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.docx
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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
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低压电器（2005№
2
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ARM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ARM7TDMI内核的S3C44B0X芯片的结构、片上资源和功能的基础上,提出了基于ARM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:
TP274 文献标识码:
A 文章编号:
100125531（20050220055204
DesignandImplementofDCSystemGroundingFaultDetectingDeviceBasedLIDong2w
forgroundingfaultdetectingdevicesweremostlydesignedbasedonSCM,
whichlimtheusingofadvancedalgorithm.Sotheycouldn’tsolvetheproblemsofbiggroundingcapacitanceandringnetinDCsystem.Forthis,afterexpatiatingthestructure,resourcesonchipandfunctionsofS3C44B0XbasedonARM7TDMICPUcore,adesignofDCsystemgroundingfaultingdetectingdevicebasedonARMmicropro2ssesorwaspresented,wherethedetectingmethodbasedonwaveletwasrealized.Theexperimentsprovethatthedesigncansolvethoseproblemseffectively.
Keywords:
DCsystem;embeddedsystem;microprossesor;groundingfault;algorithm
3基金项目:
天津市自然科学基金资助项目（033601511
0 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ARM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Sam2
sung公司的S3C44B0X微处理器。
S3C44B0X采用0.25μmCMOS工艺和总线结构SAMBAII（Sa2msungARMCPU嵌入式控制器总线结构,其CPU核采用ARM公司的ARM7TDMIRISC结构,
特别适合于低成本、低功耗应用。
ARM7TDMI系统扩充包括Thumb协处理器、片上ICE中断调试支持和32bit乘法器。
S3C44B0X通过在ARM7TDMI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:
（18个MemoryBanks。
用于管理外部存储
—
55
—
低压电器（2005№2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
器,最大存储容量达到256MB。
可外扩EPROM、SDRAM、Flash、USB和LCD。
每个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/EDO/SDRAM等。
（2LCD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。
（32路UART口。
最高传输速率为115.2kb/s、支持IrDA1.0,可用于红外通信。
（45路PWM调制输出。
控制蜂鸣器输出不同声音,以提示系统各类信息。
（571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。
（68路10bitA/D转换器。
检测。
（7
时间。
（8内置的PLL锁相环。
设置系统工作频率,最高可达66MHz。
（94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。
（1S3C44B0X主控单元包括S3C44B0X芯片、2MB的线性Flash（选用SST39VF160、16MB的SDRAM（选用HY57V641620、16MB的非线性Flash（选用KM29U128T、JTAG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。
（3LCD用于显示相关信息和功能选择菜单,在此选择EPSON公司的TCM2A0902,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
（Philips公司的PDIUSBD12芯片扩展USB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
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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。
μC/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,μC/OS2II提供的仅仅是一个任务调度的内核,需要在其基础上扩展成实用的RTOS。
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:
①监视;②报警;③启动低频信号源;④低频电压采样,并计算其幅值和初始相位;⑤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;⑥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RTOS3所示
。
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OSInit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RTOS。
主函数示意性代码如下:
voidmain（void
{
对各种软硬件进行初始化;
OSInit（;/3初始化RTOSOSTaskCreat（;
…/3创建用户任务OSStart（;/3开始多任务调度}
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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:
voidTaskName（void3pdata
{
for（;;
{
用户代码;
/3调用μC/OS2II的某些功能函数:
OSFlagPend（;
OSMboxPend（;
OSMutexPend（;
OSQPend（;
OSSemPend（;
OSTaskDel（OS
-
PRIO-SELF;
OSTaskSuspend（OS
-
PRIO-SELF;
OSTimeDly（;
OSTimeDlyHMSM（;
用户代码;
}
}
C
级调度法,。
4 结束语
基于ARM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ARM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,2003,36（11:
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北京航空航天大学出版社,2002.
[5] JeanJLabrosse.μC/OS2II2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:
37~39.
收稿日期:
2004207222
（上接第37页
司的LabVIEW编制,加快了开发进度,改善了人机界面。
上位机程序主要负责发送试验参数数据给下位机控制采集子模块,并通过CAN适配卡与下位机通信,获取各测量点的传感器的状态信息,同时接收测量数据,对数据进行分析处理,绘制蠕变量2时间曲线,生成、打印检测结果报表。
3 结束语
蠕变量试验机测量系统经安装调试已成功实现了监测功能。
试验考核表明,系统运行稳定、可靠,采用基于CAN总线的网络监控方式是可行的,具有配置灵活简单、成本低、可靠性高、抗干扰能力强和可扩充性好等优点。
同时,能简化系统安装调试及日常维护的工作量,在数据传输量不太大的情况下具有很好的适应性。
CAN总线技术作为一项全新的自动化测控技术,借助简单的总线连接就可廉价替代传统自动化测控系统所需的繁杂硬件连线,且可靠性高,在自动化领域将有广阔的应用前景。
【参考文献】
[1] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:
北京航空航天大学出版社,1996.
[2] 刘和平,严利平.TMS320LF240XDSP结构,原理及应用[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2002.[3] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:
清华大学出版社,1999.
收稿日期:
2004209212
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