专利名称：信号电源测控终端的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种配电系统的监控终端。
背景技术：
设计信号电源测控终端RTU常见的方法，是采用工业控制计算机，扩展测控硬件接口电 路。这种方法具有设计周期短、扩展性好，开发方便的优点，但是设计的RTU成本高，体积 大，耗电大。采用80C196等单片机或DSP设计RTU，侧重于实现远动终端的基本功能，由 于单片机的运算处理和硬件扩展等能力较低，影响RTU的性能。采用uC/OS-II设计远动终 端，实现远动终端的基本功能，侧重于交流采样功能的实现，但是没有支持网络协议，也没 有远动终端上协议的实现。
而基于ARM处理器设计的RTU，硬件上具有成本低，体积小，耗电省，处理能力强等 优点；软件上由于采用uClinux操作系统，有许多优秀的应用程序成果可以利用。正是由于 这些优势，采用ARM和uClinux设计远动终端已经成为一个热点。uClinux开放源代码、具 有完备的操作系统功能、对硬件资源要求不高。应用ARM-uCinux设计的系统，在体积、成 本、功耗、功能等方面具有综合的优势。这一技术在远动领域有一定的应用前景，但是以往 主要采用台式计算机设计的系统。
发明内容
本实用新型的目的是针对目前存在的问题，提供一种新的嵌入系统的信号电源测控终端。
针对以上目的，本实用新型采用的技术路线是包括以下模块电源模块、主板模块、 遥信模块、遥控模块、遥测模块，各模块以母板总线为接口基础；主板模块包括嵌入式ARM 处理器、FLSAH存储器、内存、串口、嵌入式实时操作系统、母板总线驱动电路；遥控和遥 信模块由母板总线直接扩展；母板总线上扩展CAN总线通信模块，通过CAN和遥测模块通信。
以ARM处理器和uClinux操作系统为基础采用嵌入式系统设计一种小的远动终端，主 CPU模块采用32位高性能嵌入式ARM处理器，应用软件基于嵌入式实时多任务操作系统 ucLirmx，数据采集与处理采用DSP技术，多CPU分工明确，协调合作，很好的保证了远动系 统测量、录波原始数据的准确性和完整性；硬件上信号电源测控终端的核心部分是计算机，包括处理器、存储器、人机接口等，为了执行远动终端的测控功能，需要扩展大量外围接口 电路。不同变电所的测控对象数量差别很大，为了提高远动终端的通用性，本实用新型采用 测控电路模块化、多微处理器的层叠工业控制板结构，实现不同通讯组网方式；采用全封闭 隐藏式安装机箱结构，美观实用；多层板表面贴装设计使得系统功能扩展非常方便，同时可 靠性和EMC设计非常全面，设备的电磁兼容性各项性能均达到IEC标准规定的要求。 信号电源测控终端FTU具有以下特点
(1) 采用模块化设计，各功能单元的数量可以根据现场情况，方便的扩展。
(2) 主处理器采用32位微处理器，处理速度快。采用嵌入式操作系统，性能稳定，功
能强大，网络功能丰富。
(3) 交流采样单元采用先进的DSP技术，14位高性能AD转换器。实时采集与分析电网 波形，记录故障波形数据。
(4) 通讯部分适合多种网络形式，如以太网、铁路专线等，同时通讯媒介可选光纤、同 轴电缆、屏蔽双绞线。
(5) 采用欧式标准机箱，安装维护方便，电磁兼容性能好。
(6) 采用标准的现场总线技术，可以根据需要扩展现场总线设备。
(7) 系统采用了抗干扰设计，WATCH DOG实现死机自复位功能，系统可靠性高。
(8) 具有强大的当地监视遥信、遥测、事件记录、通信报文、故障波形记录的功能。当 地通过网口或者串口，可以方便的获取装置中的各种数据文件。
(9) 采用标准的通讯规约IEC870-5-101和IEC870-5-104协议。 信号电源测控终端FTU具有以下功能
(1) 测量功能
基本配置8路输入电压，8路输入电流。A/D转换精度不低于0.W，并在输人接口采 取了一定的抗干扰及隔离措施。可以测量的电量包括贯通、自闭两条线路的所有三相交流电 量，即三相线电压、相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等。
(2) 开关状态监视
遥信基本配置15路输入。可以方便的配置为30路或45路输入。遥信输入采用无源接 点方式，遥信电源为DC48V (可根据现场实际情况进行变换)。在输入接口采取了光电隔离措 施及防止监视对象接点抖动干扰的手段。SOE的分辨率为5ms(毫秒)，可以精确地对开关顺序 记录，进行故障分析、事故追忆。
(3) 遥控功能
基本配置为IO路继电器控制输出(DO)，实现远动控制。可以方便地配置为20路。接点输出容量为250VAC 5A，输出接点闭合时间为100ms 20s连续可调，并在输出接口采取光电 隔离措施。输出接点可以独立使用，也可以组成合/分闸对使用。采用遥控信号输出保证措施， 确保控制输出可靠无误。
(4) 事件记录与录波
可以将开关动作、参数越限设定为触发条件，触发条件成立，将进行事件记录或波形记录。
事件记录将触发的时刻、事件类型、相关参数、状态一并记录存储。 波形记录会将触发时刻、触发点前5个周期、触发点后5个周期的各通道的波形真实地 记录下来。
自动记录数据后，可实现自动上传数据或人工召取。
(5) 通讯功能
基本配置中有2个标准的RS232接口， 一个用于维护的通讯口， 一个网络通讯接口。 三个串口均支持19.2Kbps的通讯速率，两个标准的RS232 口可以同时进行两个方向的通 讯传输。各串口的通讯波特率，可以根据需要软件设置，波特率最高可达115.2Kbps。 支持IEC870-5-101和IEC870-5-104通讯规约。 网口还支持FTP文件传输。
图1信号电源测控终端总体结构框图
图2主板电路组成框图
图3 CAN总线模块电路原理图
图4遥信输入原理图
图5遥控电路原理图
图6遥测模块电路框图
图7遥测电流、电压测量输入电路
图8各板卡安装顺序图
具体实施方式
附图l中，各种电路按功能设计成相应模块，以母板总线为接口基础。 主板模块以S3C4510B为核心。主要配置是16M字节动态随机存储器SDRAM (两片 HY57V651620B)， 2M字节的FLASH (—片AM29LV160DB);处理器内部集成的两个异步串行通信接口，串口0和串口1; 一个10M以太网接口；看门狗与复位电路(MAX706); RTU母板总
线驱动电路。
串口0作为控制台，用于调试；串口 1接LCD显示屏和触摸屏，实现当地监控的人机界面。
测控接口电路，主要有遥控模块、遥信模块(开关量采集)和遥测模块(模拟量采集)。
遥控和摇信模块由母板总线直接扩展。遥测模块采用现场总线(CAN)通信接口。为此在RTU 母板总线上扩展CAN总线通信模块，实现和遥测模块的通信。
串口模块(芯片PC16C550)从母板总线上扩展。用该模块连接调制解调器(Modem),实 现RTU远程通信。
RTU母板总线是测控硬件模块扩展的基础，又是处理器总线上的一个外设接口。 为便于模块的扩展，RTU母板总线定义如下
数据总线H-D0 H-D7;地址总线H-A0 H-A7;地址片选信号H-S0 H-S6;读写控制信 号H-WR和H-RD;地址锁存控制信号H-ALE;中断服务请求控制信号H-INT0 H-INT3;复位 信号H-RESET 。
使用处理器的如下总线信号驱动RTU母板总线地址总线AO-All，数据总线D0-D7。读 使能控制信号nOE,写使能控制信号n冊EO，外设(I/O)地址片选信号nECSO。'以及4根中 断控制信号线nlNREQ0 nlNREQ3。
为兼容测控接口电路较常用的器件，母板总线按照5V的TTL电平设计。4510B总线是3. 3V 的CMOS电平。处理器总线与RTU母板总线，存在速度和电平上的差别，不能直接相连，之间 需要一个总线驱动电路。总线驱动电路是主板模块的一部分。它实现处理器总线到RTU母板 总线的扩展、电平转换和驱动。本技术采用双电源供电的双向总线缓冲器74LVX4245，实现 处理器数据总线与RTU数据总线之间的电平转换和驱动。
一些常用的芯片，如CAN总线控制器SJAIOOO，时钟芯片DS12887等，内部带一个地址 锁存器，需要地址锁存信号ALE，才能实现接口。 S3C4510B没有ALE信号，所以母板总线扩 展ALE信号，才能实现这类器件的接口。将U1的一个地址片选信号S7取反，写数据到S7地 址，可以模拟出ALE控制信号，并实现ALE的功能。
附图2中，主板是以ARM处理器为核心，配置了相应的外围器件。ARM处理器为核心的 电路结构是经过验证的成熟可靠的方法，在此基础上，由内部总线扩展了母板总线驱动电路， 另外扩展了看门狗电路以及其它的辅助电路。
附图3中，CAN总线模块以SJA1000为核心，通信数据经高速光电耦合器G1、 G2隔离，
82C250驱动，从接线端子J2连接到外部CAN总线。Pl是1W的5V转5V.的DC/DC电源模块。CAN模块使用了 H-S0作为片选信号，它的基地址是0x3600000。 SJA1000总线兼容TTL电平， 数据总线和中断信号线有驱动能力，可以直接和母板总线接口，从RTU母板总线上扩展测控 电路简单方便。
附图4中，遥信模块实现各种开关量输入采集的硬件电路。它的主要功能是开关信号的 输入电气隔离与信号电平变换，并对输入信号进行适当的滤波，减少信号抖动。输入信号的 赋值范围40r220V，具体阈值的大小根据现场遥信电压值由硬件设定。隔离器件采用光电耦 合器TLP521-4，隔离电压可以达到2500VRMS。单个模块的输入遥信数量15路。15路光电耦 合器采用共阴极接法。光电耦合器输入端反并联了保护二极管。
附图5中，遥控的执行部件是继电器，继电器的触点是遥控性能的一个重要参数。遥控 输出触点容量要求0.5A/240Vac， lA/110Vdc。每个模块遥控输出路数10路。型号 G2R-1A-E-TU-5。该型号的继电器具有体积小，触点容量大的优点。电子接口部分采用CPLD (EMP7128SLL84)实现。
执行控制电路是4个串连的继电器S广S4触点。只有当S1 S4的输出满足1010逻辑的时 候，节点b才能获得12V输出电源。在无动作情况下，b点电压总是等于O。 Kl、 K2是输出 继电器，控制外部开关的开合状态，无动作时，它们处于常开状态。节点FD1、 FD2状态作为 节点Nxl、 Nx2的反送检验信号。这一方式使得遥控过程分为两个步骤选择和执行。执行继 电器S(S广S4)，选择继电器K (KnaO)。初始状态，S=0101， T2无论为何值，由于K1线圈 没有电源，输出接点不动作。程序由总线接口逻辑电路的锁存器给T2 —个控制状态信号T2C， T2控制节点Nxl的电平，Rxl是上拉电阻。T2的状态等效于Nx的电平。Nxl电平信号，经过 R3、 R4电平变换，得到FD1，输入到总线接口电路，程序读取这一反馈信号电平。
附图6中，遥测模块实现三相交流电量的交流采样。遥测模块以DSP为核心，扩展14位 模数AD转换芯片MAX125CCAX, CAN总线驱动芯片，以及其它外围器件。DSP采用定时器中断 程序操作MAX125采集电网波形数据。经过计算得到电网电量，当前后两次测量值之差大于某 设定阈值，则生成一个数据，带时标存储到事件顺序记录数组中。主板和遥测板通过CAN总 线对时。采用这一方法，减少数据传送量，减少CAN总线数据传输峰值带宽的要求，有利于 降低程序设计的难度。
附图7，遥测电流、电压测量输入电路中R19将龟流互感器的输出电流转换为电压，D5、 D6是反向串连的5V稳压极管，使输出电压在一次测浪涌电流下，不会超过5.7V。电压测量 是采用电流互感器方式，R14是分压电阻，实际工作中，R14承担路的主要电压，可以忽略互 感器PT1的压降，因此R14的电流线性正比于输电压。通过R20将电流转换为电压，输出电 压即和被测电压有很好的比例。为了方便使用，将各个模块做成相应的板卡，安装在一个8槽的机笼内，称为FTU测控 单元。依图8，各种板卡安装顺序依次为空板、电源板、主板、遥信YX板、遥控YK板、空 板、遥测YC1和YC2板。
权利要求1、信号电源测控终端，其特征为包括以下模块电源模块、主板模块、遥信模块、遥控模块、遥测模块，各模块以母板总线为接口基础；主板模块包括嵌入式ARM处理器、FLSAH存储器、内存、串口、嵌入式实时操作系统、母板总线驱动电路；遥控和遥信模块由母板总线直接扩展；母板总线上扩展CAN总线通信模块，通过CAN和遥测模块通信。
2、 根据权利要求l所述的信号电源测控终端，其特征为所述的母板总线扩展有串口模块， 在该串口模块上连接有调制解调器。
3、 根据权利要求1或2所述的信号电源测控终端，其特征为所述的母板总线定义如下数据总线H-D0 H-D7;地址总线H-A0 H-A7;地址片选信号H-S0 H-S6;读写控制信号 H-WR和H-RD;地址锁存控制信号H-ALE;中断服务请求控制信号H-INT0 H-INT3;复位 信号H-RESET 。
4、 根据权利要求r或2所述的信号电源测控终端，其特征为所述的遥信模块的隔离器件采 用光电耦合器，^各光电耦合器采用共阴极接法，光电耦合器输入端反并联了保护二极管。
5、 根据权利要求1或2所述的信号电源测控终端，其特征为遥控模块的执行部件是继电器， 电子接口部分采用CPLD实现。
6、 根据权利要求1或2所述的信号电源测控终端，其特征为所述的遥测模块采用DSP技术， 包括A/D转换器。
7、 根据权利要求1或2所述的信号电源测控终端，其特征为所述的电源模块、主板模块、 遥信模块、遥控模块、遥信模块由对应的板卡组成，即电源卡、主板卡、遥信卡、遥控卡、 遥测卡。
8、 根据权利要求7所述的信号电源测控终端，其特征为所述的各板卡被安装在一个机笼内。
专利摘要本实用新型涉及一种配电系统的监控终端，它是以ARM处理器和uClinux操作系统为基础采用嵌入式系统设计一种小的远动终端。采用模块化、多微处理器的层叠工业控制板结构，实现不同通讯组网方式。它包括几大模块电源模块、主板模块、遥信模块、遥控模块、遥测模块组成，可以应用于铁路的远动系统中，实现对铁路中贯通、自闭两大电路的控制。除此之外它其能够实现的功能还包括测量功能，开关状态监视、遥控功能、事件记录与录波功能、通讯功能等。
文档编号H02J13/00GK201312143SQ20082017879
公开日2009年9月16日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者杨国华, 樊江涛, 费远鹏 申请人:北京太格时代自动化系统设备有限公司