文研究的嵌入式綜合數(shù)字繼電器是電力系統(tǒng)自動化的基礎(chǔ)硬件裝置，采用計算機技術(shù)、電力自動化技術(shù)、通信技術(shù)等多種*，集保護、測量、顯示、控制、監(jiān)測、通信等多種功能于一體，是構(gòu)成智能化開關(guān)柜的理想電器設(shè)備。

一、核心處理器的選擇

鑒于電力系統(tǒng)繼電保護的特點，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時必須能迅速判斷出故障并及時切斷故障電流，在系統(tǒng)正常工作時必須有能力及時處理大量實時動態(tài)數(shù)據(jù)，因而單元對硬件的實時性、快速性、準確性及多功能性要求很高。在以往的綜合數(shù)字繼電器設(shè)計中采用了In公司的16bit微處理器80C196KB作為CPU，主頻采用16MHz，計算控制以及開關(guān)量邏輯處理全部由該16bit單片機完成，從而計算速度和計算量受到一定限制。

而且由于中斷和任務(wù)種類較多，采用的是進程調(diào)度，成為了增加裝置功能和任務(wù)的一個瓶頸。為了對每個任務(wù)進行合理的資源分配，提高計算速度和精度，增加更多功能和任務(wù)，設(shè)計中選用基于ARM內(nèi)核32bit嵌入式高性能微處理器作為整個硬件設(shè)計的控制核心，并通過Altera公司的復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）來實現(xiàn)所有外部邏輯控制。

本文選取ATMEL公司AT91系列微控制器為核心進行設(shè)計。其優(yōu)點可歸結(jié)為：（1）集成了ARM7TDMIARM Thumb處理器內(nèi)核和嵌入式ICE接口，擁有高性能的32bitRISC體系結(jié)構(gòu)和高密度的16bit指令集，可通過JTAG接口方便地進行在線編程、下載及調(diào)試；（2）功耗低、指令速度快，主頻可達40MHz，是MIPS/Watt的者；（3）內(nèi)部數(shù)據(jù)總線32bit，單時鐘周期訪問，外部數(shù)據(jù)總線可編程實現(xiàn)8或16bit，zui大尋址空間達64MB，多個片選線；（4）32個可編程I/O口，3個16bit定時計數(shù)器，2個USART；（5）內(nèi)部工作寄存器很多，使其非常適用于實時控制?；谝陨线@些特點，使得ARM核控制器得到了廣泛的應(yīng)用。

為此，本文將ARM核控制器應(yīng)用在智能電器設(shè)計中，以滿足和提高系統(tǒng)的各種性能要求。在智能電器控制領(lǐng)域里，對于不同的實際應(yīng)用，其硬件結(jié)構(gòu)基本上相似，包括核心微處理器、模擬信號量的采集處理、外圍設(shè)備、開關(guān)量輸入輸出、按鍵顯示、通信接口等模塊。本文所介紹的該硬件平臺將包含所有這些部分，ARM微處理器作為核心器件執(zhí)行控制功能，CPLD則作為外部設(shè)備和接口的信息邏輯處理器，負責(zé)ARM微處理器與大部分外設(shè)和接口之間的信息傳遞。通過對CPLD的重復(fù)編程，可實現(xiàn)用于各種不同的控制場合。

二、硬件平臺總體結(jié)構(gòu)

本智能電器的整體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。由圖1可見，本系統(tǒng)以ARM微控制器為核心，外接有CPLD、電源、測量、通信、顯示、開關(guān)量輸入、輸出等模塊。以下針對其中一些主要模塊介紹本文設(shè)計思路與實現(xiàn)方案。

圖1　總體結(jié)構(gòu)原理圖

1．CPUzui小系統(tǒng)。為了滿足系統(tǒng)實時、快速、準確、多功能等要求，并盡量降低系統(tǒng)成本，選取AT91X40系列中的AT91M40800作為系統(tǒng)的MCU，它是AT91系列中的成員，包含了上述的該系列控制器的通有特性，是用于系統(tǒng)主控制器的理想通用微控制器。

由于AT91M40800片內(nèi)無ROM，片內(nèi)SRAM為8KB，要構(gòu)成zui小工作系統(tǒng)，還需外部擴展程序、數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器和地址譯碼器等電路。為解決該問題，外部擴展1片F(xiàn)lash（AT49LV4096A）作為程序存儲器，外部擴展2片RAM（IS61LV256AL）作為外部數(shù)據(jù)存儲器?？紤]到一些重要數(shù)據(jù)在掉電情況下不丟失，又外擴了1片EEPROM（AT24C16A）和2片掉電保護RAM（IS63LV1024L）作為外部掉電保護存儲器。zui小系統(tǒng)完成如下功能：將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量電壓信號和各路開關(guān)量信號按一定算法和邏輯判斷進行實時處理、判斷，并生成和傳送相應(yīng)的控制命令和各種信息到出口繼電器板、顯示屏以及通信端口上，并對異常情況迅速做出反應(yīng)，必要時控制執(zhí)行部分動作。

2．CPLD模塊。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器和地址譯碼器等一些數(shù)字邏輯處理和頻率測量功能都是通過外擴的1片ALTERA公司的CPLDEPM3256A來實現(xiàn)的。因此，幾乎所有外設(shè)與ARM控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括液晶顯示、開關(guān)量控制、串口與總線數(shù)據(jù)通信、AD實時采集數(shù)據(jù)等，都需通過CPLD編程實現(xiàn)，也對ARM處理器和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸起到了隔離作用。不僅大大減少了分立元件和總線的數(shù)量，簡化了設(shè)計，增加了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且在使用和配置上更為靈活，使硬件設(shè)備應(yīng)用到更多、更廣的控制場合。

3．AD采集模塊。電網(wǎng)的電壓和電流在經(jīng)過一次互感器變換后，為有效值100V、的模擬量，當(dāng)發(fā)生故障時瞬時保護電流可達150A。

本設(shè)計選用了無錫東升公司的超小型、高精密電流和電壓變換器。這種變換器動態(tài)范圍很寬，線性度為0.1%，補償后相移小于30min，絕緣耐壓達2500V，體積小，重量輕，可直接焊在印刷線路板上。通過測量用互感器和保護用互感器，可將二次電壓電流轉(zhuǎn)換成+5～-5V的弱電信號，再通過高精度的運算放大器進行信號調(diào)理和低通濾波，送入A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)成數(shù)字量，為微控制器處理計算提供數(shù)據(jù)源。本設(shè)計中，AD轉(zhuǎn)換芯片采用了2片MAX125，共16路采樣通道。ADC啟動信號及片選地址由CPU的CS5和地址線在CPLD中經(jīng)過邏輯處理后形成。2片ADC的中斷信號在CPLD中相“或”后相，形成中斷信號送到CPU的IRQ0（P9）中斷引腳上。

4．開關(guān)量輸入/輸出模塊。該設(shè)計共有24路開關(guān)量輸入，8個按鍵輸入，2個控制鎖，14路開關(guān)量輸出，8個指示燈，1個報警器。其中34路輸入通過1個由CPLD控制片選信號的緩沖器連接到CPU的總線上，從而確定1個I/O口地址，CPU通過訪問該地址就可以讀取輸入量的信息。14路開關(guān)量輸出通過CPLD編程可實現(xiàn)按位輸出，每路開關(guān)量都有相應(yīng)的訪問地址相對應(yīng)。8個指示燈通過ARM總線和經(jīng)過CPLD邏輯處理過的片選信號進行控制輸出。

5．溫度和實時時鐘模塊。按照遠動終端通用技術(shù)條件，饋線終端單元應(yīng)能將現(xiàn)場設(shè)備（如斷路器）的變位信息及時記錄下來，加上時間標志，并按時間順序顯示，即事件順序記錄功能SOE，這就要求裝置能提供實時時鐘；同時由于溫度是影響電子器件可靠性的一個主導(dǎo)因數(shù)，當(dāng)溫度超過一定范圍時，電子器件的性能就會受到影響甚至造成器件的損壞，這就要求能對裝置的溫度進行監(jiān)測，當(dāng)其超過一定的溫度時，裝置就發(fā)出高溫告警信號。本裝置采用了Dallas公司的溫度和實時時鐘芯片DS1629，具有寬電壓工作范圍和低功耗的特性，特別適合于用電池供電的時間和溫度的測量。其所有的通信都由1個標準的二線制串行接口來完成。

6．電源模塊。在電子裝置中，電源直接關(guān)系到裝置是否能夠正常工作，電源的品質(zhì)也影響著A/D轉(zhuǎn)換精度。由于開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬和模塊化等特點，以及裝置本身的要求，本裝置的電源采用了AC/DC的開關(guān)電源。其工作原理為：220V的交流輸入電壓經(jīng)過EMI濾波電路和電容濾波電路濾波后，送給后續(xù)的整流電路，經(jīng)過整流電路后得到一直流電壓，再由電流控制型脈寬調(diào)制器芯片UC3842來控制大功率晶體管IRFBF30不斷的導(dǎo)通和關(guān)斷，對直流電壓進行斬波，再通過高頻變壓器的降壓作用得到頻率為幾十赫茲的矩形波電壓，然后整流濾波后得到一比較平滑的直流電壓，再經(jīng)過穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓得到zui終要求的紋波電壓小的直流電壓，為整個裝置提供電源。通過控制晶體管IRFBF30的導(dǎo)通和關(guān)斷的占空比來達到控制輸出直流電壓的目的。其原理框圖如圖2所示。

                                        圖2　開關(guān)電源原理框圖

采用EMI濾波電路的作用有：（1）防止電源本身的電磁干擾脈沖通過傳導(dǎo)或輻射方式干擾公共線路上的其他電器設(shè)備；（2）防止公共線路上的電磁脈沖干擾電源本身的工作。同時鑒于電源電路的高可靠性，本電源電路還設(shè)有很多的保護電路，如采用壓敏電阻來進行交流側(cè)輸入電壓幅度的限制等。

本裝置的電源電路產(chǎn)生的電源電壓等級有：+24、±12、+5V。每種電壓對不同的模塊供電。電源轉(zhuǎn)換如圖3所示。另外，使用一個鈕扣電池作為掉電保護RAM的備用電源，在系統(tǒng)掉電后對其供電，保證了一些處理數(shù)據(jù)不丟失。

                                            圖3  電源轉(zhuǎn)換示意圖

7．測頻模塊。將模擬通道的一路信號經(jīng)過遲滯比較器之后生成一個方波信號，然后送入CPLD。先將頻率fx的待測信號進行二分頻后送入計數(shù)器，并用一個f0高頻信號作為計數(shù)器的時鐘信號進行計數(shù)，可得出一個計數(shù)值M。待測信號頻率fx可由下式得出。設(shè)每周波采樣點數(shù)是N，則采樣頻率fx為：

   （1）

   （2）

信號f0可采用主頻進行分頻得到，在本設(shè)計中，MCLK=32.768MHz，f0使用128分頻后的方波，即256kHz。M值通過數(shù)據(jù)線低13位送入ARM控制器。當(dāng)被測頻率是50Hz時，M=5120。理論上可測zui小頻率為32Hz，符合電網(wǎng)頻率測量范圍45Hz～55Hz的要求。在假定計數(shù)器時鐘信號*的前提下，測量頻率誤差為：

 （3）

式中，ΔM=±1，故測頻精度理論上在±0.01Hz以內(nèi)。通過實際測試，結(jié)果表明，頻率測量精度在±0.05Hz以內(nèi)，亦符合系統(tǒng)精度要求。當(dāng)然，還可在數(shù)據(jù)總線位數(shù)滿足條件下，通過提高計數(shù)器時鐘信號的頻率來達到提高頻率測量精度的目的。

8．通信模塊。本裝置通信有2路RS2485、2路CAN總線通信以實現(xiàn)功能單元同主控計算機之間的通信，從而實現(xiàn)主控計算機對裝置的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能。AT91M40800控制器集成有2個*相同的波特率可分別編程的全雙工通用同步/異步收發(fā)器（USART）。CAN總線通信采用Philips獨立CAN控制器SJA1000設(shè)計，其接口信號8根地址數(shù)據(jù)線和其余控制信號全部同CPLD相連接，ARM與CAN控制器之間的信息通過CPLD內(nèi)部的邏輯操作處理后傳送。因此，對于ARM控制器來說，對CAN操作，就等同于對一段存儲區(qū)進行一般的Memory操作，不僅簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計，更方便了軟件編程實現(xiàn)，并且隔離了ARM控制器地址數(shù)據(jù)總線與外部接口之間的相互干擾。

三、硬件平臺的EMC測試

ARM微控制器在進行復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)時，由于其內(nèi)部的多任務(wù)性和實時性，通常軟件設(shè)計中都會包括實時操作系統(tǒng)軟件（RTOS）和應(yīng)用程序的編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。本設(shè)計選用了比較成熟的μC/OS2II作為開發(fā)的實時操作系統(tǒng)，并進行了綜合數(shù)字繼電器應(yīng)用程序的編程、下載與調(diào)試?，F(xiàn)將該硬件平臺的測試性能做一總結(jié)，其抗*力測試結(jié)果如表1所示，均達到了工業(yè)標準。試驗表明，該裝置運行可靠，所有運行參數(shù)和結(jié)果均符合要求。

表1　抗*力測試試驗

四、結(jié)束語

隨著智能電器應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸拓寬和電力自動化領(lǐng)域的不斷發(fā)展，這種嵌入式通用綜合數(shù)字繼電器的應(yīng)用前景非常廣闊。而以ARM內(nèi)核微控制器和FPGA/CPLD配合使用的智能電器不僅滿足了用戶當(dāng)前以及未來對功能強大多樣、性能穩(wěn)定可靠、通用性強、使用和配置更為簡單靈活的要求，而且對于開發(fā)人員，既簡化了硬件電路設(shè)計，又方便了軟件編程和二次開發(fā)。本文的總體設(shè)計思想在智能電器設(shè)計中有一定的通用性，為ARM內(nèi)核嵌入式微控制器的應(yīng)用開辟了新的空間。