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基于ARM9+μC/OS-II的微机保护系统的设计

作　者: 柳亮
导　师: 杨丰萍
学　校: 华东交通大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 微机保护 ARM9 嵌入式操作系统 μC/OS-II FFT 数据采集 ADS
分类号: TM774
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着国民经济的快速发展,电力系统的规模越来越大,结构也越来越复杂。在整个电力系统中,由于人为或自然的因素,发生各种各样的故障,往往导致系统运行不正常。因此,保障电力系统安全可靠运行,提高电能质量是研究的重要课题。微机保护系统能反映电力系统故障和不正常状态。一旦出现这些状况,保护系统将会使断路器跳闸或发出报警,自动、迅速和有选择地切除故障组件,使电力系统免遭损坏。针对目前微机保护的不足,本文提出了在微机保护中采用新硬件并引入嵌入式实时操作系统,对保护系统进行技术升级。硬件系统以三星公司的32位微处理器S3C2410为核心,设计了丰富的外围电路。软件平台则基于性能出众的嵌入式操作系统 μC/OS-II,将μC/OS-II移植到S3C2410目标硬件中,进行微机保护软件方案的设计。以满足变电站综合数字化、自动化、人工智能化和网络化的发展要求。本文首先介绍了针对110kv线路的保护配置和基本算法原理。详细阐述了以AMR9为核心的硬件电路设计,包括电源电路、时钟电路、数据采集电路、CPLD电路、JTAG电路等等。特别是数据采集电路,采用高性能的32位S3C2410和16位的AD7656芯片作为核心硬件平台,极大的提高数据处理的速度和精度,并采用CPLD取代传统分立的逻辑器件,提高系统的抗干扰能力和可靠性。软件方面,成功在ARM9上移植了μC/OS-II操作系统。在考虑任务间的联系和优先级情况下,详细研究微机保护系统的应用程序在μC/OS-II平台上任务的划分和设计。最后设计了微机保护中的FFT程序、数据采集程序,并给出了在ADS环境下的调试结果和采样波形的LCD实时显示。实验结果表明,本文设计的微机保护系统在硬件和软件方面都达到了设计要求,能够满足电力系统的实际工程需要。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 引言  10
  1.2 微机保护硬件方面的发展趋势  10-14
    1.2.1 单CPU 系统  10-11
    1.2.2 多CPU 系统  11-12
    1.2.3 高性能单片机系统  12
    1.2.4 DSP 系统  12-13
    1.2.5 ARM+DSP 系统  13-14
  1.3 微机保护软件方面的发展趋势  14-17
    1.3.1 传统微机保护  14-15
    1.3.2 基于嵌入式实时操作系统的微机保护  15-17
  1.4 课题的提出  17-18
  1.5 为什么选择μC/OS-II 实时操作系统和ARM9 处理器单核方案  18-19
    1.5.1 为什么选择μC/OS-II  18-19
    1.5.2 为什么选择ARM9 处理器  19
  1.6 本课题研究的内容和主要工作  19-20
第二章系统的保护配置与保护算法的基本原理  20-35
  2.1 110KV 线路保护的配置  20-27
    2.1.1 保护启动元件  20
    2.1.2 自适应距离保护  20-24
    2.1.3 线路后备保护和辅助保护  24-27
  2.2 微机保护算法的基本原理  27-34
    2.2.1 基于正弦函数模型的算法  27-30
    2.2.2 基于周期函数模型的傅里叶算法  30-32
    2.2.3 输电线路简化R-L 模型算法  32-34
  2.3 本章小结  34-35
第三章微机保护系统的硬件电路设计  35-53
  3.1 硬件总体设计方案  35-36
  3.2 主要芯片选型  36-39
    3.2.1 ARM 芯片  36-37
    3.2.2 AD 芯片  37-39
  3.3 主要硬件电路详细设计  39-51
    3.3.1 电源电路设计  39-40
    3.3.2 时钟电路设计  40-42
    3.3.3 看门狗电路设计  42-43
    3.3.4 JTAG 电路  43-44
    3.3.5 外扩SDRAM 电路的设计  44-45
    3.3.6 CPLD 电路设计  45-46
    3.3.7 数据采集电路设计  46-51
  3.4 硬件平台的PCB 板设计  51-52
    3.4.1 板层设计  51
    3.4.2 元件布局  51-52
    3.4.3 布线  52
    3.4.4 生成各种PCB 报表及输出  52
  3.5 本章小结  52-53
第四章微机保护系统的软件设计与实现  53-72
  4.1 μC/OS-II 实时操作系统介绍  53-57
    4.1.1 μC/OS-II 的内核结构  53-56
    4.1.2 μC/OS-II 的文件结构  56-57
  4.2 μC/OS-II 在S3C2410 上的移植及测试  57-65
    4.2.1 移植μC/OS-II 对微处理器的要求  57
    4.2.2 OS＿CPU.H 代码的移植  57-59
    4.2.3 OS＿CPU＿C.C 代码的移植  59-61
    4.2.4 OS＿CPU＿A.S 代码的移植  61-63
    4.2.5 ADS1.2 环境下的编译  63-64
    4.2.6 μC/OS-II 的移植测试  64-65
  4.3 基于μC/OS-II 操作系统的软件结构设计  65-71
    4.3.1 任务的划分  67-68
    4.3.2 main()函数  68-69
    4.3.3 Pro_Task()保护任务  69
    4.3.4 Pcal_Task()采样点计算任务  69-70
    4.3.5 Spi_Task()通信任务  70-71
    4.3.6 Sec_Task()自检任务  71
  4.4 本章小结  71-72
第五章基于ADS 环境下的采样程序在ARM9 上的实现  72-85
  5.1 ARM 集成开发环境ADS1.2  72-75
    5.1.1 ADS 介绍  72-73
    5.1.2 主要选项配置  73-75
  5.2 数据采集的软件设计  75-78
    5.2.1 S3C2410 初始化  75-77
    5.2.2 AD 采样程序  77-78
  5.3 FFT 程序设计及在AXD 上的调试实现  78-82
    5.3.1 FFT 算法程序  78-81
    5.3.2 FFT 程序的调试结果  81-82
  5.4 交流信号采样的实现  82-84
  5.5 本章小结  84-85
第六章总结与展望  85-87
  6.1 全文总结  85
  6.2 本课题今后工作的展望  85-87
参考文献  87-89
附录A S3C2410 核心板  89-90
附录B S3C2410 底层板  90-91
附录C S3C2410 功能引脚图  91-92
附录D FFTTEST 程序主要代码  92-98
个人简历在读期间发表的学术论文  98-99
致谢  99

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