專利名稱：一種基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙微處理器硬件架構(gòu)、應(yīng)用于快速固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SSTS)裝置的硬件控制系統(tǒng)，屬于電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科技的飛速發(fā)展，各種新器件新設(shè)備不斷的出現(xiàn)，人們對電能質(zhì)量以及其可靠性的要求越來越高。電壓跌落以及電壓短時中斷的故障占所有電能質(zhì)量問題的90%左右，而電力系統(tǒng)中因電壓跌落而引起的事故次數(shù)大約是因完全供電中斷而引起的事故次數(shù)的10倍。因此，治理電壓跌落，有效改善電能質(zhì)量成為當(dāng)務(wù)之急。
快速固態(tài)切換開關(guān)(SSTS)裝置是利用大功率電力電子技術(shù)以及基于微處理器、光纖通信和數(shù)字信號處理測控技術(shù)，其控制保護(hù)系統(tǒng)通過監(jiān)測電網(wǎng)進(jìn)線和出線的三相電壓、三相電流，檢測電壓跌落，從而控制大功率電力電子器件實(shí)現(xiàn)兩路進(jìn)線電源的快速切換，解決電壓跌落以及短時斷電的問題，來實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的不間斷供電，保證用戶的可靠供電。固態(tài)切換開關(guān)能夠廣泛運(yùn)用在解決敏感、關(guān)鍵負(fù)荷電力供應(yīng)場合不僅僅在于其的經(jīng)濟(jì)性，更在于它帶來了 MS級的切換速度。固態(tài)切換開關(guān)的切換速度取決于其基于的微處理器通信速度、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理速度以及系統(tǒng)控制響應(yīng)速度。本發(fā)明在傳統(tǒng)固態(tài)切換開關(guān)控制架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)，能夠有效提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、數(shù)據(jù)處理能力以及外部接口可擴(kuò)展性，控制方便靈活且速度極快，與傳統(tǒng)的固態(tài)開關(guān)相比，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性以及實(shí)時性，同時該硬件架構(gòu)能夠簡化軟件復(fù)雜程度實(shí)現(xiàn)真正的并行信號采集和處理能力，在現(xiàn)代配電網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明公開了一種基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)，該裝置的硬件架構(gòu)是基于傳統(tǒng)的單微處理器硬件架構(gòu)的快速固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SSTS)裝置基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和功能拓展后提出的。該SSTS硬件控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)由兩個微處理器(主處理器21和協(xié)處理器23)和一個可編程邏輯器件22構(gòu)成，通過對控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及有效配置，有效提高了控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊速度、運(yùn)算處理速度以及系統(tǒng)控制響應(yīng)速度，保證了基于此硬件架構(gòu)的SSTS硬件控制系統(tǒng)具有超高速的投切功能，同時也提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實(shí)時性。另外，該硬件架構(gòu)也為將來的功能擴(kuò)展提供了有力保障。技術(shù)方案一種基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)單元和輔助單元；控制系統(tǒng)單元包括主處理器、可編程邏輯器件和協(xié)處理器；輔助單元包括電壓電流傳感器單元、電壓電流信號調(diào)理單元、輔助供電電路單元、人機(jī)接口單元及系統(tǒng)溫度監(jiān)測單元；所述主處理器用于實(shí)時控制，協(xié)處理器用于實(shí)時監(jiān)測；可編程邏輯器件分別與主、協(xié)處理器交互，控制主、協(xié)處理器的互聯(lián)；主、協(xié)處理器之間還通過直連接口進(jìn)行交互；可編程邏輯器件還連接控制電子開關(guān)，該電子開關(guān)控制主、備用側(cè)電源的負(fù)載接入；輔助供電電路單元為控制系統(tǒng)單元和輔助單元供電；電壓電流傳感器單元包括主側(cè)電源相電壓或線電壓傳感器、主側(cè)開關(guān)元件端電壓傳感器、備用側(cè)電源相電壓或線電壓傳感器、備用側(cè)開關(guān)元件端電壓傳感器、主側(cè)開關(guān)元件電流傳感器和備用側(cè)開關(guān)元件電流傳感器；電壓電流信號調(diào)理單元對電壓電流傳感器單元中各個傳感器的輸出信號進(jìn)行信號調(diào)理，再把調(diào)理后的信號輸出給控制系統(tǒng)單元的主、協(xié)處理器；人機(jī)接口單元包括接口電路模塊，主、協(xié)處理器與接口電路模塊連接；系統(tǒng)溫度檢測單元包括監(jiān)控開關(guān)器件工作殼溫的溫度傳感器，溫度傳感器的信號輸出端連接協(xié)處理器的信號輸入端。各個單元的原理說明如下
電壓電流傳感器單元分別測量主側(cè)電源相電壓、主側(cè)開關(guān)元件端電壓、備用側(cè)電源相電壓、備用側(cè)開關(guān)元件端電壓、負(fù)載側(cè)相電壓、主側(cè)開關(guān)元件電流和備用側(cè)開關(guān)元件電流；電壓電流信號調(diào)理單元對電壓傳感器以及電流傳感器的副邊輸出量進(jìn)行信號調(diào)理；輔助供電電路單元輸出控制系統(tǒng)單元和輔助單元所需電源；人機(jī)接口單元協(xié)微處理器連接開關(guān)裝置的人機(jī)交互模塊以及控制面板；該人機(jī)接口單元包括串口、以太網(wǎng)接口、顯示屏接口、觸摸屏接口 ；還包括預(yù)留的冗余接口，為將來的功能擴(kuò)展升級備用。系統(tǒng)溫度檢測單元協(xié)處理器連接系統(tǒng)溫度檢測單元，通過溫度傳感器監(jiān)控開關(guān)器件(如晶閘管等)的工作殼溫，如果出現(xiàn)異常，能夠及時報警反饋，以使得快速固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置穩(wěn)定運(yùn)行。正常工作時，協(xié)處理器對主側(cè)、備用側(cè)電源的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，通過對主側(cè)備用側(cè)電源的電壓和電流實(shí)時采樣和信號處理，對電能質(zhì)量問題進(jìn)行監(jiān)測；當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時，協(xié)處理器通過系統(tǒng)互連接口實(shí)時將故障情況通知主處理器；主處理器根據(jù)接收到的故障報警信號，來控制主側(cè)、備用側(cè)電源的電子開關(guān)，決定負(fù)載切入哪一側(cè)電源；在切換過程中，主處理器通過對主側(cè)和備用側(cè)電子開關(guān)電壓、電流的實(shí)時采樣，來監(jiān)測系統(tǒng)切換過程有無環(huán)流、電壓切入時刻是否正確等狀態(tài)，保證電源切換過程安全可靠。可編程邏輯器件連接主、協(xié)兩個微處理器，并協(xié)調(diào)系統(tǒng)外部數(shù)字接口的作用。本發(fā)明公開的基于雙微處理器硬件架構(gòu)的快速固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SSTS)裝置硬件控制系統(tǒng)通過檢測主側(cè)電源和備用側(cè)電源的電壓和電流，利用數(shù)字信號處理技術(shù)實(shí)時監(jiān)測電源狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)故障時，如電壓跌落，過流，欠壓，閃變等等，控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測的電源狀態(tài)做出判斷，實(shí)現(xiàn)對主側(cè)、備用側(cè)電力電子開關(guān)器件的控制，從而迅速完成主側(cè)和備用側(cè)電源的切換，保證負(fù)載能連續(xù)的接入健康的電源。其具體結(jié)構(gòu)如附圖I所示，主側(cè)電源和備用側(cè)電源分別通過電子開關(guān)連接到負(fù)載。在正常工作時，負(fù)載接入主側(cè)電源運(yùn)行，此時，電壓電流傳感器模塊以及信號調(diào)理電路實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)主電源狀態(tài)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)電壓跌落或者過流等故障時，控制系統(tǒng)即時作出判斷，通過控制電子開關(guān)迅速切斷主側(cè)電源，同時控制電子開關(guān)，把負(fù)載接入備用測電源，此時，備用側(cè)電壓電流傳感器模塊以及信號調(diào)理電路實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)備用測電源狀態(tài)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊反饋給控制系統(tǒng)。在以雙微處理器為核心的控制系統(tǒng)模塊中，主處理器主要功能包括電力電子開關(guān)器件控制，切換過程實(shí)時監(jiān)控，根據(jù)電能質(zhì)量狀態(tài)，做出切換決策，并完成電源間的切換；協(xié)處理器完成對主側(cè)、備用側(cè)電源質(zhì)量的監(jiān)控，監(jiān)控對象包括欠壓(電壓跌落)、過流、過溫和閃變等。兩個處理器之間通過可編程邏輯器件連接，同時也具有少量直連接口。該控制結(jié)構(gòu)采用雙處理器結(jié)構(gòu)，兩個微處理器均有AD采樣信號輸入功能。主處理器用于實(shí)時控制，協(xié)處理器用于實(shí)時監(jiān)測。通過主、協(xié)處理器之間的協(xié)同工作，可達(dá)到高端處理器的響應(yīng)速度，甚至更優(yōu)的系統(tǒng)性能。同時大大簡化了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜程度并增加了系統(tǒng)功能可擴(kuò)展性。雙處理器之間采用可編程器件以及少量的直連接口進(jìn)行交互。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，主處理器、可編程邏輯器件、協(xié)處理器通過并行接口和多條GPIO 口相連接，同時主處理器和協(xié)處理器之間有少量(僅2根)直連端口?？删幊踢壿嬈骷哂懈咚凫`活的特點(diǎn)，通過內(nèi)置的雙口 RAM，可使得兩個微處理器以MHz級的速度并行通訊。少量的直連接口保證了系統(tǒng)連接的簡潔和可靠性。由于目前的微處理器外部接口通常是多功能復(fù)用的。因此可配置成普通GPIO 口或者串行通訊口，很靈活。當(dāng)兩線接口設(shè)置為GPIO時，速度很快，但信息量有限。當(dāng)設(shè)置為串行通訊接口時，則可以完成較大信號量的傳輸。系統(tǒng)采用兩類互連方式，確保了兩個微處理器之間互聯(lián)的可靠性、靈活性、速度以及可擴(kuò)展性。
所述主、協(xié)處理器為嵌入式微處理器EMPU、嵌入式微控制器MCU、嵌入式DSP處理器或嵌入式片上系統(tǒng)；所述可編程邏輯器件是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA或復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD。主、協(xié)處理器均擴(kuò)展連接有外部人機(jī)接口，人機(jī)接口為觸摸屏接口、以太網(wǎng)接口、RS485 接口或 GPIO 接口。協(xié)處理器監(jiān)測主側(cè)和備用側(cè)電源的電能質(zhì)量，因此外擴(kuò)電能質(zhì)量的顯示屏接口和通訊接口，該接口可為RS 485接口和以太網(wǎng)接口等。主處理器實(shí)現(xiàn)電源的連接控制功能，因此可擴(kuò)展人機(jī)接口，允許用戶直接對主備側(cè)的連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和控制。該人機(jī)接口可為RS 485接口、GPIO等。也可通過可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)主處理器和協(xié)處理器的互聯(lián)，將所有的輸入輸出數(shù)據(jù)都交由某個處理器處理，從而形成唯一的系統(tǒng)人機(jī)接口。由上述可見，該控制架構(gòu)具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性，可以開發(fā)不同成本和功能的應(yīng)用系統(tǒng)。主、協(xié)處理器分別通過并行口或串行口連接外部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，或者使用微處理器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對模擬信號進(jìn)行采樣。有益效果基于雙微處理器硬件架構(gòu)的快速固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SSTS)裝置硬件控制系統(tǒng)，能夠有效提高控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊速度、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理速度以及系統(tǒng)控制響應(yīng)速度，控制方便靈活且速度極快，與傳統(tǒng)的固態(tài)開關(guān)相比，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性以及實(shí)效性，同時該硬件架構(gòu)具有較好的軟硬件適應(yīng)性。其具體有益效果如下 1、使用雙微處理器配置，主處理器完成電子開關(guān)電壓電流狀態(tài)監(jiān)測以及電子開關(guān)控制功能，協(xié)處理器完成電能質(zhì)量監(jiān)測功能，兩者協(xié)調(diào)合作，可做到真正的并行采樣和信號處理，可達(dá) 到高端處理器的響應(yīng)速度，甚至更優(yōu)的系統(tǒng)性能，有效地提高了系統(tǒng)的整體運(yùn)算速度，保證了控制算法運(yùn)算的可靠性和時效性。2、使用可編程邏輯控制器件和直連端口連接兩個微處理器，一方面可以滿足高速通信要求，如使用基于FPGA雙口 RAM通信，可以保證兩個處理器之間進(jìn)行高速可靠的信息傳輸，很好地解決并行性和速度問題，而且其靈活的可配置特性使得雙口 RAM易于進(jìn)行修改、測試及系統(tǒng)升級，可降低設(shè)計(jì)成本。另外，主處理器將電力電子開關(guān)元控制信號通過可編程邏輯控制器件輸出，可通過邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)快速的保護(hù)功能，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的響應(yīng)實(shí)時性。例如當(dāng)FPGA輸入的過流信號有效時，可直接鎖存響應(yīng)的電力電子器件開關(guān)信號，而無需通過微處理器軟件處理，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。3、豐富的外部接口。主處理器和協(xié)處理器均擴(kuò)展有外部人機(jī)接口，人機(jī)接口可以為觸摸屏、以太網(wǎng)、485、GPI0等。主處理器實(shí)現(xiàn)電源的連接控制功能。因此可擴(kuò)展人機(jī)接口，允許用戶直接對主備側(cè)的連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和控制，該人機(jī)接口可為485接口、GPI0等。協(xié)處理器對主側(cè)和備用側(cè)電源的電能質(zhì)量起著監(jiān)測作用。因此外擴(kuò)電能質(zhì)量的顯示屏接口和通訊接口，該接口可為485接口和以太網(wǎng)接口等。也可通過可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)主處理器和協(xié)處理器的互聯(lián)，將所有的輸入輸出數(shù)據(jù)都交由某個微處理器或處理，從而形成唯一的系統(tǒng)人機(jī)接口。綜述可見，該控制架構(gòu)具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性，可以開發(fā)不同成本和功能的應(yīng)用系統(tǒng)。4、基于雙微處理器的硬件架構(gòu)具有結(jié)構(gòu)靈活，適合于模塊化設(shè)計(jì)，有較強(qiáng)的通用性以及適應(yīng)性的特點(diǎn)，其能夠顯著提高算法效率，而且其軟件開發(fā)周期短，整個控制系統(tǒng)易于維護(hù)和升級。


附圖I基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。附圖2基于雙微處理器硬件架構(gòu)的控制系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明涉及的基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)工作進(jìn)行詳細(xì)說明。主側(cè)電源11和備用側(cè)電源12分別通過電子開關(guān)13、14連接到負(fù)載15。在正常工作時，負(fù)載15接入主側(cè)電源11運(yùn)行。此時，電壓電流傳感器模塊16、17實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)主電源狀態(tài)，并把檢測數(shù)據(jù)傳給信號調(diào)理電路18。經(jīng)過信號調(diào)理后，將主處理器21、協(xié)處理器23監(jiān)控系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)通過AD19、20傳遞。主處理器21、協(xié)處理器23通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時應(yīng)對可能的問題。工作時，協(xié)處理器23主要完成對主側(cè)、備用側(cè)電源的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，通過對主側(cè)備用側(cè)電源的電壓和電流實(shí)時采樣和信號處理，對各種電能質(zhì)量問題如欠壓(電壓跌落)、過流、閃變、過溫等，進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時，協(xié)處理器23通過系統(tǒng)互連接口實(shí)時將故障情況通知主處理器21 ;主處理器21根據(jù)接收到的故障報警信號，來控制主側(cè)、備用側(cè)電源的電子開關(guān)13、14，決定負(fù)載切入哪一側(cè)電源。在切換過程中，主處理器21，通過對主側(cè)和備用側(cè)電子開關(guān)電壓、電流的實(shí)時采樣，來監(jiān)測系統(tǒng)切換過程有無環(huán)流、電壓切入時刻是否正確等狀態(tài)。保證電源切換過程安全可靠?？删幊踢壿嬈骷?2起到連接兩個微處理器，并協(xié)調(diào)系統(tǒng)外部數(shù)字接口的作用。
下面對本發(fā)明的雙微處理器硬件架構(gòu)以及輔助其工作的各個單元(電壓電流傳感器單元、電壓電流信號調(diào)理單元、輔助供電電路單元、人機(jī)接口單元、系統(tǒng)溫度監(jiān)測單元等)作進(jìn)一步闡述電壓電流傳感器單元根據(jù)控制要求，控制系統(tǒng)需測量主側(cè)電源相電壓、主側(cè)開關(guān)元件端電壓、備用側(cè)電源相電壓、備用側(cè)開關(guān)元件端電壓、負(fù)載側(cè)相電壓、主側(cè)開關(guān)元件電流、備用側(cè)開關(guān)元件電流。每個傳感器的用途不同，傳感器的參數(shù)不同，其調(diào)理電路也不同。電壓電流信號調(diào)理單元由于電壓傳感器或者電流傳感器副邊得到的量不能夠滿足微處理器的AD轉(zhuǎn)換接口對模擬量的要求，其是不能夠直接送到微處理器的AD轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的，否則過大的電壓會燒壞微處理器內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換芯片。因此，需要對電壓傳感器以及電流傳感器的副邊輸出量進(jìn)行信號調(diào)理，以滿足AD轉(zhuǎn)換對模擬量大小的要求。輔助供電電路單元本發(fā)明設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)中使用了多種控制芯片，其需要不同的直流電壓進(jìn)行供電，因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)可行穩(wěn)定的輔助供電電路模塊。人機(jī)接口單元協(xié)處理器連接開關(guān)裝置的人機(jī)交互模塊以及控制面板，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求可以提供串口、以太網(wǎng)接口、顯示屏接口、觸摸屏接口等，為固態(tài)開關(guān)裝置的功能拓展提供保障。例如使用DSP作為處理器，可利用其內(nèi)置外設(shè)以及IO 口，設(shè)計(jì)多功能的人機(jī)接口單元，方便工作人員對控制系統(tǒng)進(jìn)行人工控制。同時，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)可預(yù)留相關(guān)冗余接口，為將來的功能擴(kuò)展升級備用。系統(tǒng)溫度檢測單元協(xié)處理器連接系統(tǒng)溫度檢測單元，通過溫度傳感器監(jiān)控開關(guān)器件(如晶閘管等)的工作殼溫，如果出現(xiàn)異常，能夠及時報警反饋，以使得快速固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置穩(wěn)定運(yùn)行。雙微處理器控制系統(tǒng)單元該單元包括主、協(xié)微處理器和一個可編程邏輯器件。主處理器、可編程邏輯器件、協(xié)處理器三者串聯(lián)。正常工作時，協(xié)處理器主要完成對主側(cè)、備用側(cè)電源的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，通過對主側(cè)備用側(cè)電源的電壓和電流實(shí)時采樣和信號處理，對各種電能質(zhì)量問題如欠壓(電壓跌落)、過流、閃變、過溫等，進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時，協(xié)處理器通過系統(tǒng)互連接口實(shí)時將故障情況通知主處理器A ;主處理器A根據(jù)接收到的故障報警信號，來控制主側(cè)、備用側(cè)電源的電子開關(guān)，決定負(fù)載切入哪一側(cè)電源。在切換過程中，主處理器A，通過對主側(cè)和備用側(cè)電子開關(guān)電壓、電流的實(shí)時采樣，來監(jiān)測系統(tǒng)切換過程有無環(huán)流、電壓切入時刻是否正確等狀態(tài)。保證電源切換過程安全可靠?？删幊踢壿嬈骷鸬竭B接兩個微處理器，并協(xié)調(diào)系統(tǒng)外部數(shù)字接口的作用。結(jié)合圖1，本發(fā)明公開的基于雙微處理器硬件架構(gòu)的快速固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(SSTS)裝置硬件控制系統(tǒng)通過檢測主側(cè)電源11和備用側(cè)電源12的電壓和電流，利用數(shù)字信號處理技術(shù)實(shí)時監(jiān)測電源狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)故障時，如電壓跌落，過流，欠壓，閃變等等，控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測的電源狀態(tài)做出判斷，實(shí)現(xiàn)對主側(cè)、備用側(cè)電力電子開關(guān)器件13、14的控制，從而迅速完成主側(cè)和備用側(cè)電源的切換，保證負(fù)載能連續(xù)的接入健康的電源。其具體結(jié)構(gòu)如附圖I所示。主側(cè)電源11和備用側(cè)電源12分別通過電子開關(guān)13、14連接到負(fù)載15。在正常工作時，負(fù)載15接入主側(cè)電源11運(yùn)行。此時，電壓電流傳感器模塊16以及信號調(diào)理單元18實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)主電源狀態(tài)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊AD19、20反饋給主處理器21、協(xié)處理器23。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落或者過流等故障時，控制系統(tǒng)21即時作出判斷，通過控制電子開關(guān)13迅速切斷主側(cè)電源11，同時控制電子開關(guān)14，把負(fù)載接入備用測電源，此時，備用側(cè)電壓電流傳感器模塊以及信號調(diào)理電路18實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)備用測電源狀態(tài)，通過AD19、20反饋給主處理器21、協(xié)處理器23。結(jié)合附圖2，本發(fā)明的控制系統(tǒng)包括兩個微處理(主處理器21、協(xié)處理器23)以及一個可編程邏輯器件22。在以雙微處理器為核心的控制系統(tǒng)模塊中，主處理器21主要功能包括電力電子開關(guān)器件控制，切換過程實(shí)時監(jiān)控，根據(jù)電能質(zhì)量狀態(tài)，做出切換決策，并完成電源間的切換；協(xié)處理器23主要完成對主側(cè)、備用側(cè)電源質(zhì)量的監(jiān)控，包括欠壓(電壓 跌落)、過流、過溫、閃變等。兩個處理器之間通過可編程邏輯器件連接，同時也具有少量直連接口。該控制結(jié)構(gòu)的主要特征在于采用雙處理器結(jié)構(gòu)，兩個微處理器均有AD采樣信號輸入功能。主處理器21用于實(shí)時控制，協(xié)處理器23用于實(shí)時監(jiān)測。通過處理器21、23之間的協(xié)同工作，可達(dá)到高端處理器的響應(yīng)速度，甚至更優(yōu)的系統(tǒng)性能。同時大大簡化了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜程度并增加了系統(tǒng)功能可擴(kuò)展性。雙處理器之間采用可編程器件以及少量的直連接口 29進(jìn)行交互。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，主處理器21、可編程邏輯器件22、協(xié)處理器23通過并行接口和多條GPIO 口相連接，同時主處理器21和協(xié)處理器23之間有少量(2根)直連端口 29?？删幊踢壿嬈骷哂懈咚凫`活的特點(diǎn)，通過內(nèi)置的雙口 RAM，可使得兩個微處理器以MHZ級的速度并行通訊。少量的直連接口保證了系統(tǒng)連接的簡潔和可靠性。由于目前的微處理器外部接口通常是多功能復(fù)用的。因此可配置成普通GPIO 口或者串行通訊口，很靈活。當(dāng)兩線接口設(shè)置為GPIO時，速度很快，但信息量有限。當(dāng)設(shè)置為串行通訊接口時，則可以完成較大信號量的傳輸。系統(tǒng)采用兩類互連方式，確保了兩個微處理器之間互聯(lián)的可靠性、靈活性、速度以及可擴(kuò)展性。根據(jù)系統(tǒng)需求(如硬件體積、系統(tǒng)功耗、成本要求等)，微處理器21、23可以為嵌入式微處理器EMPU (如MIPS、ARM系列等)、嵌入式微控制器MCU (8051、P5IXA等)、嵌入式DSP 處理器(如 Texas Instruments 的 TMS32O 系列、Motorola 的 DSP56OOO 系列等)、嵌入式片上系統(tǒng)(如Siemens的TriCore等)；可編程邏輯器件22可以為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)等。豐富的外部接口。如圖2主處理器21和協(xié)處理器23均擴(kuò)展有外部人機(jī)接口 27、28，人機(jī)接口可以為觸摸屏、以太網(wǎng)、485、GPIO等。協(xié)處理器23對主側(cè)和備用側(cè)電源的電能質(zhì)量起著監(jiān)測作用。因此外擴(kuò)電能質(zhì)量的顯示屏接口和通訊接口，該接口可為485接口和以太網(wǎng)接口等。主處理器21實(shí)現(xiàn)電源的連接控制功能。因此可擴(kuò)展人機(jī)接口，允許用戶直接對主備側(cè)的連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和控制。該人機(jī)接口可為485接口、GPIO等。也可通過可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)主處理器21和協(xié)處理器23的互聯(lián)，將所有的輸入輸出數(shù)據(jù)都交由某個微處理器(21或23)處理，從而形成唯一的系統(tǒng)人機(jī)接口。由上述可見，該控制架構(gòu)具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性，可以開發(fā)不同成本和功能的應(yīng)用系統(tǒng)。處理器21、23同時具有模擬信號采樣功能?？扇鐖D2所示，分別通過并行口或串行口連接外部模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD24、25，或者使用微處理器內(nèi)部AD對模擬信號進(jìn)行采樣。由于系統(tǒng)要同時監(jiān)測兩路電源的電壓和電流狀態(tài)。其信號采樣量往往大于20路。單一處理器要實(shí)現(xiàn)對20路以上模擬信號的實(shí)時采樣需要很高硬件成本，并占用大量的系統(tǒng)編程資源，有可能影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。通過雙微處理器的結(jié)構(gòu)可以真正實(shí)現(xiàn)模擬信號的并行采樣處理，大大減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)以及對微處理器的要求，潛在減輕系統(tǒng)軟件開發(fā)成本
權(quán)利要求
1.一種基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)，其特征是包括控制系統(tǒng)單元和輔助單元；控制系統(tǒng)單元包括主處理器、可編程邏輯器件和協(xié)處理器；輔助單元包括電壓電流傳感器單元、電壓電流信號調(diào)理單元、輔助供電電路單元、人機(jī)接口單元及系統(tǒng)溫度監(jiān)測單元;所述主處理器用于實(shí)時控制，協(xié)處理器用于實(shí)時監(jiān)測；可編程邏輯器件分別與主、協(xié)處理器交互，控制主、協(xié)處理器的互聯(lián)；主、協(xié)處理器之間還通過直連接口進(jìn)行交互；可編程邏輯器件還連接控制電子開關(guān)，該電子開關(guān)控制主、備用側(cè)電源的負(fù)載接入； 輔助供電電路單元為控制系統(tǒng)單元和輔助單元供電；電壓電流傳感器單元包括主側(cè)電源相電壓或線電壓傳感器、主側(cè)開關(guān)元件端電壓傳感器、備用側(cè)電源相電壓或線電壓傳感器、備用側(cè)開關(guān)元件端電壓傳感器、主側(cè)開關(guān)元件電流傳感器和備用側(cè)開關(guān)元件電流傳感器；電壓電流信號調(diào)理單元對電壓電流傳感器單元中各個傳感器的輸出信號進(jìn)行信號調(diào)理，再把調(diào)理后的信號輸出給控制系統(tǒng)單元的主、協(xié)處理器；人機(jī)接口單元包括接口電路模塊，主、協(xié)處理器與接口電路模塊連接；系統(tǒng)溫度檢測單元包括監(jiān)控開關(guān)器件工作殼溫的溫度傳感器，溫度傳感器的信號輸出端連接協(xié)處理器的信號輸入端；正常工作時，協(xié)處理器對主側(cè)、備用側(cè)電源的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，通過對主側(cè)備用側(cè)電源的電壓和電流實(shí)時采樣和信號處理，對電能質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時，協(xié)處理器實(shí)時將故障情況通知主處理器；主處理器根據(jù)接收到的故障報警信號，輸出控制信號給可編程邏輯控制器件，進(jìn)而由可編程邏輯控制器件控制主側(cè)、備用側(cè)電源的電子開關(guān)，決定負(fù)載切入哪一側(cè)電源；在切換過程中，主處理器通過對主側(cè)和備用側(cè)電子開關(guān)電壓、電流的實(shí)時采樣，來監(jiān)測切換過程有無環(huán)流、電壓切入時刻是否正確。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)，其特征是所述可編程邏輯器件內(nèi)置有雙口 RAM，分別緩存主、協(xié)處理器的交互信息；其直連接口由主處理器和協(xié)處理器配置為普通輸入輸出端口 GPIO，或配置成串行接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)，其特征是所述主、協(xié)處理器為嵌入式微處理器EMPU、嵌入式微控制器MCU、嵌入式DSP處理器或嵌入式片上系統(tǒng)；所述可編程邏輯器件是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA或復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)，其特征是人機(jī)接口單元包括串口、以太網(wǎng)接口、顯示屏接口、觸摸屏接口和預(yù)留的冗余接口 ；這些接口均與主、協(xié)處理器連接。
全文摘要
一種基于雙微處理器架構(gòu)的固態(tài)開關(guān)控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)單元和輔助單元；控制系統(tǒng)單元包括主處理器、可編程邏輯器件和協(xié)處理器；輔助單元包括電壓電流傳感器單元、電壓電流信號調(diào)理單元、輔助供電電路單元、人機(jī)接口單元及系統(tǒng)溫度監(jiān)測單元；所述主處理器用于實(shí)時控制，協(xié)處理器用于實(shí)時監(jiān)測；可編程邏輯器件分別與主、協(xié)處理器交互，控制主、協(xié)處理器的互聯(lián)；主、協(xié)處理器之間還通過直連接口進(jìn)行交互；可編程邏輯器件還連接控制電子開關(guān)，該電子開關(guān)控制主、備用側(cè)電源的負(fù)載接入。
文檔編號H02J9/06GK102624079SQ201210067928
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者姚佳, 徐海華, 趙劍鋒 申請人:東南大學(xué)