專利名稱：信號電源測控終端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種配電系統(tǒng)的監(jiān)控終端。
背景技術(shù)：
設(shè)計信號電源測控終端RTU常見的方法，是采用工業(yè)控制計算機，擴展測控硬件接口電 路。這種方法具有設(shè)計周期短、擴展性好，開發(fā)方便的優(yōu)點，但是設(shè)計的RTU成本高，體積 大，耗電大。采用80C196等單片機或DSP設(shè)計RTU，側(cè)重于實現(xiàn)遠動終端的基本功能，由 于單片機的運算處理和硬件擴展等能力較低，影響RTU的性能。采用uC/OS-II設(shè)計遠動終 端，實現(xiàn)遠動終端的基本功能，側(cè)重于交流采樣功能的實現(xiàn)，但是沒有支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也沒 有遠動終端上協(xié)議的實現(xiàn)。
而基于ARM處理器設(shè)計的RTU，硬件上具有成本低，體積小，耗電省，處理能力強等 優(yōu)點；軟件上由于采用uClinux操作系統(tǒng)，有許多優(yōu)秀的應(yīng)用程序成果可以利用。正是由于 這些優(yōu)勢，采用ARM和uClinux設(shè)計遠動終端已經(jīng)成為一個熱點。uClinux開放源代碼、具 有完備的操作系統(tǒng)功能、對硬件資源要求不高。應(yīng)用ARM-uCinux設(shè)計的系統(tǒng)，在體積、成 本、功耗、功能等方面具有綜合的優(yōu)勢。這一技術(shù)在遠動領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景，但是以往 主要采用臺式計算機設(shè)計的系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是針對目前存在的問題，提供一種新的嵌入系統(tǒng)的信號電源測控終端。
針對以上目的，本實用新型采用的技術(shù)路線是包括以下模塊電源模塊、主板模塊、 遙信模塊、遙控模塊、遙測模塊，各模塊以母板總線為接口基礎(chǔ)；主板模塊包括嵌入式ARM 處理器、FLSAH存儲器、內(nèi)存、串口、嵌入式實時操作系統(tǒng)、母板總線驅(qū)動電路；遙控和遙 信模塊由母板總線直接擴展；母板總線上擴展CAN總線通信模塊，通過CAN和遙測模塊通信。
以ARM處理器和uClinux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計一種小的遠動終端，主 CPU模塊采用32位高性能嵌入式ARM處理器，應(yīng)用軟件基于嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng) ucLirmx，數(shù)據(jù)采集與處理采用DSP技術(shù)，多CPU分工明確，協(xié)調(diào)合作，很好的保證了遠動系 統(tǒng)測量、錄波原始數(shù)據(jù)的準確性和完整性；硬件上信號電源測控終端的核心部分是計算機，包括處理器、存儲器、人機接口等，為了執(zhí)行遠動終端的測控功能，需要擴展大量外圍接口 電路。不同變電所的測控對象數(shù)量差別很大，為了提高遠動終端的通用性，本實用新型采用 測控電路模塊化、多微處理器的層疊工業(yè)控制板結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同通訊組網(wǎng)方式；采用全封閉 隱藏式安裝機箱結(jié)構(gòu)，美觀實用；多層板表面貼裝設(shè)計使得系統(tǒng)功能擴展非常方便，同時可 靠性和EMC設(shè)計非常全面，設(shè)備的電磁兼容性各項性能均達到IEC標準規(guī)定的要求。 信號電源測控終端FTU具有以下特點
(1) 采用模塊化設(shè)計，各功能單元的數(shù)量可以根據(jù)現(xiàn)場情況，方便的擴展。
(2) 主處理器采用32位微處理器，處理速度快。采用嵌入式操作系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，功
能強大，網(wǎng)絡(luò)功能豐富。
(3) 交流采樣單元采用先進的DSP技術(shù)，14位高性能AD轉(zhuǎn)換器。實時采集與分析電網(wǎng) 波形，記錄故障波形數(shù)據(jù)。
(4) 通訊部分適合多種網(wǎng)絡(luò)形式，如以太網(wǎng)、鐵路專線等，同時通訊媒介可選光纖、同 軸電纜、屏蔽雙絞線。
(5) 采用歐式標準機箱，安裝維護方便，電磁兼容性能好。
(6) 采用標準的現(xiàn)場總線技術(shù)，可以根據(jù)需要擴展現(xiàn)場總線設(shè)備。
(7) 系統(tǒng)采用了抗干擾設(shè)計，WATCH DOG實現(xiàn)死機自復(fù)位功能，系統(tǒng)可靠性高。
(8) 具有強大的當(dāng)?shù)乇O(jiān)視遙信、遙測、事件記錄、通信報文、故障波形記錄的功能。當(dāng) 地通過網(wǎng)口或者串口，可以方便的獲取裝置中的各種數(shù)據(jù)文件。
(9) 采用標準的通訊規(guī)約IEC870-5-101和IEC870-5-104協(xié)議。 信號電源測控終端FTU具有以下功能
(1) 測量功能
基本配置8路輸入電壓，8路輸入電流。A/D轉(zhuǎn)換精度不低于0.W，并在輸人接口采 取了一定的抗干擾及隔離措施?？梢詼y量的電量包括貫通、自閉兩條線路的所有三相交流電 量，即三相線電壓、相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率等。
(2) 開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視
遙信基本配置15路輸入?？梢苑奖愕呐渲脼?0路或45路輸入。遙信輸入采用無源接 點方式，遙信電源為DC48V (可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行變換)。在輸入接口采取了光電隔離措 施及防止監(jiān)視對象接點抖動干擾的手段。SOE的分辨率為5ms(毫秒)，可以精確地對開關(guān)順序 記錄，進行故障分析、事故追憶。
(3) 遙控功能
基本配置為IO路繼電器控制輸出(DO)，實現(xiàn)遠動控制?？梢苑奖愕嘏渲脼?0路。接點輸出容量為250VAC 5A，輸出接點閉合時間為100ms 20s連續(xù)可調(diào)，并在輸出接口采取光電 隔離措施。輸出接點可以獨立使用，也可以組成合/分閘對使用。采用遙控信號輸出保證措施， 確?？刂戚敵隹煽繜o誤。
(4) 事件記錄與錄波
可以將開關(guān)動作、參數(shù)越限設(shè)定為觸發(fā)條件，觸發(fā)條件成立，將進行事件記錄或波形記錄。
事件記錄將觸發(fā)的時刻、事件類型、相關(guān)參數(shù)、狀態(tài)一并記錄存儲。 波形記錄會將觸發(fā)時刻、觸發(fā)點前5個周期、觸發(fā)點后5個周期的各通道的波形真實地 記錄下來。
自動記錄數(shù)據(jù)后，可實現(xiàn)自動上傳數(shù)據(jù)或人工召取。
(5) 通訊功能
基本配置中有2個標準的RS232接口， 一個用于維護的通訊口， 一個網(wǎng)絡(luò)通訊接口。 三個串口均支持19.2Kbps的通訊速率，兩個標準的RS232 口可以同時進行兩個方向的通 訊傳輸。各串口的通訊波特率，可以根據(jù)需要軟件設(shè)置，波特率最高可達115.2Kbps。 支持IEC870-5-101和IEC870-5-104通訊規(guī)約。 網(wǎng)口還支持FTP文件傳輸。


圖1信號電源測控終端總體結(jié)構(gòu)框圖
圖2主板電路組成框圖
圖3 CAN總線模塊電路原理圖
圖4遙信輸入原理圖
圖5遙控電路原理圖
圖6遙測模塊電路框圖
圖7遙測電流、電壓測量輸入電路
圖8各板卡安裝順序圖
具體實施方式
附圖l中，各種電路按功能設(shè)計成相應(yīng)模塊，以母板總線為接口基礎(chǔ)。 主板模塊以S3C4510B為核心。主要配置是16M字節(jié)動態(tài)隨機存儲器SDRAM (兩片 HY57V651620B)， 2M字節(jié)的FLASH (—片AM29LV160DB);處理器內(nèi)部集成的兩個異步串行通信接口，串口0和串口1; 一個10M以太網(wǎng)接口；看門狗與復(fù)位電路(MAX706); RTU母板總
線驅(qū)動電路。
串口0作為控制臺，用于調(diào)試；串口 1接LCD顯示屏和觸摸屏，實現(xiàn)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控的人機界面。
測控接口電路，主要有遙控模塊、遙信模塊(開關(guān)量采集)和遙測模塊(模擬量采集)。
遙控和搖信模塊由母板總線直接擴展。遙測模塊采用現(xiàn)場總線(CAN)通信接口。為此在RTU 母板總線上擴展CAN總線通信模塊，實現(xiàn)和遙測模塊的通信。
串口模塊(芯片PC16C550)從母板總線上擴展。用該模塊連接調(diào)制解調(diào)器(Modem),實 現(xiàn)RTU遠程通信。
RTU母板總線是測控硬件模塊擴展的基礎(chǔ)，又是處理器總線上的一個外設(shè)接口。 為便于模塊的擴展，RTU母板總線定義如下
數(shù)據(jù)總線H-D0 H-D7;地址總線H-A0 H-A7;地址片選信號H-S0 H-S6;讀寫控制信 號H-WR和H-RD;地址鎖存控制信號H-ALE;中斷服務(wù)請求控制信號H-INT0 H-INT3;復(fù)位 信號H-RESET 。
使用處理器的如下總線信號驅(qū)動RTU母板總線地址總線AO-All，數(shù)據(jù)總線D0-D7。讀 使能控制信號nOE,寫使能控制信號n冊EO，外設(shè)(I/O)地址片選信號nECSO。'以及4根中 斷控制信號線nlNREQ0 nlNREQ3。
為兼容測控接口電路較常用的器件，母板總線按照5V的TTL電平設(shè)計。4510B總線是3. 3V 的CMOS電平。處理器總線與RTU母板總線，存在速度和電平上的差別，不能直接相連，之間 需要一個總線驅(qū)動電路?？偩€驅(qū)動電路是主板模塊的一部分。它實現(xiàn)處理器總線到RTU母板 總線的擴展、電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動。本技術(shù)采用雙電源供電的雙向總線緩沖器74LVX4245，實現(xiàn) 處理器數(shù)據(jù)總線與RTU數(shù)據(jù)總線之間的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動。
一些常用的芯片，如CAN總線控制器SJAIOOO，時鐘芯片DS12887等，內(nèi)部帶一個地址 鎖存器，需要地址鎖存信號ALE，才能實現(xiàn)接口。 S3C4510B沒有ALE信號，所以母板總線擴 展ALE信號，才能實現(xiàn)這類器件的接口。將U1的一個地址片選信號S7取反，寫數(shù)據(jù)到S7地 址，可以模擬出ALE控制信號，并實現(xiàn)ALE的功能。
附圖2中，主板是以ARM處理器為核心，配置了相應(yīng)的外圍器件。ARM處理器為核心的 電路結(jié)構(gòu)是經(jīng)過驗證的成熟可靠的方法，在此基礎(chǔ)上，由內(nèi)部總線擴展了母板總線驅(qū)動電路， 另外擴展了看門狗電路以及其它的輔助電路。
附圖3中，CAN總線模塊以SJA1000為核心，通信數(shù)據(jù)經(jīng)高速光電耦合器G1、 G2隔離，
82C250驅(qū)動，從接線端子J2連接到外部CAN總線。Pl是1W的5V轉(zhuǎn)5V.的DC/DC電源模塊。CAN模塊使用了 H-S0作為片選信號，它的基地址是0x3600000。 SJA1000總線兼容TTL電平， 數(shù)據(jù)總線和中斷信號線有驅(qū)動能力，可以直接和母板總線接口，從RTU母板總線上擴展測控 電路簡單方便。
附圖4中，遙信模塊實現(xiàn)各種開關(guān)量輸入采集的硬件電路。它的主要功能是開關(guān)信號的 輸入電氣隔離與信號電平變換，并對輸入信號進行適當(dāng)?shù)臑V波，減少信號抖動。輸入信號的 賦值范圍40r220V，具體閾值的大小根據(jù)現(xiàn)場遙信電壓值由硬件設(shè)定。隔離器件采用光電耦 合器TLP521-4，隔離電壓可以達到2500VRMS。單個模塊的輸入遙信數(shù)量15路。15路光電耦 合器采用共陰極接法。光電耦合器輸入端反并聯(lián)了保護二極管。
附圖5中，遙控的執(zhí)行部件是繼電器，繼電器的觸點是遙控性能的一個重要參數(shù)。遙控 輸出觸點容量要求0.5A/240Vac， lA/110Vdc。每個模塊遙控輸出路數(shù)10路。型號 G2R-1A-E-TU-5。該型號的繼電器具有體積小，觸點容量大的優(yōu)點。電子接口部分采用CPLD (EMP7128SLL84)實現(xiàn)。
執(zhí)行控制電路是4個串連的繼電器S廣S4觸點。只有當(dāng)S1 S4的輸出滿足1010邏輯的時 候，節(jié)點b才能獲得12V輸出電源。在無動作情況下，b點電壓總是等于O。 Kl、 K2是輸出 繼電器，控制外部開關(guān)的開合狀態(tài)，無動作時，它們處于常開狀態(tài)。節(jié)點FD1、 FD2狀態(tài)作為 節(jié)點Nxl、 Nx2的反送檢驗信號。這一方式使得遙控過程分為兩個步驟選擇和執(zhí)行。執(zhí)行繼 電器S(S廣S4)，選擇繼電器K (KnaO)。初始狀態(tài)，S=0101， T2無論為何值，由于K1線圈 沒有電源，輸出接點不動作。程序由總線接口邏輯電路的鎖存器給T2 —個控制狀態(tài)信號T2C， T2控制節(jié)點Nxl的電平，Rxl是上拉電阻。T2的狀態(tài)等效于Nx的電平。Nxl電平信號，經(jīng)過 R3、 R4電平變換，得到FD1，輸入到總線接口電路，程序讀取這一反饋信號電平。
附圖6中，遙測模塊實現(xiàn)三相交流電量的交流采樣。遙測模塊以DSP為核心，擴展14位 模數(shù)AD轉(zhuǎn)換芯片MAX125CCAX, CAN總線驅(qū)動芯片，以及其它外圍器件。DSP采用定時器中斷 程序操作MAX125采集電網(wǎng)波形數(shù)據(jù)。經(jīng)過計算得到電網(wǎng)電量，當(dāng)前后兩次測量值之差大于某 設(shè)定閾值，則生成一個數(shù)據(jù)，帶時標存儲到事件順序記錄數(shù)組中。主板和遙測板通過CAN總 線對時。采用這一方法，減少數(shù)據(jù)傳送量，減少CAN總線數(shù)據(jù)傳輸峰值帶寬的要求，有利于 降低程序設(shè)計的難度。
附圖7，遙測電流、電壓測量輸入電路中R19將龜流互感器的輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，D5、 D6是反向串連的5V穩(wěn)壓極管，使輸出電壓在一次測浪涌電流下，不會超過5.7V。電壓測量 是采用電流互感器方式，R14是分壓電阻，實際工作中，R14承擔(dān)路的主要電壓，可以忽略互 感器PT1的壓降，因此R14的電流線性正比于輸電壓。通過R20將電流轉(zhuǎn)換為電壓，輸出電 壓即和被測電壓有很好的比例。為了方便使用，將各個模塊做成相應(yīng)的板卡，安裝在一個8槽的機籠內(nèi)，稱為FTU測控 單元。依圖8，各種板卡安裝順序依次為空板、電源板、主板、遙信YX板、遙控YK板、空 板、遙測YC1和YC2板。
權(quán)利要求1、信號電源測控終端，其特征為包括以下模塊電源模塊、主板模塊、遙信模塊、遙控模塊、遙測模塊，各模塊以母板總線為接口基礎(chǔ)；主板模塊包括嵌入式ARM處理器、FLSAH存儲器、內(nèi)存、串口、嵌入式實時操作系統(tǒng)、母板總線驅(qū)動電路；遙控和遙信模塊由母板總線直接擴展；母板總線上擴展CAN總線通信模塊，通過CAN和遙測模塊通信。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的信號電源測控終端，其特征為所述的母板總線擴展有串口模塊， 在該串口模塊上連接有調(diào)制解調(diào)器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信號電源測控終端，其特征為所述的母板總線定義如下數(shù)據(jù)總線H-D0 H-D7;地址總線H-A0 H-A7;地址片選信號H-S0 H-S6;讀寫控制信號 H-WR和H-RD;地址鎖存控制信號H-ALE;中斷服務(wù)請求控制信號H-INT0 H-INT3;復(fù)位 信號H-RESET 。
4、 根據(jù)權(quán)利要求r或2所述的信號電源測控終端，其特征為所述的遙信模塊的隔離器件采 用光電耦合器，^各光電耦合器采用共陰極接法，光電耦合器輸入端反并聯(lián)了保護二極管。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信號電源測控終端，其特征為遙控模塊的執(zhí)行部件是繼電器， 電子接口部分采用CPLD實現(xiàn)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信號電源測控終端，其特征為所述的遙測模塊采用DSP技術(shù)， 包括A/D轉(zhuǎn)換器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信號電源測控終端，其特征為所述的電源模塊、主板模塊、 遙信模塊、遙控模塊、遙信模塊由對應(yīng)的板卡組成，即電源卡、主板卡、遙信卡、遙控卡、 遙測卡。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的信號電源測控終端，其特征為所述的各板卡被安裝在一個機籠內(nèi)。
專利摘要本實用新型涉及一種配電系統(tǒng)的監(jiān)控終端，它是以ARM處理器和uClinux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計一種小的遠動終端。采用模塊化、多微處理器的層疊工業(yè)控制板結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同通訊組網(wǎng)方式。它包括幾大模塊電源模塊、主板模塊、遙信模塊、遙控模塊、遙測模塊組成，可以應(yīng)用于鐵路的遠動系統(tǒng)中，實現(xiàn)對鐵路中貫通、自閉兩大電路的控制。除此之外它其能夠?qū)崿F(xiàn)的功能還包括測量功能，開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視、遙控功能、事件記錄與錄波功能、通訊功能等。
文檔編號H02J13/00GK201312143SQ20082017879
公開日2009年9月16日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者楊國華, 樊江濤, 費遠鵬 申請人:北京太格時代自動化系統(tǒng)設(shè)備有限公司