（电力系统及其自动化专业论文）基于arm和μcosⅡ的微机线路保护装置的研制.pdf

r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o ft h em i c r o p r o c e s s o r l i n ep r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do na r ma n d c o s - n a b s t r a c t t h ec p uo fm o s tm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c ea tp r e s e n ti s1 6b i t s i n g l ec h i pm i c y o c o ，b e c a u s eo ft h es l o ws p e e d ，i ti sh a r df o rt h es i n g l ec h i p m i c y o c ot or e a l i z et h em o r ec o m p l e xp r o t e c t i o nf u n c t i o n i na d d i t i o n , t h es o f t w a r e d e s i g ni sb a s e do nt h ea s s e m b l yl a n g u a g ea n dt r a d i t i o n a ll i n c a r i t yp r o g r a m m ef l o w c h a r t , w h i c hm a k e sa g a i n s th a r d w a r em a i n t e n a n c ea n du p g r a d e ，e t c a r e r 舡l a 【y z i n g a n da b s o r b i n gt h ea d v a n c e de x p e r i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc u r r e n tm i c r o p r o c e s s o r p r o t e c t i o nd e v i c e ，t h ep a p e rb r i n gf o r w a r dak i n do fm i c r o p r o c e s s o rl i n ep r o t e c t i o n d e v i c e b a s e d o n a r ma n d e m b e d d e d r t o s p c o s - i i t h eh a r d w a r ea d o p t sa r ma n dm c ua sd o u b l ec p u n f i g u r a t i o n i tu g e st h e a r m p r o c e s s o rl p c 2 2 9 2m a d ei np h i l i p sc o m p a n ya sc o n t r o lk e r n e lt or e a l i z et h e p r o t e c t i o n , m e a s u r ea n dc o m m u n i c a t i o nf u n 嘶o n b e s i d e s ，u s i n gt h ep 8 9 c 6 6 8 h s c mt oc o m p l e t et h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h es o f t w a r ed c s i g ni sb a s e do nt h e e m b e d d e d r t o s o c o s - h a f t e r i n t r o d u c i n gs o m e b a s a l c o n c e p t o f 心o s - i i ， t h ep a p e re m p h a s i z e si t sn a t u r a l i z a t i o nt ol p c 2 2 9 2 a n dt h e n , t h es o f t w a r ep a r t p r e s e n t st h ep r o t e c tc o n f i g u r a t i o na n da r i t h m e t i c ，m o r e o v e r , i ti n t r o d u c e st h et a s k p a r t i t i o na n dt h ed e s i g no f t h ea p p l i c a t i o ni nd e t a i l t h em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c em e n t i o n e di nt h i sp a p e ri sn o v e lf r o mt h e a n g l eo f c o l l e c t i v i t ys c h e m ea n dd e s i g ni d e a t h e r e s u l ti n d i c a t e st h es c h e m es a t i s f i e s t h eb a s a lr e q u e s to f p r o t e c t i o n k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n ，l i n e ，a r m ，c o s - n ，t a s k 图1 1 变电站典型结构图。 图2 1 装置总体原理框图。 图2 - 2 装置总体硬件结构图 图2 - 4 系统时钟电路。 图2 - 5 系统复位电路 插图清单 1 8 图2 - 6 存储器接口电路1 2 图2 7 保护电流信号调理电路1 3 图2 8a d 转换接口电路1 5 图2 - 9a d e 7 7 5 8 外围接口电路1 7 图2 1 0 开关量输入电路1 9 图2 - 1 1 开关量输出电路 图2 1 2l c d 接口电路。 图2 1 3 键盘接口电路 图2 1 5 以太网接口电路 图3 - 1 前后台系统 ：! ( ) 2 2 2 7 3 0 图3 - 2 u c o s - 的体系结构 图3 - 3 堆栈初始化示意图 图4 1 电流速断保护动作特性的分析3 7 图4 2 限时电流速断保护动作特性的分析3 8 图4 3 软件总体结构框图。4 5 图4 4 定时采样中断流程图4 6 图4 5 双倍数据存储缓冲区4 7 图4 6 保护逻辑判断任务程序流程图 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及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒日b 些友堂 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己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：彦游林 签字醐叩年妇日 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆工些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被套阅和借阅。本人授权金 壁王些厶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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适心本授权伟) 学位论文作者签名：窑谗辛社 签字日期：o 年霸 e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 名：p 俨电 签字日期：。7 年，月7 日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机会，并 衷心地感谢导师温阳东教授在我学习和论文写作过程中给予的关怀和帮助。导 师渊博的学识、严谨的治学、开阔的视野、认真的态度使我受益匪浅。研究生 期间，导师在学习和生活上给我很多的关怀、帮助和鼓励，在此学生表示衷心 的感谢和深深的敬意。 此外论文工作得以顺利完成还要感谢实验室毕锐、储忠、蒋妍妍、唐黎江、 黄璐、于辉、刘卫平、彭丽虹、黎婷婷、王欣、王海义、尹浩、程柏林、孙似 海、刘艳丽、喻春笋、姬春义、贾贤龙同学给予我的支持和帮助，在此深表谢 意。 在整个学习阶段，我的家人给予了我无微不至的照顾，在此对他们表示诚挚 的谢意和最深的感激! 作者：李洪林 2 0 0 7 年5 月 1 1 引言 第一章绪论 随着我国国民经济建设的快速发展和人民物质文化生活的不断提高，人们 对电能的需求越来越大过去几年，国家对电力的投资也达到了一个高潮。作 为输配电系统中的一个重要环节，变电站担负着电能转换和电能重新分配的繁 重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。最近几年，每年都有 大量的新建变电站投入运行，与此同时，原有的传统老式变电站也逐渐进行技 术改造，以提高自动化水平。 变电站综合自动化是通过监控系统的局域网通信，将微机保护装置、微机 自动装置、微机远动装置采集的模拟量、开关量、状态量、脉冲量和一些非电 量信号，经过数据处理及功能的重新组合，按照预定的程序和要求，对变电站 实现综合性的监视和调度 随着电力系统的日趋庞大和复杂，其稳定性和可靠性越来越突出。目前在 变电站综合自动化系统中，通常把微机保护、自动重合闸、故障录波、测量和 控制功能集合在一起，构成微机保护测控装置。微机保护测控装置在变电站综 合自动化系统中被称作间隔层单元，与站控层、设备层一起构成变电站自动化 系统，完成信息的采集和控制变电站综合自动化系统其典型结构图如图1 1 所示。 变电站监控层 保护测控层 设备层 图l - l 变电站典型结构图 微机保护测控装置是变电站综合自动化系统的关键环节，是目前分布式变 电站自动化系统负责保护、测量和控制的重要单元。因此，微机保护测控装置 的技术水平直接影响着整个变电站综合自动化的技术水平 变电站微机保护测控装置是反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运 行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它是保障电力设备 安全和防止以及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要和最有效的 技术手段。因此，对变电站的微机保护测控装置的技术进行研究，为提高变电 站的综合自动化水平具有现实意义。 1 2 微机保护测控装置的发展概况 1 2 1 国外微机保护测控装置的发展状况 国外对微机保护测控装置的研究起步较早早在6 0 年代中期就有人提议用 计算机构成继电保护，但由于当时计算机的价格昂贵，同时又无法满足继电保 护的动作速度要求，因此计算机继电保护没有取得实际的应用。但由此开始的 对计算机继电保护的理论研究和结构的研究，为后来的微机继电保护的快速发 展奠定了良好的基础 随着计算机技术和大规模集成电路技术的飞速发展，微机保护测控装置逐 渐进入了实用阶段。目前，国外较典型的微机保护测控装置有：通用电气公司 生产的d d p 数字配电微机保护系统该装置具有保护、保护顺序配合、测量、 重合闸、断路器开断电流累计、人机对话、通信等功能保护由瞬时过电流和 延时过电流组成a b b 公司生产的配电微机保护系统。该装置具有保护、配合、 测量、显示、重合闸，事件记录、最大负荷统计、断路器开断电流累计和通信 等功能。保护由瞬时速断和延时速断组成。加拿大p o w e rm e a s u r e m e n tl t d 生 产的3 7 0 0 系列高级电力综合监控仪等。其中3 7 2 0 a c m 能集采集、测量、控制、 通信功能于一体近年来，该公司又推出了新产品，增加了微机继电保护功能。 国外的微机保护测控装置虽然功能强大、全面，但由于其操作较为复杂， 加上保护和测量合用一组c t ，以及价格昂贵等因素，并不能完全符合我国的电 网自动化的现状和要求在我国，电力系统一般要求保护用的c t 和测量用的 c t 分开，这是因为： 1 ) 对于保护和录波用的c t 二次线圈，要求在大电流下能够准确反映电流 的实际情况。 2 ) 对于测量用的c t 二次线圈，主要考虑在一次额定电流下运行时的最大 误差。 1 2 2 国内微机保护测控装置的发展状况 我国对微机保护测控装置的研究从上世纪7 0 年代后半期开始。开始是几个 高等学校和水电部南京自动化研究所的一些继电保护工作者对国外微机保护测 控装置的发展作了广泛的介绍和综合分析。7 0 年代末至8 0 年代初则广泛地开展 各种算法以至样机的研制。1 9 8 4 年上半年，原华北电力学院研制的第一套以 6 8 0 9 c p u 为基础的距离保护样机投入使用，揭开了我国继电保护发展史上新的 一页，为微机保护测控装置的推广应用开辟了道路。随着我国变电站自动化的 全面实施，为数众多的科研院校和公司开发出了各具特色的微机保护测控新产 品华中科技大学、东南大学、华北电力大学、西安交通大学、天津大学、上 海交通大学、重庆大学、南瑞集团、四方公司、许继集团和东方电子等单位相 继开发研制出了一大批不同原理、不同型式和不同应用的微机保护测控装置。 2 目前，市场上有代表性的产品有：南瑞生产的r c s 系列微机保护测控装置， 集微机保护，测量、通信功能于一体，采用单元式结构和独立的测量、保护回 路 1 3 当前微机保护测控装置中存在的问题 近几十年来，由于我国广大电力科技工作者的不懈努力，我国继电保护技 术及装置应用水平有了很大的提高，但是目前国内正在运行使用的微机保护测 控装置还存在几个需要改进的地方主要表现在以下几个方面： 1 ) 硬件系统资源及功能简单。 作为处理器和控制器的c p u 基本上还是采用传统的m c s 5 1 和8 0 9 6 系列 单片机。这些c p u 多是基于八十年代的技术和工艺，受结构、速度和总线的限 制，其指令功能有限、寻址空间小、运算能力弱。这些单片机虽然控制性能较 好，但是不善于数字信号的处理，因此微机保护装置在算法的实现上存在一定 的困难另外，随着电力系统自动化水平的不断提高，微机保护装置除了要完 成传统的保护功能外，还需要完成正常运行条件下的系统参数的测量，包括电 压、电流、有功、无功等，这些都是传统微机保护装置难以实现的，不能满足 微机保护装置的高实时性、高可靠性和可扩展性。 2 ) 软件系统开发平台不完善，程序结构落后，不便于开发、移植和维护。 相对于硬件的快速发展，软件方面的发展相对滞后。传统微机保护测控装 置的软件设计通常采用主循环加中断的线性结构，可称为前后台系统。其传统 的开发方式是；先画好程序流程图，然后按照流程图来编程，一般是一个无限 循环，循环中调用相应的子程序来完成相应的操作。这被称为后台行为或任务 级；用中断来处理各种随机事件，这被称为前台行为或中断级。这种程序简单 直观，易于控制，但缺乏灵活性，不便于软件的维护和升级。随着电力系统自 动化水平的不断发展，对微机保护测控装置的功能的要求也越来越多，不仅要 完成继电保护功能，还要完成通信、自检和人机对话等功能。传统的线性程序 结构会导致软件复杂度增高，增加了开发难度和时间。 目前的微机保护在软件开发上普遍采用汇编语言编写的线性程序。这种设 计方法虽然具有代码精炼，在某些关键操作上执行效率高等优点，但由于编程 人员要全面规划内存安排、数据调度、资源分配等造成了软件开发周期长、 难度大等困难。另外，由于不同的编程人员具有不同的思维习惯和方式，导致 软件难于交流、移植和维护 3 ) 通信的标准性、高速性、可靠性得不到保障。 微机保护测控装置之间的通信技术是衡量一个变电站自动化系统先进程度 的指标。最初的通信技术是用r s 4 8 5 总线将微机保护装置连接在一起，利用主 从方式进行通信。这种通信方式虽然简单，但技术上缺陷很多，实际运行中暴 露出来很多问题：通信速率低，一般不超过9 6 k b p s ，在传输大量数据时力不从 心；不能在通信网中设置一个以上的主机，因而不能享用多主机技术带来的各 种优越性能。 随着用户对变电站自动化系统的功能不断提出新的要求，人们便把目光投 向各种现场总线技术。由于其简单易用、组网方便、抗干扰能力强。在很短时 间内便成为变电站自动化系统的主流通信技术随着变电站自动化系统从以前 的3 5 k v 、1 1 0 k v 等级低压变电站系统向2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 超高压大型 变电站系统发展，现场总线技术的诸多局限性也逐渐暴露出来，主要体现在以 下几个方面： a ) 当变电站系统比较复杂，通信节点达到一定数量后，相应速率会迅速下 降，不能满足大型变电站对通信的要求。 坊在带宽上不能满足录波等大数据量的传输，造成很大的通信延迟。 缺乏统一的国际标准。许多微机保护装置采用的标准不尽相同，目前各 厂家在通信方式上各不相同，采用的通信协议也不尽相同。缺乏通用性，很难 使变电站自动化的通信网络标准开放。 1 4 本论文研究的意义 针对当前微机保护铡控装置所存在的问题，同时参考微机保护装置的发展 趋势，本论文从以下几个方面着手进行研制开发一种先进的微机保护测控装置， 以解决同类装置上述的各种缺陷和问题。 随着电力系统对微机保护装置的性能要求越来越高，功能要求越来越完善。 其保护原理和算法研究越来越深入，以及微机保护运行的环境越来越复杂，研 制设计一种新型的、可靠的硬件平台系统越来越成为当务之急。 硬件平台系统作为实现保护原理的载体和实现保护功能的基础，其研制和 开发水平的提高对推动整个微机保护的水平起着重要作用。 a r m 嵌入式处理器在硬件设计中已被广泛应用。a r m 嵌入式处理器是一 种高性能、低功耗的r i s c 芯片。它由英国a r m 公司设计，世界上几乎所有的 主要半导体厂商都生产基于a r m 体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌 入a r m 的相关技术。如3 i ，m o t o r o l a ，i n t d ，n s ，p t l i l p s ，a l t e r a ，a g i l e n t ， a l m e l 。h y a i x ，s h a r p ，t r i s c e n d ，n e c ，c i r m s l o g i e ，s a m s u n g 和l i n k u p 等公司都有自己相应的产品 删处理器目前有5 个系列：恹m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、删1 0 e 、s e c u r c o m 。 在所有的a r m 处理器中，a r m 7 处理器系列应用最广，采用a r m 7 微处理器 做内核生产芯片的公司最多。这其中具有代表性的产品有s 心以s u n g 公司的 4 $ 3 c 4 4 8 0 ，p h i l p s 公司的l p c 2 2 9 2 等。 得益于越t m 技术的快速发展，a r m 技术和芯片已在电力系统中得到了应 用。采用a r m 芯片作为微机保护测控装置的核心c p u 有以下一些优点： 1 ) 处理速度快微机保护装置的首要性能评价指标就是速度。a r m 是毗s c 结构的处理器，而且a r m 内部集成了多级流水线。大大增加了处理速度。 2 ) 功耗低，价格低廉，降低了产品成本。 3 ) 可利用的软件丰富。a r m 公司一直致力于支持嵌入式系统在a r m 处理 器上的开发应用，目前几乎所有常见的嵌入式系统在a r m 内核处理器上都有 成熟的应用。 随着微处理器芯片性能的高速发展、价格的下降和对软件的可重用性、可 维护性的提高，采用实时操作系统( r t d s ) 已经是大势所趋。 所谓实时系统，是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做 出响应的计算机系统。“在确定的时闻内”是这个定义的核心，也就是说，实时 系统对响应时间有严格要求，并不是指系统的响应和处理速度要越快越好，而 是指系统的响应要满足时间限制微机保护测控装置就是一个实时系统。 r t o s 是实时系统中软硬件资源的总指挥部，它以尽量合理、有效的方式组 织和管理系统中的软硬件资源，是嵌入式应用软件的基础和开发平台 由于k t o s 不可替代的优点，其发展速度很快，最近几十年涌现出了一大 批优秀的r t o s ，其中比较具有代表性的有l i n u x 、v x w o r k s 、a c o s i i 、w m c e 等。在这中间，应l o s 一1 i 又以其源代码公开和免费、体积小和可裁减、性能和 安全稳定性高等优点在世界范围内获得了广泛应用，包括诸多领域，如手机、 路由器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制等。 采用r t o s 的微机保护测控装置相比传统的微机保护装置具有以下几个方 面的优点： 1 ) 可靠性更高。继电保护的一个重要要求是可靠性。采用基于r t o s 的微 机保护软件，在遇到很强干扰时，不会像传统的线性程序那样会引起死机，只 会引起若干个任务中的一个被破坏，可以利用其他的进程对其进行修复。r t o s 不仅可以将应用程序分解成若干个独立的任务，还可以另外启动一个监控任务， 监视各任务的运行情况，从而大大提高了系统的可靠性 开发难度降低，可扩展性增强。微机保护采用r t o s 可以提高开发效率， 缩短开发周期。采用基于r t o s 的应用软件，通常将复杂的程序按功能划分为 若干个相对独立的任务，简化了开发流程。目前，大多数的嵌入式系统都采用 c c + + 开发语言，灵活性好，可移植性强，方便了对软件的调试和升级。 综上所述，在3 2 位a r m 处理器上构建以嵌入式实时操作系统应o s 一为 平台的开发应用近年来颇多，但在微机保护测控装置方面的应用还不多见，这 些研究将为今后微机保护测控装置的研究具有一定的参考价值。 1 5 本论文的研究内容和章节安捧 本课题在分析和吸收国内外微机保护测控装置的先进技术和经验的基础 上，研制开发了一种基于a r m 和j c o s l i 的微机线路保护装置，主要是硬件 和软件设计两大系统。本系统的硬件核心采用一片p h l i p s 公司的l p c 2 2 9 2a r m 芯片和p 8 9 c 6 6 8 h 单片机作为微控制器，并配以适当的外围电路来实现各种功 能。为了提高开发的方便和快捷，本系统选择了源代码公开的小型嵌入式实时 操作系统心，o s i i ，完成了其在l p c 2 2 9 2 上的移植，基于此操作系统采用结 构化的程序设计语言c 语言在软件设计中，在重点讨论保护的功能外，还详 细了设计实时信息的测量、通信、人机接口、控制等功能。 论文的具体具研究内容和章节安排如下： 第一章：首先简要概括了当前国内外微机保护测控装置的发展现状，分析 了其中存在的一些缺陷和问题，从硬件软件两方面给出了高性能a r m 芯片和 嵌入式实时操作系统c o s i i 在微机保护装置中的优势，提出了本装置的设计 思路。 第二章：首先提出了硬件平台的总体设计方案，接着详细阐述了各功能模 块的设计，包括主要芯片的选型、主要功能电路原理的介绍等。 第三章：介绍了嵌入式实时操作系统p c o s u 的基础知识，包括其内核结 构、任务、中断、时间管理机制、初始化及启动过程，最后重点介绍了，c o s i i 在l p c 2 2 9 2 上的移植。 第四章：详细阐述了基于嵌入式实时操作系统p c o s i i 的软件设计方案， 介绍了微机保护的算法的选择、分析和实现，提出并分析了数字保护平台的软 件实现流程。 第五章：对全文作了总结，并对未来需要进一步研究的工作做了展望。 6 第二章硬件电路设计分析 2 1 硬件电路总体设计方案 硬件电路设计是整个微机保护测控装置工作的基础，其设计的好坏，不仅 直接影响到微机保护装置功能的实现与否，而且对软件系统的设计也起着决定 性的作用一种好的硬件电路设计方案，可以说对整个装置的设计有着事半功 倍的效果。 现代微机保护保护测控装置的硬件通常都按照通用的标准来设计，不同的 保护类型，主要的差异在于软件保护功能的配置。本微机保护测控装置采用模 块化的设计方式，硬件电路由以下几部分组成： 1 ) 交流变换及信号调理模块 由于电力系统一次t v 、t a 传输过来的电压、电流信号不符合微机保护测 控装置所能接受的范围，因此必须对其进行二次变换、隔离，并对这些模拟信 号进行必要的低通滤波，滤出不需要的高频信号。 数据处理及保护逻辑判断模块 本模块是微机保护装置的核心部分从交流变换及信号调理模块输出的模 拟信号，微机保护测控装置不能对其进行处理，必须首先进行a d 转换，把模 拟量转换成数字量，然后由c p u 根据不同的保护原理的需要，完成不同的数据 计算最后，根据不同的保护配置，对这些数据作出相应的保护逻辑判断。同 时，本模块还负责与人机接口模块和上位机的通信功能。 3 ) 开关量输入输出模块 本模块包括开入、开出两部分。开入部分用来负责采集电力系统中的各个 断路器的位置、隔离开关的位置、本地，远方等各种状态量，作为保护逻辑判断 的一个组成部分。开出部分用来执行保护逻辑判断模块发出的各种命令，驱动 断路器跳闸、信号告警等。这两部分的信号都容易受到强的电磁干扰，因此， 本模块还必须进行光电隔离等抗于扰处理。 4 ) 人机接口模块 本模块包括键盘和液晶显示两部分，通过串行总线来和其他模块进行通信， 用来负责实时数据的显示、保护定值的查询和修改、动作信息的查询等。 5 ) 电源模块 电源模块是整个装置工作的前提和基础，负责提供装置中所有芯片的工作 电源。电源模块输出电压有5 v 、1 2 v 、1 2 v 、2 4 v 。由于装置中的一些芯片都 是精密芯片，所以要求电源的输出电压尽可能保持稳定。 本装置总体原理框图如图2 1 所示。 7 图2 - l 装置总体原理框图 整个硬件系统采用a r m + m c u 结构，a r m 选用p h n i p s 公司的l p c 2 2 9 2 ， m c u 选用p h n i p s 公司的p 8 9 c 6 6 8 h a r m 主要负责数据的采集、处理、计算、 存储、故障的判断、跳闸出口以及与上位机的通信等。m c u 主要负责人机接口 的键盘和显示部分两者通过串行通信总线进行数据交换。 装置采用插件式结构，分为面板、母板、模拟量输入插件、c p u 插件、开 入开出插件、电源插件。这种结构把整个硬件按照功能和电路特点划分为若干 部分，每个部分做成一个独立的印制电路板，板上对外联系的引线通过插针引 出。装置的总体硬件结构图如图2 2 所示 2 2 c p u 模块部分 图2 - 2 装置总体硬件结构图 c p u 模块是本装置的核心部件，装置的主要功能都依赖于c p u 来完成实 现。本装置的c p u 选用p h i i i p s 公司生产的l p c 2 2 9 2 a r m 芯片。c p u 模块设计 包括a r m 芯片的选择及其外围电路的设计，其中外围电路的设计包括电源电 路、系统时钟电路、复位电路、j t a g 接口电路和系统存储器电路等。 2 2 il p c 2 2 9 2 简介 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 的微控制器，并带有2 5 6 k b 嵌入的高速片内f l a s h 存储器。片内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频率下运行。对代码 规格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 l p c 2 2 9 2 具有如下一些特性： 1 6 ，3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器 1 6 k b 静态r a m 2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽度接口加速器实现高达6 0 m h z 的操作频率 外部8 位、1 6 位、3 2 位总线。 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 。 片内b o o t 装载程序实现在系统编程o s p ) 和在应用中编程( i a p ) 。f l a s h 编程时间为l m s ，可编程5 1 2 字节，扇区擦除或整片擦除只需4 0 0 m s 。 8 路l o 位a 仍转换器，转换时间低至2 4 4 u s 。 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。 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i i c 接口 ( 4 0 0 k b p s ) 和2 个s p i 接口。 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 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 o 口( 可承受5 v 电压) ，1 2 个独立外部中断引脚。 晶振频率范围为i 一3 0 m h z ，若使用p l l 或i s p 功能，则为1 0 - - 2 5 m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 可通过个别使能，禁止外部功能来优化功耗。 双电源： - c p u 操作电压范围：1 6 5 - 1 9 5 v s - i ，o 操作电压范围：3 o 3 6 v 。 2 2 2 电源电路 l p c 2 2 9 2 微控制器需要使用两组电源，w l 口供电电源为3 3 v ，内核及片 内外设供电电源为1 8 v ，所以系统设计为3 3 v 系统。电源模块输出5 v 电压， 利用l d o 芯片( 低压差电源芯片) 稳压输出3 3 v 及1 8 v 电压。 l d o 芯片选用s p x l l l 7 m 3 - 1 8 和s p x l l 7 m 3 3 3 ，其特点是输出电流大， 输出电压精度高，稳定性高。系统电源电路如图2 3 所示 9 g n dg n d 图2 - 3 系统电源电路 s p x l l l 7 系列l d o 芯片输出电流可达8 0 0 m a ，输出电压的精度在l 以 内，还具有电流限制和热保护功能，广泛应用于数字仪表和工业控制等领域。 使用时，其输出端需要一个至少1 0 a f 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性 2 2 3 系统时钟电路 l p c 2 2 9 2 微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部p l l 电路可调整系 统时钟，使系统运行速度更快。倘若不使用片内p l l 功能及i s p 下载功能，则 外部晶振频率范围是1 - 3 0 m h z ，外部时钟频率范围是1 - 5 0 m h z ；若使用片内 p l l 功能或i s p 下载功能，则外部晶振频率范围是1 0 - - 2 5 m h z ，外部时钟频率 范围是1 0 之5 m h z 。 根据l p c 2 2 9 2 的最高工作频率及p l l 电路的工作方式，选用外部 1 1 0 5 9 2 m h z 的无源晶振，1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振频率经过l p c 2 2 9 2 内部的p l l 电 路倍频后达到5 5 2 9 6 m h z 。片内的p l l 电路兼有频率放大和信号提纯的功能， 因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率。以降低因高速开 关时钟所产生的高频噪声。系统晶振电路如图2 4 所示 图2 4 系统时钟电路 图中用1 m r 2 的电阻并接到晶振的两端，使系统更容易起振。用1 1 0 5 9 2 m h z 的晶振的原因是可以使串行口波特率更精确，同时能够支持l p c 2 2 9 2 微控制器 芯片内部的p u ，功能和i s p 功能。 2 2 4 复位电路 系统复位电路提供给l p c 2 2 9 2 启动信号，是整个系统运行的开端。l p c 2 2 9 2 有两个异步复位信号：两i 西亍和丽，如果它们为有效信号，系统复位将从 内部产生。系统复位后，除了r t c 和匹配寄存器外，所有的内部寄存器都将被 恢复为默认值。 l o 由于a r m 芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限较低，对电 源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提 出了更高的要求本c p u 模块的复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片 s p 7 0 8 s ，以提高系统的可靠性。由于在进行7 1 a ( 3 调试时，n r s t 和t r s t 是可 由j t a g 仿真器控制复位的，所以使用了三态缓冲门7 4 h c l 2 5 进行驱动系统 复位电路如图2 5 所示。 3 3 v 图2 - 5 系统复位电路 图中信号r s t l 3 5 连接到l p c 2 2 9 2 芯片的复位脚r e s e t ，信号t r s t 4 3 连 接到l p c 2 2 9 2 芯片内部f l a g 接口电路的复位脚t r s t 。当复位键按下时， s p 7 0 8 s 立即输出复位信号，其引脚r s t 输出低电平导致7 4 h c l 2 5 a 和 7 4 h c l 2 5 b 导通，信号r s t l 3 5 和1 1 塔t 4 3 将输出低电平使系统复位。平时 s p 7 0 9 s 的r s t 输出高电平，7 4 h c l 2 5 a 和7 4 h c l 2 5 b 截止，由上拉电阻将信号 r s t l 3 5 和t r s t 4 3 上拉为高电平，系统可正常运行或进行j t a g 仿真调试。 2 2 5 系统存储器电路 由于l p c 2 2 9 2 片内只有1 6 k b 的静态r a m ，为了方便程序的调试和数据 的存储，本c p u 模块扩展了5 1 2 k b 的s r a m 。由于系统是3 3 v 系统，所以选 用了c y p r e s s 公司生产的3 3 v - r 作电压2 5 6 k x l 6 的静态l 认m c y 7 c 1 0 4 l v 3 3 芯片。该r a m 是一种高性能的c m o s1 6 位静态r a m ，具有如下一些特点： 高速性，最小存取时间为1 2 n s 。 低功耗，最大功耗6 1 2 m w 。 未被选通时自动进入掉电模式。 输入输出与r r l 电平兼容。 存储器接口电路如图2 - 6 所示。 c y 7 c 1 0 4 1 a ll a oa 1 7 4 4a l8 a 2 2 a 1a 1 6 4 3a l7 a 33 4 2a 1 6 a 44 a 2a 1 5 4 lr d a 5 5 a 30 e 4 0b s l l 9 7 c s o6 a 4b 旺 3 9b s l 0 9 6 d 0 7 c eb l e d l8 v o ov o l 5 3 8d l5 d 29 0 1f o l 4 3 7d l4 d 3l o v 0 2v o l 3 3 6d l3 3 “i f 0 3f o l 2 3 5d 1 2 v 豇 3 4 一台g n d 3 3 g 驴i 3 2d 1 i 3 v d s1 4 f 0 4f 0 1 l d 6 1 5 v 0 5f o i o 3 ld 1 0 d 71 6 v 0 6f 0 9 3 0d 9 w r1 7 f 0 7f 0 8 2 9d 8 a 6l8 w en c 2 8 a 71 9 a 5a i 4 2 7a l5 a 82 0 a 6 a 1 3 2 6a 1 4 a 9 2 1 a 7a 1 2 2 5a l3 a 8a 1 l 2 4a 1 2 a 1 02 22 3a ll 9 a 1 0 图2 - 6 存储器接口电路 图中存储器连接使用了1 6 位总线方式，数据总线使用了d 0 d 1 5 ，地址总 线使用了a 1 a 1 8 ，对于1 6 位的s r a m ，b l s 0 9 6 和b l s l 9 7 信号用于控制低字 节和高字节的写操作 2 3 模拟量输入模块部分 模拟量输入模块就是把电力系统中一次电流互感器和一次电压互感器的强 电信号首先转换成微机保护测控装置所需的弱电信号，并对这些弱电信号进行 滤波调理，变换成和a d 模数转换器相符的模拟信号，最后通过a d 转化变换 为c p u 模块可以识别的数字量，从而进行各种计算和判断。 2 3 1 交流变换电路设计 微机保护装置的模拟量输入是电力系统中一次t a 和一次t v 变换得出的大 电流、高电压信号，电流的幅值往往可达数安培，电压的幅值也高达上百伏。 这些强电信号不能直接送往a d 模数转换器进行处理，必须首先通过交流变换 电路转换为低电压信号。另外，考虑到电磁兼容和抗干扰要求，模拟量输入回 路和输出回路之间必须进行隔离。 交流变换模件的主要部件就是二次电流互感器c t 和二次电压互感器p t ， 它们将输入的电流和电压信号变换到本装置所需要的范围之内，同时也起到了 电气隔离作用。本装置的交流变换模件设计为8 个互感器，分别用于保护电流 通道i a 、i c ，测量电流通道i a 、i c ，零序电流通道i o ，保护、测量电压通道u a 、 u b 、u c 由于保护一次设备输出的电流和测量一次设备输出的电流范围是不一样 的，在满足精度要求的基础上，采用保护、测量电压互感器共用，保护、测量 电流互感器分开的做法，最大限度的合理使用器件。模件中测量用电流互感器 采用高精度互感器，保护用电流互感器要求在1 0 0 a 电流以下范围内具有很好的 线性度电流和电压互感器选用南京五里电子仪表厂的产品。以下是几种型号 互感器的特性描述 保护用电流互感器l h 5 0 1 7 5 ，其额定输入电流5 a ，额定输出电压 0 1 7 5 v ，线性范围5 0 m a - 1 2 5 a 。耐压2 5 0 0 v 测量用电流互感器l h 5 ，3 5 ，其额定输入电流5 a ，额定输出电压3 5 v ， 线性范围5 m a - 6 a ，耐压2 5 0 0 v 电压互感器t b e t v l l 4 c ，其额定输入电压1 0 0 v ，额定输出电压3 5 v 。 线性范围0 - 1 5 0 v ，耐压2 5 0 0 v 零序电流互感器u o 3 o 7 5 ，其额定输入电流0 3 a ，额定输出电压 0 7 5 v ，线性范围2 m a - 6 a ，耐压2 5 0 0 v 2 3 2 信号调理电路设计 由于电力系统在运行时存在大量高次谐波，尤其是发生故障时高次谐波的 含量会大大增加，所以有必要采用低通滤波器对高次谐波进行滤除滤波后的 模拟信号是双极性的交流信号，而a d 转换芯片所能接受的输入范围为单端输 入0 - 5 v ，因此还需要对这些信号进行电平移位以满足a d 转换器的要求。以保 护电流通道i a 为例，其信号调理滤波电路如图2 7 所示。 图2 7 保护电流信号调理电路 图中采用一阶r c 无源滤波器，根据申农采样定理，为了防止出现频率混 叠现象，选取r i = i k q ，c l = o 4 7 u f ，使得f c 2 5 0 h z ，基本上可以滤除5 次以 上的谐波。滤波后的电压信号为双极性输入，通过选取合适的电阻值，将其转 换成对应的单端输入。本电路选取r 2 = 2 k q ，r 3 = 4 k q ，r 4 = i o k q ，r 5 = 2 0 k q ， 使得5 v 的双极性输入对应于带2 5 v 内部基准电压的0 - 5 v 的单端输入。至此， 模拟信号可以进入a d 转换器进行模数转换，得出c p u 模块需要的各种数字量 了 2 3 3 a d 转换电路设计 l p c 2 2 9 2 片内集成了8 路1 0 位的a d 转换器，其最低转换时间为2 4 4 u s 。 对于传统的微机保护测控装置来说，可基本满足采样精度和速度的要求。a d 转 换器的转换精度与位数有关，位数越多，其转换精度越高。一般来说，a d 转换 器的转换误差为2 位。即转换结果的低2 位往往是误差数据，一个1 0 位的a d 转换器只有8 位转换精度随着微机保护装置的不断发展，装置对a d 转换的 精度和实时性要求越来越高，l p c 2 2 9 2 内部的a d c 模块的l o 位精度无法满足 要求，因此。我们选用了外部a d 转换芯片为i 1 1 公司最新推出的高速、低功耗 的模数转换器a d s 7 8 6 4 。 a d s 7 8 6 4 是高速、低功耗、双1 2 位的模数转换器，以+ 5 v 单电源供电。 输入通道全差分，典型共模抑制比为8 0 d b 。该器件含有两个2 u s 的逐次求近模 数转换器，6 个差分采样和保持放大器，一个带r e f 。和r e f o l r r 脚的+ 2 5 v 内 部电压基准以及一个高速并行接口6 个模拟输入通道分为3 对( a 、b 、c ) 每 个a d 转换器都有三对输入端( a 0 a 1 、b 0 b 1 、c o c o ，可以同时采样、转换， 因此可以保持两个模拟输入信号的相对相位信息。每对通道都有一个保持信号 ( h o l d a 、h o l d b 、h o l d c1 使6 个通道上的采样操作可以同时