0 引言

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展?我國電網(wǎng)規(guī)模越來越大?各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制及日常中的應(yīng)用日益廣泛?對于電力系統(tǒng)的可靠性和安全性的要求越來越高．這就需要高壓開關(guān)對電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時保護(hù)?在電網(wǎng)發(fā)生故障時及時切斷電源電路?防止故障擴(kuò)大．為了保障高壓開關(guān)的正常運(yùn)行?必須

定期對其機(jī)械特性進(jìn)行測試?了解高壓開關(guān)的機(jī)械特性參數(shù)是否正常?從而評估高壓開關(guān)好壞以及使用壽命?保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行．

1 系統(tǒng)概述

1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)[1]

根據(jù)高壓開關(guān)測試系統(tǒng)的需要?系統(tǒng)采用 TI公司推出的32位定點(diǎn) DSP 芯片 T MS320F2812為底層處理器?采用模塊化設(shè)計(jì)思想?極大地方便了程序的開發(fā)及維護(hù)．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?其中串口Flash 采用 AT45DB041保存采集后經(jīng)過計(jì)算處理的數(shù)據(jù)?可以在掉電后不丟失數(shù)據(jù)．SRAM 使用256k×16位的IS61LV25616作為存儲變量和程序調(diào)試時使用．系統(tǒng)和上位機(jī)的通訊使用 RS232方式．?dāng)?shù)據(jù)采集時?首先通過 A／D 轉(zhuǎn)換器件把16通道的模擬信號通過 DSP 的 A／D 轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理?然后將處理后的數(shù)據(jù)存儲于 Flash 中?通過 LCD 直接顯示或發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行后處理．

1．2 DSP 芯片選擇[2]

在 DSP 的選擇上?考慮系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)量大?對輸出實(shí)時性要求高?且為方便系統(tǒng)后續(xù)軟件升級和功能擴(kuò)展等需求?選用 TI 公司一款性價(jià)比很高的基于32位的定點(diǎn) DSP 控制器 T MS320F2812．

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 模擬采集電路

交流電壓信號的采集直接使用 F2812內(nèi)置12位 A／D 轉(zhuǎn)換模塊?由于該模塊本身具有采樣保持電路且要求輸入電壓范圍為0～3V?因此設(shè)計(jì)時需將外部輸入的220V 電壓信號在輸入 DSP 之前轉(zhuǎn)換成0～3V 電壓信號．考慮這方面因素?前端設(shè)計(jì)由電壓互感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和緩沖電路組成?*后輸入 DSP 的信號滿足系統(tǒng)要求．

2．2 CPLD 設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用 ALT ERA 公司的 EPM7128?實(shí)現(xiàn)外設(shè)地址譯碼、數(shù)據(jù)鎖存、開關(guān)量信號的輸出以及同步DSP 指令等功能?內(nèi)部通過原理圖設(shè)計(jì)對具體功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)．CPLD 的輸入時鐘為 T MS320F2812 的輸出信號 XCLKOUT．CPLD 內(nèi)部設(shè)計(jì)主要分成地址譯碼單元和控制單元2個模塊．

地址譯碼單元主要完成對外設(shè)模塊的地址分配?包括打印機(jī)、顯示器、USB 和模擬量的采樣地址的分配．地址譯碼的實(shí)現(xiàn)是由 CPLD 內(nèi)部3-8譯碼器實(shí)現(xiàn)．開關(guān)量的采集地址為2000H～27FF H;液晶顯示器地址為2C00H～2FFF H;打印機(jī)地址為3400H～37FF H;USB 地址為3C00H～3FFF H．控制單元為 CPLD 設(shè)計(jì)的核心部分?主要同步DSP 發(fā)出的分／合閘指令?并對外部斷路器進(jìn)行控制?使它按指令進(jìn)行分、合閘操作?從而測量高壓開關(guān)的機(jī)械參數(shù);調(diào)節(jié) CPU 與慢速外設(shè)讀寫速度?對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖、鎖存;控制打印機(jī)打印數(shù)據(jù)和液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)．

合／分閘的控制信號經(jīng) CPLD 的 I／O 管腳輸出?輸出信號經(jīng)過三極管和穩(wěn)壓電路驅(qū)動外部斷路器動作．由于斷路器關(guān)合過程中會產(chǎn)生強(qiáng)電磁效應(yīng)?若直接由 DSP 的 I／O 管腳驅(qū)動控制信號?可能會使DSP 的程序跑飛?影響控制效率?所以系統(tǒng)中開關(guān)量的輸入輸出均由 CPLD 完成?加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性．

2．3 USB 通信電路設(shè)計(jì)[3]

系統(tǒng)采用 USB 接口芯片 CH375?工作在主機(jī)方式下?以串口方式與 DSP 進(jìn)行通信．與 DSP 的接口連接如圖2所示．／WR 和／RD 分別與 DSP 的WR 和 RD 信號相連?DSP 的地址線 A0與 CH375的 A0端口相連?作為 CH375的命令和數(shù)據(jù)端口的選擇?片選信號經(jīng)過 CPLD 進(jìn)行地址譯碼產(chǎn)生．中斷端口與 DSP 的外部中斷1相接?下降沿有效

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用基于優(yōu)先級的、可移植、可固化、可裁剪和源碼公開的占先式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ?其大部分程序采用 ANSIC 語言編寫?可讀性強(qiáng)?且其可靠性符合 RTCA DO-178B 標(biāo)準(zhǔn)．要使用μC／OS-Ⅱ?首先要把這個內(nèi)核成功移植[4]到 F2812上．μC／OS-Ⅱ移植時?主要進(jìn)行以下工作:

a．在 OS＿ CPU．H 文件中用＃define 語句定義與處理器相關(guān)的常量、宏及數(shù)據(jù)類型．

b．調(diào)整和修改頭文件 OS＿ CFG．H?以裁剪或修改μC／OS-Ⅱ的系統(tǒng)服務(wù)?減少資源損耗．

c．在 OS＿ CPU＿ C．C 文件中用 C 語言編寫10個簡單的函數(shù)．主要完成函數(shù) OST askStkInit（）的編寫．

d．編寫匯編語言在 OS＿ CPU＿ A．ASM 文件中編寫4個匯編語言函數(shù)．

其中 OS＿ CPU＿ A．ASM 文件是μC／OS-Ⅱ移植中的重點(diǎn)和難點(diǎn)?這4個匯編函數(shù)的實(shí)現(xiàn)是保證μC／OS-Ⅱ運(yùn)行的基礎(chǔ)．這 4 個函數(shù)分別是:OSStart HighRdy（）（運(yùn)行就緒態(tài)的優(yōu)先級*高的任務(wù)）;OSCtxSw（）（任務(wù)級的任務(wù)切換）;OSIntCtxSw（）（中斷級的任務(wù)的切換）;OSTickISR（）（時鐘

節(jié)拍中斷服務(wù)子程序）?本移植用定時器 CPUTimerl 來實(shí)現(xiàn)延時服務(wù)[5]．

3．2 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

μC／OS-Ⅱ移植成功后?即可在操作系統(tǒng)上搭建所需的應(yīng)用程序?應(yīng)用程序可劃分為中斷程序和任務(wù)程序?如圖3所示．中斷程序包括（按中斷優(yōu)先級從高到低排列）用于 A／D 采集中斷服務(wù)程序、測量高壓開關(guān)分合速度的 EVA 捕獲中斷、SCI 發(fā)送接收中斷、USB 讀寫中斷、為系統(tǒng)提供時鐘節(jié)拍的定時器2中斷;任務(wù)程序包括（按任務(wù)優(yōu)先級從高到低的順序排列）系統(tǒng)復(fù)位任務(wù)、鍵盤掃描任務(wù)、交流電壓采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理、CPLD 狀態(tài)讀取和寫入任務(wù)、數(shù)據(jù)保存任務(wù)、液晶顯示任務(wù)和打印任務(wù)．

由于篇幅有限?只對優(yōu)先級*高的開始任務(wù)（T askStar）和主程序流程做簡單介紹．在 T askStart任務(wù)中首先完成系統(tǒng)和相關(guān)外設(shè)的初始化?并進(jìn)行必要的自檢測?然后創(chuàng)建應(yīng)用任務(wù)?將開門狗復(fù)位后?T askStart 要刪除自己?把系統(tǒng)資源讓給其它的任務(wù)?整個系統(tǒng)開始正常運(yùn)行．

執(zhí)行完 T askStart 任務(wù)后?通過任務(wù)調(diào)度器調(diào)度優(yōu)先級*高的鍵盤掃描任務(wù)?通過外部中斷?判斷優(yōu)先級*高的任務(wù)?跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)任務(wù)中?然后將DSP 處理完的數(shù)據(jù)結(jié)果送到數(shù)據(jù)保存任務(wù)中?并通過顯示器任務(wù)顯示．

4 試驗(yàn)結(jié)果

將系統(tǒng)應(yīng)用于對六氟化硫的高壓開關(guān)的機(jī)械特性參數(shù)的測試?通過現(xiàn)場多次合分閘測試?測試結(jié)果如圖4所示．與計(jì)算所得結(jié)果近似?并將此測試結(jié)果同另一臺同時工作的測試儀實(shí)際測得結(jié)果相對照?結(jié)果發(fā)現(xiàn)2臺儀器所實(shí)現(xiàn)的功能全部一致?測得的數(shù)據(jù)也基本一致?且新開發(fā)的測試儀工作穩(wěn)定?準(zhǔn)確性較好?并能實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)通信和 U 盤存取功能．因此?新開發(fā)的儀器可廣泛應(yīng)用．

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)是基于某型高壓開關(guān)測試儀改進(jìn)的?由于以前采用的基于 T MS320L2407的高壓開關(guān)測試儀存儲空間有限?不便后續(xù)測試功能擴(kuò)展和程序升級 已 無 法 滿 足 市 場 需 求．故 本 文 采 用 基 于T MS320F2812的高壓開關(guān)測試儀?利用 DSP 和嵌入式操作系統(tǒng)來完成模擬信號的采集和各種數(shù)據(jù)的處理?并 通 過 CPLD 完 成 控 制 信 號 輸 出?外 擴(kuò)RS232接口方便與 PC 機(jī)通信?并配有 USB 模塊方便用戶存儲測試數(shù)據(jù)．系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全滿足電力系統(tǒng)實(shí)時性和可靠性要求．