基于ARM和DSP的微機(jī)線路保護(hù)裝置

張小偉

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

隨著微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)向多功能及網(wǎng)絡(luò)化方向的發(fā)展，通常系統(tǒng)采用的單片機(jī)、DSP這些處理器已經(jīng)不能完全滿足需求。因此，在設(shè)計(jì)新的微機(jī)保護(hù)裝置時(shí)，有必要選用高性能、低成本的微處理器。本文提出以ARM9微處理器S3C2410為核心控制器，并結(jié)合DSP組成雙CPU架構(gòu)模式設(shè)計(jì)了針對(duì)35kV及以下的微機(jī)線路保護(hù)裝置，提供三段式電流和電壓方向保護(hù)、小電流接地選線、三相一次重合閘、過負(fù)荷、后加速、零序過電流等保護(hù)功能，并且該裝置采用以太網(wǎng)通信的機(jī)制和上位機(jī)進(jìn)行通信［1］。

1 設(shè)計(jì)方案的確定

目前，國內(nèi)市場(chǎng)上的線路保護(hù)裝置也層出不窮，研究開發(fā)部門以及生產(chǎn)廠商很多，線路保護(hù)的CPU一般采用單片機(jī)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€型結(jié)構(gòu)，這樣的缺點(diǎn)是與節(jié)點(diǎn)相連的通信電纜一旦發(fā)生故障則保護(hù)裝置可能失去作用。而基于DSP的線路保護(hù)裝置的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)采集與處理速度較快，實(shí)時(shí)性高，同時(shí)具有很高的性價(jià)比；但缺點(diǎn)是與站級(jí)通信也采用DSP處理器，使用RS－485、控制器局部網(wǎng)（CAN）總線方式，這就不適應(yīng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中過程層與間隔層、間隔層與變電站層間的通信方式——標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)方式。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，線路保護(hù)裝置也不斷地向嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方向發(fā)展，這對(duì)線路保護(hù)裝置整套硬件的小型化、一體化、高指標(biāo)、高性能化提供了很大的擴(kuò)展空間。本文在參考了典型的線路保護(hù)測(cè)試裝置后，提出了一種基于DSP和嵌入式系統(tǒng)的雙CPU的線路保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方法，使得該保護(hù)裝置性能指標(biāo)優(yōu)化、通信高速穩(wěn)定、交互界面友好直觀、功能更加強(qiáng)大、升級(jí)更加方便。

該線路保護(hù)裝置以ARM9作為上位機(jī)核心硬件平臺(tái)，以TI公司DSP TMS320F2812為下位機(jī)核心通信控制器，ARM處理器作為主CPU用于與變電站級(jí)的通信，DSP則主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、邏輯判斷，有效地保證了線路保護(hù)的可靠性、選擇性及速動(dòng)性，并在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行濾波，記錄故障數(shù)據(jù)以供分析，兩者通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳輸，配合完成線路保護(hù)的任務(wù)。軟件部分則基于Linux操作系統(tǒng)，完成Linux系統(tǒng)及應(yīng)用程序的移植。

2 線路保護(hù)硬件的設(shè)計(jì)

根據(jù)前面所確定的設(shè)計(jì)方案，保護(hù)裝置的硬件構(gòu)架就是DSP＋ARM的雙CPU結(jié)構(gòu)，DSP處理器則是利用自身運(yùn)算速度快、擅長數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、邏輯判斷，ARM處理器作為主CPU用于與主站級(jí)的通信。

裝置的總體結(jié)構(gòu)電路除了ARM、DSP微處理器外還有一些外圍模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝置的硬件結(jié)構(gòu)

經(jīng)過電壓、電流互感器變換后產(chǎn)生的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行二次電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）變換，即將100V、5A的二次電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成＋5V～－5V的弱電信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（A／D），在DSP內(nèi)完成各種數(shù)值運(yùn)算，并把結(jié)果送入ARM處理單元，確定待保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過帶有觸摸屏功能的液晶顯示器（LCD）進(jìn)行人機(jī)交互，并通過以太網(wǎng)通信接口連接到遠(yuǎn)程上位機(jī)，可對(duì)該保護(hù)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。如判斷有故障，DSP發(fā)出跳閘動(dòng)作信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部保護(hù)器件斷開電路以保護(hù)系統(tǒng)。

2.1 DSP部分硬件設(shè)計(jì)

DSP部分主要完成對(duì)狀態(tài)量、模擬量、脈沖量等變電站內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、分析計(jì)算以及各種保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)，邏輯判斷輸出和故障時(shí)濾波等功能。

2.1.1 信號(hào)調(diào)理電路

這里的調(diào)理是針對(duì)諸如線路電壓、電流等遙測(cè)模擬信號(hào)，將CT、PT二次測(cè)得的大電壓、大電流轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓送到A／D模塊。

2.1.2 A／D模塊

本裝置采用14位的A／D模塊MAX125，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換端接2812的定時(shí)器比較輸出，每隔采樣點(diǎn)時(shí)間輸出下降沿啟動(dòng)A／D。MAX125轉(zhuǎn)換結(jié)束會(huì)產(chǎn)生中斷，2812則在中斷程序中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)采集一個(gè)周期后進(jìn)行N＝128點(diǎn)的快速傅里葉變換（FFT）計(jì)算。

2.1.3 光電隔離模塊

為了有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，本裝置在開關(guān)量輸入時(shí)使用光電隔離電路，把驅(qū)動(dòng)電路和控制電路之間驅(qū)動(dòng)信號(hào)和控制信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)不同電壓之間的信號(hào)傳輸。為了給DSP應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)留有更多的空間，裝置還外擴(kuò)了一塊RAM以保存臨時(shí)數(shù)據(jù)。

2.2 ARM部分硬件設(shè)計(jì)

ARM部分主要完成與牽引變電站的通信、鍵盤按鍵處理、系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)、液晶顯示及部分?jǐn)?shù)值的初始化整定等功能［2］。

2.2.1 RS－232串行模塊

目前RS－232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS－232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)需要通過該串口下載程序或者進(jìn)行串行通信。系統(tǒng)中采用RS－232的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)串口的通信。在這里RS－232接口主要是用于初始化整定數(shù)值的設(shè)定和系統(tǒng)維護(hù)的人機(jī)接口。

2.2.2 液晶顯示（LCD）模塊

LCD模塊選用 MG－12232－5，液晶控制器組成的邏輯轉(zhuǎn)換液晶圖像數(shù)據(jù)從一個(gè)位于系統(tǒng)內(nèi)存的視頻緩沖器到外部LCD驅(qū)動(dòng)器。液晶控制器支持單色，采用2位每像素（4級(jí)灰度）或4位每像素模式的單色液晶顯示屏，使用基于時(shí)間的抖動(dòng)算法和幀速率控制方法，它可以連接帶有彩色液晶顯示屏上的8位每像素和12位每像素接口與液晶顯示器。該LCD控制器可以編程，以支持不同的要求（屏幕上的橫向和縱向像素，數(shù)據(jù)線寬度的數(shù)據(jù)接口，接口時(shí)間和刷新率）。

2.2.3 DSP與 ARM 的通信

在同一個(gè)線路保護(hù)系統(tǒng)中，DSP與ARM需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換和信息傳輸。為了確保ARM能夠?qū)崟r(shí)顯示各種信息，DSP必須定時(shí)將采集到的電流值、電壓值和時(shí)間信息傳送給ARM；ARM必須及時(shí)地將用戶通過鍵盤設(shè)置的信息傳給DSP，使DSP可以用做計(jì)算和判斷。而這些功能通過雙口RAM這樣一種性能優(yōu)越的快速通信器件來實(shí)現(xiàn)［3］。

在本設(shè)計(jì)中，采用美國IDT公司開發(fā)的高速256kb的高速靜態(tài)雙口RAM IDT70261PF。它可允許2個(gè)端口同時(shí)進(jìn)行高速讀寫數(shù)據(jù)，每個(gè)端口具有自己獨(dú)立的控制信號(hào)線、地址線和數(shù)據(jù)線，可高速存取數(shù)據(jù)，最快存取時(shí)間為15ns，可與大多數(shù)高速處理器配合使用，而無需插入等待狀態(tài)。IDT70261PF除具有雙端口存取功能外，還具有標(biāo)識(shí)器功能，在數(shù)據(jù)傳送時(shí)可構(gòu)成多種接口形式。

2.2.4 其他模塊電路

小鍵盤電路主要由ARM的I／O口、八相反相緩沖器74LS240、鎖存器74LS273以及一些上拉電阻組成，采用DS12887芯片構(gòu)成外部時(shí)鐘電路。邊界掃描技術(shù)（JTAG）仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過ARM芯片上的JTAG邊界掃描口進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備，JTAG接口主要是在系統(tǒng)程序調(diào)試時(shí)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)仿真。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 ARM軟件結(jié)構(gòu)

ARM部分軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由嵌入式操作系統(tǒng)Linux、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序組成。Linux具有性能穩(wěn)定、良好的移植性、對(duì)各種文件系統(tǒng)廣泛支持以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的應(yīng)用程序接口（API）等。應(yīng)用程序直接在Linux上編寫，主要包括3個(gè)部分：以太網(wǎng)通信程序、雙口RAM讀寫程序和按鍵處理程序。硬件初始化就在Linux啟動(dòng)中完成，但讀系統(tǒng)時(shí)鐘則作為操作系統(tǒng)的一個(gè)線程運(yùn)行［4］。

3.2 DSP軟件結(jié)構(gòu)

圖2 ARM部分軟件結(jié)構(gòu)

DSP部分軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括DSP硬件初始化、軟件遙測(cè)（YC）采樣、測(cè)頻、諧波快速傅里葉變換（FFT）分析、保護(hù)算法以及遙控（YK）輸出等，主要完成數(shù)據(jù)采集、饋線保護(hù)邏輯判斷及故障數(shù)據(jù)記錄等功能。

本裝置保護(hù)軟件充分利用DSP強(qiáng)大的中斷功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。程序啟動(dòng)時(shí)先寫入定時(shí)采樣時(shí)間，工頻時(shí)為0.02s，然后通過軟件進(jìn)行測(cè)頻實(shí)現(xiàn)跟蹤頻率的變化。

利用同步采樣消除頻域中柵欄效應(yīng)，加漢寧窗來減少能量泄漏，每周期采樣128點(diǎn)進(jìn)行FFT變換足以算出電力系統(tǒng)中高次諧波。啟動(dòng)元件采用相電流差突變量方式，只有在裝置連續(xù)采樣32點(diǎn)以上才允許保護(hù)裝置輸出動(dòng)作信號(hào)。

圖3 DSP部分軟件設(shè)計(jì)框圖

本牽引變電所所采用的保護(hù)方式包括電流保護(hù)和距離保護(hù)，電流保護(hù)為電流速斷、限時(shí)電流速斷和過電流保護(hù)的三段式電流保護(hù)。

按照飽和磁通為1.4倍的額定磁通幅值時(shí)合閘電流的大小，采用15%的制動(dòng)比整定值來躲開勵(lì)磁涌流，而阻抗元件為了有較好地躲過系統(tǒng)振蕩能力和提高允許過渡電阻的能力，裝置采用帶偏移特性的多邊形方向阻抗特性，充分考慮了過渡電阻以及由其引起的附加測(cè)量阻抗。

當(dāng)雙保護(hù)輸出有效即判斷有饋線故障時(shí)，延時(shí)返回后記錄故障前10個(gè)周波的數(shù)據(jù)的有效值，并逐次錄下故障后的10個(gè)周波的數(shù)據(jù)。本裝置采用改進(jìn)的傅里葉算法為饋線保護(hù)的采樣算法，采用Matlab仿真的故障電流波形如圖4所示。

裝置采用電流、距離雙保護(hù)，以距離保護(hù)為主保護(hù)，以電流保護(hù)作為輔保護(hù)和后備保護(hù)，保護(hù)電氣化鐵路牽引變電所饋線的整個(gè)線路。

4 結(jié)束語

由實(shí)驗(yàn)知，ARM9微處理器S3C2410與DSP構(gòu)成的雙CPU模式微機(jī)線路保護(hù)裝置充分發(fā)揮了嵌入式ARM處理器強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能和DSP的高效數(shù)字信號(hào)處理能力，不僅能達(dá)到微機(jī)保護(hù)可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性的基本要求，而且硬件平臺(tái)具有運(yùn)行速度快、功耗低、人機(jī)界面友好、通信接口多等優(yōu)點(diǎn)，完全可以替代以往單CPU構(gòu)成的微機(jī)線路保護(hù)裝置。

圖4 故障電流仿真波形

［1］于群，曹娜.電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］孫天澤，袁文菊，張海峰.嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)指南——基于ARM9處理器［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］劉斌，李仲陽.ARM／DSP雙核系統(tǒng)的通信接口設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005，53（5）：22－24.

［4］吳明暉，徐睿，黃健.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2004.