CN201312143Y - 信号电源测控终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种配电***的监控终端，它是以ARM处理器和uClinux操作***为基础采用嵌入式***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***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。

Description

信号电源测控终端

技术领域

本实用新型涉及一种配电***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***，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***功能、对硬件资源要求不高。应用ARM-uCinux设计的***，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***。

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***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***、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***为基础采用嵌入式***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***ucLinux，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***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***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***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***，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)***采用了抗干扰设计，WATCH DOG实现死机自复位功能，***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0.1％，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10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。

附图说明

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3CAN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1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(一片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A0-A11，数据总线D0-D7。读使能控制信号nOE，写使能控制信号nWBE0，外设(I/O)地址片选信号nECS0。以及4根中断控制信号线nINREQ0～nINREQ3。

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SJA1000，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***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。P1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40V~220V，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，1A/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S1~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0。K1、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Nx1、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(S1~S4)，选择继电器K(K1~K10)。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T2一个控制状态信号T2C，T2控制节点Nx1的电平，Rx1是上拉电阻。T2的状态等效于Nx的电平。Nx1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***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将电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。

Claims (8)

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***、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1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1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。

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