，培训仿真系统的实物平台配备 了相应的仿真屏，包括模拟操作屏、中央信号屏、6 0 k v 测控屏、6 l ( vi 段控制 屏、6 k vi i 段控制屏及主变压器测控屏等，并将八家子变电站提供的6 k v 保护屏 和6 l ( v 高压设备改造使用加入仿真培训系统的实物平台中。整个培训仿真系统 的结构如图1 2 所示： 培训仿真系统的通讯系统以计算机系统为中心，通过仿真机的双网卡和交换 机组成双层局域网【挎h 2 3 】。计算机系统中教员机兼作服务机，它一方面负责与其 它计算机的联系，另一方面安装有教员机程序，负责学员的操作管理和仿真故障 的设置。仿真机负责整个系统的仿真，能够观测到控制屏、保护屏、模拟操作盘、 直流屏、高压室内的开关柜的情况，并根据仿真的结果控制培训仿真系统内设备 的动作，表现仿真现象【2 4 】【2 5 】【2 6 】。综合自动化后台机和五防机实现的功能与真实 变电站的设备相同。多媒体系统包括有投影仪、多媒实物演示台及音响系统【2 7 】。 既能作单独使用，也可以反映仿真机、教员机、综合自动化后台机、五防机的工 作情况，安装在多媒体教室内。上位机和下位机网络分开，最大程度地避免了通 讯阻塞，保证仿真培训系统通信畅通。 4 第一章绪论 6 k v 电磁6 k v 高压 保护盘开关柜 l 雠ll 鬻ll 锱荸l l6 k v i i 段i l 豁ll6 辫。ll 嚣l i 控制屏i ll lili _iji 以太网 i 。 _一 jj i l ll 多媒体系统 教员机 仿真机后台机五防机 l l 投影系统i 图1 - 2 变电站培训仿真系统的构架图 仿真屏屏面的的设计要体现仿真屏的仿真功能，能够向学员提供可进行操作 的各种仿真设备，以及反映变电站运行状况和事故现象的装置。详细的制作按以 下内容进行。 1 ) 模拟操作屏按模拟变电站的主接线图设计。设有断路器指示、模拟刀闸、 模拟地线、模拟合闸保险等。另外还包括所用变、p t 的二次部分有关 刀闸、保险，以及直流系统主干线下的分支上的刀闸等。 2 ) 中央信号控制屏上需配备6 0 k v 和6 k v 线路的电压监测表，以及对母线 操作的把手、按钮和光子牌。 3 ) 6 k vi 段测控屏设计为传统的电磁保护屏，屏面上有指示负荷线路和电 机、电容器的电流和功率指示表，及用于保护动作提示的光子牌。 4 ) 6 k vi i 段、6 0k v 和主变测控屏采用微机保护屏的形式设计。屏面上安 装微机保护面板、压板和相应的操作把手。 5 ) 仿真屏屏面上所用开关、把手、指示灯等元件使用与变电所的真实元件 相同的元件。主变测控屏、6 k v i i 段测控屏和6 0k v 测控屏上的微机保 护面板，按照真实保护装置的外观自行设计，包括液晶显示、键盘、指 示灯等保护提供给用户的操作界面。 仿真屏的控制，是培训仿真系统中仿真屏的主要部分，直接体现了培训仿真 系统的性能和特点，是设计和制造仿真屏的重要内容。传统的方法是使用工控机 进行控制。工控机的价格较高，不适合给每一个仿真屏配备一台工控机，因此只 能采用集中控制的方法，即在一台工控机上安装多块功能插板，几块仿真屏共同 由一台工控机控制，不便于维修。同时，仿真屏的制作及安装必须在仿真控制室 内完成，无法在制作过程中进行调试，从而延长了开发时间。 针对使用工控机存在的问题，本文设计了基于嵌入式控制装置，将仿真屏的 第一章绪论 控制由集中式转变为嵌入式控制。所谓嵌入式控制，是指培训仿真系统的仿真屏 能够在自身控制器的控制下独立运行。控制器安装在每一个仿真屏内部，通过以 太网接收仿真机发送的信息来控制和监测仿真屏屏面上的设备实现本地控制。在 开发过程中可以对每一个仿真屏单独的安装调试。调试结束即可封装成成品，最 后运输到培训仿真控制室直接使用。同时，当仿真屏出现故障时，可以直接发现 故障所在对故障仿真屏进行维修，方便故障的寻找，避免故障扩大。 仿真屏屏面上的设备的控制信号可以抽象为四种i o 信号量：开出量、开入 量、模出量和液出量。开出量是用来控制仿真屏屏面上的信号灯、光子牌以及微 机保护面板上的工作指示灯的信号。开入量是表示仿真屏屏面上设备的状态量， 包括开关的状态，操作把手打合的位置，压板的投入情况，以及在微机保护面板 上的键盘输入等。模出量是用来控制仿真屏屏面上模拟表记显示的信号量，即向 表记输出不同的模拟电压来控制表记的摆动，显示不同数值。液出量是用来控制 微机保护面板的液晶屏显示的信号量。由于各仿真屏的功能不同，屏面上的设备 不同，需要不同的控制信号量。因此，在嵌入式控制装置的设计上采用集中控制 通讯单元( a r m 机) 和具有专一功能的i o 模块相结合的方式设计。对应不同 的信号量设计了独立的托 模块，包括开出模块、开入模块、模出模块和微机保 护面板模块，由a r m 机控制。a j ：u 机具有多个与i o 模块连接的通用插口， 可以连接不同数量、类型的功能模块，并加以控制。同时a r m 机具备以太网通 讯功能，接收上位机发送的指令来控制屏面设备工作，及将设备的状态信息反馈 到上位机。a r m 机配合合适数量和功能的功能模块对屏面设备进行监控。嵌入 式控制装置的这一特点从设备开发上体现了其灵活性和通用性。 培训仿真系统配备的真实设备部分的使用，需进行改造。设计无线控制终端 和信息交换装置构成无线控制系统，作为附加控制装置安装在真实设备上。改造 工作为：6 k v 保护盘在交流电流、电压继电器的出口引入仿真控制信号，保持保 护盘内的设备按照原设计的保护关系进行工作，不修进行修改；6 k v 高压室的开 关柜内安装无线控制器，驱动开关的合分，并将开关、刀闸、合闸保险、以及挂 接地线等信号反馈到计算机控制系统。 微机继电保护是变电站系统中发展最快的技术领域之一，它集电力系统自动 化、自动远动、继电保护、通信等多种技术于一体，是变电站中的重要组成部分。 现阶段变电站中基本都已安装微机保护装置。因此，培训仿真系统中微机保护面 板需要体现对微机保护装置全面、准确的模拟和仿真，运行中外部表现要和真实 微机保护装置一致【2 8 h 3 l j 。 结合吉林省松原油田八家子变电站培训仿真系统的开发实例对实物平台开 发设计的要求，以及培训仿真系统对实物平台各部分的的仿真功能的要求，本文 6 第一章绪论 需完成以下工作： 1 ) 为满足仿真屏就地控制的要求，设计仿真屏的嵌入式控制装置结构； 2 ) 完成嵌入式控制装置的集中控制通讯单元和各i o 模块的硬件设计； 3 ) 完成嵌入式控制装置的嵌入式实时操作系统的移植和通讯任务、微机保 护面板模块的软件设计； 4 ) 设计无线控制终端和通讯转换装置，完成对保护屏和高压设备的改造； 5 ) 完成对实物平台各组成部分的安装调试。 7 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 变电站培训仿真系统的仿真屏，是实物型变电站培训仿真系统的主体。仿真 屏的工作性能直接影响培训仿真系统的整体功能和培训效果。在仿真机的控制 下，仿真屏需按照仿真机的工作指令进行各项工作，同时将学员培训过程中的操 作反馈到仿真机。仿真屏要能够通过屏面上的设备表现变电站的各种工作状态， 在仿真机模拟各种故障现象时要能够及时准确的将故障现象体现出来。因此，仿 真屏的控制器对仿真屏的工作起着重要的作用。 结合现阶段数字芯片的发展和培训仿真系统对控制和通讯的要求【3 2 】【3 5 j ，选 用a r m 芯片为处理器设计仿真屏的嵌入式控制装置。 2 1 删微控器介绍 2 1 1 删微控器发展 在嵌入式系统高端应用的发展中，进行多年技术准备的a r m 公司适时地推 出了3 2 位a l u 4 系列嵌入式微处理器，以其明显的性能优势迅速形成3 2 位机高 端应用的主流地位，不少传统嵌入式系统厂家放弃了自己的3 2 位发展计划，转 而使用a r m 内核来发展自己的3 2 位m c u 。在嵌入式系统发展史上做出卓越贡 献的i n t e l 公司以及将单片微型计算机发展到微控制器的p h i l i p s 公司，在发展 3 2 位嵌入式系统时均使用a l w 公司的嵌入式系统内核来发展自己的3 2 位 m c u 。 后p c 时代的到来以及3 2 位嵌入式系统的高端应用吸引了大量计算机专业 人士的介入，加之嵌入式系统软硬件技术的发展，导致了嵌入式系统应用模式 的巨大变化，使嵌入式系统应用进入到一个基于软硬件平台、集成开发环境的 应用系统开发时代。基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r l s c 微处理 器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到生活的各个方面。 2 1 2 删微控器的特点 a r m 处理器具有优异的性能，且功耗却很低，使用门的数量也很少。a r m 结构是基于精简指令集计算机( 对s c ) 的原理设计的。指令集和相关的译码机 制比复杂指令集计算机要简单得多。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有 8 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 如下特点： 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a l 洲( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 ) 指令长度固定； 7 ) 具有出色的实时中断响应。 目前，a i m 公司将其技术授权给的主要生产厂家有a n a i o gd e v i c e si n c 公司、 p h i l i p 公司、l g 半导体公司、n e c 公司、s a m s u n g 等。其中p h i l i p 公司是提供 价格比适中，性能优越的a i 洲产品的公司之一。p h i l i p 公司在我国拥有许多的 代理商及第三方开发者。他们所提供的p h i j i p 公司的a r m 产品及开发系统品种 较为丰富，售后服务及技术支持做的都比较好，是a r m 芯片市场的主要领导者 之一。 本文采用p h i l l p s 公司生产的l p c 2 2 2 0a r m 芯片为处理器。l p c 2 2 2 0 是 3 2 位处理器，工作主频为6 4 m h z ，结合p c o s n 嵌入式实时系统，能达到仿真 实时性要求。j ： l p c 2 2 2 0 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入跟踪的3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 。l p c 2 2 2 0 是低功耗的处理器，内部集成2 个3 2 位定时器、8 路 l o 位a d c 、p w m 输出以及多达9 个外部中断管脚。通过配置总线，l p c 2 2 2 0 最多可提供7 6 个g p i o 。内置宽范围的串行通信接口。 l p c 2 2 2 0 的主要特性： 1 ) 1 6 6 4l ( b 片内静态r a m ； 2 ) 串行b 0 0 t 装载程序通过u a r l 来实现在系统下载和编程； 3 ) e m b e d d e di c e i 玎和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n j t o r 软件对任务 进行实时调试，并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪； 4 ) 8 路1 0 位d 转换器，转换时间低至2 4 4 咿； 5 ) 2 个3 2 位定时器及外部事件计数器，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( r t c ) 和看门狗； 6 ) 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p l 接口； 7 ) 向量中断控制器( v i c ) ，可配置优先级和向量地址； 8 ) 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ， 数据宽度为8 1 6 3 2 位； 9 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 9 ) 多达7 6 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，可使用9 个边沿或电平触发 的外部中断管脚； 1 0 ) 通过可编程的片内锁相环( p l l ) 可实现最大为6 0 7 5 m 王z 的c p u 操作 频率，设置时间为l0 0 u s ； 1 1 ) 带外部晶体的片内振荡器频率范围：l 3 0 m h z ，外部振荡器的频率高 达5 0 m h z ； 1 2 ) i o 操作电压范围：3 0 3 6v ( 3 3v 1 0 呦，l o 口可承受5 v 电压。1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 处理器。 2 1 3 嵌入式控制装置的总体设计 仿真屏控制器的设计要充分考虑仿真屏设计要求。为解决使用工控机造价高 无法给每个仿真屏配备工控机而采用集中控制的问题，设计了仿真屏嵌入式控制 装置。把嵌入式控制装置与仿真屏融为一体，使每个仿真屏成为以太网中的一个 节点，实现了仿真屏的就地控制。前文中已经提到，仿真屏上的控制量可分为4 种i o 量：开入量、开出量、模出量和液出量。每个仿真屏的控制装置需要提供 相应的i o 量来控制仿真屏上的设备。所以为了使嵌入式控制装置能够灵活的满 足不同仿真屏的需要，对嵌入式控制装置采用功能模块化的设计思想，即嵌入式 控制装置由集中控制通讯单元和提供仿真屏控制量的i o 模块组成。控制装置的 总体设计如图2 1 所示。 图2 。l 集中控制通讯单元的总体结构 集中控制通讯单元选用舢o ml p c 2 2 2 0 作为处理器，完成对各i o 模块的控 制，并和以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 一起组建嵌入式以太网通讯，和上位机进行 通讯。集中控制通讯单元向i 0 块提供通用的连接口，使各i o 模块能够方便地 连接。 1 0 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 i o 模块能够提供专一仿真屏的控制量，包括开入量模块、开出量模块、模 出量模块以及微机保护面板模块。各i o 模块通过连接线( 2 0 针扁平电缆) 连接 到集中控制通讯单元的通用连接口上。 对不同的仿真屏可以根据其功能在集中控制通讯单元上配备不同种类和数 量的i o 模块。例如在主变测控屏上，需要采集大量的压板信息，操作把手的位 置信息等，则需要开入模块，并根据开入量的的数量，适当的选择开入模块的数 量。主变采用微机保护，在主变测控屏还需安装微机保护面板模块，同样根据需 要安装合适的数量。另外，中央控制屏上有模拟表记和指示灯，则需要安装模出 模块和开出模块，安装的数量则根据实际需要而定。 2 2 集中控制通讯单元 2 2 1 主系统部分 集中控制通讯单元( a r m 机) 是整套装置的核心部分。a r m 机由l p c 2 2 2 0 做中央处理器构成主系统，选用r t l 8 9 19 作为以太网通讯芯片完成以太网通讯。 主系统的结构图如图2 2 所示。主系统部分以l p c 2 2 2 0 为核心，包括两组电源、 复位电路、晶振电路、扩展存储单元。 l p c 2 2 2 0 内核工作电压为1 8 v ，片上外设工作电压为3 3 v ，因此需要提供 1 8 v 和3 3 v 电。选用s i p e x 半导体s p x l l l 7 系列模拟电压输出芯片s p x l l l 7 - 3 3 0 和s p x l l l 7 1 8 0 ，提供3 3 v 和1 8 v 电压。 图2 2 m t m 机主系统部分 上电时微控制器的状态不确定，容易造成微控制器不能正确工作。为了解决 这一问题，选择s p 7 0 8 s c n 搭建复位电路保证在上电时l p c 2 2 2 0 处于复位状态。 同时提供手动复位，在调试的过程中可以直接对对装置复位，恢复为初始设定状 态。 选用i s 6 l l v 5 1 2 1 6 扩展黜蝴，用s s t 3 9 v f l 6 0 扩展f l a s h 。整套装置在运 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 行过程中能够自动从外部f l a s h 自动加载程序。同时扩充了砘蝴可以保证操 作系统p c o s i j 运行时不会发生内存超出造成死机。表2 1 为本装置外部存储 控制器的地址分配： 表2 1 外部存储控制器的地址分配表 表2 1 中的四个b a n k 端口分别分配给片外的f l a s h 、r a m 、以太网控制 器r t l 8 0 1 9 a s ，以及用于控制i o 模块。b a n k _ 0 分配给f l a s h ，b a n k l 分配 给r a m ，避免了在运行过程中地址冲突。b a n k 2 分配给i o 模块，因此，外部 设备的首地址为0 x 8 2 0 0 0 0 0 0 ，可以根据实际情况分配地址。 2 2 2 以太网通讯部分 以太网通讯是培训仿真系统的通讯主体，它连接了上位机系统和下位机系 统。在培训仿真过程中，在上位机之间和上位机与下位机之间传输大量的信息， 在培训仿真系统中起着重要的作用。上位机以仿真机为通讯结点，接收下位机的 信息。仿真机接收到下位机信息，根据信息的中命令字进行处理或转发。通过直 接访问下位机的方法向下位机发送信息。因此，每一个下位机作为独立的通讯单 元连接在以太网上。 r t l 8 0 1 9 a s 芯片是带有即插即用功能的1 0 m b p s 全双工以太网控制器。传 输速率为1 0 m b p s ，有l6 l s r a m 。片内集成了d m a 控制器、l s a 总线控制器、 1 6 ks i 认m 、网络p h y 收发器。通过d m a 方式把需要发送的数据写入 r 1 r l 8 0 1 9 a s 的s r a m 中，自动将数据发送出去。l 汛8 0 1 9 a s 接收数据后发出已 接收数据的中断请求，并可以立即转为d m a 方式，允许l p c 2 2 2 0 将其接收到 的数据读出。l p c 2 2 2 0 外设接口为3 3 v ，r 1 r l 8 0 1 9 a s 接口为5 v 。所以l p c 2 2 2 0 与r t l 8 0 1 9 a s 数据线和地址线连接时，在连接口之间要接一个4 7 0 欧的保护电 阻。图2 3 为r 1 r a l 8 0 1 9 与a r m 连接原理图。r t l 8 0 1 9 a s 使用l p c 2 2 2 0 外部 存储控制地址b a n j ( 3 ( n c s 3 ) 。并设置l p c 2 2 2 0 的p 0 7 ，用来接收和产生对 r r l 8 0 l9 a s 的中断。 1 2 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 图2 3r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器工作原理图 在a r ml p c 2 2 2 0 和r 1 r l 8 0l9 a s 的共同工作下，仿真屏的控制器与上位机 进行实时通讯。 2 2 3 与i o 模块的连接 由于嵌入式控制装置整体结构为a r m 机与i o 模块相结合。因此，工作时 需要将各i o 模块与a r m 机连接起来。在a r m 机的设计上要充分考虑到与各 i o 模块连接的通用性。 在设计上采用了将提供给l o 模块的数据总线、地址总线以及控制总线引出 的方式。a 刚机提供6 个的接口。外部i o 模块通过2 0 针扁平电缆任意的插入 6 个通用接口之一即可工作。i o 模块大部分为8 位的芯片，因此对外引出8 位 数据线。在控制上，给出了使能线和6 位地址线及读、写线。另外，为了配合模 块识别还引出了一条模块识别线。 在总线引出上，采用l v c 4 2 4 5 作为数据、地址和控制总线与i o 模块的连 接芯片。a r m 机与i o 模块的连接如图2 4 所示。考虑到a i i m 芯片的工作电压 为3 3 v ，而i o 模块的工作电压为5 v 。从最大负荷的角度考虑，a r m 不能够直 接将数据、地址和控制总线引出。l v c 4 2 4 5 在这里发挥了重要的作用。 1 ) 将外部总线与a r m 机的总线隔离。在工作中，a r m 芯片l p c 2 2 2 0 需 要和外部黜蝴频繁的高速的交换数据，而与外部i o 模块交换的数据 在系统数据总线上的数据量中占较小的部分。同时由于i o 模块与a r m 机连接的距离较远，所以需要将系统总线与外部功能模块的总线隔离 开，避免对系统总线的干扰。 一一一一一一一 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 2 ) 匹配a r m 机与i o 能模块的电平。开入、开出、模出和微机保护面板 模块的工作电压为5 v 。而a r m 机系统总线的电压为3 3 v 。因此需要 进行电平转化，才能使a r m 机与i o 模块配合工作。 通用捅槽 1 数据总线d 仇d 7 卜 一 卜 矧通用插槽 ：】l v c 4 2 4 5r 。： 、|矿 汇 r 月迥h j 俩惘a r m 总 系统插 矧通用插槽 地址总线 1槽 控制信号 一 l v c 4 2 4 5i = 通用插槽 i 一 通刚舀槽 2 2 4 模块识别部分 图2 - 4 删机与外部功能模块的连接 a r m 机对i o 模块提供了6 个通用接口，每个i o 模块都可以任一插在通 用接口上。但由于控制具有针对性，a r m 机需要知道连接在通用接口的i o 模 块的类型来分配地址。因此，识别通用接口所插入的i o 模块显得十分必要。利 用刖蝴芯片丰富的资源设计了i o 模块识别功能。 l p c 2 2 2 0 芯片提供了8 路1 0 位的舳转换通道，可以方便设计i o 模块识 别。总体思想是在不同i o 模块上安装不同阻值的电阻，提供给a r m 机不同值 的电压( o 3 3 v ) 。a r m 机提供3 3 v 电源，通过1 0 k 电阻连接到模块识别线上。 当i o 模块插入通用接口时，由于i o 模块上的分压电阻阻值不同，因此提供给 模块识别线的电压不同。模块识别线将不同的电压值输入到a d 转换口，转换 后得到不同的数字量，从而识别出不同i o 模块。 2 3i o 模块的设计 2 3 1 开入模块 在培训仿真系统中仿真机需要知道设备的状态，需要大量的开入量信息，如 保护屏上压板投切情况，操作把手位置状态，模拟保险投入等开入量信息。本文 设计了能够采集3 2 路开入量信息的开入模块。 开入模块主要使用h c 5 4 l 芯片构成开入单元。每个开入单元从端子引入8 1 4 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 路信号量，r d 信号下由h c 5 7 4 l 锁存，数据由a 1 a 8 传递到y l y 8 侧通过扁 平电缆传送到a r m 机。为了表示开入量状态，配备了状态指示灯，可以方便的 读出所测设备的状态信息。开入模块由四个图2 5 所示开入单元构成3 2 路开入 量输入。 2 3 2 开出模块 图2 5 开入单元电路图 培训仿真系统中由许多动作设备，如信号继电器、工作指示灯等p 其动作是 由开出模块控制完成的。a r m 机接收到仿真机的设备动作信息后，经扁平电缆 将动作信息发送到开出模块，通过h c 5 7 4 将开出信号锁存到h c 5 7 4 的q 端，驱 动三极管，将开出量转为+ 2 4 v 并通过接线端子发出，驱动相应的设备。设计电 路如图2 6 所示： 图2 6 开出单元电路图 】5 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 图中h c 5 7 4 在w r 信号的作用下将接收的开出信息由d l d 8 传递到q l q 8 锁存。为了表示开出量状态，配备了状态指示灯，可以方便的观察所控设备的控 制信息。开出模块由4 个图2 5 所示电路单元构成3 2 路开出量输出。 2 3 3 模出模块 培训仿真系统中，在中央控制屏，6 k vi 控制屏上有电流、电压和有功、无 功功率模拟表，在仿真过程中实时变化。表记的显示并不是实际测量数据，而是 设定值。能够在操作或是设置故障等情况下反映系统的情况。因此，需要有能够 控制表记摆动显示数值的模拟电平量。选用d a 转换芯片来完成这项工作。 选用a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 5 3 4 8 作为模拟量输出的d a 转换芯片，管 脚功能见表2 2 。a d 5 3 4 8 具有8 个1 2 位d a 转化通道( d a c ) 。在转换精度上 达到了表记显示的要求，并且具有低功耗的特点( 3 v 时功耗为1 4 m a ，降功耗 为l0 0 n a ) 。数字量信号在w r 上升沿进入输入寄存器。输入芯片后经d a c 转换 后进入输出缓冲区。a d 5 3 4 8 有两种工作模式：同步和异步模式。同步模式，新 数据被读入后在w r 的上升沿完成转换并更新d a c 寄存器，因此输出管脚的数 值随着输入的变化实时更新。异步模式，当输入寄存器写入新的数据时，输出并 不同时更新，只有在l d a c 置低时，d a c 寄存器才得以更新，可以同时将8 个 通道的模拟量信号同时输出。 表2 2a d 5 3 4 8 管脚定义表 管脚名称管脚定义 v r c f v o m x a g n d d g n d b u f l d a c a o a 2 d b o d b 7 c s r d w r c l r 通道d a c 寄存器参考输入电压 8 路模拟量输出 模拟地 数字地 缓冲控制 d a c 寄存器更新控制管脚 地址线 数据线 片选 读 鸟 低电平时将输入、d a c 寄存器清零 1 6 第二章仿真屏嵌入式控制装置的硬件设计 由于a r m 机对i o 模块的数据线只有8 位，而a d 5 3 4 8 的转化精度为1 2 位，因此，对于a d 5 3 4 8 数据传输需要通过两次完成，先传低四位数据，再传高 8 位数据。设置a d 5 3 4 8 工作在异步模式，每一次a d 5 3 4 8 数据输出是在8 路数 据全部转换完成的时候由l