基于ARM微处理器的直流系统接地故障检测装置的设计与实现_图文

1、基于 AR M 微处理器的直流系统接地故障检测装置的设计与实现 低压电器 (20052 第一 作 者 :李 冬 辉(1962- , 男 , 副教授 , 博士 , 主要从事 电力 电 子 应 用 、 计 算机 控 制 、 楼 宇 自 动 化 等 方 面 的 研 究 。基于 AR M 微处理器的直流系统接地故障检测装置的设计与实现3李冬辉 , 周巍巍 (天津大学 , 天津 300072摘 要 :以往的直流系统接地故障检测装置大都是基于单片机设计的 , 限制了先 进算法的使用 , 不能有效地解决直流系统大电容接地和环网影响等问题 。针对这种情 况 , 在详细介绍基于 AR M7T DM I 内核的

2、S3C44B0X 芯片的结构 、 片上资源和功能的基 础上 , 提出了基于 AR M 的直流系统接地故障检测装置的设计方案 , 实现了基于小波变 换的检测方法 。 经验证 , 该设计方案能够有效地解决原有问题 。关键词 :直流系统 ; 嵌入式系统 ; 微处理器 ; 接地故障 ; 算法中图分类号 :TP 274 文献标识码 :A 文章编号 :100125531(2005 0220055204D esi gn and I m ple m en t of DC System Ground i n g Fault D etecti n g D ev i ce Ba sed L I D ong 2w f

3、or gr ounding fault detecting devices were mostly designed based on SC M ,which li m the using of advanced algorith m. So they couldn t s olve the p r oble m s of big gr ounding capacitance and ring net in DC syste m. For this, after expatiating the structure, res ources on chi p and functi ons of S

4、3C44B0X based on AR M7T DM I CP U core, a design of DC syste m gr ounding faulting detecting device based on AR M m icr op r o 2sses or was p resented, where the detecting method based on wavelet was realized . The experi m ents p r ove that the design can s olve those p r oble m s effectively .Key

5、words:DC syste m; e m bedded system; m i croprossesor; ground i n g fault ; a lgor ith m3基金项目 :天津市自然科学基金资助项目 (0336015110 引 言发电厂 、 变电站的直流系统是操作系统和保 护装置的电源 , 对于保障电力系统安全运行是十 分重要的 。 当直流系统发生一点接地时 , 应能及 时找出和处理 。目前 , 国内外基于单片机的绝缘 监视装置大多是基于平衡电桥法 、 低频信号注入 法等方法研制的 , 但若要解决直流系统大电容接 地和环网影响等问题 , 则需要采用更为先进的处 理方法 , 如

6、基于小波变换的检测方法1, 而单片机有限的资源限制了这类方法的使用 。本文试图通过采用 AR M 微处理器进行直流 系统接地故障检测装置的设计 , 并在该装置中实 现基于小波变换的检测方法解决直流系统大电容接地和环网影响等问题 。1 ARM 微处理器 S3C44B0X考虑到设计应用的性能需要 , 选用了 Sa m 2sung 公司的 S3C44B0X 微处理器 。 S3C44B0X 采 用 0. 25m C MOS 工艺和总线结构 S AMBA II (Sa 2m sung ARM CP U 嵌入式控制器总线结 构 , 其 CP U 核采用 AR M 公司的 AR M7T DM I R I S

7、C 结构 ,特别适合于低成本 、 低功耗应用 。 AR M7T DM I 系 统扩充包括 Thumb 协处理器 、 片上 I CE 中断调试 支 持 和 32bit 乘 法 器 。 S3C44B0X 通 过 在 AR M7T DM I 内容基础上扩展了一系列完整的通 用外围器件 。 S3C44B0X 带有如下器件 :(1 8个 Me mory Banks 。 用于管理外部存储55 低压电器 (2005 2 基于 AR M 微处理器的直流系统接地故障检测装置的设计与实现器 , 最大存储容量达到 256MB 。可外扩 EPROM 、 S DRAM 、 Flash 、 US B 和 LCD 。每个

8、Bank 支持 8/ 16/32bit 的数据格式 , 可寻址 32MB (除 Bank0外 , 后 4MB 是保留给内部寄存器使用的 。其 中 , Bank0是专用于系统启动的 , 故它的存储器必 须是线性寻址并且有记忆功能 ; Bank6、 Bank7专 用于 SRAM 、 FP /E DO /S DRAM 等 。(2 LCD 控制器 。 支持单色 、 4、 16级灰度的 LCD 模块 ; 支持 4位的单双行扫描 、 8位的单行扫 描形式的显示类型 。 支持的主要显示点阵为 :640×480, 320×240, 160×160等 。(3 2路 UART 口 。

9、最高传输速率为 115. 2 kb /s 、 支持 Ir DA1. 0, 可用于红外通信 。(4 5路 P WM 调制输出 。控制蜂鸣器输出 不同声音 , 以提示系统各类信息 。(5 71个通用 I/O口 。包括 8个外部中断 源 , 可用于键盘 、 LCD 背光 、 照明控制等 。(6 8路 10bit A /D转换器 。检测 。(7时间 。(8 内置的 P LL 锁相环 。设置系统工作频 率 , 最高可达 66MHz 。(9 4种系统工作模式 (正常 、 慢速 、 闲置和 停止模式 。 根据不同的需要设置不同的工作方 式 , 降低系统功耗 。在 S3C44B0X 中 , 外部复位信号作为中

10、断来 处理 。 在系统复位时 , 程序指针被设置成 0, 使程 序跳转 到 0x00000000开 始 运 行 。此 空 间 对 应 Bank0, 系统的线性 Flash 和 S3C44B0X 的 Bank0相连 , 在线性 Flash 中存储系统初始化程序 , 用于 配置系统的结构 、 工作模式以及自动检测嵌入式 微处理器的各个部分是否工作正常 , 并在初始化 和自检后 , 呼叫应用程序 , 系统开始运行 。2 系统硬件组成图 1是直流系统接地故障检测装置的硬件组 成框图 。 (1 S3C44B0X 主控单元包括 S3C44B0X 芯 片 、 2MB 的线性 Flash (选用 SST39V

11、F160 、 16MB 的 S DRAM (选用 HY57V641620 、 16MB 的非线 性 Flash (选用 K M 29U128T 、 JT AG 接口 、 复位电图 1 系统硬件组成框图路 、 电源及电池检测等最小系统部件 。(2 信号预处理单元实现对现场信号的采集 和调理 , 包括多路开关 、 A /D转换器 、 运放电路 、 低频信号源和双电桥电路等部分 。(3 LCD 用于显示相关信息和功能选择菜 单 , 在此选择 EPS ON 公司的 TC M 2A0902, 单色 , 320×200, 并需要加入软延时 。(4 控制按键则用于切换系统任务 , 实现不 (RT(

12、Phili p s 公司的 P D I U S BD12芯片扩 展 US B 接口以实现同上位机的连接 , 该模块与以 太网模块互补 。该装置的有如下功能 :(1 通常情况 。该装置处于在线监视状态 , 通过采集现场信号并依据相关算法判断直流系统 是否存在一点接地 , 用户可以通过 LCD 或是通过 局域网由上位机查看相关信息 , 诸如电池情况 、 历 史数据等 , 使用键盘实现菜单的选取 。(2 直流电网发生一点接地 。 当发现直流电 网存在一 点接 地 时 , 该 装 置 提 供 报 警 , 显 示 在 LCD 或远程终端上 , 并自动在 10s 内启动低频信 号源 , 向电网中注入低频信

13、号 , 对低频电压进行采 样并计算其幅值和初始相位 。(3 依次检测各个支路以确定接地支路 。 该 装置通过直流电网每个支路上的电流互感器检测 出每个支路的电流信号 。 由多路开关依次选通每 个支路 , 将相关信号经调理后进行 A /D转换 , 然 后依照特定的小波算法对得到的数据进行处理 , 从而确定故障支路 , 将结果显示在 LCD 或是远程 终端上 , 以便用户查看并及时排除该接地故障 。3 系统软件设计对于一个开放的嵌入式系统而言 , 其程序存 6 5 基于 AR M 微处理器的直流系统接地故障检测装置的设计与实现 低压电器 (2005 2储器中一定要有系统的初始化代码 。 初始化在系

14、 统复位后自动完成 。在系统的初始化中 , 必须包 含如下的初始化代码 :设置入口指针 、 设置中断向 量表 、 初始化堆栈指针寄存器 、 初始化存储器系 统 、 初始化 I/O端口以及需要时改变处理器的工 作模式 、 初始化应用程序存储空间 。 之后 , 呼叫并 开始执行应用程序 。C /OS2II 是源码公开的实时嵌入式操作系 统 , 其主要特点 :公开源代码 ; 可移植 ; 可固化 ; 可 裁剪 ; 是占先式实时内核 ; 可管理多任务 ; 执行时 间可确定 ; 提供很多系统服务 ; 具有中断管理 ; 稳 定且可靠 。 但是 , C /OS2II 提供的仅仅是一个任 务调度的内核 , 需要

15、在其基础上扩展成实用的 RT OS 。 根据该装置的功能要求 , 系统软件中需要 实现相应的用户任务 :监视 ; 报警 ; 启动 低频信号源 ; 低频电压采样 , 并计算其幅值和 初始相位 ; 选通各个支路并检测其电流信号 , 然后利用小波算法进行判断 ; 在如图 2所示 。图 2 基于小波变换的检测方法流程 相对于相敏检波 、 载波相位等传统的检测方 法 , 上述基于小波变换的处理方法可以充分发挥 小波分析优良的时频分析特性 , 有效地克服直流 系统大电容接地和环网等因素的影响 , 能够准确 地计算出支路接地电阻值 , 。 由于 8/16, 无法实现这么 而。扩展后的 RT OS 3所示 。

16、图 3 嵌入式软件总体框图 主函数是应用程序首先执行的一个函数 , 该 函数永远不会返回 。该函数首先屏蔽所有的中 断 , 调用初始化函数对各种软 、 硬件进行初始化 , 包括全局变量初始化 、 串口 、 键盘 、 显示等硬件初 始化 。 然后 , 调用 OSI nit 函数对操作系统进行初 始化 , 包括对任务控制块和时间控制块进行初始 化 , 然后创建一个空闲任务 。 在启动操作系统前 , 可建立前述的应用任务 。 最后 , 调用 OSStart 函数 启动 RT OS 。 主函数示意性代码如下 : void main (void 对各种软硬件进行初始化 ;OSI nit ( ; /3初始

17、化 RT OS OSTaskCreat ( ; /3创建用户任务 OSStart ( ; /3开始多任务调度 7 5 低压电器 (2005 2 基于 AR M 微处理器的直流系统接地故障检测装置的设计与实现由于用户任务需要反复执行 , 是一个无限的 循环 , 其结构形式如以下示意性代码 :void Task Na me (void 3pdata f or (; ; 用户代码 ; /3调用 C /OS2II 的某些功能函数 : OSFlagPend ( ; OS M boxPend ( ; OS M utexPend ( ; OS QPend ( ; OSSe mPend ( ; OSTask

18、Del (OS-PR I O -SE LF ; OSTaskSus pend (OS-PR I O -SE LF ; OSTi m e D ly ( ; OSTi m e D lyHMS M ( ;用户代码 ; C级调度法 , 。4 结束语基于 AR M 微处理器进行相关的设计应用可 以提高系统性能 , 并使系统小型化 、 低成本而且具 有高可靠性 。 本文介绍的基于 AR M 的直流系统 接地故障检测系统的设计 , 构建了一个完整的硬 、 软件平台 , 在实际应用中取得了很好的效果 。【 参 考 文 献 】1 李冬辉 , 任晓栋 . 基于复值小波变换的直流系统接 地故障检测 J .中国电力

19、, 2003, 36(11 :1214. 2 Sa m sung Electr onics . S3C44B0X U ser Manual Z . 2000.3 AR M L i m ited . AR M7T DM IDatasheetZ.4 马忠梅 , 马广云 , 徐英慧 , 等 . AR M 微处理器结构与 应用基础 M.北京 :北京航空航天大学出版社 , 2002.5 Jean J Labr osse . C /OS2II 2源 码公开的实时嵌入式 操作系统 M.北京 :北京航空航天大学出版社 , 2003. M.北京 :清 , ., 蔡 旭 , 邵宝兰 . 微机直流系统绝缘监视装 置及测量方法的研究 J .电子测量与仪器学报 , 2000, 14(3 :3739.收稿日期 :2004207