基于嵌入式的电网过电压采集系统设计_王治铃

第14卷 第3期重庆电力高等专科学校学报2009年8月V o.l 14 N o .3Jou rna l of Chongq i ng E l ec tric P o w er Co llegeAug .2009基于嵌入式的电网过电压采集系统设计收稿日期:2009-05-25作者简介:王治铃(1973-),助理工程师,研究方向:变电运行。

王治铃1,范 娟2,谢 旭1(1 重庆市电力公司江津供电局,重庆江津402260;2 重庆市电力公司南岸供电局,重庆400060)摘 要 介绍一种基于ARM 与CPLD 的电网过电压采集系统,该系统包括后台监控主机和前台数据采集单元两部分,采集单元实时采集电网过电压信号,并通过以太网将数据传给后台机。

该系统具有信号采集速度快、通信速度快、体积小、联网灵活方便、性价比高等优点。

关键词 嵌入式系统;以太网; C /O S - ;Lw IP中图分类号 TP29 文献标识码 A 文章编号 1008-8032(2009)03-0033-030 引言对电网过电压进行在线监测,获取实时电网过电压波形及其特征参数,并根据监测数据进行合适的绝缘配合设计,对保证电网安全运行具有重要意义。

目前国内外过电压采集系统大多采用基于工控机和通用采集卡的集中式监控,这种监控结构简单,技术成熟,但由于测量系统阻抗难以精确匹配,集中监控中过电压高频模拟信号要进行长距离传输,必然会造成信号衰减和畸变;且集中式监控扩展不够灵活、成本高。

本文提出了一种基于ARM 与CPLD 的电网过电压采集系统的设计方案,该系统具有技术先进、扩展方便、联网灵活等优点。

1 过电压在线监测系统总体结构本文提出的基于ARM 与CPLD 的电网过电压采集系统结构采用分布式分层结构,主要包括后台监控主机和前台过电压采集单元两大部分。

监控主机主要用于过电压信号的数据接收、计算处理、存储、以及智能诊断等;数据采集单元包括监控模块和采集模块两部分,处于现场高压母线分压器附近,用于不同等级的电网过电压信号实时采集录波,其数量由被监测的电压回路数目决定。

为了保证数据传输的实时性、稳定性,后台监控主机与数据采集单元采用以太网进行数据交换。

图1为采集系统总体结构图。

2 过电压数据采集单元硬件设计采集单元采用模块化设计,主要包括采集模块与监控模块两个部分。

采集模块采用高性能的图1 监测系统的总体结构图CPLD 芯片作为数据采集的控制核心,实现过电压信号的高速实时采集;监控模块采用高性能ARM 处理器作为处理CP U,负责过电压故障数据的读取与传输。

为了便于控制和扩展,将采集模块作为CPU 的一个外部I /O 器件,ARM 处理器通过其外部总线接口与采集模块进行数据交换。

过电压采集单元的硬件结构框图如图2所示。

图2 过电压采集单元的硬件结构框图2 1 采集模块硬件设计由于电网系统为三相电压输入,因此本文的采集模块设计为三通道高速并行采样,最高采样频率为40MH z ,单通道的存储深度为256k 字;模数转换器采用12位流水线型高速芯片ads807,最大转化速率为53M 。

采集部分的核心器件CPLD 选用AL -TERA 公司的EP M 3256ATC144,实现时钟/时序控制、触发逻辑控制、A /D 采样控制、数据存储、计算机命令译码等功能。

当电网出现过电压信号,CPLD 检测到外部触发信号时,立即启动三路A /D 进行同步采样,采样结束后,通过中断通知CP U 来读取数据。

2 2 监控模块硬件结构介绍监控模块主要包括CP U 器件、存储电路、实时时钟电路、网络接口和其他一些外围器件。

CP U 采用NXP 公司推出的基于ARM 7TDM I 内核的16/32位R I SC 处理器LPC2214,功能强大,内置PLL 锁相环可以设置CP U 的工作频率达60MH z ,内部带256kB FLAS H 和16kB RAM 。

为了移植嵌入式操作系统和嵌入式TCP /I P 协议栈,设计中外扩了256k 字的SRAM 。

CF 卡是一种基于闪存技术的通用存储器件,具有存取速度快、体积小、重量轻、功耗小、抗冲击能力强、可靠性高等优点。

采集单元使用512M B 的C o mpactFlash(CF)卡作为存储媒体,用于存储过电压信号。

设计中使用CF 卡的T r ue I DE 模式与ARM 处理器接口,由于LPC2214的总线时序与CF 的操作时序不一致,因此设计中要进行时序转换。

网络控制芯片选用10/100M 自适应芯片DM 9000A,该芯片具有集成度高、功能强大、体积小、性价比高等优点,非常适用于嵌入式系统设计。

为了提高网络工作效率,网卡控制器采用16位模式,16位数据总线直接与CPU 数据总线相连,片选信号CS 由译码电路产生,命令/数据使能端C M D 与ARM 的地址线A2相连,读写控制信号分别与ARM 的读写控制器相连。

由于复位信号P WRST 与处理器的复位信号nRST 同为低电平有效,因此可将这两个引脚相连,这样在系统上电复位处理器的同时也对网络控制器进行硬件复位。

网络控制接口电路如图3所示。

图3 网络控制接口示意图3 CPLD 内部功能逻辑设计CPLD 是采集模块的核心器件,主要实现电网过电压信号的高速实时采集录波以及同监控单元数据交换,其内部功能逻辑模块可分为计算机接口模块、时钟模块、A /D 控制与数据存储控制模块。

3 1 计算机总线接口模块系统上电时,监控模块要对采集模块进行初始化操作;当采集模块完成一次数据采集后,监控模块读取对应的采集模块中的数据后并启动采集模块进行下一次采样。

监控对采集模块的操作共有16种读写命令,计算机总线接口模块主要是对CP U 命令进行译码并根据CPU 命令决定进行何种操作。

接口模块主要由译码电路和参数存储电路组成。

3 2 时钟模块时钟模块是产生A /D 采样时钟和RAM 写地址发生器的工作时钟信号。

时钟模块的输入为外部晶振,其频率为40MH z ,CPLD 内部设计了分频电路,将外部的40M 晶振分频成16档,最高40MH z ,最低为500H z ,其中分频系数由监控模块决定,每一个分频系数决定了一个分频时钟,CPLD 根据CPU 的命令进行相应的分频操作产生要求的控制时钟信号。

3 3 A /D 转换与数据存储控制模块A /D 转换与数据存储控制模块主要有A /D 转换控制、RAM 读、写地址发生器逻辑电路组成。

其中A /D 转换时钟和RAM 写地址发生器时钟由CPLD 内部时钟模块产生,RAM 读地址发生器时钟由计算机读数据命令产生,每一个读命令对应一个读地址时钟脉冲。

在进行每点采样的同时,CPLD 同步提供RAM 有效的地址信号和写信号,把每次的结果直接存到RAM,且自动递增RAM 地址。

本文中将RAM 作为一个环形缓存区,当A /D 转换的数据采样点数超过存储器的最大容量,新数据会由零地址起覆盖旧数据,若CPLD 没有收到外部触发信号,这个过程是周而复始的。

如果CPLD 接收到外部触发信号,立即启动其内部一个计数器进行计数,当计数器计数到整个内存的最大长度值时,即表明存储器存满后,停止采样,通知CP U 读取数据。

4 AR M 监控程序设计ARM 监控模块主要功能是对采集模块的参数控制、故障数据的读取与存储以及同上位机以太网通信,它是整个采集单元的管理核心。

AR M 监控程序设计主要包括实时操作系统 C /OS- 的移植,嵌入式TCP /I P 协议栈Lw I P 的移植和相关的应用程序设计。

4 1 实时操作系统 C /OS - 的移植C /OS - 是一个可移植、固化、裁减的占先式34重庆电力高等专科学校学报 第13卷实时多任务管理的内核,其内核小、结构简单、代码量少、效率高,可移植性强,已被相关机构证实具有很强的稳定性和可靠性,并且由于其极小的内核,特别适用于对程序代码存储空间要求极其敏感的嵌入式系统开发。

虽然 C/OS- 在设计时,就考虑到了在不同的处理器上移植问题,但要将它移植到LPC2214上,还需要用户自己修改部分程序代码。

在ADS1 2下的实际移植工作需要修改与处理器和编译器相关的部分文件,即OS_CP U.H、OS_CPU_C.C和OS_ CP U_A.AS M,具体的有以下三个方面:(1)设置OS_CP U.H文件中与处理器和编译器相关的代码,包括一系列数据类型的定义,开中断宏、关中断宏的实现,定义堆栈的生长方向。

(2)用C语言编写OS_CPU_C.C文件中与操作系统相关的函数,有初始化任务的堆栈结构函数OSTaskStkInit()和5个H ook函数:OSTaskCreate-H ook()、OSTaskDeH l ook()、OSTaskSwH ook()、OS-TaskStat H ook()、OST ick H ook()。

(3)修改OS_CP U_A.AS M文件中与处理器相关的4个函数:运行优先级最高的就绪任务函数OSStart H i g hRdy(),任务级的任务切换函数OS_ TASK_S W(),中断级的任务切换函数OSI ntCtxSw (),时钟节拍服务函数OST ickISR()。

这部分代码是对处理器的内部存器进行操作,所以必须用汇编语言来编写。

4 2 嵌入式TCP/I P协议栈Lw IP的移植Lw I P是瑞典计算机科学院(Sw ed ish Institute o f C o mpu ter Science)的Ada mDunke ls等人开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/I P协议栈。

Lw I P可以移植到操作系统上,也可以在无操作系统的情况下独立运行。

Lw I P TCP/I P实现的重点是在保持TCP/I P协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用,这使Lw I P协议栈适合在对存储空间特别敏感的低端嵌入式系统中使用。

在 C/OS- 操作系统下移植Lw I P主要工作有以下几点:(1)修改头文件中一些与CPU和C编译器相关的定义,主要有数据长度、CP U存储字的高低位顺序以及结构体对齐处理。

(2)修改与操作系统相关的部分,主要有信号量、消息邮箱和定时机制等相关的结构体和函数等。

(3)编写网卡驱动程序部分,主要有网卡初始化、网卡接收数据、网卡发送数据以及网卡中断处理函数。

4 3 应用程序的编写当移植好操作系统和Lw I P协议栈后,就可以编写上层应用程序。

按照模块化设计思想将应用程序按照功能划分为5个任务,分别为Lw ip初始化任务TaskLw ipI n it、采集单元控制任务TaskAdContro l、CF 卡控制任务TaskCFContro l、实时时钟读写任务TaskRTCContro l、TCP客户端通信任务TcpC lient。