摘 要： 在充分分析和吸收當前微機繼電保護裝置的先進技術和經驗后，設計了一種基于ARM和嵌入式實時操作系統μC/OS－II的中低壓線路繼電保護裝置。現場調試運行的結果表明，該系統運行狀況良好，成本低，完全滿足系統要求的各項功能和技術指標。
關鍵詞： 繼電保護；嵌入式操作系統；ARM；CAN
電力運行安全是衡量電力質量的重要指標之一。目前，我國電力安全保護處于成長階段，國內企業生產了一些微機保護裝置系統，但這些設備普遍存在數據存儲量小、價格昂貴及顯示界面不夠好等缺點，與實際變電站，特別是中小企業變配電站的系統設備保護要求存在一定的差距。同時，電力故障的發展是突然的，現場需要實時地記錄故障發生的具體情況，對故障發展的過程進行監控，及時診斷和報警，提醒調度人員進行正確的判斷和處理，防患于未然，大大減少電力故障、損壞和事故的發生。本文設計了基于嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ的微機保護裝置工作狀態實時檢測系統，嵌入式系統在移植μC/OS-Ⅱ實時操作系統的基礎上完成電力設備狀態數據采集、初步的故障診斷和良好的圖形界面顯示功能。同時可以USB轉存盤，將嵌入式系統處理過的初步診斷信息傳送到上位機系統，由計算機專家系統完成對電力運行狀態的進一步理論分析和故障診斷判斷。
1 微機保護裝置整體設計
1.1 系統組成
該系統由嵌入式主機和LCD顯示器等組成。嵌入式主機主要對變電站現場電流、電壓及開關量等性能參數進行監測，并進行性能參數的在線分析和處理，以實現性能分析和安全監控，保證電力設備的運行安全。顯示器主要完成檢測數據和故障診斷信息的實時顯示。
1.2 系統工作原理
本研究主要是針對我國電力系統中低壓輸電網的現狀提出的，特別適用于大中型企業的變配電站。它可以實現對主回路的電流、電壓、有功、無功和功率因數等運行參數的在線監測和顯示。實際現場中有多個線路保護裝置要連接到監控PC上，傳感器采集各種信號，通過信號采集調理電路傳送到電力嵌入式主機，由主機對各種數據進行進一步分析處理，實時監控各電力設備運行安全，并將需要顯示的信息傳送至LCD顯示器，同時能以語音形式進行告警等提示。將采集的數據暫時存儲在嵌入式主機的Flash中，可直接由USB轉存盤將數據送往計算機專家系統作詳細分析，以判斷設備狀態，尋找故障部位及原因[1]，如圖1所示。
2 微機繼電保護裝置硬件平臺設計
本設計采用先進的工業級芯片，裝置的MCU采用32 bit ARM芯片，采用14 bit ADC，提高了數據采集的分辨率和測量精度，主要芯片采用表面貼裝技術，裝置接口采用插卡方式，可以滿足不同類型的變電站對通信網絡的要求，可以集中組屏，也可以就地安裝[2]，如圖2所示。
2.1 嵌入式主機硬件設計
嵌入式主機主要完成對數據的采集、顯示和通信。它由嵌入式微處理器S3C44B0X、SDRAM、JTAG、USB口、語音模塊、LCD模塊和數據采集模塊等部分組成。系統框圖如圖3所示。
2.2 MCP2510與ARM的硬件接口電路
利用S3C44B0X和Microchip公司的MCP2510實現CAN總線通信。S3C44B0X的同步串行口（SIO）可以和各種需要串行數據總線的外部設備進行連接。該SIO模塊內置8 bit的數據緩沖區（SIODAT），可以通過設置相應的內部寄存器來實現以一定的頻率發送或接收8 bit的串行數據。SIO模塊的發送和接收既可以在上升沿鎖存數據位，也可以在下降沿鎖存數據位，因此可以通過設置S3C44B0X里SIO模塊對應的寄存器來實現上升沿發送數據、下降沿接收數據，從而和MCP2510的SPI總線時序相配合。
接口的硬件連接如圖4所示。MCP2510作為S3C44B0X的一個從設備，可以將S3C44B0X的SIO接口直接接在MCP2510的SPI接口上。具體接法是：S3C44B0X的接收端腳SIORXD接MCP2510的SO，S3C44B0X的發射端腳SIOTXD接的是MCP2510的SI腳；MCP2510的片選信號CS用S3C44B0X的標準I/O口GPB5控制，GPB5置低時選通MCP2510，反之則不選通。由于MCP2510的復位管腳RESET和S3C44B0X的復位管腳nRESET都是低電平有效，因而可以將它們直接接在一起，系統上電自動復位或者手動按鍵復位；MCP2510的中斷請求引腳INT接在S3C44B0X的外部中斷ExtINT2上，這樣MCP2510在滿足一定的條件下就可以向CPU發送中斷請求了，從而構成一個完整的CAN總線收發模塊。
3 微機繼電保護裝置軟件設計
3.1圖形界面μC/GUI在操作系統上的移植
主機設備采用LCD顯示，可以現場顯示簡單的圖形界面。μC/GUI是一款針對嵌入式系統的優秀圖形軟件，具有源碼公開、可移植、可裁減、穩定性和可靠性高的特點，可完全產生類似于Windows的顯示效果。
（1）與GUI移植有關的宏定義。移植μC/GUI到目標板時，需要為應用配置軟件。配置需要修改頭文件LCDConf.h。根據實際使用的16級灰度240×320 LCD驅動器修改LCDConf.h，定義顯示的尺寸和一些可選擇的特性。
（2）LCD控制器驅動程序。μC/OS-II移植完成以后，要在實時內核上編寫接口驅動程序。由于嵌人式產品是針對特殊的用途而設計的，有很強的專一性，驅動程序編寫內容更精簡，更具有穩定性，編寫出的驅動模塊更小。這些驅動程序一般不具有可移植性，可以梳理出功能級抽象層所必需的基本操作，建立功能級的實現框架，針對不同的硬件，使用同一種實現框架可以保證功能級抽象的質量，并且可以提高移植的效率。
3.2主機任務的創建與劃分
μC/OS-II支持多任務運行，基于該操作系統的應用程序設計都是以任務形式設計的。本裝置的應用程序劃分為1個任務調度模塊、3個中斷和8個任務。多任務調度模塊是整個嵌入式實時操作系統的核心，運行在μC/OS-II平臺上的所有中斷和任務都在任務調度模塊的控制下有序的執行。
主函數主要包括嵌入式實時操作系統μC/OS-II的初始化、創建其他任務、初始化信號量及啟動多任務調度。系統的初始化是通過調用OSInit實現，在主函數中創建了保護邏輯判斷任務，在保護邏輯判斷任務中再創建其他剩余的任務[3]。變量的初始化主要是完成一些任務間通信的信號量和消息隊列的初始化，然后調用OSStart（）啟動多任務調度，最后由動作判斷模塊判斷是動作跳閘或是報警，保護側主程序模塊流程圖如圖5所示。
本文的創新點在于開發了一種基于嵌入式系統的電力狀態實時檢測系統，該系統實現了電力設備信號量的采集和信號的存儲，具有良好的彩色圖形界面顯示能力和強大的故障診斷能力，能夠在設備出現故障的時候提醒工作人員并提供解決故障的方法，特別適合中小企業變配電站。本設計方法主要討論的是有線傳輸數據的方式，可充分利用ARM的強大功能，發掘無線傳輸的優勢。
參考文獻
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