（电路与系统专业论文）面向10kv配电管理的scdma通信模块设计.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 l o k v 配电网是面向用户的电力网络，l o k v 配电网的安全运行，决定着用户用 电的安全性、可靠性和用电质量。随着电网规模的不断扩大、需求不断变化，传统 的配电管理技术手段已无法适应专变设备新的需求，构建s c d m a 电力无线专用可满 足配电和用电营销自动化系统的多种业务需求。 本文遵循建设孥强智能电网的宽带无线接入通信专用终端产品需求，在综合分 析现有各种电力终端软硬件特点和国标要求的基础上，基于s c d m a 宽无线带通信技 术、d s p 信号处理技术、a r m 嵌入式技术和软件无线电技术等，将电力系统配电和 营销系统的计量、监测、控制等核心业务与最新的s c d m a 宽带无线通信模块进行集 成化设计，研制开发了基于1 0 k v 配电管理的面向电力业务应用的通信模块，形成 新一代通用的智能电力终端应用框架，方便电力企业的集成和应用。 关键词：l o k v 配电网，s c d m a 通信，无线宽带，配电管理 a b s t r a c t l0 k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sau s e r - o r i e n t e dp o w e rn e t w o r k t h es a f eo p e r a t i o no ft h e n e t w o r kd e t e r m i n e st h es a f e t y , r e l i a b i l i t ya n dp o w e rq u a l i t yf o rt h eu s e r w i t ht h ec o n s t a n t e x p a n s i o no fp o w e rg r i ds c a l ea n de v e r - c h a n g i n gn e e d s t h et r a d i t i o n a lm e a n so fd i s t r i b u t i o n m a n a g e m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e nu n a b l et oa d a p tt ot h en e wd e m a n d so ft h es p e c i a l t r a n s ；f o r m e re q u i p m e n t ，t ob u i l ds c d m ap o w e rw i r e l e s sp r i v a t en e t w o r kc a nm e e tav a r i e t y o fb u s i n e s sn e e d si nt h ee l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o na n dm a r k e t i n ga u t o m a t i o ns y s t e m b yf o l l o w i n gt h ed e m a n do ft h eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sc o m m u n i c a t i o n ss p e c i f i c t e r m i n a l so fb u i l d i n gt h es 仃o n gs m a r tg r i d ，o nb a s i so fa ni n t e g r a t e da n a l y s i so fav a r i e t yo f e x i s t i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef e a t u r e so fe l e c t r i c a lt e r m i n a l sa n dt h en a t i o n a ls t a n d a r d b a s e do ns c d m aw i r e l e s sw i d e - b a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d s ps i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , a r me m b e d d e dt e c h n o l o g ya n ds o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g i e s ，a n di n t e g r a t e d d e s i g n e dt h ep o w e rs y s t e md i s t r i b u t i o nb u s i n e s sa n dm a r k e t i n gs y s t e mm e a s u r e m e n t ， m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lb u s i n e s sw i t ht h e1 a t e s ts c d m a b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s m o d u l e s ，t h i sp a p e l r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e ds c d m ac o m m u n i c a t i o nm o d u l eo r i e n t e d1o k v d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n t ，w h i c hf o r m i n gan e wg e n e r a t i o nu n i v e r s a ls m a r tp o w e rt e r m i n a l a p p l i c a t i o nf r a m e w o r kt of a c i l i t a t et h ei n t e g r a t i o na n da p p l i c a t i o no fp o w e re n t e r p r i s e s z h a if e n g ( c i r c u i t sa n ds y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f q ib i n g k e yw o r d s ：lo k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，s c d m ac o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s sb r o a d b a n d ， d m s 华北电力人学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 加强l o k v 配电管理的重要意义 1 1 2s c d m a 网络的技术优势 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国外配电管理的发展情况 1 2 2 国内配电管理的发展现状 1 3 本文的主要工作及内容安排 第二章通信模块的设计方案 2 1l o k v 配电管理的需求分析 2 1 1 终端模块的总体要求 2 1 2 终端模块的基本要求 2 1 3 终端模块通信基本要求 2 1 4 终端模块的应用功能 2 2s c d m a 通信模块的设计方案 2 2 1 微处理器四核的分工 2 2 2 通信模块总体设计 2 2 3 通信模块的工作状态 2 2 4 通信模块的软件平台 2 3 本章小结 第三章通信模块的硬件设计 3 1 s o c 核心芯片接口电路设计 3 1 1l c l 8 0 8 概述 3 1 2s o c 核心芯片辅助电路设计 3 2s d r a m 的接口电路设计 3 3f l a s h 的接口电路设计 3 4 扩展串口的电路设计 3 4 1v k 3 2 2 4 功能简述 3 4 2 串口扩展电路的设计 3 5 射频单元的接口电路设计 3 6 本章小结 第四章通信模块的软件设计 4 1 驱动层程序设计 4 1 1 遥信驱动程序设计 4 1 2 遥脉驱动程序设计 4 1 3 遥控驱动程序设计 4 1 4f l a s h 驱动程序设计 4 1 5 串口驱动程序设计 4 1 6 射频驱动程序设计 4 2a p i 函数层程序设计 5 5 5 5 6 6 8 8 9 o 2 2 4 4 4 5 6 7 9 9 9 o 2 3 3 3 4 5 6 8 9 2 l l l 1 l 1 l 1 1 l 1 l 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 华北电力人学硕十学位论文 4 2 1y a f f s 文件系统3 2 4 2 2 上行通信规约3 6 4 2 3 下行通信规约4 2 4 3 业务应用层程序设计4 6 4 3 1 数据采集4 7 4 3 2 数据处理4 7 4 3 3 参数设置和查询4 8 4 3 4 事件记录4 8 4 4 本章小结4 8 第五章通信模块的稳定性与可靠性研究4 9 5 1 模块的电磁兼容性( e m c ) 4 9 5 1 1e m i 的传播4 9 5 1 2e m i 的危害5 0 5 1 2 1 死机5 0 5 1 2 2 数据读写错误5 1 5 1 3e m i 的抑制与消除5 l 5 1 3 1 屏蔽5 1 5 1 3 2 滤波5 1 5 1 3 3 合理布局5 3 5 2 软件容错能力5 4 5 2 1 软件容错5 4 5 2 2 数据校验5 4 5 3 系统自恢复能力5 4 5 3 1 软件自恢复能力5 4 5 3 2 硬件白恢复能力5 5 5 4 本章小结5 5 第六章结论与展望5 6 参考文献5 8 致谢6 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 2 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 1 1 1 加强1o k v 配电管理的重要意义 电网是经济社会发展的基础设施和重要的公用事业，是现代化建设的基本保障，关 系国家能源安全和国计民生。建设统一、坚强智能电网，充分发挥电网在资源优化配置、 全面服务国民经济发展中的作用，对我国经济社会全面、协调、可持续发展具有十分重 要的现实意义。 统一、坚强智能电网包括“三华( 华北华中华东) 同步电网、西北和东北电 网，涵盖所有电压等级，由发电、输电、变电、配电、用电、调度等环节有机组成，是 峰强可靠、经济高效、清洁环保、透明丌放、友好互动的电网。其中，“统一 是前提， “坚强”是基础，“智能”是关键。 配电环节是构建统一、坚强智能电网的六大环节之一，它直接面向用电环节，即直 接面向电力企业最终客户，并直接服务于广大用户。它覆盖着城市的每个角落，并通过 低压配电网延伸到千家力户，承担着向城市中小用电客户的供电功能。据有关统计， 城市的9 9 9 7 的用电客户数都是通过城市中低压配电网接入的，占城市的售电量7 5 之多。所以说配电网对电网的安全和经济运行起着重要的作用。 配电网按照不同电压等级可分为高压配电网、中压配电网和低压配电网心。目前在实 际应用的电网中，高压配电网主要指3 5 1 1 0 k v 等级的配电网，中压配电网主要指1 0 k v 电压等级的配电网，低压配电网指的是3 8 0 v 2 2 0 v 的用户电网u 。l o k v 电压等级的中 压配电网在供电网络中具有非常重要的地位，据统计，全国发电量中约8 0 的电量是在 城市电网内消纳的，在此之中又有7 0 是通过1 0 k v 公用配电网络送给用户的，截止2 0 0 4 年，我国配变容量已达到主变容量的1 5 倍，1 0 k v 配电线路长度为输电网线路长度的 3 1 倍，1 0 k v 配电网规模已进入世界前三位h 1 ，由此可见1 0 k v 城市配电网是整个电网 中规模最大，涉及面积最广的部分，1 0 k v 配电网已成为电力系统供电能力、电能质量、 供电可靠性等重要指标的最终体现。要保证对用户供电的安全性、可靠性及供电质量， 降低运营成本，必须通过配电网来实现。 因此，研究l o k v 配电网的管理，提高配电环节的安全性和可靠性具有非常重要的 意义。 1 1 2s c d m a 网络的技术优势 我国电力通信网经过多年的发展，目前已经建成三纵四横的主干网络，形成了以光 纤通信为主，微波、载波等多种通信方式并存的通信网络格局，通信技术水平及服务保 l 华北电力人学硕十学位论文 障能力不断提高，为各种电力业务的可靠传输提供了根本保证。主干传输网建设方面， 电网内3 5 k v 及以上变电站基本建立了基于s d h m s t p 的电力光纤通信网。语音交换网方 面，各级调度机构建立了覆盖所有被调厂站的调度交换系统，各级管理机构建立了四级 汇聚、五级交换的电力行政交换网络。通信信息化方面，通信信息及管理系统( 通信告 警监视系统、通信资源管理系统和业务管理系统等) 在公司系统得到了广泛应用。时间 同步网方面，2 0 0 8 年基于s d h 光传输网的电力统一时间系统取得了重大突破。 与电力主干传输网建设相对，属于电力通信接入网范畴的配电网建设发展却不尽人 意。在配电网建设中逐步形成了众多网络并存的现状，初期的2 3 0 m 电台专网、m o b i t e x 无线窄带专网、g p r s 公网( 租用) 、c d m a 公网( 租用) 、窄带载波组网等技术方案； 但却没有一种合适的通信网络对配电网自动化技术进行有效支撑，导致配电网的自动化 水平和安全生产水平一直不太理想。 要研究适用于配电网的通信网络及技术，先需要了解配电网的通信技术特征及业务 需求。根据坚强智能电网的业务要求，适用于配电网的通信网络应考虑如下一些因素： ( 1 ) 配电网以城市覆盖为主，呈面状分布，密度大，终端数量多； ( 2 ) 配电网数据业务具有接线复杂、分布分散、通信点多、通信设备工作环境较 差、单个通信点信息量小但基础数据库的信息量非常庞大的特征； 。 ( 3 ) 网络要具备双向性、实时性、可靠性特征，出于安全性靠虑，应是与公网隔 离的电力通信专网； ( 4 ) 网络应具备兼容性，能够无缝承载智能电网现有业务和未来扩展业务。 基于无线宽带接入技术的s c d m a 通信网络是以蜂窝网络组网，具有高容量、大覆 盖的特点，单基站1 5 m b p s 净吞吐量，单终端吞吐容量可达3 m b p s 瞄3 ，十分适合建立区域 性的专用无线网络覆盖，实现业务数据的双向性、实时性、可靠性传输。另夕i s c d m a 网络，系统结构简单，网络部署灵活方便、即插即用，完全能够承载智能电网现有业务 和未来扩展业务。 另外使用s c d m a 无线宽带网络覆盖区域以内的变电所、智能终端、智能传感设备 等可实现信息的无线接入，然后再通过电力光纤网络完成信息的主干传输，这是电力通 信配电网的最佳选择。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 国外配电管理的发展情况 发达国家使用配电管理装置已有六十多年的历史，是在不缺电的情况下发展起 来的。目前国际上已有几十个国家采用了配电管理技术，安装使用的终端己有几千 万台，控制的总负荷约占世界发电总装机容量的l o 以上。配电管理技术在国际上 已成为一项成熟的实用技术。发达国家使用这项技术主要目的是改善电网负荷曲 2 华北电力人学硕十学位论文 线，削峰填谷，提高电网运行的经济性、安全性和发电设备投资的效益，推迟电力 设施的建设投资。国外正把注意力从一般的负荷控制转向配电自动化、需求侧管理 和对电力市场的技术支持哺3 。 1 2 2 国内配电管理的发展现状 自上世纪九十年代，我国开始了配电管理技术的研究和应用，随着电网的快速 建设，电力供需矛盾趋向缓和，配电管理技术初步从限电控制的电力负荷控制系统 逐步转向了建立正常的供电秩序、保障电网安全、营销管理等方面的配电管理。系 统增加了用电管理的功能，包括用电信息管理、远程抄表、用电信息服务等功能。 这些扩展的功能，提高了配电管理系统的经济价值。在系统的数据处理方面也打破 了以前的局限性，扩展了网络功能。 随着通信网络的快速发展，配电网络的建设和使用也在逐步的转变。在早期的 配电管理网络中，以2 3 0 m h z 无线数传电台为主要传输通道，组网简单，数据传输 量小功能单一1 。随着经济的快速发展，用户对用电的业务需求也在逐步的发生变 化，特别是移动通信技术的快速发展，2 3 0 m h z 无线数传电台的网络已经逐步被基 于g p r s 无线公网和基于c d m a 无线公网的配电网络取代。但是g p r s 网络和 c d m a 网络都是无线公网，都带有一定的依赖性呻1 ；随着g p r s 网络和c d m a 网络 对用户的开放，特别是智能手机的快速发展，移动上网用户的数量与r 俱增，再通 过无线公网进行电力重要数据的传输带有一定的风险性。 2 0 0 9 年5 月，国家电网公司提出了建设“统一、坚强智能电网”的目标，并对 配电网建设提出了新的、更高的要求。国家电网公司也在各网省公司建设一些新的 配电管理业务试点，逐步探索新的更加适用于配电网络的新技术，以适应未来业务 的发展。 1 。3 本文的主要工作及内容安排 本文遵循建设坚强智能电网的宽带无线接入通信专用终端产品需求，在综合分 析现有各种电力终端软硬件特点和国标要求的基础上，基于s c d m a 宽带无线通信 技术、d s p 信号处理技术、a r m 嵌入式技术和软件无线电技术等，将电力系统配 电和营销系统的计量、监测、控制等核心业务与最新的s c d m a 宽带无线通信模块 进行集成化设计，研制开发了基于1 0 k v 配电管理的通信模块，形成新一代通用的 智能电力终端应用框架，方便电力企业的集成和应用。 设计的模块包括电力系统标准规约模块、s c d m a 宽带无线通信协议栈模块、 电力系统数据采集模块、信号处理和监测控制模块、各模块驱动等。模块依据嵌入 式和模块化设计的思想，各模块之间相互独立，提高了可靠性，易于产品的升级换 代和维护，为配电和用电营销自动化产品提供了高性能、低成本、集成度高和工业 3 华北电力人学硕十学位论文 级的新一代电力终端支撑平台，旨在满足智能电网中为电力生产与服务提供集数据 业务、多媒体业务、语音业务为一体的，同时具备可靠、高效、安全与服务质量保 证的电力智能终端综合业务承载平台n 叭。 本文首先对配电管理专变终端进行了需求分析，根据需求分析提出了面向1 0 k v 配电管理的s c d m a 通信模块的设计方案，并根据设计方案进行了硬件设计和软件 设计，为了保证模块的实用性，还针对模块的稳定性和可靠性进行了分析。 根据课题设计的内容及所要实现的目标，论文共分为六章，各章节安排如下： 第一章，绪论。分析了配电网在电力通信网中的重要性和s c d m a 网络在配电网应 用的技术优势。结合国内外配电网管理的现状分析了设计的s c d m a 通信模块的应用场 合，确定了面向1 0 k v 配电管理s c d m a 通信模块的设计目标。 第二章，通信模块的设计方案。根据1 0 k v 配电网对专变终端的需求分析，提出了 s c d m a 通信模块的设计方案。 第三章，通信模块的硬件设计。研究了s c d m a 通信模块的硬件设计方案，并设计 了各功能模块的主要电路。 第四章，通信模块的软件设计。根据配电网的业务需求，采用了三层式程序结构， 针对各层的模块功能分别进行软件流程设计。 第五章，通信模块的稳定性与可靠性设计。针对电力专用设备工作环境恶劣，无人 值守的应用特点，专门对模块的稳定性与可靠性进行的研究设计。 第六章，结论与展望。回顾整个课题设计，并对课题下一步工作提出展望。 4 华北电力人学硕十学位论文 第二章通信模块的设计方案 2 11 0 k v 配电管理的需求分析 按照电压等级，l o k v 配电管理属于中低压配电网。l o k v 配电管理的应用应以电力 用户用电信息采集系统中的采集终端应用最为典型。所以本文将结合电力用户用电信息 采集系统对终端的要求进行分析。 电力用户用电信息采集系统中的采集终端是负责各信息采集点的电能信息的采集、 数据管理、数据传输以及执行或转发主站下发的控制命令的设备。采集终端按应用场所 分为专变采集终端、低压集中抄表终端( 包括低压集中器、低压采集器) 等类型。 2 1 1 终端模块的总体要求 终端系统必须满足不问断连续运行的要求，具有实时监控系统的技术性能，实现电 力负荷控制并及时响应客户端工况事件。终端系统必须具备扩展性，采用丌放的系统结 构，保证系统容量的动态增长和功能的完善与升级，以适应用户的技术要求。系统终端 相关设备的硬件平台和软件平台设计应注重可维护性，并能够对系统的运行状态进行实 时监视功能。 2 1 2 终端模块的基本要求 终端主要功能包括系统数据采集、数据处理、参数设置和查询、控制、记录、数据 传输、本地功能、终端维护等。 终端根据控制控能可以分为有控制功能和无控制功能两大类。有控制功能的终端类 同于现有的电力负荷监控终端，对地区内的大电力用户实现实时监控。对无控制功能的 终端主要指对专用和公用配电变压器的实时监测，及对大量居民用户集中抄表的数据集 中器的监测，对这些终端主要是数据采集( 历史数据和实时数据) 和下发设定参数1 。 终端应具有的基本功能如下： ( 1 ) 终端应能实现对客户端实时用电数据、状态量的采集，并及时向主站系统传 送采集的数据和信息。数据采集功能是终端最重要的功能。 ( 2 ) 终端系统对客户端的配电柜开关实施控制，实现用电负荷就地闭环控制，接 受主站的遥控命令，完成遥控操作等功能。 ( 3 ) 终端为客户提供电网供应、电能使用、负荷管理等信息。 ( 4 ) 终端应具有足够的数据存储容量和信息处理能力，确保满足数据采集的完整 性、控制功能的实时性及高可靠性要求引。 华北电力大学硕十学位论文 2 1 3 终端模块通信基本要求 终端通信基本要求包括终端对通信信道的要求和终端对通信规约的要求。 终端对通信信道的要求： ( 1 ) 通信信道必须保证安全性、可靠性、实时性等要求。 通信信道具有抗干扰特性及有效的差错控制技术和数据保密措施，保证数据通信质 量。 ( 2 ) 通信介质可采用无线、有线、电力线载波等n 引。 终端对通信规约的要求分别是： ( 1 ) 终端与主站的通信规约( 上行通信规约) 必须满足q g d w l 3 0 电力负荷管 理系统数据传输规约2 0 0 5 ) ) ； ( 2 ) 终端与电能表的通信规约( 下行通信规约) 必须满足d l t 6 4 5 2 0 0 7 多功能 电能表通信协议。 2 1 4 终端模块的应用功能 终端的应用功能主要包括数据采集、数据处理、参数设置和查询、控制、记录、数 据传输、本地功能、终端维护等。 ( 1 ) 终端的数据采集功能 ( a ) 状态量数据采集 终端应具备实时采集位置状态和其他状态信息功能，在发生变位时，终端应自动记 录并在最近一次主站查询时向其发送该变位信号或是主动上报( 可通过配置实现) 1 。 ( b ) 电能表数据采集 终端可通过r s 一4 8 5 通信接v i ，按设定的终端抄表同或定时采集时间间隔( 最小1 5 分钟) 采集、存储电能表数据，采集数据包括：有功无功电能示值、有功无功最大需量 及发生时间、功率、电压、电流、电能表参数等信息，并在主站招测时发送给主站，终 端记录显示的电能表数据，应和所连接电能表显示数据一致口射。 ( c ) 脉冲量采集 终端应能接受电能表输出脉冲，并能根据脉冲常数k p ( i m p k w h ) 、p t 变比k v 、 c t 变比飚、累计计算电量、l m i n 平均功率、最大需量，并记录当日当月最大值和出现 时间3 j 。 ( d ) 交流模拟量采集 终端应能采集交流侧电网相关信号，采集数据包括有功无功电能、有功无功功率、 三相电流、电压等n3 1 。 ( e ) 事件记录数据 事件记录包括电压、电流、功率因数、谐波含率等值越限事件，控制执行事件，开 6 华北电力人学硕十学位论文 关变位事件，运行异常事件，操作事件。终端根据主站设置的事件属性按照重要事件和 一般事件分类记录n 纠。 ( 2 ) 终端的控制功能 控制功能是电力负荷管理系统的最基本的功能，它通过远方集中数据采集和定值设 置功能，完成直接遥控和一系列当地闭环控制，从而达到平衡供需矛盾，充分发挥现有 电能的经济和社会效益、使电力更好地服务于全社会。 终端的控制功能可分为：功率定值闭坏控制、电能量定值闭环控制、遥控和保电设 置。 ( a ) 功率定值闭环控制 功率控制根据控制参数的不同分为：时段控、厂休控、营业报停控和当前功率下浮 控，四种功率控制类型的优先级由低到高依次是时段控、厂休控、营业报停控、当前功 率下浮控3 1 。 ( b ) 电能量定值闭环控制 电能量定值闭环控制可分为月电能量控制、购电能量( 费) 控制、催费告警三种控 制类型川。 ( c ) 遥控 主站可根据电网运行情况，对某个一组电力用户终端发出跳闸( 允许合闸) 命令， 并设定其跳闸延迟时间。设定跳闸轮次。通常在电网发生较为紧急情况下，电力供需矛 盾较大时发出遥控跳闸命令。在供需缓和以后，发出允许合闸命令，通知用户合上已跳 开的开关引。 ( d ) 保电 终端接收到主站下发的保电投入命令后，进入保电状态，自动解除原有控制状念， 并在任何情况下均不执行跳闸命令。终端接受到主站的保电解除命令，恢复正常执行控 制命令。终端接收接受到主站下发的剔除投入命令后，除对时命令外，对其他任何广播 命令或终端组地址控制命令均不响应。终端收到主站的剔除解除命令，恢复到正常通信 状态n 引。 ( 3 ) 终端需求侧管理功能 负控终端除具有控制功能外，随着近几年的发展和应用，其需求侧管理以及采集数 据分析功能显得越来越重要，给用户带来了诸多方便同时也被大多数用户认可和应用。 终端系统采集客户侧用电数据，为负荷需求预测、调整电力供需平衡提供准确的基础数 据；根据有序用电方案，控制负荷，实施错峰、避峰等需求侧管理；通过终端向客户提 供用电负荷曲线、定值参数等用电数据，发布用电信息，帮助客户进行用电负荷曲线优 化分析、企业生产用电成本分析；客户端电能质量在线监测，提供电压、功率因数、谐 波等电能质量的统计分析数据n 副。 7 华北电力人学硕士学位论文 ( 4 ) 参数设置和查询功能3 1 ( a ) 时钟召测和对时 终端应能接收主站的时钟召测和对时命令，对时误差应不超过1 s 。电源失电后，时 钟应能保持正常工作。 ( b ) t a 变比，t v 变比和电能表常数 终端应能由主站或在当地设置和查询t v 变比k v 、t a 变比k i ，以及电能表脉冲常数 k p ( i m p k w h ) 。 ( c ) 电压电流功率因数谐波含有率限值 终端应能由主站设置和查询电压越限参数、电流上限值、功率因数分段参数谐波越 限参数以及直流模拟量限值。 ( d ) 功率时段和定值 终端应能由主站设置和查询功控各时段和相应控制定值、定值浮动系数，控制轮次 及告警时间等。时段设置分辨率为0 5 h ，功率单位为k w 或m 1 】y ，显示有效位不少于3 位， 并可有1 0 _ 1 0 2 的倍率。改变定值时应有音响( 或语音) 信号。 ( e ) 电能量定值 终端应能由主站设置和查询电能量定值、定值浮动系数、控制轮次、月电能量控制 参数以及购电控和催费告警等参数。电能量单位为k w h 或m w h ，显示有效位应不少于6 位。改变参数时应有音响( 或语音) 信号。 ( f ) 终端参数设置和查询 终端应能由主站设置和查询终端i d 、组地址、与主站通信地址等参数。 ( g ) 抄表参数 终端应能由主站设置和查询抄表同、抄表时间等抄表参数。 2 2s c d m a 通信模块的设计方案 本文在现有的单一功能的电力终端产品基础上，结合大唐微电子新推出的四核微处 理器芯片l c l 8 0 8 芯片进行模块一体化设计，实现电力终端软件与嵌入无线通信模块的 充分融合，满足电力行业的生产管理、数据采集和业务承载等需求。 2 2 1 微处理器四核的分工 本论文所设计的s c d m a 通信模块充分利用了大唐微电子推出的四核微处理器芯 片l c l 8 0 8 芯片的内部资源，并对其进行了合理利用及外围扩展驯。 首先先对l c l 8 0 8 内部集成的四个微处理器核进行了合理的分工。各处理器的分工 情况如图2 1 所示： 华北电力人学硕十学位论文 一a r m 。按+ 燃 女l l 一 s c d m a 7 jz 5 p o 佼p 1无线通信部分 一赢一h 撒麓 图2 - 1 通信模块的四核分工 a r m l 微处理器负责整个模块的协调工作，a r m l 处理器可以协调和监控a r m o ， z s p 0 和z s p l 的各项工作，并协调和分配各处理器的数据交互以及资源分配。 2 2 2 通信模块总体设计 通信模块以l c l 8 0 8 为核心芯片，根据l c l 8 0 8 的内部资源以及通信模块的需求设计了 通信模块组成框图，如图2 2 所示，外围电路模块主要包括电源电路、复位电路、s d r a m 、 n a n df l a s h 、接口电路、驱动电路、扩展串口和射频电路组成。 一q ， 电路， 、丫 a d c l l射频 j 输入+ _ 电j ! ： f l a n a n s d hh s o c l c 核t 心8 0 芯8 。一茎譬 flash十 出f j s d _ 。l：嚣 电源 复化 ：电路 电路! 图2 - 2 通信模块的总体设计 s o c 核心芯片是终端通信模块的核心，它与s d r a m 、n a n df l a s h 等共同组成模 块的最小系统电路1 。 电源电路为各模块及c p u 核提供所需要的工作电压。 复位电路为系统提供上电工作所需要的启动信号并监视模块的工作状态，复位电路 中的看门狗监视着模块的工作状态，当模块程序跑飞后通过复位电路可以让模块在无人 值守的情况下恢复。 驱动电路是利用主控模块集成的通用接口( g p i o ) 来实现配变监测终端所需要的 遥信、遥脉、遥控、按键输入、状态指示灯的输出、蜂鸣器输出等功能时为了保护主控 模块而添加的一个驱动保护电路。 a d c 模拟信号输入接口主要用于遥测信号、电池电压检测等模拟信号的采集。 扩展串口电路主要是因为主控模块集成的串口电路不能满足配变监测终端的需求 而添加的一个串口扩展电路。通过该串口扩展电路可以再扩展出4 个功能串口。 接口电路是利用主控模块集成的u s b 接口，i i c 接口，i i s 接口，网络控制接口等 实现模块的功能扩展。 9 华北电力人学硕十学位论文 射频电路主要射频接收机、射频发射机以及频率综合器( p l l ) 等共同组成，完成 s c d m a 网络的无线信号数据传输引。 视频信号接口电路主要便于以后扩展视频图像的采集而预留的接口电路。 2 2 3 通信模块的工作状态 s c d m a 通信模块的工作状态可分为开机、启动、工作、关机四个阶段，如图2 3 所示。 歼机 l 卜电歼机 1 一上一j 肩动 ：榭序裟域币i 配代 上 ；a r m o r ! t 作运i ， 图2 - 3l c l8 0 8 t 作状态图 ( 1 ) 模块的开机阶段 模块一上电就先进入开机阶段。在开机阶段中，模块首先控制3 2 7 6 8 k h z 时钟晶振 的起振，然后控制外部2 6 m h z c p u 晶振的起振，最后利用时钟晶振和c p u 晶振控制p l l 的起振。在开机阶段结束后，模块各功能单元的时钟稳定工作，进入启动阶段。 注意在3 2 7 6 8 k h z 时钟晶振的起振过程中，l c l 8 0 8 的上电复位信号p r s tn 需要保 持低电平，以确保芯片在3 2 7 6 8 k h z 晶振稳定之前始终处于全局复位状态。3 2 7 6 8 k h z 晶振稳定后，p r s tn 需要保持高电平，在p r s tn 为高3 个3 2 7 6 8 k h z 时钟周期后，o s ce l l 输出为高电平，进入外部2 6 m h z c p u 晶振的起振过程。 在外部2 6 m h z c p u 晶振的起振过程中，外部晶振使能信号o s ce n 输出为高电平， 控制外部的2 6 m h z c p u 晶振开始工作。外部2 6 m h z c p u 晶振起振的时间在开机阶段固 定为5 m s ，所以用户必须保证外部2 6 m h z c p u 晶振在5 m s 内稳定。 5 m s 后，芯片进入p l l 起振过程。p l l 起振的时间在开机阶段固定为1 1 2 5 m s 。整 个开机阶段持续时间大致为( 3 2 7 6 8 k h z 晶振稳定时间+ 3 个3 2 7 6 8 k h z 时钟周期 + 6 1 2 5 m s ) 。 ( 2 ) 模块的启动阶段 l o 二引 肌斗 华北电力人学硕十学位论文 在模块的启动阶段完成对整个模块的初始化。启动阶段分为a r m l 启动、程序装载 和配置、a r m 0 和z s p 0 启动3 个过程。 ( a ) a r m l 启动： 模块在上电开机后首先进入a r m i 启动过程。此时a r m l 处于工作状态，开始取 指执行程序，其他处理器处于复位状态。模块可以通过b o o t和 这两个c t l 0 b o o tc t l 1 信号的状态决定a r m l 启动的方式：n o rf l a s h 启动、n a n df l a s h 启动、程序下 载模式。 在n o rf l a s h 启动模式中，a r m l 从0 x 0 0 0 0 地址丌始取指；在n a n df l a s h 启动模式中，a r m l 从内部r o m 开始执行程序，从n a n df l a s h 中取出初始b o o t 程 序，搬移到s d r a m 中的指定地址，搬移完成后跳到s d r a m 相关地址开始执行程序； 在程序下载模式中，a r m l 从内部r o m 丌始执行程序，通过u a r t l ( u s b ) 接收下载 程序，搬移到s d r a m 的指定地址中，搬移完成后跳到s d r a m 的指定地址丌始执行程 序。 ( b ) 程序装载和配置： a r m l 启动后配置c p r 内部的寄存器，配置系统总线时钟、a r m 0 和a r m l 核时 钟频率，打丌a r m 0 和z s p 0 的核时钟；将a r m 0 和z s p 0 处理器的执行程序包装载到 目标地址；配置i t c m l ；配置c t l 的m e m c t l 0 地址映射控制寄存器确定a r m 0 到 m e m c t l 0 的地址映射( 这是为了使a r m 0 和a r m l 的0 地址可以映射到不同的物理 地址空间) ，完成后进入到a r m 0 和z s p 0 的启动过程。 ( c ) a r m 0 和z s p 0 启动： 在相关程序装载完成后，a r m l 控制将c p r 内的c p rr s t 寄存器中的 z s p 0c o r es fr s t 和a r m 0c o r es fr s t 清0 ，启动a r m 0 和z s p 0 。 ( 3 ) 模块的工作阶段 模块在工作阶段中，分为运行和睡眠两种状态。当模块处于运行状态时，c p r 模块 监视各处理器( a r m 0 、a r m l 和z s p 0 ) 的工作状态。如果这3 个处理器都进入休眠状 态，则c p r 启动睡眠流程，使模块进入睡眠状态。 在睡h 民状态中，只有c p r 内部的定时器、t i m e r 、g p i o 、k b s 这些模块处于工作 状态，其它模块出于睡眠或断电状态。 c p r 在睡眠状态中监视模块的中断状态，当发生c p r 内部的定时唤醒中断、t i m e r 中断、g p i o 中断、k b s 中断或者外接u s b 从挂起到恢复时产生的u s b 唤醒中断时， c p r 进入唤醒流程，控制模块从睡眠状态回到运行状态。 另外z s p l 处理器的启动由a r m l 在运行状态中控制。 ( 4 ) 模块的关机阶段 模块在运行状态中，当收到长按关机键等触发命令后，控制模块进入关机阶段。在 华北电力人学硕十学位论文 关机阶段中，应用程序需要执行一些保存操作，将相关内存的信息保存到n a n df l a s h 中，然后通过控制p w e n 管脚来关闭模块的供电。 2 2 4 通信模块的软件平台 将电力系统配电和营销系统的计量、监测、控制等核心业务与最新的s c d m a 无线 宽带通信模块进行集成化设计，研制丌发基于s c d m a 技术的电力智能终端软件及通信 模块管理驱动软件，形成新一代通用的智能电力终端软件框架，方便电力企业的集成和 应用。 模块软件依据分层式结构设计的思想，将整个系统的软件设计为三层结构，软件的 层次结构如图2 4 所示，从上到下依次为应用层、a p i 函数层和驱动层n 引。 业务应用层： n f i 磊1 数据处理 斗二 i 参数设置 和台询 事件记录 一 一一一 j 一一一卜 图2 - 4 软件的层次结构图 各层软件依据嵌入式和模块化设计的思想，软件模块包括驱动层管理软件模块、 y a 仃s 文件系统模块 、电力系统标准规约模块、s c d m a 无线宽带通信协议栈模块、电 力系统数据采集模块、信号处理和监测控制模块等。 各软件模块之间相互独立，提高了系统可靠性，易于产品的升级换代和维护，为配 电和用电营销自动化产品提供了高性能、低成本、集成度高和工业级的新一代电力终端 软件支撑平台，旨在满足智能电网中为电力生产与服务提供集数据业务、多媒体业务、 语音业务为一体的，同时具备可靠、高效、安全与服务质量保证的电力智能终端综合业 务承载软件平台需求。 2 3 本章小结 本章在结合1 0 k v 配电管理专用终端产品需求，综合分析现有各种电力终端软硬件 1 2 一 广 华北电力人学硕十学位论文 特点和国标要求的基础上，提出了面向l o k v 配电管理的通信模块的设计方案。对终端 通信模块采用的微处理器的分工特点和工作状态进行了详细描述，提出了硬件设计总体 框架和软件的层次化、模块化设计思想。 华北电力人学硕十学位论文 第三章通信模块的硬件设计 通信模块以s o c 核心芯片( l c l 8 0 8 ) 为核心，根据电力系统配电和营销系统的计量、 监测、控制等核心业务设计了终端模块的硬件电路。 如图2 2 所示，终端模块的硬件电路主要包括s o c 核心芯片、电源电路、复位电路、 s d r a m 、n a n df l a s h 、接口电路、驱动电路、扩展串口和射频电路组成。 本章将根据硬件总体方案，对各个模块电路分别进行详细设计。 3 1 s o c 核心芯片接口电路设计 s o c 核心芯片采用的是四核微处理器芯片l c l 8 0 8 。此处先对l c l 8 0 8 稍作介绍。 本文应用的是l c l 8 0 8 芯片，首先对l c l 8 0 8 芯片简单概述，然后从引脚分配和信 号描述、地址映射、中断系统、功能模块描述、电气特性等几个方面进行详细说明。 3 1 1l c l8 0 8 概述 1 芯片功能架构 l c l 8 0 8 的总体架构如图3 1 所示。主要