基于嵌入式技术新型剩余电流保护装置动作特性测试仪的研制

东南大学硕士学位论文基于嵌入式技术新型剩余电流保护装置动作特性测试仪的研制姓名姜中秋申请学位级别硕士专业控制工程指导教师费树岷宗宏森20061220基于嵌入式技术新型剩余电流保护装置动作特性测试仪的研制摘要新国标，对剩余电流保护装置（漏电保护器）动作特性测试仪提出了更高的要求，不少厂家自行开发基于单片机技术的测试仪功能简单，测试精度有限智能化程度不高。“基于嵌入式技术新型剩余电流保护装置动作特性测试仪”主要设计思想是利用技术实现友好的人机图形界面，控制信号源实现规定测试信号范围内的多点扫描自动测试剩余电流保护装置的动作特性参数，并对多个产品参数进行存储与处理，实现了测试数据的采集、显示、存储与数据处理的智能化。通过基于东南大学自主研发的核嵌入式处理器搭建的嵌入式系统开发平台，本文分析了具有一定实时性的嵌入式操作系统，以其内核为基础，完成了应用程序框架的设计。针对基于处理器的目标板，将成功地移植到目标板上，可将此系统用于信号源控制，对剩余电流保护装置动作特性参数进行测量，测量结果保存在内指定的文本文件中。同时，为了方便厂家或供电系统对大量检测数据进行管理，用开发了“检测信息管理系统”，通过通信接口对检测仪的检测结果文件内容进行处理并转存至机的数据库中，根据工作需要进行分类统计、按需查询、形成报表。关键词智能仪器、嵌入式技术、信号源、剩余电流保护装置、动作特性测试仪东南大学硕士学位论文，瑁幔颍幔悖簦澹颍椋螅簦椋悖螅簦澹螅簦澹颍铮妫颍澹螅椋洌酰幔欤悖酰颍颍澹睿簦穑颍铮簦澹悖簦椋觯澹洌澹觯椋悖澹螅猓幔螅澹洌铮睿澹恚猓澹洌洌澹洌簦澹悖瑁睿铮欤铮纾椋螅簦瑁澹酰螅澹铮妫樱铮茫洌澹螅椋纾睿簦澹悖瑁睿铮欤铮纾幔悖瑁椋澹觯澹酰螅澹颍妫颍椋澹睿洌欤纾颍幔穑瑁椋悖幔欤椋睿簦澹颍妫幔悖澹茫铮睿簦颍铮欤螅簦瑁澹危茫螅椋纾睿幔欤螅铮酰颍悖澹颍澹幔欤椋幔簦椋铮睿螅簦椋穑酰欤幔簦椋铮睿螅穑椋耄澹螅悖铮穑澹簦瑁澹恚酰欤簦椋螅穑铮簦螅螅悖幔睿睿椋睿纾簦澹螅簦幔酰簦铮恚幔簦椋铮睿簦瑁澹铮穑澹颍幔簦澹洌悖瑁幔颍幔悖簦澹颍椋螅簦椋悖螅穑幔颍幔恚澹簦澹颍铮妫颍澹螅椋洌酰幔欤悖酰颍颍幔睿簦穑颍铮簦澹悖簦椋觯澹洌澹觯椋悖澹螅幔睿洌螅簦铮颍幔纾澹幔睿洌穑颍铮悖澹螅螅椋睿纾穑幔颍幔恚澹簦澹颍螅妫铮颍幔睿酰恚猓澹颍铮妫穑颍铮洌酰悖簦螅簦瑁澹颍澹幔欤椋幔簦椋铮睿铮妫簦瑁澹簦澹螅簦洌幔簦幔纾幔簦瑁澹颍椋睿纾洌椋螅穑欤幔簦瑁澹恚澹恚铮颍幔睿洌簦瑁澹洌幔簦幔穑颍铮悖澹螅螅椋睿纾椋睿簦澹欤欤澹悖簦酰幔欤椋幔簦椋铮睿，侣，”，。，东南大学学位论文独创性声明本人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或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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了谢意。研究生签名羔牛彬日期叫弓汐东南大学学位论文使用授权声明貉礅东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研期掣究生院办理。研究生签名矿迕导师签名第一章绪论第一章绪论本文项目的背景与意义“项目的背景为了提高我国城乡用电的安全性，安装剩余电流动作保护装置是用电系统中一项重要的安全技术措旅。但处于长期运行的保护装置。其元器件等不可避免地会产生老化或损坏，影响性能指标的变化，如不能及时发现并处理，事关人身安全与电力设备的安全，后果是可想而知的。所以新的国家标准的第条剩余电流保护装置的运行和管理中第项规定。为检验剩余电流装置在运行中的动作特性及其变化，运行管理单位应配备专用测试仪器，并应定期进行动作特性试验。”，动作特性试验项目如下测试剩余动作电流值测试分断时间测试极限不驱动时间并规定。对剩余电流保护装置进行特性试验时。应使用经国家有关部门检测合格的专用测试设备，”等。根据上述要求，国内外不少生产厂开发出基于单片机技术的测试仪。但由于单片机的局限性。其功能简单，测试精度有限，测试数据只能进行人工记录与管理，智能化程度不高。而相对于以前的国家标准，国家对剩余电流保护装置动作特性的测试提出了更高的要求。据此。本文提出的研制新型剩余电流保护装置动作特性测试仪是市场发展的需要。剩余电流保护装置动作特性测试仪发展的现状与本方案目前，国内相关厂家围绕推出的新产品，大部分都以位与位单片机处理器为基础，属于嵌入式技术发展的低层次阶段，其应用特征是显示手段与通信手段简单，与当前的通信技术手段很难实现完美的融合。虽然以位与位单片机为核心的单片机技术仍在发展，性能也不断提高，但由于其字长的局限性。已无法满足高性能嵌入式技术发展的需要。随着嵌入式系统的广泛发展，应用系统越来越复杂、应用范围越来越广泛，技术日趋成熟，位机与位单片机上运行操作系统有一定的难度，没有操作系统已成为位单片机最大缺陷。因此，采用以位嵌入式处理器为核心、以操作系统为支撑的现代嵌入式技术已广泛应用于工业控制与智能设备等方面，随着相应技术的发展，嵌入式技术必将与许多实际应用领域相结合，以难以想象的速度发展，这将极大地拓展嵌入式应用的广度与深度，体现嵌入式系统与实际应用紧密结合的价值。本方案采用基于核的嵌入式技术研制的新型剩余电流保护装置动作特性测试仪（以下简称测试仪），是根据嵌入式系统设计原理以及智能仪器的开发和设计的要求构建的测试仪器系统，系统中利用嵌入式系统控制采用数字合成技术产生正弦波的数控信号源。作为测试中所使用标准测试电流，摒弃了传统的电阻式剩余电流发生器，测试电流稳定可靠，控制精度高、便于携带，是技术在智能测试仪器中的新应用。本方案在导师的指导下，得到了淮安信息职业技术学院、江苏苏益电器有限公司、东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心及其下属南京博芯电子技术有限公司、淮阴工学院的技术支持，并联合成立了项目开发组。据此。笔者在指导教师与校外指导教师的指导下。对江苏淮阴苏益电器有限公司的产品实施调研。经产品调研，明确了设计准则及要求；即根据实际的需要以现代嵌东南大学硕士学位论文入技术为基础开发新型剩余电流保护装置动作特性测试仪，符合的标准，具有较完善的操作性能同时要求具备智能仪器可靠、安全、实用、高教、性能价格比高等特点。作为一种新型的智能仪器，本方案项目的设计任务分两个部分展开，第一部分是以嵌入式处理器为核心的主控系统设计，第二部分是数控信号源的设计。项目的立项情况在相关单位的支持下，该项目获淮安市科局年度科技发展基金计划立项（），同时列入年淮安市政府签约项目，该项目的技术目标是在嵌入式系统程序控制下，利嵌入式系统技术实现友好的人机图形界面，控制信号源产生规定测试信号范围内的多点标准交流信号，自动扫描测试剩余电流保护装置动作特性参数，并对多个产品的多次测试参数进行存储与处理，实现测试数据的采集、显示、存储与处理的智能化。根据国家国家标准要求，对剩余电流保护装置进行严格的测试并对动作特性参数实旖准确的记录，从而确定剩余电流保护装置是否达到规定指标。具体要求如下、根据剩余电流动作保护装置生产厂与供电系统的实际需要研制能较大幅度提高测试效率与方便实用的智能仪器产品、采用以核为基础联结外围设备实现数据采集控制、断电控制、数据显示与数据存储控制等电路的设计，通过与机的接口将检测数据保存微机中的数据库中并根据实际需求实施相应的分类管理与查询、采用彩色液晶显示系统设计、声光报警系统设计；、采用基于嵌入式系统的触摸屏控制模块设计、利用的技术设计出高性能、智能化程度高的数控信号源扫集系统、数据分析与存储系统，利用技术实现友好的人机界面与智能控制；描控制系统、数据采、数控信号源要求可以通过设置输出正弦波电流的升流速度，使电流按的速度从升至时瞬时精确扫描出剩余电流保护装置的实际动作电流值。输出信号的稳定性要求是输出电流值精度字，。创新点与技术难点创新点率先在剩余电流保护装置动作特性测试仪的研制中引入了目前广泛使用的基于核的位嵌入式处理器及技术。其特点是系统速度高、精度高、基于程序设计可达较高的智能化水平。其技术路线是利用东南大学自主研发的嵌入式微处理器，控制信号源实现测试范围内多点连续扫描并在嵌入式环境下进行剩余电流保护装置动作特性的自动检测、数据的多媒体显示、多功能数据存储以及与机通信功能，从而实现测试数据的采集、显示、存储与传输、数据分析的智能化，经市场调研与数据库查新，国内市场未见有相同的产品研制资料公布。技术难点（）利用的技术设计出高性能、智能化程度高的信号源扫描控制系统、数据采集系统（）数控信号源（信号源）的设计及其受控性能与稳定性的设计；（）以核为基础联结外围设备实现数据采集控制、断电控制、数据显示与数据存储控制等电路的设计包括与机接口的设计并实现将数据保存到微机中进行检测数据的永久保存与有效管理；第一章绪论（）彩色触摸屏的驱动电路与驱动程序的设计。考虑智能仪器的低功耗与便携性的要求，显示屏的尺寸与相关硬件的选取及驱动程序的设计难度较大；（）嵌入式操作系统的移植与图形界面的设计；（）基于的文件系统设计及检测数据存储程序的设计本人承担的主要工作产品的调研产品的调研分两个阶段。第一阶段对江苏苏益电器有限公司的产品进行研究，江苏苏益电器有限公司现有正在使用的剩余电流保护装置动作特性测试仪是其自主开发的，其主要设计方案是利用电阻分段式电路产生测试电流，采用单片机为核心的主控电路进行剩余电流保护装置动作特性的测量新型测试仪的开发吸取了其中相关的技术与经验。第二阶段是市场同类产品与相关技术的调研，通过对比，取长补短，形成新型剩余电流保护装置动作特性测试仪的设计方案。主控系统的设计（）完成产品的功能设计与总体设计任务；）完成以核为基础联结外围设备实现数据采集控制、数据显示与数据存储控制等嵌入式系统硬件电路的设计；（）完成嵌入式系统软件设计，实现高性能、智能化程度高的信号源扫描控制系统、数据采集系统、数据分析与存储系统；（）检测信息管理系统的设计，将测试仪检测数据保存到微机数据库中利用程序实现检测数据的分析与管理。科技攻关（工业）项目立项为促进科技合作与科技成果的转化，由淮安信息职业技术学院牵头，南京博芯电子技术有限公司、淮阴工学院、江苏苏益电器有限公司共四个单位联合成立项目组，指定姜中秋承担项目申报与项目规划工作。论文总体结构在导师指导下，本文结合和围绕新型剩余电流保护装置动作特性测试仪研制工作展开，其主要内容是完成以嵌入式为核的芯片应用研究形成测试仪的主控电路与应用软件的设计方案，并在实验平台上完成系统的调试。论文各章节内容如下首先概要介绍了新型剩余电流保护装置动作特性测试仅的国内外发展现状本项目的背景与意义，项目的创新点与技术难点；第二章论述了测试仪的系统设计模型，主控板需实现的功能及其各个模块的实现方案，包括嵌入式处理器及其外围电路设计方案，基于的嵌入式软件设计方案等；第三章首先介绍了的概念及其发展状态着重介绍了处理器结构及其各个模块的组成与功能；第四章是主控系统的硬件电路设计第五章介绍了嵌入式操作系统的概况说明了基于主控系统软件设计的过程，给出了关键部分程序；第六章说明检测信息管理系统的设计；第七章论述了系统开发平台的搭建与系统的调试过程及调试结果。了东南大学硕士学位论文第二章项目的总体设计产品的需求分析眙删产品需求背景的分析国家标准的第项规定“为检验剩余电流装置在运行中的动作特性及其变化，运行管理单位应配备专用测试仪器，并应定期进行动作特性试验。”、“对剩余电流保护装置进行特性试验时。应使用经国家有关部门检测合格的专用测试设备，。”、。若剩余电流保护器使用年限超过年，但未损坏，若耍继续使用，必须对产品进行全面检测。根据检测结果，决定可否继续运行等，。”，该标准中对剩余电流保护装置性能测试提出了比以往更高的要求。目前，国内不少生产厂自行开发的基于单片机的测试仪显示手段与通信手段简单，测试精度有限，智能化程度不高。与当前的通信技术很难实现完美的融合。由于其性能的局限性，已无法满足高性能嵌入式技术发展的需要。随着嵌入式技术的发展，应用系统越来越复杂、应用范围越来越广泛，因此，在一般概念上，我们认为现代的嵌入式技术应以嵌入式操作系统为支撑。目前，现代嵌入式技术已应用于工业控制与智能设备的应用等方面，随着相应技术的发展，嵌入式技术必将与许多实际应用领域相结合。以难以想象的速度发展，这将极大地拓展嵌入式应用的广度与深度，体现嵌入式系统与实际应用紧密结合的价值。这是新型剩余电流保护装置性能测试仪研制的技术背景。根据第一章及上述分析可得出下述结论、新型测试仪需要保存与处理长达年以上的长时间段内测试数据一方面测试仪能保存大量的测试数据，另一方面要配合机作为上位机并开发出检测数据管理系统对检测数据实施管理，判断剩余电流保护装置的使用寿命。、考虑到测试仪的专用性，新型测试仪要体现稳定、可靠、方便使用的要求。所以，测试仪应使用最新的嵌入式技术，实现以触摸屏为操作手段的智能化的人机界面、为体现测试过程的智能化，测试信号应采用数控信号源。产品功能需求新型剩余电流保护装置动作特性测试仪的研制基于目前广泛使用的基于核的位嵌入式处理器，其特点是系统速度高、精度高、基于程序设计可达较高的智能化水平。在结合生产需要与技术可行性的前题下，提出以下需实现的功能目标、提高检测速度。根据剩余电流保护装置生产厂与供电系统的实际需要提高检测速度。较大幅度提高生产效率与提供方便实用的功能；、基于位系统的设计。利用的技术设计出高性能、智能化程度高的信号源扫描控制系统、数据采集系统、数据分析与存储系统，利用技术实现智能化的算法设计、设计程序可控信号源，提高其受控性与测试信号的稳定性；、以核为基础联结外围设备实现数据采集控制、断电控制、数据显示与数据存储控制等电路的设计，其中要求将检测数据保存到中，并通过与机的接口将数据传输到机检测信息管理的数据库中进行处理、采用英寸液晶显示系统、语音报警系统、利用触摸屏功能实现友好的人机界面；，利用接口与上位机实现检测数据传输，采用数据库技术实现对大量检测数据进行第二章项目的总体设计智能管理的功能。产品的性能指标产品的性能指标如下、主要完成的测试项目测试剩余电流动作电流值测试分断时间测试极限不驱动时间、测量精度级际动作电流值。精确、测试要求（）在范围内，能按设定的升流速度精确扫描出剩余电流保护装置的实要求任意设定；度达卅（）准确测试剩余电流在一范围内间隔共个电流点上剩余电流保护装置的动作时间值。计时范围，；（）在设定测试电流后，能在范围内自动扫描出剩余电流保护装置的极限不驱动时间。用于衡量装置本身误动作特性；、数据存储与处理要求字。升流速度（）在测试仪内部建立数据文件，保存检测数据；（）设计与机通信接，将数据送入上位机中的检测数据库内，便于检测数据的长期保存和分类统计与智能分析。可在删产品的可行性分析口产品的理论基础范围内按规本课韪的理论基础基于的理论已经成熟；构建系统软硬件配置架构模型有许多成功案例，有多种计算机仿真软件与评估电路板可供验证设计方案。其技术路线是在程序可控信号源的支撑下实现测试范围内自动多点扫描并在环境下实现数据的多媒体显示、多功能数据存储以及与机通信功能，从而实现测试数据的采集、显示、存储与传输、数据分折的智能化程产品的技术基础本项目的开发条件具备机及交叉开发环境开发实验箱评估电路板。预期可达到的效果通过交叉调试设计出基于嵌入式的、具有实用价值的、先进的新型剩余电流保护装置测试仪设计方案。目前己完成系统硬件系统主要部分原理图的绘制，完成主体软件系统的设计，已使用评估板进行仿真调试。预期该设计方案投产后可形成国内先进具有广阔市场的新型智能化产品。产品的成本核算目前嵌入式处理器及其外围电路价格低廉，技术方案的形成成本可以预计，产品加工成本可以计算，作为专用仪器的研制，产品研制的重点在可靠性与实用性两个方面，成本核算可以达到预定目标。东南大学硕士学位论文新型剩余电流保护装置动作特性测试仪系统模型陌儿耵订测试仪模型设计的原则本项目所述测试仪属智能仪器范畴，智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、，等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。新型剩余电流保护装置动作特性测试仪作为一种智能仪器，其开发和设计中首先要明确设计准则及要求，其次是制定系统方案，最后是方案的具体实施。设计准则及要求，就是使设计的智能仪器根据实际的需要采用先进技术。进行标准化、系统化设计，使其具有较完善的操作性能，同时要求智能仪器可靠、安全、实用、性能价格比高。制定系统方案，是根据设计的任务要求提出几种设想、规划，并且加以比较推敲，选择一种认为是可行、较好的方案作为初步方案，然后对系统的指导思想、技术原则、技术指标、可靠性、性价比进行方案评估，最后根据评价的结果制定系统的设计方案。方案