（电力电子与电力传动专业论文）嵌入式系统在变电站综合自动化系统中的应用研究.pdf

r e s e a r c ho ft h e a p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e mi n s u b s t a t i o ng e n e r a la u t o m a i t i o ns y s t e m a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , f i r s t l y , t h es u b s t a t i o ng e n e r a l a u t o m a t i o n s y s t e m a n d m i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i v e d e v i c ea r es u m m a r i z e d s i m p l y s e c o n d l y ，t h e c o m p o s i t i o n o fh a r d w a r ea n dt h e d e s i g no fs o f t w a r e a r ee l a b o r a t e d a f t e r i n t r o d u c i n gs o m eb a s a lc o n c e p to f c o s - n ，t h ep a p e re m p h a s i z e s i t s n a t u r a l i z a t i o nt ol p c 2 2 9 2 m o r e o v e r ，t h es p e c i a lc o m p u t e ra l g o r i t h m sa r e i n t r o d u c e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt h es p e c i a la p p h c a t i o nb a c k g r o u g da b o u tt h i sd e v i c et ou s ea tp o w e r l i n ep r o t e c t i o ni ne n t e r p r i s es u b s t a t i o n t h ep a p e rd e s i g n e dal d n do f m 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 de m b e d d e dr t o s 川z o s - t h e h a r d w a r ea d o p t sa r ma n dm c s - 5 1a sd o u b l ec p uc o n f i g u r a t i o n i tu s e st h ea 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 y 嚣c o n t r o lk e r n e l t or e a l i z et h e p r o t e c t i o n , m e a s r r ea n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n b e s i d e s ，u s i n g t 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 ed e v i c ei sm o r eu g h t ，m o r ee l a s t i c b ya d o p t i n g e m b e d d e ds y s t e ma n dc a nb ei n s t a l l e di nt h ef i e l d t h es o f t w a r ed e s i g ni s b a s e d o n t h ee m b e d d e d r t o s 心o s - i i a f t e r p r e s e n t i n g t h e p r o t e c tc o n f i g u r a t i o n a n da r i t h m e t i c ，t h es o f t w a r ep a r ti n t r o d u c e st h ed e c o m p o s i n go f t h et a s kp a r t i t i o na n d t h ed e s i g no f t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m f i n a l l y , t h er e s e a r c hr e s u l ti ss u m m a r i z e da n dt h ef o l l o w - u p j o bi sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：s u b s t a t i o ng e n e r a la u t o m a t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，心，o s n 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 插图清单 变电站综合自动化系统分层分布式结构图1 硬件结构框图7 硬件结构原理图8 存储器接口电路。1 1 系统时钟电路 系统复位电路 l c d 接口电路 键盘接口电路 l ：! 1 ：l l ! ； 图2 - 8 系统电源电路：1 6 图2 - 9 信号调理电路 图2 1 0a d 转换接口电路 1 8 2 0 图2 1 1 开关量输入电路。2 1 图2 1 2 开关量输出电路 图2 1 3 以太网接口电路。2 5 图3 - 1 前后台系统 图3 2 u c o s i i 的体系结构3 2 图3 3 堆栈初始化示意图。3 6 图4 一l 电流速断保护的动作特性。4 l 图4 2 限时电流速断保护的动作特性。4 3 图5 1 软件系统总体结构框图4 8 图5 2 定时采样中断流程图 图5 3 双倍数据存储缓冲区示意图5 0 图5 _ 4 保护逻辑判断任务程序流程图5 1 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已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金a b 王些太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谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解盒目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留井向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆兰些太堂可 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用本授权书) 学位论文作者签名：一一彳让了 祥醐：呵朋7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址； ， 名：产， 签字日期：口7 年，月7 日 电话： 邮编： 致谢 在论文即将完成之际，我首先要感谢合肥工业大学给了我这次学习和提高 的机会，并衷心地感谢导师温阳东教授在我学习和论文撰写过程中所给予的无 微不至的关怀与帮助。在论文撰写期问，温老师从选题、论文的撰写和审稿等 方面都给予了我莫大的关心和支持。导师严谨的治学态度、渊博的学识、深厚 的学识功底、高深的学术造诣、务实的工作作风、锲而不舍的科学探索精神将 使我终身收益。此外温老师在工作和生活上也给予了我很大的支持和帮助，在 此学生表示衷心的感谢和崇高的敬意。 其次还要感谢毕锐老师给予我极大的支持和帮助，使我的论文撰写工作得 以顺利完成，在此深表谢意。 最后还要感谢我的家人和同事，在整个学习阶段，他们不断的支持和鼓励， 激励我克服一切困难，顺利完成了学业，在此对他们表示诚挚的谢意和深深的 敬意! 作者：杨洪深 2 0 0 7 年1 1 月 1 1 变电站综合自动化系统 1 1 1 基本概念 第一章绪论 变电站综合自动化系统是利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动 化系统，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 装置采集的数据和信息，利用计算机的高速处理能力，按照预定的程序和要求，监 视和控制变电站内各种设备的运行和操作。变电站综合自动化系统具有功能综合 化、结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。 变电站综合自动化系统大多采用由多台微机组成的分层分布式控制方式，分层 分布式控制系统在结构上分成三个层次：变电站监控层、间隔层和过程层。变电站 监控层( 第一层) ，具有变电站主控室功能，它由间隔层得到实时数据，承担本站 内操作员与远方监视和维护工程师站的人机接口、监视、管理和控制等任务，并负 责与远方调度中心通信。间隔层( 第二层) 负责对下层就地装置和智能电子设备进 行保护、控制和通信管理等。过程层( 第三层) 是模拟量、开关量和脉冲量数据采 集、保护和控制操作的出入口。分层分布式变电站综合自动化系统结构示意图如下 图所示。 第一层 第二层 第三层 图1 1 变电站综合自动化系统分层分布式结构图 1 1 2 变电站综合自动化的发展概况 2 0 世纪7 0 年代以来，世界上各主要工业化国家，如美国、日本、英国、法国、 德国和瑞典等国都开展了将变电站监控和保护综合在一起的研究，也就是国内统称 的变电站综合自动化。 最早的研究工作是用微机型远动装置代替布线逻辑型远动装置。1 9 7 5 年日本 开始研究用于配电变电站的数字控制系统( s d c s 1 ) ，1 9 8 0 年开始商品化。s d c s - 1 按功能可分为三个子系统： 1 ) 继电保护系统 2 ) 测量系统 3 ) 控制子系统 8 0 年代以后，研究变电站综合自动化系统的国家和公司越来越多，如德国西 门子公司研制生产的l a s 6 7 8 系统；a b b 公司的s c s l 0 0 、s c s 2 0 0 变电站综合自 动化系统。在日本，关西电力公司与三菱电气公司共同研制的s d s 2 保护和控制自 动化系统已投入商业应用。此外，日本东芝和日立公司、德国a e g 公司、美国通 用电气公司和西屋电气公司、法国阿尔斯通公司等均已开发和生产了变电站综合自 动化系统。由于国外的研究工作开展的较早，其技术水平较高，产品也已日趋成熟。 我国变电站综合自动化的研究工作始于8 0 年代中期，1 9 8 7 年，清华大学电机 工程系研制成功第一套符合我国国情的变电站综合自动化系统，在山东威海望岛变 电站成功地投入运行。8 0 年代后期，投入变电站综合自动化系统研究的高校、科 研单位越来越多，产品类型也越来越丰富。 1 1 3 变电站综合自动化的发展方向 ( 1 ) 从集中控制、功能分散型向分层分布网络型发展 变电站综合自动化系统总体发展趋势是从一个功能模块管理多个电气单元或 间隔单元，向一个模块管理一个电气单元或间隔单元，实现地理位置高度分散的方 向发展。此外，采用光纤局域网作为变电站计算机网络结构已被越来越多的人所认 识。它可以使计算机网络抗电磁干扰和射频干扰的能力大大提高，同时满足大容量 数据传输的要求。 ( 2 ) 从专用设备到开发平台的发展 传统方式中，每个控制和保护功能都由专用设备完成，设备种类很多。现在 计算机控制技术的发展使设备的功能主要由软件来决定，硬件因i ，o 所要求的数 量而定。因此需开发灵活的通用标准型的软件和硬件平台，以适用于所有的保护和 控制，系统将具有开放性和数据一致性的特点，此外遵循国际标准，便于不同厂家 相互接口和维护操作。 ( 3 ) 从传统控制向综合智能化方向发展 首先由计算机控制取代传统控制，再由计算机控制发展到智能控制，将控制、 2 保护系统与一次设备就近安装在一起，向着智能型方向发展。其智能技术包括专家 系统、模糊神经网络等。 ( 4 ) 从室内型向户外型转变 由于被控对象多在户外，因此要求控制设备、保护设备按一定间隔单元分散安 装或现场安装，这就是通常所指的户外型r t u ( f - r t u ) 和闯隔级i o 单元，以及分 散型单元保护装置。 ( 5 ) 从单纯的屏幕数据监视到多媒体监视 计算机控制、信息处理及通信技术的发展，将使计算机监控从静、动态实时数 据向声、像辅助监控等多方位发展以适应电力系统的需求，特别是电力市场的需求。 其中利用工业电视提供的视频信息，应用计算机图象识别技术，将有可能迅速地辨 别图象或将多个相关图象进行综合判断，及时发出处理指令，进一步扩大与提赢电 力系统自动化的功能和水平。 ( 6 ) 纵向和横向综合 纵向综合是指在电网系统中，变电站自动化系统将象一台标准的r t u ，各厂 家在不同的层次上的设备都将满足开放系统标准，包括应用层相互之间可任意交换 所需数据。横向综合包括设备及功能的综合和系统的横向综合，表现在变电站内提 供保护和控制及其它智能设备之间频繁而高效的数据交换体系，以及在不同变电站 控制系统和其它控制系统之间建立联系等。 1 2 微机保护装置 1 2 1 微机保护装置的基本概念 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，构成微机保护装置。微机保护装置在变电站综合自动化系 统中属于间隔层，与变电站监控层、过程层一起构成变电站综合自动化系统。微机 保护装置是变电站综合自动化系统的重要组成部分，在分层分布式变电站综合自动 化系统中承担着保护、测量和控制的任务，它能反映出电力系统中电气元件发生故 障或不正常运行状态，同时控制断路器跳闸或发出报警信号，它是保障电力系统设 备安全，避免电力系统长时间或大西积停电的最重要和最有效的技术手段。因此， 微机保护装置的技术含量将直接影响着整个变电站综合自动化的技术水平。 1 2 2 微机保护装置的特点 ( 1 ) 维护调试方便 在微机保护应用之前，整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤 其是一些复杂的保护。主要原因是这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功 能都由相应的硬件器件和连接线来实现，为确保保护装置的完好性，就需把各种功 3 能都通过模拟试验来校验。微机保护则不同，它的硬件主要是一台微型机，各种复 杂的功能由相应的软件来实现，只要用几个简单的操作就可以检验它的硬件的完好 性，如果微机出现硬件故障，就会立即表现出来。如果硬件完好，对于已成熟的软 件，只要程序和设计时一样，就会达到设计的要求，而无需像前一种那样，逐个做 各种模拟试验来检验每一种功能是否能实现微机保护装置具有很强的自检功能， 对硬件各部分和程序不断地进行自动检测，一旦发现异常，系统就会发出告警信号。 所以微机保护装置的调试工作量很小，从而大大减轻了运行维护的工作量。 ( 2 ) 可靠性高 微机保护装置具有极强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规保护很难 实现的自动纠错功能，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。此外， 它还有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地 防止拒动，因此可靠性很高。 ( 3 ) 易于获得附加功能 如果配置其他显示设备和打印机，或通过通信网络连接到后台计算机监控系统， 可以在电力系统发生故障时提供多种信息。 ( 4 ) 灵活性好 由于微机保护的功能主要由软件决定，因此只要改变软件就可以改变保护的特 性和功能，从而可灵活地适应电力系统运行方式的变化。 ( 5 ) 保护性能得到很好改善 由于微型机的应用，使很多原有形式的继电保护中存在的技术问题，可以找到 新的解决办法。 1 2 3 微机保护装置的发展状况 国外对微机保护测控装置的研究工作起步较早，始于6 0 年代中期。之后随着 计算机技术和变电站综合自动化技术的高速发展，微机保护装置的产品换代也越来 越快。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：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；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 集采集、测量、控制、通信功能于一体。 我国在微机保护装置上的研究工作始于上世纪7 0 年代后半期。8 0 年代以来， 我国电力系统微机保护应用技术发展很快。在我国，微机继电保护的发展大体上经 历了三个阶段：第一阶段是以单处理器( c p u ) 硬件结构为主，数据采集系统由逐 次逼近式的a d 5 7 4 芯片构成，硬件和软件的设计符合我国高压线路保护装置的“四 统一”标准，特点是采用单处理嚣结构及多路转换的a d c 模数转换模式，以1 9 8 4 4 年华北电力学院研制的m d p 一1 型微机保护装置为代表：第二阶段是以多个单片 机构成的多处理器硬件结构为主，数据采集系统采用v f c 电压一频率转换原理的 计数式数据采集系统硬件，软件设计方面，利用多处理器的特点，强化了自检和互 检功能，使硬件故障可定位到插件，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措 施防止拒动和误动，代表产品有华北电力学院研制的w x h 1l 和w x b 1 1 型保护 装置：第三阶段是以高性能的3 2 1 6 位单片机构成的硬件结构为主，完善了通信功 能，为变电站综合自动化系统的实现提供了强有力的技术支撑，目前市场上代表性 的产品有：北京四方公司开发的c s l - 1 0 i 系列的线路保护装置和c s c - - 2 0 0 系列 的变压器保护装置，南瑞公司生产的r c s 系列微机保护测控装置。 1 3 本文的主要研究内容 结合目前可嵌入式微处理器技术、通信技术和变电站综合自动化技术的发展和 应用情况，本文将重点研究基于a r m 和嵌入式实时操作系统# c o s i i 的微机保 护装置的硬软件设计，以实现对i o k v 配电线路的保护、测量和监控功能。本文主 要包括以下几部分内容： 第一：简要概括国内外变电站综合自动化系统的发展状况和微机保护装置的发 展现状。 第- - ：介绍保护装置的硬件设计首先介绍硬件总体设计方案，然后在介绍主 要芯片性能和特点的基础上，详细说明了各硬件功能模块的设计 第三：首先介绍嵌入式实时操作系统, c l o s i i ，然后说明筇o $ 一在 l p c 2 2 9 2 上的移植方法 第四：介绍微机线路保护装置采用的保护算法和保护配置以及保护判据。 第五：介绍基于嵌入式实时操作系统心l o s i i 的软件总体设计方案，对软件 保护平台的工作流程作出了说明。 第六：对研究工作的总结和展望。 1 4 本文研究的意义 随着社会的不断发展，人们对电力供应的安全和可靠性要求越来越高。正是在 这种需求的推动下，变电站综合自动化技术得到了空前的发展，一些新技术开始应 用于变电站综合自动化系统的研制中。 我国目前已有很多厂家和科研单位开发出不同类型的微机继电保护产品，并已 投入商业运行，但通过实际运行发现，在电力系统中应用的微机保护装置还存在着 有待进一步完善的地方，如硬件处理速度不够快、软件难以维护、通信能力不够强 等问题，而利用嵌入式系统有望能解决上述的一些问题。 嵌入式系统具有处理速度快、实时性好、体积小、功耗低、可利用的软件资源 丰富等特点，它把一般系统中许多由功能模块电路板实现的功能集成在芯片内部， 简化了系统外围电路的设计。如果把嵌入式系统应用到具体的应用中，它的升级换 代能和具体产品同步进行，因此具有嵌入式技术的产品在市场上有较长的使用周 期。 目前基于3 2 位a r m 处理器和嵌入式实时操作系统i c o s i i 为开发平台的系 统已成功应用于多个领域，但在电力系统微机保护方面的应用还较少。针对当前微 机保护装置所存在的问题，本文设计出一种基于a r m 和嵌入式实时操作系统 c o s i i 的微机线路保护装置，以期解决同类装置存在的一些不足 6 第二章系统硬件的设计 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。硬件电路设计是整个微机保 护装置工作的基础，其设计的好坏，直接影响到微机保护装置的功能能否实现，而 且也影响系统的软件设计。 2 1 硬件电路总体设计方案 本装置的硬件设计采用模块化的设计方式。从整体结构来看，硬件由面板、母 板、数据采集系统、开关量输入，输出系统、微型机主系统和电源等六个部分组成。 这种结构体系把整个硬件电路按照其功能划分为若干部分，每个部分由若干个模块 组成。 本装置硬件结构框图如下图所示： 数 开 微 据 关 型 电 采 量机 集i o主 源 系 系 系 统统统 lil l 母板 l面板 图2 - 1 硬件结构框图 本装置硬件系统采用a r m 和增强型m c s 5 1 单片机构成双处理器结构，a r m 选用p h i l i p s 公司生产的l p c 2 2 9 2 ，m c s 5 1 选用p h i l 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、计算、存储、处理、故障的判断、跳闸出口以及与上位机的 通信等，m c s 一5 1 主要负责人机接口的键盘和显示部分，两者通过r s 2 3 2 串行通 信总线进行数据交换。 本装置的硬件原理框图如图所示 7 图2 - 2 硬件结构原理图 从图中可看出，本装置硬件电路由以下几个部分组成： ( 1 ) 数据采集系统 数据采集系统主要包括交流变换、模拟滤波和模数转换等功能模块。 交流变换模块。由于从电力系统二次设备传输过来的电流和电压信号仍然很 大，超过微机保护测控装置所能接受的范围，因此需要对其进行= 次变换。电力系 统中经t a 和t v 变换得出的二次电流较大、电压较高，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，必须首先通过交流交换电路转换为小电流、低电压信号。另外，考虑到电磁 兼容和抗干扰要求，模拟量输入回路必须进行隔离。 信号滤波模块。通过交流变换后的输入模拟量往往含有高频信号，因此要对 这些模拟输入信号滤波，滤除无需的高频信号，转换成与a d 模数转换器输入信 号相匹配的模拟信号。 模数转换模块。经信号滤波模块调理后的模拟信号，通过a d 转换为c p u 模块能够识别的数字信号，从而进行各种计算和判断。 ( 2 ) 微型机主系统 c p u 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直接对其进行处理，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，完成相应的数 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，再根 据保护判据来决定保护装置的动作方式，同时本模块还负责与入机接口模块和上位 机的通信 外围电路模块。包括存储器接口电路、时钟电路、复位电路等。 人机接口模块 人机接口模块连接在p 8 9 c 6 6 8 h 上，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 ( 3 ) 开关量输入输出系统 包括开关量输入、开关量输出和通信三个模块。 开关量输入模块。开关量输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、本地和远方等各种状态量，作为保护逻辑判断的一个组成 部分 开关量输出模块。开关量输出部分用来执行保护逻辑判断模块发出的各种命 令，驱动断路器跳闸或发出告警信号等。 通信模块。本模块实现与上位机的通信功能 开关量输入输出信号都容易受到强电磁的干扰，因此本模块还须采用光电隔离 等抗干扰措施。 ( 4 ) 电源模块 电源模块用来提供装置中所有芯片的工作电源，由于装置对供电电源要求较 高，所以采用性能稳定的开关电源。电源模块输出电压有+ 5 v 、1 2 v 、2 4 v 。 2 2 微型机主系统设计 微型机主系统是本装置的核心部分，它的主要功能是将检测出的实际线路电流 信号与保护动作定值进行比较，再根据保护判据来决定保护装置的动作行为，实现 对电力线路的保护。 本装置的微型机主系统设计包括c p u 芯片的选用和c p u 外围电路的设计。 2 2 1 主控c p u 选用 主控c p u 选用p h l i p s 公司生产的l p c 2 2 9 2 a r m 芯片。外围电路的设计包括 系统存储器电路、系统时钟电路、复位电路、电源电路和接口电路等的设计。 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t i ，m o t o r o l a ，i n t e l ，n s ，p h i l p s ， a l t e r a ，a g i l e n t ，a t m e l ，h y n i x ，s h a r p ，t r i s c e n d ，n e c 。c i r r u s l o g i c ，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。 a r m 处理器目前有5 个系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 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 a m s u n g 公司的 9 $ 3 c 4 4 8 0 ，p l f i l p s 公司的l p c 2 2 9 2 等。 a r m 嵌入式处理器在硬件设计中已被广泛应用。随着a r m 技术的快速发展， 目前a r m 嵌入式技术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r i 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 ) 性能高、成本低、功耗小。 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。 ( 一) l 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 可嵌入的高速片内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 t r 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 位宽度接口珈速器实现高达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( i 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 d 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 0s e 业标准u a r t 、高速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1 o 姗z ，若使用p u 。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 可通过个别使射禁止外部功能来优化功耗。 1 0 双电源： c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5 v ； i ，o 操作电压范围：3 0 - 3 6 v 。 2 2 2c p u 外围电路 ( 一) 存储器接口电路 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，因此选用c y p r e s s 公司生产的3 3 v 工作电压、2 5 6 k 1 6 的静态r a mc y 7 c 1 0 4 1 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 r o w 未被选通时自动进入掉电模式。 输入输出与t t l 电平兼容。 存储器接口电路如图2 - 3 所示 c y 7 c 1 0 4 l 33 a la 1 6 4 2a 16 a 44 a 2a 15 4 1r d 5 5 , a 30 e 4 0b s i 。1 9 7 c s ( )6 a 4b 啦 3 9b s i 0 9 6 t ) o7 c eb l e 3 8r ) 15 d 18 i 0 0i 0 1 5 3 7d 14 d 29 l ，0 1i ，0 1 4 3 6d l3 d 3l o i ，0 2l ，0 1 3 3 5d 12 3 3 v l ； i ，0 3i ，0 1 2 v t a g ： v s s；芸睁g n d g q 强q；孝 v s 3v i id 1 l 产3 v d 514 i 0 4 l ，0 1 l 3 1d io d 615 l ，0 5 i o l o 3 0i ) 9 1 ) 716 i 0 6i 0 9 2 9i ) 8 w r17 0 7v 0 8 2 8 a 618 w en c 2 7a 15 a 7t9 a 5a 1 4 2 6a 1 4 a 82 0 a 6 a l3 2 5a l3 92l a 7 a 12 2 4a l2 a 8a l1 a 102 2 2 3a l1 a 9a lo 图2 3 存储器接口电路 图中存储器与c p u 的连接使用了1 6 位总线方式，d 0 - - d 1 5 为数据总线，a 1 - a 1 8 为地址总线，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 节的读写操作 ( 二) 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。如不使用片内p l l 功能及i s p 下载功能，则外部晶 振频率范围是i 3 0 m h z 。如直接使用外部时钟，则时钟频率范围是1 - 5 0 m i i z ；如 使用片内p u 。功能或i s p 下载功能，则外部晶振频率范围是1 0 一- 2 5 m h z ，外部时 钟频率范围是1 0 - - 2 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。 图中用l m q 的电阻并接到晶振的两端，使系统更易起振。使用1 1 0 5 9 2 m h z 晶振的原因，一方面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 l l 功能和i s p 功能。 c 5 0 6 ii x 1 a l 2 一口1 1 0 5 9 2 m 1 m 二 l p c 2 2 9 2 i ；6 tt m x t a l l 图2 - 4 系统时钟电路 ( 三) 看门狗和复位电路 复位电路对系统起到保护作用，防止系统程序跑飞。本装置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。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：r e s e t 和t r s t 。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。 由于a r m 芯片的高速、低功耗和低工作电压特点使其噪声容限较低，因此对 电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控的可靠性等诸多方面也提 出了更高的要求。在进行j t a g 调试时，n r s t 和t r s t 可由j t a g 仿真器控制复 位，使用三态缓冲门7 4 h c l 2 5 进行驱动。系统复位电路如图2 - 5 所示。 1 2 坠、一。 i 6 1 6 一 s w - p b i 4 i ?3 0 0 u 1 3s p 7 0 5 豫m n cl l s t 喇m v o c 3 3 v 。车 ll 砷孙 车c i l l0 1 七 寺 g n d g n d u 1 4 l gv c c | l a 4 g | l y 4 a 2 g4 y 2 a3 g 2 y3 a g 1 0 3 y 7 4 啪1 2 5 3 3 v c 8 斟卜。 1 2o 1 1 1 1 0 9 s t r s r 4 3 r s l l 3 5 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j t 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t r s t 4 3 将输出低电平使系统复位。平时s p 7 0 8 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兀a g 仿真调试。 2 3 人机通信接口 通过人机接口模块可以体现出微机保护装置优越于传统的继电保护装置的特 点。人机接口模块设在装置的前面板上，主要包括l c m 液晶显示、键盘和l e d 指示灯。面板有一个独立的单片机，此单片机是面板的核心。由于对面板单片机的 性能要求较低，主要完成人机对话的功能，本系统选用p h i l p s 公司生产的p 8 9 c 6 6 8 h 单片机p 8 9 c 6 6 8 h 单片机内带6 4 k b 的f l a s h 存储器和8 k b 的r a m 存储器，可 并行编程也可以串行在系统编程( i s p ) 。当选用6 时钟模式时，p 8 9 c 6 6 8 h 可提供高 达2 0 m h z 的操作频率。本系统中选用i s p 方式，i s p 是指电路板上的空白器件可 编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以通 过i s p 擦除或再编程。液晶显示和键盘信息通过串口与l p c 2 2 9 2 通讯。 ( 一) l c m 液晶显示 本装置中采用液晶显示模块l c m ，克服了以往装置采用数码管l e d 存在的显 示功能少、不美观和功耗大等缺点。 通过液晶显示可以查看实时数据、查看历史记录、设置各种参数等。液晶显示 是当代高新技术产业、信息产业最重要的信息处理手段之一液晶显示器件与其控 制电路、驱动电路密切相关，同一块液晶显示器件，如果使用的控制器不一样，那 么用它们装配的模块的应用也就不一样。因此，液晶显示技术的关键是显示驱动电 路的设计。 随着微机技术的不断发展，为了简化液晶显示电路的设计与应用，目前已有许 多显示器将液晶显示单元、显示控制器、显示内存和显示驱动电路集成在了一起， 做出了广泛应用的液晶显示模块l c m 在为数众多的液晶显示模块中，图形液晶 显示模块是液晶显示技术中常用的器件。l c m 提供标准数据和控制接口及控制器 指令，通过对控制器编程即可实现对l c m 各种形式的显示功能，包括文本显示、 图形显示和文本图形合成方式显示 本装置选用深圳耀宇公司生产的图形点阵液晶显示模块y m 2 4 0 1 2 8 ，模块内的 控制器为t 6 9 6 3 c ，显示屏点阵为2 4 0 x1 2 8 点，可显示汉字和图形，内置8 1 9 2 个 中文汉字( 1 6 x1 6 点阵) ，1 2 8 个字符( 8 x1 6 点阵) 和6 4 2 5 6 点阵。 在使用图形液晶显示模块作为终端显示器件时，有两种方法显示汉字：文本显 示方式和图形显示方式由于在文本显示方式下只能显示有限的汉字种类，因此作 为汉字处理就显得不够了在图形显示方式下，汉字的字模以图形方式逐字写入液 晶显示模块内部的显示r a m 区，在显示屏上得到汉字的图形。此方法的特点是能 够在显示屏上的任意位置显示汉字而不受字符行的限制，且汉字量不受控制器限 制。正是因为这些优点，本系统采用图形显示方式进行汉字显示。单个汉字采用4 个8 x 8 字符拼成1 6 x 1 6 点阵，单个字符采用2 个8 x 8 字符拼成1 6 x 8 点阵。 y m 2 4 0 1 2 8 与p 8 9 c 6 6 8 h 的接口电路比较简单，l c m 与单片机直接相连，这种方 式称为直接访问方式，它接口简单，编程控制方便。显示电路如图2 1 3 所示。 图中，为了降低功耗，系统采用三极管来控制液晶显示屏背光电源的开断。当 长时间没有对键盘进行操作时，通过控制单片机输出口p 1 7 为高电平使三极管 5 4 0 1 截止，则液晶显示屏的背光关闭。当检测到有键按下时，控制单片机输出口 p 1 7 为低电平使三极管导通，则液晶显示屏的背光打开。 1 4 图2 - 6l c d 接口电路 ( 二) 键盘 由于采用了液晶显示技术，其强大的显示功能使得菜单技术的应用成为可能， 这样只需要几个较少的按键便可实现复杂的操作。本系统设计有7 个按键，它们分 别是复位键、上、下、左、右、确定和取消键。复位键直接用于复位两个c p u 。 由于按键较少，占用单片机接口资源较少，本系统中直接将键盘电路与单片机 相连。键盘电路如图2 1 4 所示。 在图中，按键输入采用低电平有效的方式，上拉电阻保证了按键断开时，i o 1 ：3 有确定的高电平。每个键对应i o 端口的一位，当没有键按下时，各位均处于高 电平。若有键按下时，就使对应位接地而成为低电平，其他状态位依旧为高电平。 因此，单片机只要检测到某一位为“0 ”，便可判断出对应键已按下。 图2 - 7 键盘接口电路 2 4 电源电路 l p c 2 2 9 2 微控制器使用了两组电源，加l 接口供电电源3 3 v ；内核及片内外设 供电电源1 8 v ，本系统设计选用3 3 v 。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 6 所示。 c 3 0 2 2 u g n dg n dg n dg n d g n d 图2 - 8 电源电路 s p x i l l 7 系