专利名称：一种基于总线接口的模块化智能配电终端的制作方法
技术领域：
本发明属于配电网技术领域，具体涉及一种基于总线接口的模块化智能配电终端。
背景技术：
配电终端是配电网的重要组成部分，位于基础层。配电网的实时数据、故障自动处理的判据、开关设备的运行工况等数据都来源于配电终端，故障隔离、负荷转移、恢复非故障区段的供电、对馈线上开关的分/合操作都是通过配电终端去执行，配电终端工作的可靠性、实时性直接影响整个配电网的可靠性和实时性。 依据国内、外智能电网研究进展现状，智能电网的建设必然要经历一个长期不断发展和改进的过程，因此，未来分布在配电网中的智能配电终端也应能快速适应未来各种新技术、应用和服务的发展，具备可扩展、柔性化的特征。目前，国内现有的配电终端一般采用集成式、封闭式设计方法，即设备主要的功能由2 3块电路板实现，板级之间采用插针或软排线进行连接，结构不具备开放性，模块更换和扩展比较困难。若要对其进行功能的更改和扩展，则设备的结构及实现主要功能的PCB均需要重新设计和制作，延长了开发周期，且难以实现灵活配置。
为了实现配电终端功能的可扩展性、灵活性以及缩短开发周期，构建智能配电终端统一平台为此奠定了技术基础。现有的配电终端扩展性和灵活性都较差，产品开发周期和现场调试时间长，软/硬件的工作量大，智能配电单元的硬件总体数量较多，使配电终端结构复杂，不易维护。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于总线接口的模块化智能配电终端。采用模块化设计理念和总线接口技术，实现智能配电终端的可扩展性和柔性特征，缩短产品的开发周期，使配电终端适应未来新技术、应用和服务的快速发展。为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案—种基于总线接口的模块化智能配电终端，所述终端包括信号采集模块、数字量/开关量输出模块、数字量/开关量输入模块、人机交互模块、通信模块、电源模块、处理器模块和存储器模块；所述信号采集模块采集交流/直流模拟信号，并进行A/D转换，将数字信号传输给处理器；所述数字信号存储至存储器模块，所述处理器模块对数字信号进行分析处理，并向数字量/开关量输出模块发出控制命令；所述数字量/开关量输出模块收到控制命令后输出数字量/开关量给外围设备；数字量/开关量输入模块获取外围设备的动作状态，并反馈给处理器模块进行确认；所述处理器模块通过人机交互模块与主站/用户进行信息交互，同时实现程序的自动升级；所述电源模块将交流电源或后备电源转换为低压直流电源，为所述终端供电。所述信号采集模块包括交流模拟电压/电流采集电路、直流模拟电压/电流采集电路和A/D转换电路。所述电源模块包括AC-DC/DC-DC供电电路、备用电源接口和电池充电电路；所述数字量/开关量输入模块包括遥信，数字量/开关量输出模块包括遥控和电容器投切控制电路。所述通信模块包括以太网、RS485、GPRS/230M无线模块、微功率无线模块、GPS模块和WIFI模块；所述终端通过以太网接口或GPRS/230M无线模块与主站通信；通过微功率无线模块连接信号采集模块；通过GPS模块与卫星通信实现时钟同步；通过WIFI模块与用户的无线手持终端进行信息交互或程序升级。所述信号采集模块、数字量/开关量输出模块、数字量/开关量输入模块、电源模块和通信模块均设置于对应的功能子板上，所述功能子板通过插拔式接插件与所述背板连接；所述处理器模块和存储器模块均设置于所述主板上。 所述功能子板均具有唯一的编号，插在背板的任意插槽上；所述处理器模块自动识别功能子板的类型并检测功能子板是否连接到背板上；若是，为其分配唯一的地址，所述处理器模块依据该地址与该功能子板进行信息交互。所述背板垂直主板或平行主板设置；背板垂直主板设置时，所述功能子板从终端下方插拔，并通过插拔式欧式插座与背板连接，所述终端采用嵌入式和壁挂式安装方式；背板平行主板设置时，功能子板从终端后方插拔，并通过插拔式欧式插座与背板连接，所述终端采用嵌入式安装方式。所述处理器模块包括32位嵌入式微处理器、DDR2 SDRAM.NAND Flash、时钟电路和复位电路，对外引出总线接口、通用I/O和通信接口，所述32位嵌入式微处理器为单核或双核。所述处理器模块与所述人机交互模块均安装在主板上，并通过总线驱动器使总线接口与背板的各个插槽连接。所述人机交互模块包括外部存储接口、按键/触摸屏、液晶显示器和指示灯；用户通过按键/触摸屏向处理器模块发出请求命令，所述处理器模块对命令进行相应处理，处理结果通过液晶显示器和指示灯进行显示，所述请求命令菜单切换、指示切换、本地控制和参数设置。所述总线接口包括处理器本地总线接口或PCI-Express总线接口。所述外围设备包括复合开关、断路器、剩余电流动作保护器、有载调容/调压分接开关和开关量状态传感器。与现有技术相比，本发明的有益效果在于I.实现功能模块化，可按需要方便更换模块进行功能扩展，实现配电终端的升级；2.采用总线接口技术，使智能配电终端接口具有扩展性和柔性特征，以适应智能电网未来新技术、应用和服务的快速发展；3.处理器模块可自动检测和识别新增的功能子板，并为其分配地址，支持功能子板的热插拔；4.功能子板垂直插入背板，无论是自然通风冷却还是强制通风冷却都比较容易实现；
5.缩短了产品开发周期和现场调试时间，软/硬件的工作量较小，减少智能配电单元的硬件总体数量，使配电终端结构简单，易维护。
图I是本发明实施例中智能配电终端的结构图；图2是本发明实施例中背板垂直主板时功能子板从下方与背板连接示意图；图3是本发明实施例中背板平行主板时功能子板从后方与背板连接示意图；图4是本发明实施例中背板与功能子板之间总线接口连接示意图；图5是本发明实施例中处理器模块检测功能子板的时序图；
图6是本发明实施例中采用PCI-Express总线接口实现功能子板和主板连接示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1，一种基于总线接口的模块化智能配电终端，所述终端包括信号采集模块、数字量/开关量输出模块、数字量/开关量输入模块、人机交互模块、通信模块、电源模块、处理器模块和存储器模块；所述信号采集模块采集交流/直流模拟信号，并进行A/D转换，将数字信号传输给处理器；所述数字信号存储至存储器模块，所述处理器模块对数字信号进行分析处理，并向数字量/开关量输出模块发出控制命令；所述数字量/开关量输出模块收到控制命令后输出数字量/开关量给外围设备；数字量/开关量输入模块获取外围设备的动作状态，并反馈给处理器模块进行确认；所述处理器模块通过人机交互模块与主站/用户进行信息交互，同时实现程序的自动升级；所述电源模块将交流电源或后备电源转换为低压直流电源，为所述终端供电。所述信号采集模块包括交流模拟电压/电流采集电路、直流模拟电压/电流采集电路和A/D转换电路。所述电源模块包括AC-DC/DC-DC供电电路、备用电源接口和电池充电电路；所述数字量/开关量输入模块包括遥信，数字量/开关量输出模块包括遥控和电容器投切控制电路。所述通信模块包括以太网、RS485、GPRS/230M无线模块、微功率无线模块、GPS模块和WIFI模块；所述终端通过以太网接口或GPRS/230M无线模块与主站通信；通过微功率无线模块连接信号采集模块；通过GPS模块与卫星通信实现时钟同步；通过WIFI模块与用户的无线手持终端进行信息交互或程序升级。背板垂直主板或平行主板设置；如图2，背板垂直主板设置时，所述功能子板从终端下方插拔，并通过插拔式欧式插座与背板连接，所述终端采用嵌入式和壁挂式安装方式，前面板中具有液晶屏开窗、LED指示灯和按键的开孔，与主板平行；如图3，背板平行主板设置时，功能子板从终端后方插拔，并通过插拔式欧式插座与背板连接，所述终端采用嵌入式安装方式。如图4-图6，所述信号采集模块、数字量/开关量输出模块、数字量/开关量输入模块、电源模块和通信模块均设置于对应的功能子板上，所述功能子板通过插拔式接插件与所述背板连接；所述处理器模块和存储器模块均设置于所述主板上。所述总线接口包括处理器本地总线接口( 16位数据宽度)或PCI-Express总线接口。其中,PCI-Express总线接口用于对性能、兼容性要求较高的智能配电终端；而对成本有一定要求终端可采用处理器本地总线实现功能子板与背板的连接。(I)处理器本地总线接口 处理器本地总线接口信号由主板引出，通过背板传输至各功能子板，其信号定义如表I所示
表I
信号中文名称功能及作用
ADDR[9..0] 地址总线10位地址总线，用于小:板对各功能+板的寻址
DATA[15..0] 数据总线16位数据总线，实现处理器与功能子板的数据传输
OE#读选通信号处理器发出读选通信5-从功能子板读取数据
WE#写选通信号处理器发出写选通信号向功能子板写入数据
€cf#'该信号由处理器发出，读写数据时用于选择各功能子扳的设备，低
’^电平有效；每块子板对应一个片选信号
READY 准备就绪信号该信号由外围设备发出，为低电平表明该设备未准备就绪
RST#复位信g_该信号山处理器发出，用于复位功能子板
INTO#
中断请求信号繼=”4
每块子板对应一.-个屮断诒求Is号
SYNC#同步信3该信号山处理器发出，用于检测、识别功能子板
ACKM应答信号该信号由功能子板发出，以响应SYNC#信号
PMEO *
PMEl, 电源使丨赵目1吾/ -4.4,-
每块t板对放一个电源使能佞号
+5V, \电源两路隔离的电源；+5V为终端内部电路供电，+12V用于外围接口ADDR、DATA、READY、RST#、OE#、WE#、SYNC# 和 ACK# 信号在各个功能子板上都是相
同的，而片选信号、中断请求信号和电源使能信号对于各个功能子板是唯一的。由于总线信号在背板上传输距离较长，因此每个信号需要进行终端阻抗匹配(在驱动器上串联一个10^30 Q的电阻)，且PCB应具有一个完整的地平面，以确保信号完整性能。为了防止信号间的串扰，PCB布线遵循3W原则。此外，各个功能子板的插座中包含若干备用的通用I/O信号(未在表I和附图4中列出),用户可自定义其功能。处理器定期发出SYNC#并查询ACK#信号，用于检测功能子板是否连接到背板并处于正常工作状态。各个功能子板采用相同的SYNC#和ACK#信号，且ACK#采用集电极开路或漏极开路输出方式，以实现“线与”功能。当检测功能子板I时，处理器同时将CS0#和SYNC#信号拉低，释放后便开始检测ACK#信号。如果ACK#信号在5ms之内出现宽度大于Ims的负脉冲，则处理器模块认为该功能子板已经连接上并处于工作状态，如图5。
(2) PCI-Express总线接口 PCI_Express总线接口可用于对性能,兼容性要求较高的智能配电终端统一平台中，其信号集可参考PCI-Express规范2. 0版。此时主板板上采用具有PCI-Express接口处理器，如TI公司生产的集成DSP核与Cortex_A8 (ARM)核的高性能微处理器TMS320C6A8168。其实施方式如附图5所示。其中，芯片SN65LVDS105将有源晶振的单端时钟信号转换为差分时钟信号，提供给TMS320C6A8168的PCI-Express模块的时钟输入管脚(SERDES_CLKP和SERDES_CLKN);PCI-Express模块的数据收发信号连接到背板的插槽上。由于PCI-Express的时钟和数据信号均为高速差分信号，因此信号驱动器端串联了交流耦合电容，用于阻止高速信号的直流分量，同时可以保护驱动芯片，实现多板互连。这样，符合PCI-Express规范的功能子板可以插在背板上工作。所述功能子板均具有唯一的编号，插在背板的任意插槽上；所述处理器模块自动识别功能子板的类型并检测功能子板是否连接到背板上；若是，为其分配唯一的地址，所述处理器模块依据该地址与该功能子板进行信息交互。、
所述处理器模块包括32位嵌入式微处理器、DDR2 SDRAM.NAND Flash、时钟电路和复位电路，对外引出总线接口、通用I/O和通信接口，所述32位嵌入式微处理器为单核或双核。所述处理器模块与所述人机交互模块均安装在主板上，并通过总线驱动器使总线接口与背板的各个插槽连接。所述人机交互模块包括外部存储接口、按键/触摸屏、液晶显示器和指示灯；用户通过按键/触摸屏向处理器模块发出请求命令，所述处理器模块对命令进行相应处理，处理结果通过液晶显示器和指示灯进行显示，所述请求命令菜单切换、指示切换、本地控制和参数设置。所述外围设备包括复合开关、断路器、剩余电流动作保护器、有载调容/调压分接开关和开关量状态传感器。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述终端包括信号采集模块、数字量/开关量输出模块、数字量/开关量输入模块、人机交互模块、通信模块、电源模块、处理器模块和存储器模块；所述信号采集模块采集交流/直流模拟信号，并进行A/D转换，将数字信号传输给处理器；所述数字信号存储至存储器模块，所述处理器模块对数字信号进行分析处理，并向数字量/开关量输出模块发出控制命令；所述数字量/开关量输出模块收到控制命令后输出数字量/开关量给外围设备；数字量/开关量输入模块获取外围设备的动作状态，并反馈给处理器模块进行确认；所述处理器模块通过人机交互模块与主站/用户进行信息交互，同时实现程序的自动升级；所述电源模块将交流电源或后备电源转换为低压直流电源，为所述终端供电。
2.根据权利要求I所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述信号采集模块包括交流模拟电压/电流采集电路、直流模拟电压/电流采集电路和A/D转换电路。
3.根据权利要求I所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述电源模块包括AC-DC/DC-DC供电电路、备用电源接口和电池充电电路。
4.根据权利要求I所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述数字量/开关量输入模块包括遥信，数字量/开关量输出模块包括遥控和电容器投切控制电路。
5.根据权利要求I所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述通信模块包括以太网、RS485、GPRS/230M无线模块、微功率无线模块、GPS模块和WIFI模块；所述终端通过以太网接口或GPRS/230M无线模块与主站通信；通过微功率无线模块连接信号采集模块；通过GPS模块与卫星通信实现时钟同步；通过WIFI模块与用户的无线手持终端进行信息交互或程序升级。
6.根据权利要求I所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述信号采集模块、数字量/开关量输出模块、数字量/开关量输入模块、电源模块和通信模块均设置于对应的功能子板上，所述功能子板通过插拔式接插件与所述背板连接；所述处理器模块和存储器模块均设置于所述主板上。
7.根据权利要求6所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述功能子板均具有唯一的编号，插在背板的任意插槽上；所述处理器模块自动识别功能子板的类型并检测功能子板是否连接到背板上；若是，为其分配唯一的地址，所述处理器模块依据该地址与该功能子板进行信息交互。
8.根据权利要求7所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述背板垂直主板或平行主板设置；背板垂直主板设置时，所述功能子板从终端下方插拔，并通过插拔式欧式插座与背板连接，所述终端采用嵌入式和壁挂式安装方式；背板平行主板设置时，功能子板从终端后方插拔，并通过插拔式欧式插座与背板连接，所述终端采用嵌入式安装方式。
9.根据权利要求I所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述处理器模块包括32位嵌入式微处理器、DDR2 SDRAM, NAND Flash、时钟电路和复位电路，对外引出总线接口、通用I/O和通信接口，所述32位嵌入式微处理器为单核或双核。
10.根据权利要求9所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述处理器模块与所述人机交互模块均安装在主板上，并通过总线驱动器使总线接口与背板的各个插槽连接。
11.根据权利要求10所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述人机交互模块包括外部存储接口、按键/触摸屏、液晶显示器和指示灯；用户通过按键/触摸屏向处理器模块发出请求命令，所述处理器模块对命令进行相应处理，处理结果通过液晶显示器和指示灯进行显示，所述请求命令菜单切换、指示切换、本地控制和参数设置。
12.根据权利要求9所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述总线接口包括处理器本地总线接口或PCI-Express总线接口。
13.根据权利要求I所述的基于总线接口的模块化智能配电终端，其特征在于所述外围设备包括复合开关、断路器、剩余电流动作保护器、有载调容/调压分接开关和开关量状态传感器。
全文摘要
本发明提供一种基于总线接口的模块化智能配电终端，包括信号采集模块、数字量/开关量输出模块、数字量/开关量输入模块、人机交互模块、通信模块、电源模块、处理器模块和存储器模块。本发明提供的智能配电终端实现智能配电终端的可扩展性和柔性特征，缩短产品的开发周期，使配电终端适应未来新技术、应用和服务的快速发展。
文档编号H02J13/00GK102738894SQ20121018431
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者姜建钊, 孙军平, 孙智涛, 李二霞, 李玉凌, 樊勇华, 盛万兴, 许保平 申请人:中国电力科学研究院