（交通信息工程及控制专业论文）基于嵌入式Linux的真空断路器真空度检测仪的设计与实现.pdf

摘要 基于嵌入式l i n u x 的真空断路器真空度检测仪的设计与实现 摘要 一方面随着配电系统无油化浪潮的兴起，真空断路器的使用日趋广泛，真空断路 器灭弧室内的真空度是真空断路器的安全、可靠运行的保证，因此，在实际应用领域 迫切需要测量真空灭弧室的真空度。另一方面随着以计算机技术为代表的高新技术的 迅速发展，电子测量仪器的发展取得了重大突破，智能化、网络化是仪器发展的趋势。 所以，设计和实现一套高精度的、智能化的、网络化的真空断路器真空度检测仪具有 良好的应用价值。 首先分析仪器的发展趋势，再介绍各种真空度的检测方法，然后重点说明磁控放 电法的原理，并根据原理设计检测仪硬件框图。接着以全功能嵌入式工业级主板e c 3 - - 1 5 4 7 c l d n a ( b ) 为核心，外接d o c2 0 0 0 存储设备、液晶屏、触摸屏和微型打印 机等设备构建微机测控系统硬件平台。以安装r e dh a tl i n u x9 0 的p c 机为宿主机， 通过裁减l i n u x - 2 4 1 8 内核、构建微型根文件系统和设置g r u b 等步骤构建嵌入式 l i n u x 系统，接着再将此系统移植到测控系统硬件平台上。并以嵌入式式主板为核心 的硬件平台和以嵌入式l i n u x 为核心的软件平台构建测试系统目标机。接着在宿主机 上配置m i n i g u i 运行环境并安装m i n i g u i 软件包，运用m “g u i 编写界面优美、人 机交互性能优良的操作控制界面程序。然后在宿主机上安装m y s q l 数据库，运用 m y s q l 数据库编写相应的程序实现检测结果的存储和查询，并可以通过网络将检测 结果上传到上层数据中心。最后将m i n i g u i 、m y s q l 、相应设备驱动程序和应用程 序可执行文件移植到目标平台上并调试通过。 以嵌入式工业级主板和嵌入式l i n u x 构建宿主机平台，运用m i n i g u i 、m y s q l 等高性能的、免费的、硬件资源消耗较小的自由软件，将最新发展的嵌入式技术应用 于检测仪器，实现了一套高精度的、智能化的、网络化的真空检测仪，该检测仪具有 较好的实用价值。 关键词：真空度、磁控放电法、嵌入式l i n u x 、m i n i g u i 、m y s q l a b s t r a c t d e slg na n dr e a liz a t10 n0 ft e s t e ro fv a c u u md e g r e ef o r v a c u u mcir c uitb r e a k e rb a s e do ne m b e d d e dlin u x a b s t r a c t o no n eh a n dw i t ht h et i b eo fn oo i li nd i s t r i b u t i o ns y s t e m , t h eu s eo ft h ev n u m c i r c u i tb r e a k e ri sb e c o m i n gm o r ee x t e n s i v e , d e g r e eo fv a c u u mi nt h ea r ce x t i n g u i s h c h a m b e ri st h ea s s l l r a n c eo fs a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o nf o rv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r , t e s tt h e d e g r e eo fv a c u u mi nt h e 撒e x t i n g u i s hc h a m b e ri su r g e n t l yn e e d e di nt h er e a la p p l i c a t i o n o nt h eo t h e rh a n dw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h o t e c hc o m p u t e rt c c h i l o l o g yw h i c h t a k i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g ya s i t sr e p r e s e n t a t i v e , t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sh a v em a d eag r e a tb r e a k t h r o u g h i n t e l l e c t u a l i z e da n dn e t w o r d e da g e t h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft h e i n s t n m l e n t s s od e s i g na n dr e a l i z eah i g hp r e c i s i o n , i n t e l l e c t u a l i z e d , n e t w o r k e dv a c u u md e g r e et e s t e rf o rv a c u b mc i r c u i tb r e a k e rh a sg o o d u s i n gv a l u e a tf i r s tt h ed e v e l o p m e n to fi n s t n m m e n ti sa n a l y z e d ，t h e nd i f f e r e n td e t e c t i o nm e t h o d s f o rv a c u u md e g r e ei si n t r o d u c e d ，p r i n c i p l eo ft h el a wo fm a g n e t i s mc o n t r o la n dd i s c h a r g e i sp r o v e de s p e c i a l l y , a n dt h eh a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f t h et e s t e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l e u s i n ge m b e d d e dt e c h n i c a lg r a d em a i nb o a r de c 3 - - 1 5 4 7 c l d n a ( b ) a st h e c o r ew i t hs t o r a g ed e v i c ed o c2 0 0 0 、l c d 、t o u c hs c r e e na n dm i c r o - p r i n t e r ，t h eh a r d w a r e p l a t f o r mo fm i c r o c o m p u t e rs y s t a mf o rt e s ta n dc o n t r o li sc o n s t r u c t e d r e g a r d e dt h ep c i n s t a l l e dr e dh a tl i n u x9 0a st h eh o s tm a c h i n e e m b e d d e dl i n u xs y s t e mi sc o n s t r u c t e d b yc u t t i n gd o w nl i n u x - 2 4 1 8k e r n e l ，c o n s t r u c t i n gs u b m i n i a t u r er o o tf i l es y s t e ma n ds e t i n g g r u be t c t h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mi sm o v e dt oh a r d w a r ep l a t f o r mo f m i c r o c o m p u t e r s y s t e mf o rt e s ta n dc o n t r 0 1 t a r g e tm a c h i n eo fs y s t e mf o rt e s ti su p b n i l d e dw i t ht h e e m b e d d e dm a i nb o a r da n de m b e d d e dl i n u x t h e nm i n i g u ir u n n i n ge n v k o n m e n ti s d i s p o s e da n dm i n i g u is o f t w a r ep a c k a g e a r ei n s t a l l e di nh o s tm a c h i n e ，m i n i g u ii su s e dt o w r i t ec o n t r o li n t e r f a c ep r o g r a m ，t h ei n t e r f a c ei sg r a c e f u la n dh a sag o o dp e r f o r m a n c ei n h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e a f t e rt h a tm y s q ld a t a b a s ei s i n s t a l l e di nh o s tm a c h i n e ， m y s q l i su s e dt ow r i t ep r o g r a mw h i c hr e a l i z e st e s tr e s u l t ss t o r a g ea n di n q u i r y , t h et e s t r e s e ta l s oc a nt r a n s f e r e dt od a t ac e n t e rb yp r o g r a m a tl a s t ，m i n i g u i ，m y s q l , l i n u x d r i v e r sa n da p p l i c a t i o np r o g r a m sa r et r a n s p l a n t e dt ot a r g e tm a c h i n e a b s t r a c t t a r g e tm a c h i n ep l a t f o r mi su p b u i l d e dw i t ht h ee m b e d d e dm a i nb o a r da n de m b e d d e d l i n u x ，t h el a t e s td e v e l o p m e n te m b e d d e dt e c h n o l o g y sa l ea p p l i e dt od e t e c t i n gi n s t r u m e n t s b yu s i n gh i g h - p e r f o r m a n c l y , f f e l y , l e s sc o n s u m eh a r d w a r e r e s o u r c e sa n df r e es o f l w a r es u c h a sm i n i g u i , m y s q le t c as e to fh i g hp r e c i s i o n , i n t e l l e c t u a l i z e d ，n e t w o r k e dv a c u u m d e g r e et e s t e ri sr e a l i z e da n dt h et e s t e rh a sag o o dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：d e g r e eo fv a c u u m , l a wo fm a g n e t i s mc o n t r o la n dd i s c h a r g e ，e m b e d d e d l i n u x , m i n i g u i , m y s q l m 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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和撰写的研究成果，也不包含为获得华 东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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。 啦 关于论文使用授权的说明 日期彪彩衫 本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。 名芈名坪 c 、i 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 第一章绪论 利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路科”。利用真空 介质来熄灭电弧的设想在1 9 世纪末就已提出，2 0 世纪2 0 年代制造出了最早的真空灭弧 室。但是由于受真空工艺、材料等技术水平的限制，当时并未实现实用化。2 0 世纪5 0 年代以后，随着电子工业发展起来的许多新技术，解决了真空灭弧室制造中的很多难 题，使真空断路器逐渐达到实用水平。5 0 年代中期美国通用电气公司批量生产了1 2 k v 额定开断电流为1 2 k a 的真空断路器。随后在5 0 年代末由于发展了具有横向磁场触头 的真空灭弧室，使额定开断电流提高到3 0 k a 的水平。7 0 年代后，日本东芝电气公司 研制成功了具有纵向磁场触头的真空灭弧室，使额定开断电流又进一步提高到5 0 k a 以上。目前真空断路器己广泛用于1 0 k v 、3 5 k v 配电系统中，额定开断电流已能做到 5 0 k a - 1 0 0 k a 。真空断路器已得到广泛应用，目前1 0 k v 3 5 k v 电网中的多油和少油断 路器大有被真空断路器取代的趋势，特别在1 0 k v 电压等级中真空断路器所占比例为 4 5 2 ，少油断路器占4 1 4 ，前者比例还会继续上升。 我国自8 0 年代末以来随着配电系统无油化浪潮的兴起，真空断路器的使用才日趋 广泛。因为传统的油断路器用油作绝缘和灭弧介质，时刻潜伏着火灾和爆炸危险，在 无油化进程中，我国1 0 k v 等级使用真空开关，11 0 k v 及以上使用s f 6 开关，3 5 k v 等级 有的使用真空开关有的使用s f 6 开关，它们互相竞争各显优势。相比油断路器和空气 断路器等传统开关装置，真空断路器有许多独特的优点。真空断路器具有开断故障能 量损耗小、开断容量大、寿命长、可频繁操作无火灾爆炸危险、易维护和性价比高等 优点。适合于电力、石油、化工、煤矿等各种场合。它的缺点是： ( 1 ) 由于断流性能很强，分断时将产生较高的浪涌电压。这个问题已有相关文 献提出了解决办法。 ( 2 ) 当真空度降低时，灭弧性能也要降低。由此就提出了要求测试真空断路器 灭弧室内真空度的问题1 2 】。 另外一方面，目前国内几乎所有的真空断路器真空度检测仪器都存在以下的缺 陷： ( 1 ) 对测试参数及数据的处理能力差，仅仅用数码管或液晶屏测试结果，基本 无法记录诸如测试员姓名、测试日期等等其他的测试参数，也不能保存数据，更无法 查询测试记录。 ( 2 ) 无法与其他设备实现通讯，检测仪器很多停留在使用r s 2 3 2 c 与外界实现串 第一章绪论 口通讯，很多测试设备甚至没有任何通讯接口。 ( 3 ) 人机交互性能较差，几乎所有的检测仪器靠按钮、拨码开关实现人机交互， 随着对检测仪器智能化程度要求越来越高，检测仪器需要有更好的人机交互能力。 ( 4 ) 虽然提高漏率计算方法，但需要手工计算，无法自动实现漏率计算。 1 2 智能仪器的现状和发展趋势 随着以计算机技术为代表的高新技术的迅速发展，电子测量仪器的发展取得了重 大突破。电子测量仪器的演化与发展从总体上看沿着两条主线展开。一是从所采用的 技术上看，经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器的发展过程；二是从仪器的结构形 式上看，经历了独立仪器、模块化仪器、虚拟仪器和网络化仪器的发展过程。这两条 发展主线的技术基础都是计算机技术，并随着时间的推移而不断变化。 1 2 1 从传统仪器到智能仪器 2 0 世纪7 0 年代微型计算机的出现，带动了传统测量仪器印化( 微处理器化) 的浪潮， 独立仪器在原有的模拟仪器和数字仪器的基础上，又诞生了智能仪器和p c 仪器。 智能仪器采用计算机技术，不仅简化了仪器的硬件结构，提高了可靠性、增加了 灵活性，而且还使仪器的自动化程度更高。智能仪器使用键盘等输入设备代替传统仪 器中的旋转式或琴键式切换开关，从而使仪器面板的布置和仪器功能部件的安排可以 完全独立的进行。智能仪器具有友好的人机界面，使用时只需通过键盘等输入设备输 入命令，仪器就能实现测量、自检、数据处理，显示及打印等多种功能。 智能仪器最突出的特点是它的数据处理功能，主要表现在改善测量的精确度及对 测量结果的处理两方面。由于微处理器的应用，极大地提高了仪器的性能。在提高测 量精度方面，智能仪器采用软件对测量结果进行及时的在线的处理，对各种误差进行 计算和补偿，精度和数据处理的质量都大为提高。 作为智能仪器发展的一种新阶段，p c 仪器实际上就是建立在p c 机系统上的测量 仪器，它由硬件和软件两大部分组成。仪器的硬件部分主要包括c p u 、存储器、总线、 各种i o 接口、输入输出通道，仪器面板( 键盘，开关、按钮、显示器) 等，其结构如图 1 1 所示。 不难看出，印化仪器发展的结果，使得测量仪器与计算机系统的界线将日渐模糊。 一个具备相应软件和硬件的计算机能够完成许多仪器、仪表的功能，实质上相当于一 台多功能的通用测量仪器。这种测量仪器的概念与传统的测量仪器大相径庭，从某种 意义上说，现代测量仪器( 系统) 与计算机系统出现出全局意义上的相通性。据此，有 关学者提出了“计算机就是仪器”的概念p , 4 1 。 2 第一章绪论 图1 - 1p c 仪器组成 f i g l - i t h em a k eu po f p ci n s t r u m e n t s 1 2 2 网络化仪器 伴随计算机网络技术的发展与成熟，测试技术的网络化日渐成为可能。为了满足 测试系统互联、测试数据共享和提高测试系统工作的可靠性等方面的需要，网络化仪 器应运而生。关于网络化仪器目前尚无统一定义，人们通常将在任何时间、从任何地 点都能够获取测试信息( 或数据) 的所有测试系统的硬软件的集合体称为“网络化仪 器”。 目前，网络技术已开始对传统的测控系统产生越来越大的影响。基于网络化、模 块化、开放性等原则，测控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响。测控网 络有着与信息网络相似的体系结构和通信模型，它与t c p i p 对应，将现场的智能仪器 和装置作为节点，通过网络将节点连接成完整的测控系统。利用现有的网络资源便可 以组建网络测试系统，这就为网络化测试的广泛应用奠定了基础【5 】。 网络化仪器的应用有效地降低了测试系统的成本，实现了远程测控和资源共享， 实现了测试设备的远程诊断与维护。网络化正成为测试技术发展的新动向。 另外虚拟仪器的发展也表明：利用计算机强大的图形环境，建立界面友好的仪器 面板，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测试 量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成也是一个重要的发展趋势。 如今的测量仪器概念是一个开放的系统概念，并将随着计算机技术的发展而不断 拓展。 因此很有必要设计一套智能化的，网络化的、人机交互性能优异的真空断路器真 空度检测仪。具备对真空断路器真空度的测试，漏率的计算，并记录其它必要的测试 参数，可通过数据库实现数据查询，所有测试结果可通过以太网上传到上层数据中心。 1 3 本文所做的工作 3 第一章绪论 本人在本课题中负责总体方案的设计，具体负责软件方面的任务，涉及的硬件方 面也限于微机测控系统的硬件部分，而本系统的软件部分和微机测控系统正是本仪器 优越于同类仪器的根本体现。本文所做的工作主要如下： ( 1 ) 比较真空度检测各种方法的优缺点，并深入分析磁控放电法磁控放电法的 原理，并根据原理设计检测仪硬件框图。 ( 2 ) 挑选硬件设备，以嵌入式工业级主板为核心，构建微机测控系统硬件平台。 ( 3 ) 以r e dh a tl i n u x 为原型，构建嵌入式l i n u x 系统，并将嵌入式l i n u x 移植到 目标平台。 ( 4 ) 配置m i n i g u i 运行环境，安装m i n i g u i 软件包，并运用m i n i g u i 编写操作控 制界面。 ( 5 ) 安装m y s q l ，运用m y s q l 编写数据处理程序，并把可执行文件移植到目标 平台。 ( 6 ) 综合软硬件进行系统调试，完成真空断路器真空度的测量。 4 第二章真空度检测仪硬件平台的设计 第二章真空度检测仪硬件平台的设计 2 1 测试原理及方案选择 2 1 1 真空灭弧室真空度的主要测试方法 实际应用中，真空灭弧室真空度的测试方法主要有：工频耐压法、高频放电法、 观察法、火花计法、吸气剂颜色变化的判定法、高频电流法、耦合电容法、磁控放电 法、电光变换法及射线法等【删。 ( 1 ) 工频耐压法 真空断路器是判断真空管真空度劣化与否的常用方法是工频耐压法，这种方法虽 然简单，但只能定性测试真空度，而且由于施加的电压不高，真空度在l o - l o - 3 之 间，就无法分辨，无法合理地判断发展性泄漏，只是能判断真空度严重劣化的灭弧室。 而当真空度劣化到1 0 - 2 1 0 - 1 p a 时，虽然击穿电压没有降低，但灭弧室已不合格。而 且用于耐压实验的工频试验变压器体积大、笨重、操作不便，价格贵。 ( 2 ) 观察法 观察法根据真空灭弧室内部真空度降低时出现的电弧颜色变化而进行判断的，该 法适用于玻璃外壳的灭弧室做定性检查。 ( 3 ) 火花计法 火花计法是用火花探测仪测试，测试时将火花探测仪沿灭弧室表面移动，在其高 频电场作用下内部有不同的发光情况，据发光颜色来鉴定真空灭弧室的真空度，此法 简单但只能进行定性的判断且易受人为因素影响。 ( 4 ) 吸气剂颜色变化的判定法 吸气剂颜色变化的判定法根据吸气剂的本身来指示真空度，可以根据吸气剂的颜 色来判断真空度的好坏，这种方法也只能进行定性的判断，且易受人为因素影响。 ( 5 ) 高频电流法 高频电流法把工频高压加在开关两端，预击穿电流会叠加上很多高频分量，把这 些高频分量做傅立叶分析，各频率对应的幅值的最大值是灭弧室内压强的函数，基于 这一原理，可测量灭弧室的真空度，但是这一最大值不是电压的单调函数，有时可能 会对应两个压强值。 ( 6 ) 耦合电容法 耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的，可以实现真空度的在线测试，但 是灵敏度还有待于验证。 ( 7 ) 电光变换法 5 第二章真空度检测仪硬件平台的设计 电光变换法可以实现真空度的在线测试，但是p o c k e l s ( 泡克尔斯) 电场探头温 度特性较差，容易受温度波动的影响，长期运行的可靠性也有待研究，此外还必须考 虑电磁兼容问题。 ( 8 ) 射线法 射线法利用x 射线对气体分子的电离作用，可以使真空灭弧室中残留的微量气 体分子产生稳定的电离电流。因为x 射线具有很强的穿透物体能力，所以可以实现 在线测试。 ( 9 ) 磁控放电法 目前定量测试真空度较好的方法是磁控放电法，该方法首先由j i l l u c e k 等提出并 于1 9 6 2 年申请了美国专利。其后，西门子与日本也研制出了相似的检测仪器。其测试 原理为：将灭弧室两触头拉开一定的开距，施加脉冲高压将灭弧室置于螺线管线圈内 或将兀型电磁线圈置于灭弧室外侧，向线圈通以大电流从而在灭弧室内产生与高压同 步的脉冲磁场。在脉冲强磁场和强电场的作用下灭弧室中的电子作螺旋运动，并与残 余气体分子发生碰撞电离。所产生的离子电流与残余气体密度即真空度近似成比例 关系。对于不同的真空管型号，由于其结构不同，在同等触头开距、同等真空度、同 等电场与磁场的条件下，离子电流的大小也不相同。通过实验可以标定出各种管型的 真空度与离子电流间的对应关系曲线。当测知离子电流后就可以通过查询该管型的离 子电流真空度曲线获得该管型的真空度 9 1 。 在常规磁控放电法测试灭弧室的真空度时，为了提高其测试灵敏度，需从断路器 上卸下灭弧室，并置于螺线管线圈内。这样一来灭弧室在重新装回断路器时需要调整 机械参数，工作量很大并需专业人员。使用丌型电磁线圈可以从侧面包围灭弧室，这 样就不必拆卸灭弧室。但与螺线管相比，r i 型电磁线圈测量范围较窄。 2 1 2 测试原理及方案选择 由前文可知，在真空灭弧室真空度的测试方法中，磁控放电法是一种常用的精度较 高的定量测试方法，其测试精度可达1 0 - 4 p a 。但通常在使用时要把真空灭弧室从断路 器上拆卸下来以满足测量要求。为了减少现场测量拆卸真空灭弧室的工作量，采用新 型励磁线圈，新型励磁线圈可以在不用拆卸灭弧室的情况下直接套装于断路器的灭弧 室上，向线圈施加磁场电压，从而在灭弧室内产生与高压同步的脉冲磁场l i 。从而 实现了高精度的现场不拆卸灭弧室的测量，实验表明其真空度的测试精度可达到 l o - s p a ，这样的测试范围满足了真空断路器真空度的定量测试要求。 使用磁控放电法测试真空度时，需要在灭弧室触头间施加高电压，这时，在触头 与屏蔽罩之间及两触头之间便建立了强电场。根据场致发射学说，在强电场作用下阴 极( 包括低压电极及与高压电极相邻的屏蔽罩) 表面上会有电子发射电流。在没有磁场 时，该电子电流沿电场方向直接流向阳极，由于灭弧室内残留气体分子密度较小，即 6 第二章真空度检测仪硬件平台的设计 电子的平均自由行程丸大于极间距d ，使电子几乎不与残留气体分子相碰撞。当在灭弧 室上套装新型励磁线圈并通以励磁电流后，触头与屏蔽罩之间及两触头之间的空间 内，有些区域其磁场与电场垂直相交，使场致发射电子做旋轮线运动，也有些区域的 磁场与电场间有一夹角，电子的运动轨迹可分解为两种运动： ( 1 ) 在磁场b 和与b 垂直的电场分量e n 的联合作用下，电子在与b 垂直的平面内 做旋轮线运动。 ( 2 ) 在与b 平行的电场分量e t 的作用下电子沿b 方向做加速、碰撞后减速、再加 速的运动。两种运动的叠加使场致发射电子沿b 做偏斜的旋轮线运动，这样一来就大 大地加大了电子运动的自由行程以及与残留气体分子的碰撞概率。 为使灭弧室内残留气体分子在电、磁场作用下产生足够的电离并形成稳定的自持 放电，必须使得从阴极发射的每个电子在抵达阳极时，由其产生的众多正离子轰击阴 极，再轰击出一个新的二次电子用数学公式可表示为： ，、 y 【e x p i 【a d l 卜l 】= l ( 2 1 ) 、， 式中，1 ，为阴极受正离子轰击时的二次电子发射系数，与阴极材料性质及正离子 能量有关，a 为汤生第一电离系数。 欲使式( 2 1 ) 成立必须要满足两个条件： 第一是从阴极发射的每个电子在抵达阳极前与气体分子已发生( y g ) 1 次碰撞( g 为考虑每次碰撞时电离几率小于l 而引入修正系数) ，即要求电子在抵达阳极前的行 程，足够长，也就是要求磁场线圈产生的轴向磁场必须大于某一数值；第二是电子与 气体分子在碰撞时能产生碰撞电离，并至少产生，。个正离子，即要求电子在两次碰 撞间积累足够多的动能，也就是要求触头间的电场强度必须大于某一数值。 根据上述理论分析，在设计时，灭弧室内的轴向磁场和极间电压尽量大一些。实 验表明，高真空( 1 0 一4 l o _ 5 p a ) l i i j ，当极间电压大于一定数值后，在灭弧室内施加的轴 向磁场越大，点火越容易且离子电流的大小与极间电压成正比。由于点火和碰撞电离 的随机性，电场与磁场的作用时间也不能太短，通常在1 0 m s 以上f 2 】。 2 2 检测仪的功能设计 根据检测仪器智能化、网络化的需要，我们对真空度检测仪的功能做了如下设计： ( 1 ) 真空度检测仪采用嵌入式工业级主板和嵌入式l i n u x 操作系统作为系统平台 进行开发。 ( 2 ) 当真空灭弧室的真空度严重恶化时，检测真空度将出现较大电流冲击检测 设备，为防止因此损坏检测设备，本检测仪设计了“检漏”功能。测试真空度前应进 7 第二章真空度检测仪硬件平台的设计 行检漏。若灭弧室已严重泄露，可不必进行真空度定量测试，若检漏合格，则再进行 定量测试。 ( 3 ) 漏率反映了一个真空灭弧室的泄漏速度，本检测仪能根据每次真空度的检 测结果，自动计算真空灭弧室的漏率，据此给出该灭弧室真空度值合格的参考年限。 ( 4 ) 为实现与外界的通讯，本检测仪设计网络上传的功能，可以通过局域网将 检测结果上传到上层的数据中心。检测设备也预留u s b 接口，可根据检测用户需要 通过u s b 接口实现数据通讯。 ( 5 ) 测量精为1 旷p a ，国标( g b ) 规定真空灭弧室的真空度的最大值为 6 6 x 1 0 - 2 p a ，部标为1 3 3 x 1 0 。2 p a ，所以该精度已经完全能实现对真空灭弧室的真空度 的检测要求。 ( 6 ) 该检测仪可以检测各种型号的真空断路器的真空度，只需要针对该断路器 做“离子电流真空度”对应曲线实验，并将结果存储于检测仪的存储设备中。 ( 7 ) 本检测仪采用触摸屏作为参数输入设备，可以输入检测人员姓名，检测断 路器的编号，检测断路器的类型等等参数，系统会自动记录下检测时间，并作为检测 结果的一部分记录在检测结果中。 ( 8 ) 本检测仪采用自由软件m i n i g u i ，绘制检测操作控制界面，使得人机交互 界面画面优美、操作人性化、过程简单。 ( 9 ) 本检测仪可以实现检测结果的本地存储，也可以将检测结果上传到上层数 据中心，并可以按检测时间、按检测人员姓名、按检测断路器号等方式查询历史记录。 2 3 检测仪的硬件平台设计 2 3 1 硬件框图及功能 根据检测仪功能要求，检测仪硬件框图如图2 1 所示。 其工作过程为：首先由微机测控系统输出两路控制信号，经驱动电路使双向可控 开关接通，经整流电路给电场电容c l 充电，经倍压整流电路给磁场电容c 3 充电，c l 、 c 3 上的充电电压值经过分压后返回给微机测控系统，当电容c l 上的电压达到预定值， c 3 上的电压达到预定值后。将可控开关断开，停止对c 1 、c 3 充电。接着由微机测控 系统再发出两路控制信号，经驱动电路控制触发晶闸管v t i 、v t 2 导通，从而使电场 电容c l 对升压器初级线圈放电，电容c 3 对励磁线圈放电。升压器次级的高电压经硅 堆整流、电容c 2 滤波后输出到灭弧室的触头上。当励磁线圈产生的磁场达到某一临 界值时，真空灭弧室的极间会产生离子，离子电流经取样电阻r 0 、a d 、数字光隔后 输入微机测控系统。由于采用了光电隔离，增强了真空度检测仪器的抗干扰能力。使 用触摸屏作为输入设备、液晶屏作为输出设备显示检测状态，使操作使用更方便。 8 第二章真空度检测仪硬件平台的设计 图2 一l 检测仪硬件框图 f i 醇- 1 s k e t c hm a po f t h et e s t e r sh a r d w a r e 灭弧室内残留气体分子的磁控放电是强电离等离子体的行为。在常温下，压强p 和中性粒子的浓度n o 成正比，在磁控放电区域内，等离子体的电离度x ( - - n n o ) 可近似 为l ，所以，其离子浓度 啊搿n o = 2 4 4 1 0 2 4 p( 2 2 ) 根据等离子体的输运原理，可得到达阴极的离子电流为： i r a = = e n , l j a e = 3 9 1 x 1 0 5 a e p ( 2 - 3 ) 式中，n i 为等离子体的体积浓度舢为粒子迁移率a 为阴极的有效接受面积。 由上式( 2 3 ) 可见，离子电流的大小与残留分子压强成正比关系。通过测试离子电 流的大小就可以获得灭弧室的真空度。 2 3 2 p i 曲线的标定 对于不同的真空管型号，由于其结构不同，在同等触头开距、同等真空度、同等 电场与磁场条件下、离子电流的大小也不相同。所以在测量时，必须先通过实验标定 出所测管型的真空度p 与离子电流i z 间的对应关系曲线。也可以预先通过实验标定出 各种管型的真空度p 与离子电流i 间的对应关系曲线。对于已知型号的真空管，当测知 离子电流后就可以通过查询该管型的p i 曲线获得该管型的真空度。 为标定p i 曲线，需建立一套动态的真空比对系统，该系统包含真空池、机械泵、 分子泵、进气调节阀、附标真空计、复合真空度计等。真空比对系统结构图如图2 - 2 9 第二章真空度检测仪硬件平台的设计 所示。 图2 2 真空比对系统结构图 f 培2 2 c o n s t r u c t i o no f v a c u u me o n t r a p o s es y s t e m 真空度比对系统是利用动态校准原理，用真空泵抽气，微量调节阀来调节进入系 统的放气量。当放气阀门关闭时，经过一定时间的抽气，系统可达到极限真空度。当 调节微量调节阀时，用真空计监视系统的真空度，使系统平衡于某一真空度。改变调 节阀的放气量，可使系统平衡于任意需要的真空度。 标定方法：把灭弧室通过绝缘真空管与分子泵、机械泵、真空池、离子规管等组 成的真空比对系统相连 2 1 。当抽气与放气平衡时，灭弧室内的真空度可维持在某一稳 定数值p o 上。然后，应用该磁场线圈及真空度测试系统，测试该灭弧室的离子电流i o 。 得到p i 曲线的一点口o ，1 0 ) ，再改变不同的p ，可获得p i 曲线上的其余各点( p i 。1 1 ) 、 ( p 2 ，1 2 ) 等等。 2 4 处理器的介绍及选择 2 4 1 处理器的介绍 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，到2 0 0 0 年全 世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，其中 8 0 5 1 体系的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品， 仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多 的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处 理速度从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m 碑s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚。根据其现状，嵌入 1 0 第二章真空度检测仪硬件平台的设计 式处理器可以分成下面几类【1 1 】。 ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t , e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配在专 门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减小系统体积 和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处 理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的 优点，但是在电路板上必须包括r ) m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件。嵌入式 微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如 s t d b u s 、p c i 0 4 等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式 名片大小的嵌入式计算机系列o e m 产品，台湾研华公司推出了类似的模组化系统 s o m ( s y s t e m o n m o d u l e ) 。嵌入式处理器目前主要有3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、 m 1 p s 、a r m 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t , m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片 中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、 r a m 、总线，总线逻辑、定时，计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、 a d 、d a 、f l a s h 、r a m 、e e p r o m 等各种必要功能模块。为适应不同的应用需求， 一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的， 不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹 配，从而减少功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使 功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的 片上资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、 p 5 1 x a 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 l l 1 2 ，1 6 、6 8 3 0 0 等。 另外还有许多半通用系列，如支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 l 、c 5 4 0 、c 5 4 1 。 ( 3 ) d s p 处理器( d i g i t a ls i g r l a lp r o c e s s o r , d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译 效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大 量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到 采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过单 片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，1 r i 的1 m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是在通用单片机或片上系统( s o c ) 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s 2 9 6 。 第二章真空度检测仪硬件平台的设计 推动嵌入式d s p 处理器发展的一个重要因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带 有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、 实时语音压解系统等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针 线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的长处所在。 嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r m n e n t s 的t m s 3 2 0 系列和 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列，移动通 信的c 5 0 0 0 系列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为 d s p 5 6 0 0 0 ，d s p 5 6 1 0 0 ，d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，可以在一块芯片上实现一个 更为复杂的系统，这就是s y s t e mo nc h i p ( s o o 。各种通用处理器内核将作为s o c 设 计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器 件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出整个应用系统， 仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以 外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得 很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系 列器件，e c h e l o n 和m o t o m l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。专用s o c 一般专用于某个或某 类系统中，不为一般用户所知。 2 4 2 处理器平台的选择 近年来，越来越多的目标系统选择了性价比不断提高的x 8 6 处理器和成熟的p c 架构作为硬件平台，w w w l i n u x d e v i c e s c o m 网站2 0 0 3 年5 月进行的调查显示，嵌入式 开发者在过去2 年和未来2 年选择x 8 6 处理器作为目标平台的比例分别为3 1 和3 5 ， 高居首位。 x 8 6 系列处理器还有一个新的趋势，就是以3 8 6 系列中某个处理器作为c p u 核， 再整合进传统p c 的功能，而成为片