基于嵌入式技術(shù)的微機(jī)繼電保護(hù)應(yīng)用探究

劉洋+張海濤+胡欣然

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，電力技術(shù)不斷進(jìn)步與發(fā)展，本文將基于ARM9與uC/OS-II微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將AT91RM9200芯片作為核心構(gòu)成，對構(gòu)成的高速保護(hù)裝置進(jìn)行分析，使用嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-II更好的完成復(fù)雜的繼電保護(hù)。結(jié)果表明，基于ARM9與uC/OS-II系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及軟件流程可使設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；微機(jī)繼電保護(hù)；應(yīng)用研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.134

0 引言

隨著電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)日漸復(fù)雜化，繼電保護(hù)有了更高要求與標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，由高性能單片機(jī)與數(shù)字信號處理器構(gòu)成繼電保護(hù)系統(tǒng)處理器，提高處理器性能通過數(shù)字信號處理器與高性能單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，但是，隨著繼電保護(hù)日漸智能化與多功能化、可視化及網(wǎng)絡(luò)化，傳統(tǒng)邏輯器件PLD與DSP已經(jīng)不能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展要求。為此，需要對新的微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用更高性能的處理器。ARM性價比高且功耗小，在嵌入領(lǐng)域應(yīng)用日漸廣泛。uC/OS-II是一種優(yōu)越性能的嵌入式操作系統(tǒng)，將兩者結(jié)合可以為繼電保護(hù)軟件提供統(tǒng)一開發(fā)平臺。

1 微處理器與嵌入式操作系統(tǒng)選擇

1.1 微處理器

采用AT91RM9200作為微處理器，完整片上系統(tǒng)集中了ARM/Thumb指令，可以在150MHz頻率下高速運(yùn)算，速度可達(dá)到200MIPS，將外設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)接口充分集成。處理器上有一個SRAM工作區(qū)域及可以低延遲總線接口，可以對同步DRAM與突發(fā)訪問模式的靜態(tài)存儲器同時控制；提供了Flash接口，USB2.0接口高度集成，同時集成了媒體訪問控制器，使外部器件應(yīng)用種類得以擴(kuò)展，更好的對網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行開發(fā)。

1.2 嵌入操作系統(tǒng)

使用uC/OS-II的嵌入式操作系統(tǒng)，在1990年推出，經(jīng)RTCADO-178B標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證，安全性與穩(wěn)定性高。uC/OS-II編寫應(yīng)用到了C語言，大部分代碼均使用C語言編寫完成，僅有一小部分由處理器匯編語言編寫完成，可以對編寫內(nèi)容適當(dāng)修改然后將其移植到前入睡處理器中，構(gòu)成一個完整繼電保護(hù)裝置及軟件開發(fā)平臺。

2 保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用主模板內(nèi)的AT91RM9200運(yùn)行片內(nèi)保護(hù)軟件可以采樣并對數(shù)值更好的計(jì)算與處理，確保整個系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。一旦出現(xiàn)故障，處理器會發(fā)出跳閘動作信息，從而使系統(tǒng)得到保護(hù)[1-2]。與此同時，不同通信方式可以將保護(hù)動作信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的記錄與報(bào)警。采用模塊化設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)，包括電流互感器/電壓互感器、A/D 轉(zhuǎn)換單元、開出/開入單元、存儲單員等模塊。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換單元

微機(jī)保護(hù)關(guān)鍵功能為A/D轉(zhuǎn)換單元，將AD7329作為采樣芯片，是一種低功耗、雙極化的芯片，輸入電壓可以達(dá)到±10V，帶符號位為12bit，可以使輸入噪聲降低，同時交流阻抗與直流阻抗較高[3]。

2.2 存儲器單元

該系統(tǒng)應(yīng)用到了SDRAM，容量較大，32位高速數(shù)據(jù)總線由32MB構(gòu)成，作用是對程序代碼與各種數(shù)據(jù)進(jìn)行存放，固話操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序代碼使用到了32MB的NOR FLASH，還可以對操作過程中的事件信息與錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行固化，保護(hù)定值則采用32KB的E2PROM。

2.3 通信單元

鑒于電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)與實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸需求較高，按照AT91RM9200微處理器的性能，對CAN與光纖、RS232/485、USB進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中，CAN控制器應(yīng)用到的技術(shù)規(guī)范為CAN總線V2.0A，1Mb/s的通信速率[4]，MCP2510為SPI接口。因?yàn)檩^遠(yuǎn)的光纖傳輸距離、寬頻、小發(fā)射天線、良好的保密性與抗電磁干擾等優(yōu)勢，可以將光纖與以太網(wǎng)充分結(jié)合起來，將兩者的優(yōu)勢充分發(fā)揮，可以進(jìn)一步將系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性提高。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)前后臺系統(tǒng)與實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)對比

3.1.1 前后臺系統(tǒng)

應(yīng)用后臺運(yùn)行的程序，可以無限循環(huán)，循環(huán)中應(yīng)用到固定函數(shù)支持，以完成此次操作，將這一過程稱為后臺行為或者任務(wù)級；隨機(jī)事件處理為中斷，將其稱之為前臺行為或者中斷級。

3.1.2 實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)

多與復(fù)雜的實(shí)時系統(tǒng)來說，僅依靠簡單的后臺主控程序軟件不能準(zhǔn)確、可靠的完成操作任務(wù)，不相關(guān)的過程使用同一個計(jì)算機(jī)處理，需要應(yīng)用多個實(shí)時任務(wù)系統(tǒng)。在應(yīng)用日漸多樣與復(fù)雜化下，單個嵌入控制系統(tǒng)不能同時對多個外設(shè)進(jìn)行監(jiān)控，響應(yīng)要求較為嚴(yán)格，處理任務(wù)多，不同任務(wù)間傳遞需要依靠多種信息，這就出現(xiàn)以下幾方面問題：處理時間長、中斷未能及時得到響應(yīng)；系統(tǒng)多各種可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行考慮，進(jìn)而將軟件可靠性降低。為了使系統(tǒng)操作復(fù)雜性降低，加強(qiáng)系統(tǒng)維護(hù)非常重要。

3.2 uC/OS-11性能分析及其在AT90RM9200中移植

3.2.1 uC/OS-11性能

基于“可剝奪”的優(yōu)先級內(nèi)核，可以使內(nèi)核調(diào)度更為方便、簡單，進(jìn)而延遲uC/OS-11調(diào)度的時間短，可以達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與要求。切換上下文時間上，uC/OS-11有著單獨(dú)堆棧，從而使切換也變得更加簡單、容易，只需要10條CPU指令就能完成整個切換，可以表現(xiàn)其很小的延遲性。

3.2.2 實(shí)現(xiàn)uC/OS-11在AT91RM9200中的移植過程

uC/OS-11有固定的移植條件，即，堆棧這一處理器，包括CPU的內(nèi)部出棧指令與入棧寄存器等指令。內(nèi)嵌匯編應(yīng)用到C編譯器，也可以使用C語言進(jìn)行擴(kuò)張，與匯編模塊進(jìn)行連接，均可以在C語言程序中實(shí)現(xiàn)關(guān)中斷或者開中斷。

4 結(jié)束語

隨著ARM處理器應(yīng)用日漸廣泛，該技術(shù)也在不斷發(fā)展與進(jìn)步當(dāng)中，而嵌入式的實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)用在微機(jī)保護(hù)中，可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的保護(hù)，進(jìn)而得到用戶認(rèn)可，建議推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒托武.基于DSP的微機(jī)繼電保護(hù)測試儀的研究與設(shè)計(jì)[D].華中科技大學(xué)，2010.

[2]王群.微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一種新型繼電保護(hù)測試裝置研究[D].湖南大學(xué)，2012.

[3]李雙全.微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)的研究及其在遷鋼公司電網(wǎng)中的應(yīng)用[D].東北大學(xué)，2005.

[4]左楊.基于嵌入式系統(tǒng)的智能柱上開關(guān)繼電保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)[D].廈門理工學(xué)院，2015.