一種基于OMAP5910的低壓保護(hù)測控裝置設(shè)計(jì)

　　引言

　　隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化程度的不斷提高，繼電保護(hù)測控裝置數(shù)字化、智能化的趨勢日益明顯，并具有功能多樣化、通信接口豐富化、高可靠性和高性能指標(biāo)等特點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)低壓保護(hù)測控裝置的硬件平臺(tái)大多使用ARM+DSP+FPGA的多CPU結(jié)構(gòu)^[1]，該結(jié)構(gòu)可以保證數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性和保護(hù)功能的可靠性，但存在數(shù)據(jù)共享、設(shè)備間隔擴(kuò)展、時(shí)鐘信號(hào)同步、功耗高等方面的問題^[2]，為了解決這些問題，本文提出了一種以多核處理器OMAP5910(內(nèi)部集成有DSP和ARM內(nèi)核)為控制核心的低壓保護(hù)測控裝置設(shè)計(jì)方案，取得了較好的效果。

　　保護(hù)測控裝置的總體結(jié)構(gòu)

　　多核處理器OMAP5910是TI公司推出的開放式多媒體應(yīng)用平臺(tái)，片內(nèi)集成了DSP處理器和ARM處理器，DSP處理器基于TMS320C55X核，提供2個(gè)乘累加(MAC)單元，1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元和1個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元，由于DSP采用了雙ALU結(jié)構(gòu)，大部分指令可以并行運(yùn)行，其工作頻率達(dá)150MHz，并且功耗更低。ARM處理器是基于ARM9核的TI925T處理器，包括了1個(gè)16KByte的指令cache和8KByte的數(shù)據(jù)cache，1個(gè)協(xié)處理器，指令長度可以是16位或者32位。OMAP5910具有集成度高、硬件可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

　　為了檢修方便，保護(hù)測控裝置在設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括交流模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、按鍵和顯示模塊、通信模塊、微控制器模塊等^[3]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。交流模擬量輸入模塊包括電壓互感器、電流互感器、信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，用于將交流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為能被OMAP5910處理的數(shù)字信號(hào);數(shù)字量輸入模塊用于采集負(fù)荷開關(guān)位置信號(hào)、低壓斷路器位置信號(hào)、熔斷器熔斷信號(hào)等普通開關(guān)量信號(hào)，還可以采集重瓦斯動(dòng)作跳閘、輕瓦斯動(dòng)作告警等非電量信號(hào);數(shù)字量輸出模塊主要用于各種保護(hù)裝置的出口跳閘、信號(hào)報(bào)警等功能;按鍵和顯示模塊主要用于人機(jī)交互;通信模塊用于與其它智能設(shè)備和監(jiān)控中心進(jìn)行通信。

　　OMAP5910中的DSP處理器是實(shí)現(xiàn)保護(hù)測控功能的核心，主要負(fù)責(zé)交流模擬量與數(shù)字量輸入信號(hào)的采集、數(shù)字濾波、電氣量計(jì)算、保護(hù)邏輯判斷、故障信息處理、保護(hù)動(dòng)作出口等實(shí)時(shí)性任務(wù)。OMAP5910中的ARM處理器主要負(fù)責(zé)處理人機(jī)交互、GPS對(duì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)通信等非實(shí)時(shí)性任務(wù)。由于DSP處理器和ARM處理器集成在一個(gè)芯片內(nèi)，所以其功耗相對(duì)于多CPU結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái)要低很多，且不存在時(shí)鐘信號(hào)同步問題;DSP處理器和ARM處理器可以通過192K字節(jié)的內(nèi)部SRAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，不存在數(shù)據(jù)共享和問題，且整個(gè)硬件平臺(tái)具有較靈活的可擴(kuò)展性，較好地解決了多CPU硬件平臺(tái)中存在的問題。

　　主要硬件電路設(shè)計(jì)

　　A/D轉(zhuǎn)換電路

　　低壓保護(hù)測控裝置采集的交流模擬信號(hào)包括三相測量電流、三相保護(hù)電流、零序電流和三相電壓^[4]，三相測量電流使用5A/3.53V的線性電流互感器采樣，三相保護(hù)電流信號(hào)使用100A/7.07V的電流互感器采樣，零序電流使用20A/7.07V的電流互感器采樣，三相電壓使用220V/7.07V的電壓互感器采樣，共需要10路A/D轉(zhuǎn)換通道。

　　A/D轉(zhuǎn)換芯片使用TI公司生產(chǎn)的TLC3578，它是8通道14位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用單5V模擬電源和3V~5V數(shù)字電源供電，模擬量輸入范圍為-10V~+10V，完全可以滿足同時(shí)接多個(gè)互感器的設(shè)計(jì)要求^[5]。TLC3578的接口電路如圖2所示，TLC3578同OMAP5910的串行接口主要由片選信號(hào) 、時(shí)鐘信號(hào)SCLK、串行數(shù)據(jù)輸入SDI和三態(tài)串行數(shù)據(jù)輸出SDO四個(gè)引腳組成， /EOC端連接至OMAP5910的中斷輸入端，當(dāng)TLC3578內(nèi)部FIFO存儲(chǔ)區(qū)滿時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的外部中斷，觸發(fā)相應(yīng)中斷程序?qū)?shù)據(jù)讀走。

　　數(shù)字量輸入電路

　　數(shù)字量輸入電路不但可以采集低壓供電系統(tǒng)中的負(fù)荷開關(guān)位置信號(hào)、熔斷器熔斷信號(hào)、低壓斷路器位置信號(hào)等普通開關(guān)量信號(hào)，而且還可以采集低壓變壓器的重瓦斯跳閘、輕瓦斯告警、超高溫跳閘、高溫告警等非電量信號(hào)。該裝置設(shè)有20路強(qiáng)電數(shù)字量輸入接口，并提供有4路可編程的備用非電量輸入接口，便于非電量功能擴(kuò)展。數(shù)字量輸入接口電路如圖3所示，DIIN是數(shù)字量輸入端子，DICOM是數(shù)字量輸入電路的公共端，DIOUT為數(shù)字量輸入的輸出端，DIIN端的輸入交流信號(hào)經(jīng)整流、濾波、光電耦合器后變成數(shù)字信號(hào)輸出。