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馈线远方终端之CPU模块的研制

2020-11-21阅读(777)

馈线远方终端之CPU模块的研制

论文摘要

配电自动化是电力系统现代化的必然趋势,因为它可以大大提高配电网运行的可靠性和效率,提高电能的供应质量。馈线自动化（FA--Feeder Automation）是配电自动化中的一个子集,它是指在正常情况下,远方实时监视馈线分段开关与联络开关的状态和馈线电流、电压情况,并实现线路开关的远方合闸和分闸操作;在故障时获取故障记录,并自动判别和隔离故障区域以及恢复对非故障区域供电。馈线远方终端（FTU--Feeder Terminal Unit）是目前馈线自动化系统的核心单元,其主要功能就是远方数据采集和处理以及与主站的通信。FTU一般由CPU模块、互感器模块、I/O模块、电源模块、充电器、蓄电池、外壳及各种附件组成。本课题的主要内容是研制CPU模块,包括硬件的设计和软件的算法设计和实现。 整个硬件电路的设计采用Protel 99 SE完成,MAX7128S的内部逻辑实现还采用了Max Plus Ⅱ 10.3来完成。采用高性能的数字信号处理器TMS320F206作为CPU,提高了整个系统的数据处理能力:采用具有同步采样功能的MAX125芯片,可以消除各相电压和电流由于非同步测量而带来的相位差:采用一片复杂可编程逻辑器件MAX7128S来实现遥信输入、遥控输出和全部的译码电路,简化了硬件电路的设计;采用硬件测频电路实时跟踪电网的频率,进而实时地改变A/D的采样间隔,最大限度地保证了采样点在一个周期内的均匀分布。 软件的开发是在TI公司的集成开发环境Code Composor4.2中完成的。除极少数涉及CPU寄存器的部分采用汇编语言外,绝大多数程序采用标准C完成。本课题采用了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ V2.52作为整个软件的基础。在成功地将μC/OS-Ⅱ移植到F206上之后,根据FTU应完成的功能将整个的应用软件分解为多个任务,如遥测处理任务、遥信处理任务和保护任务等。其中在保护任务中,本课题采用了基于FFT的全周傅立叶算法（以下简称FFT算法）,提高了故障检测的准确性,同时可以为谐波分析提供原始依据。通信任务采用目前流行的DNP3.0作为FTU与配网子站或控制中心的通信规约,既大大提高了数据传送的可靠性,又充分保证了产品的兼容性。 通过对样板的测试表明,采用DSP作为CPU可以提高有效值计算和FFT等数字信号处理的运算速度和精度。而在FTU中采用RTOS可以大大提高系统的实时性,特别是提高了遥信处理和保护处理等较高优先级任务的响应速度。同时以μC/OS-Ⅱ作为整个软件体系的基础,非常方便应用软件的模块化设计,可以

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 配电自动化
  • 1.1.1 配电自动化的意义
  • 1.1.2 配电自动化的功能要求
  • 1.1.3 配电自动化的发展现状
  • 1.2 馈线自动化
  • 1.2.1 馈线自动化系统的组成结构
  • 1.2.2 馈线远方终端的功能
  • 1.2.3 馈线远方终端的组成结构
  • 1.3 本课题的主要内容
  • 2 硬件模块
  • 2.1 结构框图
  • 2.2 总体概况
  • 2.2.1 CPU的选用
  • 2.2.2 存储器
  • 2.2.3 片内外设及 I/O空间
  • 2.2.4 中断
  • 2.3 遥测输入电路
  • 2.3.1 遥测输入通道
  • 2.3.2 A/D芯片的选用
  • 2.4 周波测量电路
  • 2.5 遥信输入电路
  • 2.6 遥控输出电路
  • 2.7 通信电路
  • 2.7.1 通信芯片的选用
  • 2.7.2 UART与 F206的接口
  • 2.7.3 ASP接口电路
  • 3 嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ
  • 3.1 嵌入式实时操作系统的基本概念
  • 3.1.1 实时系统
  • 3.1.2 实时操作系统
  • 3.1.3 嵌入式实时操作系统
  • 3.2 应用嵌入式 RTOS的必要性
  • 3.2.1 传统系统的实时性和确定性有待提高
  • 3.2.2 应用嵌入式 RTOS可以提高系统的稳定性与可靠性
  • 3.3 基于优先级的占先式实时操作系统μC/OS-Ⅱ
  • 3.3.1 任务与任务状态
  • 3.3.2 任务调度及任务切换
  • 3.3.3 同步与互斥
  • 3.3.4 邮箱与消息队列
  • 3.3.5 中断服务子程序
  • 3.3.6 时间管理
  • 3.4 μC/OS-Ⅱ的配置
  • 3.5 将μC/OS-Ⅱ移植到 F206中
  • CPU．H'>3.5.1 修改OSCPU．H
  • CPUC．C'>3.5.2 修改OSCPUC．C
  • CPUA．ASM'>3.5.3 修改OSCPUA．ASM
  • 3.5.4 测试移植代码
  • 4 应用软件
  • 4.1 软件整体设计思路
  • 4.1.1 任务和 ISR概述
  • 4.1.2 功能需求与任务的关系
  • 4.1.3 数据结构设计要点
  • 4.1.4 开发环境与编程语言
  • 4.2 遥信处理任务
  • 4.3 AD中断子程序
  • 4.4 保护处理任务
  • 4.4.1 算法选择
  • 4.4.2 FFT子模块
  • 4.4.3 故障检测子模块
  • 4.5 遥测处理任务
  • 4.5.1 算法选择
  • 4.5.2 计算遥测量
  • 4.6 周波处理任务
  • 4.7 串口中断服务子程序
  • 4.7.1 UART中断服务子程序
  • 4.7.2 ASP中断服务子程序
  • 4.8 通信任务
  • 4.8.1 通信规约的选择
  • 4.8.2 数据结构定义
  • 4.8.3 程序结构框图和各子模块流程图
  • 5 实验测试
  • 5.1 CPU使用率
  • 5.2 任务堆栈使用情况
  • 5.3 FFT算法精度测试
  • 6 结论
  • 附录
  • CFGH）'>附录1 μC/OS-Ⅱ的配置文件（OSCFGH）
  • 附录2 与移植相关的代码
  • 附录2.1 OSTaskStkInit（）
  • 附录2.2 OSStartHighRdy O
  • 附录2.3 OSCtxSw（）与OSIntCtxSw（）
  • 附录2.4 时钟节拍中断 ISR
  • 附录3 实数FFT算法程序
  • 附录4 16C552的相关程序
  • 附录4.1 主要寄存器定义
  • 附录4.2 初始化
  • 附录4.3 中断服务子程序
  • 附录5 片内串口中断子程序
  • 附录5.1 ASP的寄存器定义
  • 附录5.2 初始化 ASP
  • 附录5.3 ASP中断服务子程序
  • 附录6 DNP3.0的相关数据结构定义
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间发表的学术论文
  • 学位论文评阅及答辩情况表

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