文研究的嵌入式綜合數字繼電器是電力系統自動化的基礎硬件裝置，采用計算機技術、電力自動化技術、通信技術等多種*，集保護、測量、顯示、控制、監測、通信等多種功能于一體，是構成智能化開關柜的理想電器設備。

一、核心處理器的選擇

鑒于電力系統繼電保護的特點，在系統出現故障時必須能迅速判斷出故障并及時切斷故障電流，在系統正常工作時必須有能力及時處理大量實時動態數據，因而單元對硬件的實時性、快速性、準確性及多功能性要求很高。在以往的綜合數字繼電器設計中采用了In公司的16bit微處理器80C196KB作為CPU，主頻采用16MHz，計算控制以及開關量邏輯處理全部由該16bit單片機完成，從而計算速度和計算量受到一定限制。

而且由于中斷和任務種類較多，采用的是進程調度，成為了增加裝置功能和任務的一個瓶頸。為了對每個任務進行合理的資源分配，提高計算速度和精度，增加更多功能和任務，設計中選用基于ARM內核32bit嵌入式高性能微處理器作為整個硬件設計的控制核心，并通過Altera公司的復雜可編程邏輯器件（CPLD）來實現所有外部邏輯控制。

本文選取ATMEL公司AT91系列微控制器為核心進行設計。其優點可歸結為：（1）集成了ARM7TDMIARM Thumb處理器內核和嵌入式ICE接口，擁有高性能的32bitRISC體系結構和高密度的16bit指令集，可通過JTAG接口方便地進行在線編程、下載及調試；（2）功耗低、指令速度快，主頻可達40MHz，是MIPS/Watt的者；（3）內部數據總線32bit，單時鐘周期訪問，外部數據總線可編程實現8或16bit，zui大尋址空間達64MB，多個片選線；（4）32個可編程I/O口，3個16bit定時計數器，2個USART；（5）內部工作寄存器很多，使其非常適用于實時控制?；谝陨线@些特點，使得ARM核控制器得到了廣泛的應用。

為此，本文將ARM核控制器應用在智能電器設計中，以滿足和提高系統的各種性能要求。在智能電器控制領域里，對于不同的實際應用，其硬件結構基本上相似，包括核心微處理器、模擬信號量的采集處理、外圍設備、開關量輸入輸出、按鍵顯示、通信接口等模塊。本文所介紹的該硬件平臺將包含所有這些部分，ARM微處理器作為核心器件執行控制功能，CPLD則作為外部設備和接口的信息邏輯處理器，負責ARM微處理器與大部分外設和接口之間的信息傳遞。通過對CPLD的重復編程，可實現用于各種不同的控制場合。

二、硬件平臺總體結構

本智能電器的整體結構原理如圖1所示。由圖1可見，本系統以ARM微控制器為核心，外接有CPLD、電源、測量、通信、顯示、開關量輸入、輸出等模塊。以下針對其中一些主要模塊介紹本文設計思路與實現方案。

圖1　總體結構原理圖

1．CPUzui小系統。為了滿足系統實時、快速、準確、多功能等要求，并盡量降低系統成本，選取AT91X40系列中的AT91M40800作為系統的MCU，它是AT91系列中的成員，包含了上述的該系列控制器的通有特性，是用于系統主控制器的理想通用微控制器。

由于AT91M40800片內無ROM，片內SRAM為8KB，要構成zui小工作系統，還需外部擴展程序、數據存儲器、數據鎖存器、緩沖器和地址譯碼器等電路。為解決該問題，外部擴展1片Flash（AT49LV4096A）作為程序存儲器，外部擴展2片RAM（IS61LV256AL）作為外部數據存儲器?？紤]到一些重要數據在掉電情況下不丟失，又外擴了1片EEPROM（AT24C16A）和2片掉電保護RAM（IS63LV1024L）作為外部掉電保護存儲器。zui小系統完成如下功能：將A/D轉換后的數字量電壓信號和各路開關量信號按一定算法和邏輯判斷進行實時處理、判斷，并生成和傳送相應的控制命令和各種信息到出口繼電器板、顯示屏以及通信端口上，并對異常情況迅速做出反應，必要時控制執行部分動作。

2．CPLD模塊。本系統的數據鎖存器、緩沖器和地址譯碼器等一些數字邏輯處理和頻率測量功能都是通過外擴的1片ALTERA公司的CPLDEPM3256A來實現的。因此，幾乎所有外設與ARM控制器之間的數據傳輸，包括液晶顯示、開關量控制、串口與總線數據通信、AD實時采集數據等，都需通過CPLD編程實現，也對ARM處理器和外部設備之間的數據傳輸起到了隔離作用。不僅大大減少了分立元件和總線的數量，簡化了設計，增加了整個系統的穩定性和可靠性，而且在使用和配置上更為靈活，使硬件設備應用到更多、更廣的控制場合。

3．AD采集模塊。電網的電壓和電流在經過一次互感器變換后，為有效值100V、的模擬量，當發生故障時瞬時保護電流可達150A。

本設計選用了無錫東升公司的超小型、高精密電流和電壓變換器。這種變換器動態范圍很寬，線性度為0.1%，補償后相移小于30min，絕緣耐壓達2500V，體積小，重量輕，可直接焊在印刷線路板上。通過測量用互感器和保護用互感器，可將二次電壓電流轉換成+5～-5V的弱電信號，再通過高精度的運算放大器進行信號調理和低通濾波，送入A/D轉換電路轉成數字量，為微控制器處理計算提供數據源。本設計中，AD轉換芯片采用了2片MAX125，共16路采樣通道。ADC啟動信號及片選地址由CPU的CS5和地址線在CPLD中經過邏輯處理后形成。2片ADC的中斷信號在CPLD中相“或”后相，形成中斷信號送到CPU的IRQ0（P9）中斷引腳上。

4．開關量輸入/輸出模塊。該設計共有24路開關量輸入，8個按鍵輸入，2個控制鎖，14路開關量輸出，8個指示燈，1個報警器。其中34路輸入通過1個由CPLD控制片選信號的緩沖器連接到CPU的總線上，從而確定1個I/O口地址，CPU通過訪問該地址就可以讀取輸入量的信息。14路開關量輸出通過CPLD編程可實現按位輸出，每路開關量都有相應的訪問地址相對應。8個指示燈通過ARM總線和經過CPLD邏輯處理過的片選信號進行控制輸出。

5．溫度和實時時鐘模塊。按照遠動終端通用技術條件，饋線終端單元應能將現場設備（如斷路器）的變位信息及時記錄下來，加上時間標志，并按時間順序顯示，即事件順序記錄功能SOE，這就要求裝置能提供實時時鐘；同時由于溫度是影響電子器件可靠性的一個主導因數，當溫度超過一定范圍時，電子器件的性能就會受到影響甚至造成器件的損壞，這就要求能對裝置的溫度進行監測，當其超過一定的溫度時，裝置就發出高溫告警信號。本裝置采用了Dallas公司的溫度和實時時鐘芯片DS1629，具有寬電壓工作范圍和低功耗的特性，特別適合于用電池供電的時間和溫度的測量。其所有的通信都由1個標準的二線制串行接口來完成。

6．電源模塊。在電子裝置中，電源直接關系到裝置是否能夠正常工作，電源的品質也影響著A/D轉換精度。由于開關電源具有體積小、重量輕、效率高、自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬和模塊化等特點，以及裝置本身的要求，本裝置的電源采用了AC/DC的開關電源。其工作原理為：220V的交流輸入電壓經過EMI濾波電路和電容濾波電路濾波后，送給后續的整流電路，經過整流電路后得到一直流電壓，再由電流控制型脈寬調制器芯片UC3842來控制大功率晶體管IRFBF30不斷的導通和關斷，對直流電壓進行斬波，再通過高頻變壓器的降壓作用得到頻率為幾十赫茲的矩形波電壓，然后整流濾波后得到一比較平滑的直流電壓，再經過穩壓器的穩壓得到zui終要求的紋波電壓小的直流電壓，為整個裝置提供電源。通過控制晶體管IRFBF30的導通和關斷的占空比來達到控制輸出直流電壓的目的。其原理框圖如圖2所示。

                                        圖2　開關電源原理框圖

采用EMI濾波電路的作用有：（1）防止電源本身的電磁干擾脈沖通過傳導或輻射方式干擾公共線路上的其他電器設備；（2）防止公共線路上的電磁脈沖干擾電源本身的工作。同時鑒于電源電路的高可靠性，本電源電路還設有很多的保護電路，如采用壓敏電阻來進行交流側輸入電壓幅度的限制等。

本裝置的電源電路產生的電源電壓等級有：+24、±12、+5V。每種電壓對不同的模塊供電。電源轉換如圖3所示。另外，使用一個鈕扣電池作為掉電保護RAM的備用電源，在系統掉電后對其供電，保證了一些處理數據不丟失。

                                            圖3  電源轉換示意圖

7．測頻模塊。將模擬通道的一路信號經過遲滯比較器之后生成一個方波信號，然后送入CPLD。先將頻率fx的待測信號進行二分頻后送入計數器，并用一個f0高頻信號作為計數器的時鐘信號進行計數，可得出一個計數值M。待測信號頻率fx可由下式得出。設每周波采樣點數是N，則采樣頻率fx為：

   （1）

   （2）

信號f0可采用主頻進行分頻得到，在本設計中，MCLK=32.768MHz，f0使用128分頻后的方波，即256kHz。M值通過數據線低13位送入ARM控制器。當被測頻率是50Hz時，M=5120。理論上可測zui小頻率為32Hz，符合電網頻率測量范圍45Hz～55Hz的要求。在假定計數器時鐘信號*的前提下，測量頻率誤差為：

 （3）

式中，ΔM=±1，故測頻精度理論上在±0.01Hz以內。通過實際測試，結果表明，頻率測量精度在±0.05Hz以內，亦符合系統精度要求。當然，還可在數據總線位數滿足條件下，通過提高計數器時鐘信號的頻率來達到提高頻率測量精度的目的。

8．通信模塊。本裝置通信有2路RS2485、2路CAN總線通信以實現功能單元同主控計算機之間的通信，從而實現主控計算機對裝置的遙測、遙信、遙控、遙調等功能。AT91M40800控制器集成有2個*相同的波特率可分別編程的全雙工通用同步/異步收發器（USART）。CAN總線通信采用Philips獨立CAN控制器SJA1000設計，其接口信號8根地址數據線和其余控制信號全部同CPLD相連接，ARM與CAN控制器之間的信息通過CPLD內部的邏輯操作處理后傳送。因此，對于ARM控制器來說，對CAN操作，就等同于對一段存儲區進行一般的Memory操作，不僅簡化了系統硬件設計，更方便了軟件編程實現，并且隔離了ARM控制器地址數據總線與外部接口之間的相互干擾。

三、硬件平臺的EMC測試

ARM微控制器在進行復雜的嵌入式系統開發時，由于其內部的多任務性和實時性，通常軟件設計中都會包括實時操作系統軟件（RTOS）和應用程序的編程。應用程序控制著系統的運作和行為；而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。本設計選用了比較成熟的μC/OS2II作為開發的實時操作系統，并進行了綜合數字繼電器應用程序的編程、下載與調試。現將該硬件平臺的測試性能做一總結，其抗*力測試結果如表1所示，均達到了工業標準。試驗表明，該裝置運行可靠，所有運行參數和結果均符合要求。

表1　抗*力測試試驗

四、結束語

隨著智能電器應用領域的逐漸拓寬和電力自動化領域的不斷發展，這種嵌入式通用綜合數字繼電器的應用前景非常廣闊。而以ARM內核微控制器和FPGA/CPLD配合使用的智能電器不僅滿足了用戶當前以及未來對功能強大多樣、性能穩定可靠、通用性強、使用和配置更為簡單靈活的要求，而且對于開發人員，既簡化了硬件電路設計，又方便了軟件編程和二次開發。本文的總體設計思想在智能電器設計中有一定的通用性，為ARM內核嵌入式微控制器的應用開辟了新的空間。