（电气工程专业论文）配电自动化终端的设计.pdf

摘要 配电自动化的实时数据、故障自动处理的判据、开关设备的运行工况等数 据都来源于配电终端，并通过配电终端来进行故障隔离、负荷转移和对非故障 区段恢复供电。因此，配电终端是配电自动化的重要组成部分。 在深入了解国内外配电终端的系统现状和发展趋势的基础上，本文采用 a t m e l 公司的a t 9 1 r 4 0 0 0 8 为主处理器，设计了一种“软件运算速度快，整体功 能强大”的配电终端。在硬件设计中，充分利用了处理器的外设资源，并把多 通道同步采样，高可靠性遥控电路以及光电耦合的开关量输入有机地整合为一 体。在软件设计中采用嵌入式实时多任务操作系统，遵循结构化、模块化、自 顶向下、逐步细化的编程思想，成功地开发了可读性强的数据采集模块、数字 量输入模块，数字量输出以及故障检测模块等，并把各软件模块无缝嵌入到总 体软件框架之中。 为了实现馈线故障区域隔离和非故障区域恢复供电，进行了馈线故障检 测。在实现方法上，对电压型开关和电流型开关分别采用电压型故障检测方法 和电流型故障检测方法。文中所提出方法已经全部应用到实际产品中。实验及 现场运行表明，该系统软、硬件配合良好、运行可靠，达到了预期的设计目 标。 关键词：配电终端故障隔离负荷转移 a b s t r a c t t h ep o w e rd i s t r i b u t i o nt e r m i n a li st h ei m p o r t a n tc o n s t i t u e n ti nt h ed as y s t e m i s l o c a t e dt h e f o u n d a t i o nc o u r s e t h ed as y r s t e mr e a l - t i m ed a t a t h eb r e a k d o w n a u t o m a t i cr e d u c t i o nc r i t e r i o n ，s w i t c h i n gg e a rd a t aa n ds oo nm o v e m e n to p e r a t i n g m o d ea l lo r i g i n a t ef r o mt h ep o w e rd i s t r i b u t i o nt e r m i n a l a n dc a r r i e so nt h ef a i l u r e i s o l a t i o n t h el p a ds h i f ta n dt h r o u g ht h ep o w e rd i s t r i b u t i o nt e r m i n a lr e s t o r e st h ep o w e r s u p p l yt ot h en o n b r e a k d o w ns e c t o r i nu n d e r s t o o dt h o r o u g h l yt h ed o m e s t i ca n df o r e i g np o w e rd i s t r i b u t i o nt e r m i n a l t h es y s t e mp r e s e n ts i t u a t i o na n di nt h et r e n do fd e v e l o p m e n tf o u n d a t i o n t h i sa r t i c l e u s e sa t m e lc o r p o r a t i o na t 9lr 4 0 0 0 8p r i m a r i l yp r o c e s s o r , d e s i g n e do n ek i n d t h e s o f t w a r eo p e r a t i n gs p e e dt ob eq u i c k , t h ei n t e g r a t e df u n c t i o nw a sf o r m i d a b l e p o w e r d i s t r i b u t i o nt e r m i n a l i nt h eh a r d w a r ed e s i g n h a su s e dt h ep r o c e s s o rp e r i p h e r a l r e s o u r c e sf u l l y , a n dt h em u l t i c h a n n e ls y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n g t h er e d u n d a n tr e l i a b l e r e m o t ec o n t r o le l e c t r i cc i r c u i ta sw e l la st h ep h o t o e l e c t r i c i t yc o u p l i n gs w i t c hq u a n t i t y i n p u te n t i r eb e si no n eo r g a n i c a l l y u s e st h ee m b e d d e dr e a l - t i m em u l t i - d u t yo p e r a t i n g s y s t e mi nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ed e f e r e n c es t r u c t u r i z a t i o n ，t h em o d u l a t i o n ，f r o mt h e t o p ，g r a d u a l l yt h er e f i n e m e n tp r o g r a m m i n gt h o u g h t ，h a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt h e r e a d a b i l i t ys t r o n gd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，t h ed i g i t a lq u a n t i t yl o a dm o d u l e ，t h e d i g i t a lq u a n t i t yo u t p u ta sw e l la st h ef a i l u r ed e t e c t i o nm o d u l ea n ds oo n a n ds e a m l e s s s u b m e r g e st h e mt ot h eo v e r a l ls o f t w a r ef r a m ei n i no r d e rt or e a l i z et h ef e e dl i n eb r e a k d o w nr e g i o ni s o l a t i o na n dt h en o n b r e a k d o w nr e g i o nr e s t o r e st h ep o w e rs u p p l y , h a sc a r r i e do nt h ef e e dl i n ef a i l u r e d e t e c t i o n i nt h er e a l i z a t i o nm e t h o d u s e st h ev o l t a g ef a i l u r ed e t e c t i o nm e t h o da n dt h e e l e c t r i cc u r r e n tf a i l u r ed e t e c t i o nm e t h o ds e p a r a t e l yt ot h ev o l t a g es w i t c ha n dt h e e l e c t r i cc u r r e n ts w i t c h i nt h ea r t i c l ep r o p o s e dt h em e t h o da l r e a d yc o m p l e t e l ya p p l i e d i nt h ea c t u a lp r o d u c t t h ee x p e r i m e n ta n dt h es c e n em o v e m e n ti n d i c a t e dt h a t t h i s s y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o o r d i n a t i o ng o o d ，t h em o v e m e n tw a sr e l i a b l e ，h a s a c h i e v e dt i l ea n t i c i p a t e dd e s i g ng o a l k e y w o r d ：p o w e rd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o nt e r m i n a l ，f a i l u r ei s o l a t i o n ，l o a ds h i f t 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，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我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：璇币乳甘 签字日期：x 芦夕年，月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基洼态鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权鑫鲞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) 学位论文作者签名：瑟哪 签字日期：t 哪9 年月 7 日 导师签名：多毖椭莎 签字日期： 蛳年月2 7 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 电力生产和运行过程由发电、输电、变电、配电、用电等五大环节有机组 成，配电是电力系统的发、输、配中直接面向电力用户的重要环节。它是由馈 线、变压器、断路器、各种开关等一次设备构成的配电网，和继电保护、测量 计量、控制装置等二次设备，共同组成一个配电系统，按一定的规则运行，满 足电力用户的需求。就我国电力系统而言，配电网是指1 l o k v 以下电网，特别 是指分布在城市及农村的l o k v 或3 5 k v 电网。配电网的优质运行是电力生产的 一个重要环节。长期以来由于配电网架的薄弱以及自动化程度和管理水平低 下，使得目前发电能力不能得到充分发挥，用电负荷不能有效增长，已经制约 了电力系统的高效运行。因此，国家将“两网改造作为当前电力系统发展的 战略重点，而“两网改造”必然带来配电自动化和配电管理现代化问题，配电 自动化和配电管理现代化又反过来促进配电网的优质运行，进而促进发电量和 用电量两方面的增长，带来巨大的经济效益。 由于配电涉及千家万户，配电自动化n 卜【3 1 和配电管理现代化水平的提高可 以有效地减少事故停电时间，提高用户服务水平，这对于社会治安的稳定，人 民生活文明程度的提高有着深远的社会效益。 1 2 配电自动化终端技术的发展 配电自动化系统( d a ) 对馈线上开关的分合操作都是通过配电终端去执 行，配电终端工作的可靠性、实时性直接影响整个d a 系统的可靠性和实时 性。1 个配电系统只能有1 个主站，而配电终端少则有几十台，多则几百台甚 至上千台。配电终端广大的市场吸引了众多厂商投入配电终端产品的开发。配 电自动化终端有如下特点： 具有故障自动监测与识别功能；提供可靠的不间断电源；满足户外工作环 境的要求；满足电磁兼容性的要求；支持多种通信方式和通信协议；具有远程 维护、诊断和自诊断功能。 第一章绪论 我国d a 技术发展历史比较短，从2 0 世纪8 0 年代末才开始探讨和研究d a 系统领域的新技术，1 9 9 6 年，国内第1 套d a 系统在上海浦东投运。早期的配 电终端基本从国外引进( 例如法国的t a l u s - 2 0 0 f t u 和美国的d a r t ) 。随着d a 技术的不断发展，国内相关厂家和研究单位在消化国外先进技术的基础上，先 后推出国产化的不同类型的配电终端。 配电自动化终端数据采集与控制是通过一次设备开关完成的，配电自动化终 端与一次设备之间接口是d a 工程中现场问题最多的环节之一。尤其是加入w t o 以后，国外一次设备进入国内市场，配电自动化终端必须满足不同类型开关设 备不同接口的要求，即配电自动化终端与一次设备接口多元化。 配电自动化终端核心硬件设计从早期的单c p u 结构到多c p u 结构， 再到 c p u + d s p + e p l d 技术，发展到现在的单c p u 结构。c p u 芯片从8 位到1 6 位 ( 8 0 c 1 8 8 1 9 6 ) ，甚至3 2 位( 6 8 3 3 2 ) 。为了保证配电终端硬件设计的高可靠 性、故障检测的实时性以及谐波检测分析的需要，数字信号处理器( d s p ) 的 高速采样和数据处理技术以及冗余设计、自诊断、自检等是目前普遍采用的硬 件设计技术。为什么会有这样的一个历史轮回呢? 这是随着d a 功能的不断完 善，科技不断的进步，芯片制造技术的发展而不断成长的。开始阶段，由于d a 功能比较少，计算量不大，采用单c p u 结构，那时的c p u 主要以m c s 一5 1 或 8 0 9 8 为主，其c p u 主频在i o m 左右，随着用户对d a 认识不断加深，对d a 功能 提出一些新的要求，这样就使c p u 的计算量不断加大，这样c p u + d s p + e p l d 的使 用模式就出现了。这时的c p u 是3 2 位机为主，如m o t o r o l a 的m c 6 8 3 3 2 ，其c p u 主频为1 6 7 8 1 旺i z 也不能独立完成交流采样计算，谐波分析，以及通讯等功能， 这样就需要把交流采样和谐波分析等计算功能放到带有硬件乘加器的d s p 中， 另外遥信和遥控的逻辑控制电路由e p l d 编程，这样就形成双c p u 结构技术。随 着科技的进步，芯片制造业的发展，c p u 的集成度越来越高，主频越来越快， 功耗越来越低，目前单c p u 完全能够独立完成交流采样，谐波分析，故障检 测，通讯等功能任务，这样不仅可以使设计简化，降低成本，提高可靠性。因 此目前越来越多的开发商采用单c p u 结构。 配电终端的分类也是按照市场的应用需求逐步形成的，它可以按照以下应 用情况分类： 2 第一章绪论 按应用场合分类，有： 1 、架空线柱上配电终端( f t u ) ，用于架空馈线的配电终端，单路多路测 控配置。 2 、环网柜配电终端( f t u ) ，用于电缆供电的环路配电终端。 3 、开闭所配电终端( d t u ) ，用于配电网1 0k v 开闭所( 开关站) 。 4 、变压器配变终端( 1 t u ) ，用于配电变压器监测和无功控制。 按结构体系分类： 1 、分散式配电终端。类似变电站自动化监控单元，以一次开关设备为对象 进行设计，配电监控单元可分散在线路开关柜上安装，亦可集中组屏。每个监 控单元独立工作，单元之间通过工业现场总线c a n b u s 与通信管理单元连接，通 信管理单元完成通信协议转换、远动及配电s c a d a 功能。分散式配电终端用于 开闭所和大容量环网柜。 2 、集中式配电终端。硬件设计按功能划分不同模件，每个模件可以集中测 量或控制几条线路：遥测模件：每个模件可交流采样l 条线路全电量；遥 信模件：每个模件有8 路遥信信号输入；遥控模件：每个模件有6 路遥控输 出。加上主c p u 板和通信接口、电源板、机箱等组成一个配电终端。 按功能分类： 1 、电流型配电终端。d a 故障处理的判据是故障电流，配电终端主要检测 的对象是电流，同时，终端驻留有相应电流型d a 故障自动处理软件。 2 、电压型配电终端。这种终端与电压型一次设备开关配套使用。所谓电压 型， 即故障处理的主要判据是馈线是否有电压。当馈线失压时，分段开关依次 断开；当馈线来电时，分段开关依次延时闭合。若开关闭合后，在故障探测时 间at 内，馈线又失电，该分段开关就闭锁。电压型配电终端驻留有相应电压 型d a 软件，与电压型分段开关组合完成d a 功能。 3 、电压电流兼容型配电终端。这种终端软件设计满足电流型或电压型d a 功能的需求，既可用于电压型分段开关，亦可用于电流型d a 。由于各个配电网 的网络结构、一次设备开关、采用的通信方式千差万别，对配电终端的要求无 论从功能上还是结构上亦有所不同。因此，开发研制不同类别的配电终端满足 用户不同的需求，这是d a 发展的必然结果。 总结这几年的发展，我国配电自动化终端从无到有逐步完善。为适应d a 不 第一章绪论 断发展的需求，配电自动化终端将进一步朝着功能完善化、技术智能化、通信 集成化、结构模块化、设计标准化、体积小型化、产品系列化的方向发展。 1 3 本文的设计要求 1 、具有故障自动检测与识别功能 配电终端不仅能够在系统正常情况下监测配电网馈线运行工况，更主要的 是在馈线故障情况下能够快速、可靠地捕捉故障信号，判断发生故障的类型， 为d a 系统进行故障处理嘲嗣提供准确、可靠的判据。不同的配电系统，或同一 配电系统的不同馈线，其故障的电流门槛值不尽相同，要求终端故障电流的门 槛值能灵活整定。故障持续时间t 要与首端开关保护时间相配合，为防止干 扰，t 应根据现场实际情况而整定。要求准确、实时地捕捉馈线故障信号， 这是配电终端不同于其他终端( 如r t u ) 的显著特点。 2 、提供可靠的不间断电源 配电终端应用场合特殊，尤其在架空线柱上或户外环网柜上安装，配备不 问断电源十分重要。d a 系统在故障自动处理过程中，当馈线环路出现永久性故 障时，环路出线开关保护动作跳闸，导致馈线全线停电，这时配电终端、通信 设备、一次设备开关的操作都要求不间断电源供电。因此，提供可靠的不间断 电源是配电终端开发设计中首要考虑的问题。 3 、满足户外工作环境的要求 架空线柱上或环网柜的配电终端( f 1 - u ) 大多是户外安装，工作环境较恶 劣，户外温度范围为- 4 0 8 5 ，因此，要求终端功耗小、外壳强度大、体积 小，具有防水、防潮、防震、防腐蚀的性能。对配电终端的元器件选择、软硬 件设计、制作工艺，都要适应户外环境的工作条件。 4 、满足电磁兼容性( e m c ) 的要求 配电终端和高压一次设备在一起，强电和弱电同处一个环境，因此，为保 证终端工作的可靠性，在设计中必须考虑电磁兼容性。具体要求如下： 防止周围环境的电磁干扰源对终端的影响，如雷电干扰、电弧放电高频辐 射干扰、开关设备动作时的干扰、开关设备操作时产生过电压的干扰、开关电 源和静电放电等干扰源的电磁波影响h 1 。 4 第一章绪论 防止终端设备本身产生的电磁波对其他设备和人体的影响。 配电终端设备必须通过专业的e m c 试验室严格测试并符合相应的e m c 国标 要求。 5 、支持多种通信方式和通信协议 配电终端是d a 系统的基本控制单元。配电终端对上与配电子站或主站进行 通信，将终端采集的实时信息上报，同时接收子站主站下达的各种控制命令； 对下要求与附近的配电变压器终端( t t u ) 通信嘲嘲，t t u 的信息通过配电终端 传送到子站或主站；配电终端内部的通信，例如环网柜或开闭所的配电终端采 用分散式设计，分散的监控单元与通信控制单元间需要通信，配电终端与站内 或开关设备等其他智能控制单元间也需要通信。因此，对配电终端通信功能要 求比较严格，无论通信方式、通信协议、通信接口都要满足d a 的要求， 主要 包括： 硬件件设计要求终端具备多种类型的通信接口。串行接口：r s 一2 3 2 ， r s - 4 8 5 ；工业现场总线接口：c a n b u s 或l o n w o r k s ；以太网接口。 支持多种通信方式。光纤自愈环或光纤以太网、配电载波d l c 、无线、音 频电缆等通信方式。 支持多种通信协议。目前国内常用的有i e c6 0 8 7 0 5 一i 0 1 ，d n p 3 0 ， m o d b u s ，j b u s ，c a n2 o b ，t c p i p ，i e c1 3 3 4 等通信协议。t 6 、有远程维护、诊断和自诊断功能 配电终端安装在柱上或户外这一特定环境，而且数量大，不可能靠人工维 护，要求终端本身具有完备的自诊断、自恢复能力，同时具有远方维护功能， 包括远方参数整定、远方应用程序下载更新、远方诊断等。 1 4 论文的设计要求 本文根据目前配电终端市场功能需求，提出了以下设计要求： l 、数据记录与处理功能。欠压、过压、开关跳合次数、电量统计、故障 录波、故障电流信号、谐波、终端工况等数据在终端存储，实现电能质量分 析、事故后故障分析、终端故障分析、一次设备开关寿命分析。 2 、保护功能。过流、速断、重合闸、电流越上限告警等。 第一章绪论 3 、终端就地d a 功能。在具有站间通讯、简单双电源环路网络中，配电终 端具有d a 就地处理功能，终端不仅可以自动检测识别故障，同时能实现故障 自动定位和隔离，并自动重构。 4 、集成功能。终端、开关在线监测智能单元和站内其他智能设备的集成。 5 、通讯接口。具有多个标准的r s 2 3 2 和r s - 4 8 5 串行接口，用于与附近 t t u 通讯，或站内测控单元，站内其他自动化装置通讯。具有以太网接口，满 足选用以太网方式构成d a 系统通讯网用户的需要。 6 、与一次设备开关接口多元化。配电自动化终端数据采集与控制是通过一 次设备开关完成的，配电自动化终端必须满足不同类型开关设备不同接口的要 求，即配电自动化终端与一次设备接口的多元化。 6 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 从上节讨论了配电自动化终端的详细设计描述，就可以根据设计描述来着 手进行硬件的设计。硬件的设计是按照功能的需求来完成的，并且能够满足户 外工作环境的要求和电磁兼容性的要求。另外，作为配电产品来讲还要在满足 功能需求，提高可靠性的前提下，尽量降低成本，因此采用单c p u 结构方式。 经过功能分析和市场调研，决定采用a t m e l 公司的a r m ，型号为a t 9 1 r 4 0 0 0 8 作 为系统的主处理器。 2 1 主处理器简介 a r m n o 】c l ”公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。采用 a r m 技术核的微处理器遍及汽车，消费类电子，成像，工业控制，网络和无线等 各类市场。目前，基于a r m 技术的处理器已经占据了3 2 位r i s c 芯片7 5 的市场 份额。可以说，a r m 技术几乎无处不在。 a r m 拥有广泛的全球技术合作伙伴，这其中包括领先的半导体系统厂商、 实时操作系统( r t o s ) 开发商、电子设计自动化和工具供应商、应用软件公 司、芯片制造商和设计中心。 a r m 合作伙伴包括了许多世界顶级的半导体公司。目前世界前5 大半导体 公司全部使用了a r m 的技术授权，而前1 0 大半导体公司有9 家，前2 5 大半导 体公司有2 3 家采用了a r m 的技术授权。全世界有7 0 多家公司生产a r m 芯片。 a r m 技术具有很高的性能和功效，因而容易被厂商接受。同时，合作伙伴 的增多，可获得更多的第三方工具、制造和软件支持，又使整个系统成本降 低，使产品进入市场的时间更快，从而具有更大的竞争优势。 a t m e l 公司是率先在3 2 位微控制器中使用a r m 核的公司。它的a t 9 1 系列 产品继承了a t 8 9 和a t 9 0 系列的结构特点，片内具有我们熟悉的定时器计数 器、并行口、串行口和中断控制器等。a t m e l 公司还提供a t 9 1 集成函数库，用 c 语言和汇编语言设计并提供源代码，非常便于芯片的编程。 ( i ) a t 9 1 r 4 0 0 0 8 硬件特点 a t 9 1 r 4 0 0 0 8 是a t m e l 公司基于a r m 7 t d m i 核的微控制器，其核心为高性能 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 的3 2 位r i s c 体系结构，并具有高密度1 6 位指令集和极低的功耗。此外，该微 处理器内部大量分组寄存器适于快速终端处理，以满足实时控制应用的要求。 通过完全可编程的外部总线接口( e b i ) 直接连接各种片外存储器。8 个优 先级向量中断控制器和片内外围数据控制器则显著提高了器件的实时性能。 a t 9 1 r 4 0 0 0 8 器件是以a t i 旺l 的高密度c m o s 工艺制造。通过将a r m 7 t d m i 处理器 核与高速片内存储器以及各种外围功能模块集成于单一硅片，使得a t 9 1 r 4 0 0 0 8 为各种需要大计算量的嵌入式应用提供了一个灵活的，性价比高的解决方案。 特点如下： 1 集成了a r m 7 t d m ia r mt h u m b 处理器内核。 高性能的3 2 位r i s c 体系结构； 高代码密度的1 6 位指令集； m i p s w a t t 的领先者； 嵌入式i c e ( i n - - c i r c u i te m u l a t i o n ) 。 2 2 5 6 k 片内s r a m 。 3 2 位数据总线宽度； 单时钟周期访问。 3 完全可编程的外部总线接口( e b i ) 最大可寻址空间为6 4 m b ； 多达8 个片选线； 软件可编程的8 位或1 6 位外部数据总线。 4 8 优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器 4 个外部中断，包括一个高优先级、低延迟的中断请求。 5 3 2 个可编程的8 位或1 6 位外部外部数据总线。 6 3 通道1 6 位定时器计数器。 3 个外部时钟输入； 每通道有两个多功能i o 引脚。 7 两个u s a r t 。 每个u s a r t 有两个专用外围数据控制器( p d c ) 通道。 8 可编程的看门狗定时器。 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 9 先进的省电特性。 c p u 和片内外围可以单独静止。 1 0 全静态工作： 1 8 v 时，o 1 6 m h z ； 2 7 v 时，o 3 3 m h z ； 3 0 v 时，o 6 6 m h z 。 1 1 1 8 v 3 6 v 的工作电压范围。 1 2 1 0 0 一l e a d 的t q f p 封装 ( 2 ) a t 9 1 r 4 0 0 0 8 结构 外围 b u s ) 图2 1a t 9 1 r 4 0 0 0 8 框图 a 1 0 甜十j l b n r d 州o e n w r 甜n w e n w r l 刺u 丑 n w a i t 0 s o 1 0 8 1 f 壁副n c 8 2 p c 2 7 n c s 3 p 2 碰a 怂i c ；9 7 p ：2 9 旧2 1 鸺6 p 9 叫a 2 2 虻s 5 p 9 胭龙s 4 p 饼1 c l k o 尸3 叮c u a m c u ( 2 一，丌o 0 p 2 m o p 盯l o t p s ，t 1 0 刚 p 挪o 2 开b 门n o b 2 w w d o v f a t 9 1 r 4 0 0 0 8 微控制器集成了a r m 7 t d m i 核，嵌入式i c e 接口、存储器以及 部件。该c p u 有两条主要总线：先进系统总线a s b ( a d v a n c e ds y s t e m 和先进外围总线a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 。a r m 7 t d m i 通过a s b 接 9 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 口实现与片内3 2 位存储器，外部总线接口e b i 以及a m b a 桥的互连。a m b a 桥用 来驱动a p b ；a p b 用来访问片内外围，优化系统功耗。 a t 9 1 r 4 0 0 0 8 用专用引脚实现了a r m 7 t d m i 的i c e 接口，为目标板仿真提供 了一个完全的、低成本的和容易使用的调试方案。a t 9 1 r 4 0 0 0 8 框图如图2 1 所示。 a t 9 1 r 4 0 0 0 8 微控制器有多达2 5 6 k 的片内s r a m 。内部存储器通过3 2 位数据 总线与a r m 核连接，具有单周期访问特性。当使用a r m 指令集时可以达到 0 9 m i p s 姗z 的性能，系统功耗最小，性能优于分离存储器方案。 具有外部总线接口e b i 。通过它，a r m 核可以与外部存储器及专用外设相连 接。e b l 支持8 位和1 6 位器件，并可以用两个8 位器件来仿真一个1 6 位的器 件。e b i 还实现了早读协议( e a r l yr e a dp r o t o c 0 1 ) ，使用户可以获得比标准 读协议( s t a n d a r dr e a dp r o t o c 0 1 ) 更快的存储器访问速度。 a t g l r 4 0 0 0 8 微控制器集成有片内外围，分为系统外围和用户外围。a r m 核 可以通过a m b a 桥以3 2 位的总线宽度访问，用最少的指令编程所有的片内外 围。外围寄存器集包括控制寄存器、模式寄存器、数据寄存器、状态寄存器以 及使能禁止状态寄存器。 片内外围数据控制器p d c ( p e r i p h e r a ld a t ac o n t r o l l e r ) 用来在u s a r t 和片内乡 1 - 存储器之间传送数据而无需处理器的干预。最重要的是，p d c 省去了 处理器的开销，使得系统无需重新编程起始地址就可以传送多达6 4 k b 的数据， 从而提高了微控制器的性能，降低了功耗。 e b i ( e x t e r n a lb u si n t e r f a c e ) ：e b i 通过8 1 6 位数据总线控制外部存储 器和外设；对其编程则通过先进外围总线a p b 来进行的。每一个片选都有自己 的编程寄存器。 p s ( p o w e rs a v i n g ) ：省电模块实现了空闲模式( a r m 7 t d m i 核时钟停振) ， 并可以使用户按照不同应用的要求调节微控制器功耗( 可以独立控制每个片内 外围的时钟) 。 a i c ( a d v a n c e di n t e r r u p tc o n t r o l l e r ) ：a i c 控制由片内外围引起的中断 及4 个外部中断引脚所组成的中断源，并向a r m 核提出中断请求。它集成了8 优先级控制器，以自动向量化特性降低中断延迟时间。 l o 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 p i o ( p a r a l l e li oc o n t r o l l e r ) ：p i o 控制的3 2 个i o 口线。它可以使用 户选择特定的引脚或通用的i 0 信号引脚，用于片内外围的i o 功能。p i o 控 制器可以通过编程来检测每个引脚信号的变化而引发中断。 w d ( w a t c h d o g ) ：用来防止软件进入死循环而引起系统死锁。 s f ( s p e c i a lf u n c t i o n ) ：s f 模块包含芯片i d 、复位状态和保护寄存器。 用户外围： u s a r t ：两个u s a r t 的配置是相互独立的，可以在同步异步模式下实现很高 的通讯速率。数据格式包括起始位、停止位、奇偶位及多达8 个数据位。每个 u s a r t 还具有超时时间确保( t i m eg u a r d ) 寄存器，以方便用户对外围数据控 制器p d c 的使用。 t c ：共有3 个通道，有1 6 位定时器计数器，支持捕获和波形模式。每个 t c 都可以测量或产生不同的波形，并可以检测及控制两个i o 信号。t c 还有3 个外部时钟信号。 2 2 电源电路 a c d c 模块： 在本系统中，a c d c 模块采用北京力源兴达科技有限公司与东方电子合作开 发的l c a 2 2 0 ( i i 0 ) d 4 8 w 1 2 0 d 充电式开关电源，该电源具有体积小，转换效率 高，性能稳定，原副边隔离，隔离强度高等优点；采用金属外壳模块化封装， 抗干扰能力强；输入、输出端为接线端子形式便于连接；该电源对电网适应能 力强，分1 l o v 和2 2 0 v 标称输入，可在较宽输入电压范围内工作，并可满足现 场不同标称的p t 输出；具有输出短路保护功能，具有过热保护功能。另外，还 具有智能充电功能，可对外接的2 4 v ( 1 2 v 或4 8 v ，根据型号不同) 电池充电，在 交流断电时电池可不间断的对负载供电，具有防止电池过放电的保护功能；具 有当输出负载短路时对电池的保护功能以及电池充、放电状态显示；具有电池 活化功能，手动或通过外部信号自动对电池进行活化维护。 电源内部电路原理如图2 2 所示： 第二黎鬣瞧翻璃健终漆系绫懿溪髂设计 圈2 2a c d c 原理框图 圈2 3a c d c 模块接线圈 电源指示： a e ，电池活化指示，瞧池潘化时尧，否则熄灭； 渊，泡池充邀指示，交瀛有电魄滟充魄时巍，交流失泡或毫漉滔化时灭； 转薹，魄懑放电指示，交流失魄电漶放电时亮，毫池活化时亮，激池充魄及 魄涟放电缝柬时熄灭。 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 按键功能： a c ，轻触式按键，电池活化手动启动； a o ，轻触式按键，电池活化手动退出； b c ，轻触式按键，电池手动投入； b o ，轻触式按键，电池手动退出； 按键的使用： ( 1 ) 活化按键，按一下a c 键则电源进入电池活化状态，此时a c 、d i 指示 灯亮，电池对负载放电，可手动按一下a o 键退出电池活化，否则电源自动完成 电池活化。 注意：a c 、a o 键在电源没接电池或电池电压低于活化完成点时不起作用。 ( 2 ) 电池按键，在工程调试中还没有交流输入时，按一下b c 键，则电池投 入为负载供电，此时d i 指示灯亮，可手动按一下b o 键切断电池，或电池放电 到欠压关断点后自动切断电池；按住b c 键可以在电池电压低于欠压关断点时， 应急强制电池对负载输出。 嵌入式电源的设计： 在嵌入式系统的设计中，电源的设计是最重要的环节之一，不仅要满足各 种器件的电压和负载需求，而且要有电源输入过压、欠压保护，反相保护，电 源输出短路保护，瞬时高压保护，及宽温降额使用等设计技巧。 由于设备是户外使用，具有宽温性能，因此在硬件的设计中所有芯片的选 择全部要求工业级芯片。在电源的设计中还要尽可能的提高电源的效率。 在本系统中，共有5 个电源级别，+ 2 4 v 、+ 5 v 、- - 5 v 、+ 3 3 v 、+ 1 8 v 。 分别供给遥控继电器、t t l 电路、运算放大器、a r m 7 的i 0 口线、a r m 7 内核。 + 2 4 v 是由a c d c 模块提供。 + 5 v 是由d c d c 模块变换得来，而遥控继电器的+ y k 2 4 v 电源也是a c d c 的+ 2 4 v 输入电源经压敏电阻和反相保护电路获得。 + 3 3 v 电源是+ 5 v 经l t c l 5 0 7 电源变换电路得到。 + 1 8 v 电源是+ 3 3 v 经高效率、降压式d c d c 器件l t c l 5 0 3 得到。 - - 5 v 电源是由+ 5 v 经n c p l 7 2 9 的c m o s 电荷泵反相器得到。 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 2 3 主晶振电路与复位电路 晶振电路用于向c p u 提供工作时钟。在本系统中使用一个有源6 6 姗z 晶振 向c p u 提供时钟频率。有源晶振和无源晶振接法略有不同。 a t 9 l r 4 0 0 0 8 工作于主时钟m c k 。提供外部信号的m c k i 引脚。主时钟还可以 通过m c k o ( 与通用i 0 口复用) 向外输出。当n r s t 有效时，m c k o 保持为低电 平。复位后，m c k o 就可以输出m c k 影像时钟，但p i o 控制器必须编程这个引脚 为标准i o 。 复位电路我们采用k l x 7 9 3 可调节的微控制器监控电路。该电路不仅提供复 位、看门狗、c m o sr a m 的写保护，还提供后备电池的转换。设计电路如图2 4 ： 图2 4 复位看门狗电路 该电路的工作原理如下：m a x 7 9 3 的管脚1 当上电v c c 的电平高于复位限值 或高于电池e 1 的电压，o u t 管脚连接到v c c ，当v c c 电压低于v s w 或e 1 电压， o u t 连接到b a t t 。管脚1 ( o u t ) 逻辑连接到外部扩展r a m 的v c c 上，这样就保 证了外部扩展的r a m 编程了n v i 。e 1 为3 6 v 纽扣电池。8 管脚( 躲) 手动 复位输入管脚，当输入低电平超过2 0 0 m s ，产生复位信号。手动按钮k 3 就可以 产生手动复位信号。1 0 管脚( w d i ) 看门狗输入，该管脚连接到c p u 的t o 口 上，由c p u 驱动i o 口高低电平变化。9 管脚( w d 0 ) 看门狗输出，当w d i 的 1 4 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 电平超过看门狗的超时周期电平没有发生变换，w d 0 变为低电平，在下一个转 换周期时，w d o 变为高电平。正常使用时将职和d 0 连接，当w d o 为低电平 时，复位管脚产生复位信号。1 5 管脚( r e s e t ) 复位信号产生，连接到c p u 的 r e s e t 管脚。1 1 管脚( c ei n ) 片选使能输入，设计时连接到c p u 的c s l 上。 1 2 管脚( c eo u t ) 片选使能输出，设计时连接到外部扩展r a m 的片选管脚。 这样设计就完成对外部扩展r a m 的后备电池供电，手动复位及看门狗功能的实 现。 2 4 存储器电路 在本系统中存储器n 2 3 分为f l a s h 和r a m 两部分，f l a s h 用于存放程序和一些参 数，r a m 有电池作为后备电源，可以保证掉电后能够保持内部数据不丢失，用于 存放s o e 和c o s 等实时并且不能丢失的信息。 f l a s h 存储器是一种可在线( i n - s y s t e m ) 电可擦写，掉电后信息不丢失的 存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程 ( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各 种嵌入式系统中得到广泛的应用。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中 通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据 等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。 本系统f l a s h 采用a t m e l 公司的a t 4 9 b v l 6 2 a ，f l a s h 存储器a t 4 9 b v l 6 2 a 的 基本特性如下： a t 4 9 b v l 6 2 a 的单片存储容量位1 6 m 位( 2 m 字节，1 m 字) ，工作电压为 2 7 - 3 6 v ，采用4 8 脚t s o p 封装或4 8 脚c b g a 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节模式) 或1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式工作。 a t 4 9 b v l 6 2 a 仅需要3 v 电压即可完成在线的编程与擦除操作，通过对其内 部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 进行编程( 烧写) 、整片擦 除、按扇区擦除以及其他操作。 r a m 采用i s s i 公司的i s 6 2 w v l 2 8 b l l 芯片，该芯片的v c c 连接到m a x 7 9 3 的 o u t 管脚，因此具有掉电数据不丢失特性，由于r a m 有可快速读写特性，因此 把一些c p u 要求不丢失并且快速可读写的数据我们寻址到这片外扩r a m 上。该 第二章配电自动化终端系统的硬件设计 芯片具有1 2 8 k 字节存储容量，能够满足配网自动化终端的s o e 、c o s 等存储容 量的需求。 2 5 时钟电路与温度测量电路 由于f t u 在现场运行时要求断电后保证时钟正常，因此需设计时钟电路。另 外f i i u 因是户外安装，有些用户关心温度，在该系统中也设计了温度传感器。由 于时钟和温度的实时性要求不高，设计可以采用1 2 c 接口方式。 1 2 c 总线是一种用于i c 器件之间连接的二进制总线。它通过s d a ( 串行数据 线) 及s d l ( 串行时钟线) 两线连接到总线上使得各器件之间传送信息，并根据 地址识别每个器件：不管是微控制器、时钟芯片，温度传感器，带有1 2 c 总线接 口的器件可十分方便的将微控制器和一个或多个外围器件构成系统。尽管这种 总线结构没有并行总线那样大的吞吐能力，但由于连接线和连接引脚少，因此 其构成的系统价格低，器件间总线简单，结构紧凑，而且总线上增加器件不影 响系统正常工作，系统修改和可扩展性好。即使有不同时钟频率的器件连接到 总线上，也能很方便地确定总线时钟，因而在嵌入式系统中得到广泛的应用。 1 2 c 可发送和接受数据，c