本文研究的嵌入式综合数字继电器是电力系统自动化的基础硬件装置，采用计算机技术、电力自动化技术、通信技术等多种高新技术，集保护、测量、显示、控制、监测、通信等多种功能于一体，是构成智能化开关柜的理想电器设备。 一、核心处理器的选择 鉴于电力系统继电保护的特点，在系统出现故障时必须能迅速判断出故障并及时切断故障电流，在系统正常工作时必须有能力及时处理大量实时动态数据，因而单元对硬件的实时性、快速性、准确性及多功能性要求很高。在以往的综合数字继电器设计中采用了Intel公司的16bit微处理器80C196KB作为CPU，主频采用16MHz，计算控制以及开关量逻辑处理全部由该16bit单片机完成，从而计算速度和计算量受到一定限制。 而且由于中断和任务种类较多，采用的是进程调度，成为了增加装置功能和任务的一个瓶颈。为了对每个任务进行合理的资源分配，提高计算速度和精度，增加更多功能和任务，设计中选用基于ARM内核32bit嵌入式高性能微处理器作为整个硬件设计的控制核心，并通过Altera公司的复杂可编程逻辑器件（CPLD）来实现所有外部逻辑控制。 本文选取ATMEL公司AT91系列微控制器为核心进行设计。其优点可归结为：（1）集成了ARM7TDMIARM Thumb处理器内核和嵌入式ICE接口，拥有高性能的32bitRISC体系结构和高密度的16bit指令集，可通过JTAG接口方便地进行在线编程、下载及调试；（2）功耗低、指令速度快，主频可达40MHz，是MIPS/Watt的领先者；（3）内部数据总线32bit，单时钟周期访问，外部数据总线可编程实现8或16bit，最大寻址空间达64MB，多个片选线；（4）32个可编程I/O口，3个16bit定时计数器，2个USART；（5）内部工作寄存器很多，使其非常适用于实时控制。基于以上这些特点，使得ARM核控制器得到了广泛的应用。 为此，本文将ARM核控制器应用在智能电器设计中，以满足和提高系统的各种性能要求。在智能电器控制领域里，对于不同的实际应用，其硬件结构基本上相似，包括核心微处理器、模拟信号量的采集处理、外围设备、开关量输入输出、按键显示、通信接口等模块。本文所介绍的该硬件平台将包含所有这些部分，ARM微处理器作为核心器件执行控制功能，CPLD则作为外部设备和接口的信息逻辑处理器，负责ARM微处理器与大部分外设和接口之间的信息传递。通过对CPLD的重复编程，可实现用于各种不同的控制场合。 二、硬件平台总体结构 本智能电器的整体结构原理如图1所示。由图1可见，本系统以ARM微控制器为核心，外接有CPLD、电源、测量、通信、显示、开关量输入、输出等模块。以下针对其中一些主要模块介绍本文设计思路与实现方案。 图1 总体结构原理图 1．CPU最小系统。为了满足系统实时、快速、准确、多功能等要求，并尽量降低系统成本，选取AT91X40系列中的AT91M40800作为系统的MCU，它是AT91系列中价格最低的成员，包含了上述的该系列控制器的通有特性，是用于系统主控制器的理想通用微控制器。 由于AT91M40800片内无ROM，片内SRAM为8KB，要构成最小工作系统，还需外部扩展程序、数据存储器、数据锁存器、缓冲器和地址译码器等电路。为解决该问题，外部扩展1片Flash（AT49LV4096A）作为程序存储器，外部扩展2片RAM（IS61LV256AL）作为外部数据存储器。考虑到一些重要数据在掉电情况下不丢失，又外扩了1片EEPROM（AT24C16A）和2片掉电保护RAM（IS63LV1024L）作为外部掉电保护存储器。最小系统完成如下功能：将A/D转换后的数字量电压信号和各路开关量信号按一定算法和逻辑判断进行实时处理、判断，并生成和传送相应的控制命令和各种信息到出口继电器板、显示屏以及通信端口上，并对异常情况迅速做出反应，必要时控制执行部分动作。 2．CPLD模块。本系统的数据锁存器、缓冲器和地址译码器等一些数字逻辑处理和频率测量功能都是通过外扩的1片ALTERA公司的CPLDEPM3256A来实现的。因此，几乎所有外设与ARM控制器之间的数据传输，包括液晶显示、开关量控制、串口与总线数据通信、AD实时采集数据等，都需通过CPLD编程实现，也对ARM处理器和外部设备之间的数据传输起到了隔离作用。不仅大大减少了分立元件和总线的数量，简化了设计，增加了整个系统的稳定性和可靠性，而且在使用和配置上更为灵活，使硬件设备应用到更多、更广的控制场合。 3．AD采集模块。电网的电压和电流在经过一次互感器变换后，为有效值100V、5A的模拟量，当发生故障时瞬时保护电流可达150A。 本设计选用了无锡东升公司的超小型、高精密电流和电压变换器。这种变换器动态范围很宽，线性度为0.1%，补偿后相移小于30min，绝缘耐压达2500V，体积小，重量轻，可直接焊在印刷线路板上。通过测量用互感器和保护用互感器，可将二次电压电流转换成+5～-5V的弱电信号，再通过高精度的运算放大器进行信号调理和低通滤波，送入A/D转换电路转成数字量，为微控制器处理计算提供数据源。本设计中，AD转换芯片采用了2片MAX125，共16路采样通道。ADC启动信号及片选地址由CPU的CS5和地址线在CPLD中经过逻辑处理后形成。2片ADC的中断信号在CPLD中相“或”后相，形成中断信号送到CPU的IRQ0（P9）中断引脚上。 4．开关量输入/输出模块。该设计共有24路开关量输入，8个按键输入，2个控制锁，14路开关量输出，8个指示灯，1个报警器。其中34路输入通过1个由CPLD控制片选信号的缓冲器连接到CPU的总线上，从而确定1个I/O口地址，CPU通过访问该地址就可以读取输入量的信息。14路开关量输出通过CPLD编程可实现按位输出，每路开关量都有相应的访问地址相对应。8个指示灯通过ARM总线和经过CPLD逻辑处理过的片选信号进行控制输出。 5．温度和实时时钟模块。按照远动终端通用技术条件，馈线终端单元应能将现场设备（如断路器）的变位信息及时记录下来，加上时间标志，并按时间顺序显示，即事件顺序记录功能SOE，这就要求装置能提供实时时钟；同时由于温度是影响电子器件可靠性的一个主导因数，当温度超过一定范围时，电子器件的性能就会受到影响甚至造成器件的损坏，这就要求能对装置的温度进行监测，当其超过一定的温度时，装置就发出高温告警信号。本装置采用了Dallas公司的温度和实时时钟芯片DS1629，具有宽电压工作范围和低功耗的特性，特别适合于用电池供电的精确时间和温度的测量。其所有的通信都由1个标准的二线制串行接口来完成。 6．电源模块。在电子装置中，电源直接关系到装置是否能够正常工作，电源的品质也影响着A/D转换精度。由于开关电源具有体积小、重量轻、效率高、自身抗干扰性强、输出电压范围宽和模块化等特点，以及装置本身的要求，本装置的电源采用了AC/DC的开关电源。其工作原理为：220V的交流输入电压经过EMI滤波电路和电容滤波电路滤波后，送给后续的整流电路，经过整流电路后得到一直流电压，再由电流控制型脉宽调制器芯片UC3842来控制大功率晶体管IRFBF30不断的导通和关断，对直流电压进行斩波，再通过高频变压器的降压作用得到频率为几十赫兹的矩形波电压，然后整流滤波后得到一比较平滑的直流电压，再经过稳压器的稳压得到最终要求的纹波电压小的直流电压，为整个装置提供电源。通过控制晶体管IRFBF30的导通和关断的占空比来达到控制输出直流电压的目的。其原理框图如图2所示。 图2 开关电源原理框图 采用EMI滤波电路的作用有：（1）防止电源本身的电磁干扰脉冲通过传导或辐射方式干扰公共线路上的其他电器设备；（2）防止公共线路上的电磁脉冲干扰电源本身的工作。同时鉴于电源电路的高可靠性，本电源电路还设有很多的保护电路，如采用压敏电阻来进行交流侧输入电压幅度的限制等。 本装置的电源电路产生的电源电压等级有：+24、±12、+5V。每种电压对不同的模块供电。电源转换如图3所示。另外，使用一个钮扣电池作为掉电保护RAM的备用电源，在系统掉电后对其供电，保证了一些处理数据不丢失。 图3 电源转换示意图 7．测频模块。将模拟通道的一路信号经过迟滞比较器之后生成一个方波信号，然后送入CPLD。先将频率fx的待测信号进行二分频后送入计数器，并用一个f0高频信号作为计数器的时钟信号进行计数，可得出一个计数值M。待测信号频率fx可由下式得出。设每周波采样点数是N，则采样频率fx为： （1） （2） 信号f0可采用主频进行分频得到，在本设计中，MCLK=32.768MHz，f0使用128分频后的方波，即256kHz。M值通过数据线低13位送入ARM控制器。当被测频率是50Hz时，M=5120。理论上可测最小频率为32Hz，符合电网频率测量范围45Hz～55Hz的要求。在假定计数器时钟信号无误差的前提下，测量频率误差为： （3） 式中，ΔM=±1，故测频精度理论上在±0.01Hz以内。通过实际测试，结果表明，频率测量精度在±0.05Hz以内，亦符合系统精度要求。当然，还可在数据总线位数满足条件下，通过提高计数器时钟信号的频率来达到提高频率测量精度的目的。 8．通信模块。本装置通信有2路RS2485、2路CAN总线通信以实现功能单元同主控计算机之间的通信，从而实现主控计算机对装置的遥测、遥信、遥控、遥调等功能。AT91M40800控制器集成有2个完全相同的波特率可分别编程的全双工通用同步/异步收发器（USART）。CAN总线通信采用Philips独立CAN控制器SJA1000设计，其接口信号8根地址数据线和其余控制信号全部同CPLD相连接，ARM与CAN控制器之间的信息通过CPLD内部的逻辑操作处理后传送。因此，对于ARM控制器来说，对CAN操作，就等同于对一段存储区进行一般的Memory操作，不仅简化了系统硬件设计，更方便了软件编程实现，并且隔离了ARM控制器地址数据总线与外部接口之间的相互干扰。 三、硬件平台的EMC测试 ARM微控制器在进行复杂的嵌入式系统开发时，由于其内部的多任务性和实时性，通常软件设计中都会包括实时操作系统软件（RTOS）和应用程序的编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。本设计选用了比较成熟的μC/OS2II作为开发的实时操作系统，并进行了综合数字继电器应用程序的编程、下载与调试。现将该硬件平台的测试性能做一总结，其抗干扰能力测试结果如表1所示，均达到了工业标准。试验表明，该装置运行可靠，所有运行参数和结果均符合要求。 表1 抗干扰能力测试试验 四、结束语 随着智能电器应用领域的逐渐拓宽和电力自动化领域的不断发展，这种嵌入式通用综合数字继电器的应用前景非常广阔。而以ARM内核微控制器和FPGA/CPLD配合使用的智能电器不仅满足了用户当前以及未来对功能强大多样、性能稳定可靠、通用性强、使用和配置更为简单灵活的要求，而且对于开发人员，既简化了硬件电路设计，又方便了软件编程和二次开发。本文的总体设计思想在智能电器设计中有一定的通用性，为ARM内核嵌入式微控制器的应用开辟了新的空间。
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