基于ARM9智能便携式延时测试仪硬件的设计

2012-06-20王波

电气传动自动化 2012年1期

王波

（武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072）

1 引言

数字化、智能化是未来变电站的发展趋势。目前，国内外电子式互感器的研制工作已向实用化阶段发展。这样大规模发展的基础之一便是非常规互感器的应用，由它发展而来的合并单元也是一种新型电力设备，二次智能电子保护设备通过网络通信完成信息交换。各智能设备的功能特性、校验标准等已经成为数字化变电站建设和运行的突出问题。由电子互感器和合并单元带来的相位误差和比例误差也直接影响到电网的安全运行。由于电子式互感器结构的特殊性，难以应用常规电磁式互感器校验装置进行校验，因此电子式互感器及其合并单元的校验方法和装置研究一直是国内外的研究热点［1］。

根据IEC61850［4］关于性能测试部分通讯延时测试的要求，发送的物理设备到接收的物理设备传输时间要满足一定的规程要求。根据电力系统继电保护的速断性、安全性的特点，采样数据应经过尽可能短的网络传输延时送到二次保护测控设备，这对于电力设备的保护和电力系统本身的运行安全有着十分重要的作用。因此，测定采样数据包的传输延时对于鉴定合并单元的性能是一项十分重要的工作［5］。

2 合并单元延时测试原理

从电子互感器发出数据经过合并单元的同步、抽取滤波、相位补偿等处理之后，合并单元再按IEC61850或者IEC60044规定的数据帧格式将数据打包发送到二次设备中，每次发送的数据包都经过了处理，与电子互感器发送的数据已有本质的区别。因此，测试合并单元的延时，不能按照发送点到接收点之间的延时来计，而只能将电子互感器发出的波形和合并单元发出的波形在同一时间轴上比较来进行测试。这就要求测试装置既要模拟电子式互感器串行发送FT3数据帧，又要模拟二次设备IED网络接收合并单元发送的数据帧。

搭建智能手持式延时测试仪（IHT）原理图如图1所示。

图1 测试平台原理图

图1中既包括模拟电子互感器发送数据的功能，也包括IED接收采集数据的功能。以测试平台提供的时间轴为基准，同时将发送和接收的数据打上时标，放在同一坐标系上，计算发送和接受波形的基波相位差，再折算成时间，就可以测试出合并单元的延时。

3 测试仪硬件搭建目标与原则

本装置要研制的手持式（便携式）IHT针对数值化变电站合并单元的网络化二次设备进行信息交换的测试仪器的研究、设计、搭建以及基本验证功能软件的设计开发，具备二次开发的硬件平台基础。

系统设计原则遵循以下几点：

（1）主控制器采用ARM9嵌入式处理器，主频100MHz以上，能满足应用对资源及速度性能的要求。

（2）配备大容量存储器，能满足数据存储及运行嵌入式操作系统的需要。

（3）具备 ARM9调试接口（JTAG、UART0对应的RS232）和复位、按键等控制接口。

（4）配置7英寸彩色触摸屏，满足操作及图文显示的需要。

（5）配置从USB插槽，支持U盘启动系统。

（6）配置2路以UART数据传输的光纤通信ST接口，分别模拟EVT／ECT信号的输出。

（7）配置4路10／100M的以太网接口，两路电口两路光口，模拟IED与MU的通信。

（8）配备高容量锂电池（2000mAH），工作2小时。

（9）系统采用低功耗、工业级手持（便携）式设计。

（10）采用LINUX操作系统。

测试平台整体框架如图2所示。

4 硬件平台介绍

4.1 C8051F340 介绍

51系列控制芯片C8051F340可以满足高达2Mbps波特率UART的要求，本装置采用该芯片作为光口UART的控制器。其内部结构框图如图3所示。

图2 测试仪整体框架图

IHT的模拟测试功能之一是：同时模拟两台ECT／EVT设备发送报文到合并单元MU，并接受来自于它们的报文，进行数据与同步性分析。该功能需要本仪器具备的接口是两路UART输出接口和两路以太网接收接口。IHT一方面要实现模拟ECT／EVT的信息组织与发送功能，另一方面还要具备IED的信息接收与处理功能，此外IHT还要实现对发送和接受信息的分析功能。为实现上述功能的要求，选择C8051F340双路UART高速光纤数据传输模拟ECT／EVT、网络电光／光电接口实验平台模拟MU，组成测试仪进行测试。

在两路UART进行数据传输中，一方面要考虑光模块相位的控制问题，利用异或门输入控制实现；另一方面要考虑UART1、SPI与曼彻斯特编解码器（3D3523）复用光模块，以GPIO来转换控制，实现同步数据传输；装置中同时还加入了光模块通信节能控制，其光接口为OCM型专用模块。

图3 80C51F340内部结构框图

4.2 Micro2440 ARM9 核心板

本仪器选用含ARM9芯片S3C2440的Micro2440核心板作为主CPU。

S3C2440支持两种启动模式：一种是从Nand Flash启动；另外一种是从Nor Flash启动。在此两种启动模式下，各个片选的存储空间分配如图4所示。

图4中，左边是nGCS0片选的 Nor Flash启动模式下的地址分配图；右边是Nand Flash启动模式下的地址分配图。

由图 4可知，在Nand Flash启动模式下，内部的4K Bytes Boot SRAM被映射到nGCS0片选的空间；在Nor Flash启动模式下，与nGCS0相连的外部存储器Nor Flash就被映射到nGCS0片选的空间。

4.3 S3C2440 部分功能模块

根据设计原则，测试仪需要配备大容量SD卡和从USB插槽。

4.3.1 SD 卡存储器接口部分

SD卡可以配置为2／4G的容量，利用S3C2440的内部功能模块实现。电路中接入了EMC保护芯片，利用GPF2作为SD卡的工作电源控制，EINT16作为是否插卡的检测，GPH8作为SD卡是否写保护的检测，如图5所示。GPF2为低电平时，SI2323导通，给SD卡供电；GPF2为高电平时，SI2323关断，SD卡关闭。后面的SI2323的操作方法相同。

4.3.2 USB 接口

如图6所示，本装置扩展了USB-Host和USB-Slave接口。其中USB-Slave用于软件调试及下载，USB-Host供U盘使用。这两个端口对应图6中的“调试”和“USB”端口。

图4 Flash存储分配图

图5 SD卡接口电路

5 结束语

本文基于ARM9的智能便携式测试仪有一大特点，那就是在Linux系统下实现了多网卡应用，因而可以在数字变电站中广泛应用。由于数字变电站中的IED都是网络化设备，这给校验装置功能的拓展提供了基础。装置功能可以拓展为测试智能开关、网络交换机等设备的延时，也可以安放在数字变电站中实时观察各个IED的运行状况等。