基于ARM Cortex-M3的断路器智能控制器的设计

来源：电工电气　　　时间：2010-05-27　 责任编辑：葛红波
标签：断路器控制器ARM Cortex-M3设
0 引言
万能式断路器是低压配电系统中起通断及保护作用的重要元件。万能式断路器智能控制器也被称为电子脱扣器，是判断万能式断路器是否先进的重要依据之一。目前，国内的智能控制器一般采用的中央处理器是单片机[1]，随着万能式断路器的发展对智能控制器的要求越来越高，虽然单片机在性能方面有了明显的提升，但受基本架构的限制，进一步改进和提高性能的余地相对较小。现在智能控制器中央处理器也有采用DSP的，但在工业上可选的芯片较少，在选择上受到一定的限制。 信息来自:输配电设备网
A R M 微处理器基于先进的精简指令集计算机(RISC)架构[ 2 ]，具有突出的性能优势，是当前32位嵌入式系统的主流平台。本设计采用ARMCortex-M3内核，设计一种新型的万能式断路器智能控制器[3-4]。该智能控制器与原基于单片机平台控制器之间具有互换性，而以STM32F103为微处理器的智能控制器在功能、结构、性能方面均有改进。 信息来源:http://tede.cn
1 框架断路器控制器硬件设计 信息来源:http://www.tede.cn
1.1 总体方案简介信息来自:www.tede.cn
 
万能式断路器智能控制器的主要作用是对线路中的过载、短路、接地等故障进行保护。其保护的工作原理是：断路器检测来自传感器的信号，通过信号采集电路将其进行滤波、放大、通道判别等处理，然后由微处理器内核CPU对采集到的数据进行运算和逻辑判断。若判断到电路发生故障，则根据预设的保护特性，发出脱扣控制信号，由执行电路驱动断路器动作[5]。断路器的动作与否及动作时间的长短取决于断路器的控制信号。 信息来源:http://www.tede.cn
根据智能控制器的工作原理，以与STM32F103接口的外围芯片为扩展的思想，按功能模块扩展：信号检测，信号采集，输入与显示部分，存储部分，数据通信接口，执行输出元件等模块组成。其组成框图如图1所示。 信息来源:http://tede.cn

1.2 信号采集模块 信息请登陆:输配电设备网
由于电流信号强度是几十安培到几万安培，因此针对不同强度的采样分辨率要求也是不同的。当电流信号较小时，要求采样的分辨率高，而电流很大时，采样要求的分辨率就低很多。为了提高A/D采样分辨率，把信号分成小信号和大信号两组，电流信号较小时，采用较高的放大倍数，电流信号较大时，采用较低的放大倍数。这样三相电流就变成了六路信号，为了减少信号调理电路的数量，同时节省I/O口资源，7路电压信号先接入多路模拟开关，再经过调理电路调理，最后送入A/D转换模块。信号采集单元包括信号处理电路及A/D转换部分，这两部分为微处理器系统提供正确可靠的信号。信号采集模块如图2所示。 信息来源:http://tede.cn

1.3 微处理器信息请登陆:输配电设备网
 
微处理器主要是对信号进行实时处理完成计量、各种保护和辅助功能，并且通过通信接口与上位机进行通信。ARM内核采用RISC架构，内核设计引进了众多先进技术，并用指令流水线来提高指令执行的效率，支持各种最新的硬件技术接口与外设接口。信息来自:www.tede.cn
 
本文将ST公司的微处理器STM32F103应用到框架断路器控制器设计中，它具有如下特点：(1)32位，ARM Cortex-M3架构，(2)主频72 MHz，指令执行速度90 DMIPS，③Thumb2，具有16位指令的密度和32位指令的效率，(4)128 KB Flash可用作数据存储和20 KB的SRAM，(5)43个可屏蔽中断，最小响应时间为6个CPU周期，(6)A/D转换，12位分辨率，16个通道，最高采样速率1兆次/s，(7)49个I/O口，7个定时器。信息来源:http://www.tede.cn
 
1.4 电源模块信息请登陆:输配电设备网
 
智能控制器采用双电源方式供电。一是速饱和电流互感器供电，从主电路感应出电流，经过三相整流、滤波、稳压，输出电压，当线路电流不低于0.4倍额定电流值时，即可保证控制器的正常工作;二是辅助工作电源，辅助工作电源一方面可以使用户在断路器运行前进行参数整定、功能检查、试验等，另一方面，在线路电流不足以提供控制器工作电压时，能够保证各种显示状态的正确性、报警触电输出辅助功能，便于中央控制计算机随时与各种接口子站进行通信。电源模块原理如图3所示。信息来自:输配电设备网
 

1.5 通信模块 信息来自:www.tede.cn
把各个断路器的参数回馈给控制计算机，实现集中管理、实时监控。断路器与中央控制计算机通过现场总线进行数据信息双向传输是指：一方面断路器向中央控制计算机传送线路和保护对象的运行参数、保护整定值和故障信息;另一方面中央控制计算机向智能化的断路器或其他开关设备发出操作指令，修改保护整定值。 信息请登陆:输配电设备网
Modbus总线通信网络中的通信设备是以主从方式工作的，主站PC机处于主通信模式，由它触发通信事件，从站智能控制器处于从通信模式，根据主站的命令执行相应的通信任务。 信息来自:输配电设备网
1.6 用户界面信息来源:http://tede.cn
 
用户界面主要包括键盘电路和显示电路的设计。键盘电路有5个按键，分别完成参数的确认、上调、下调、切换和复位功能，这5个按键，可以方便地浏览电网参数，进行各类保护参数的整定、各类功能的开/关和设定以及查看历史故障参数，使操作简便。在电路的设计上将按键的一端与微处理器的口线直接相连，并加上阻容电路去抖动。智能控制器的显示电路包括故障LED指示和液晶LCD显示两部分。LED指示用于指示断路器动作的故障类型，分别指示预报警，过载长延时脱扣，短路短延时脱扣，短路瞬时脱扣;智能控制器采用液晶LCD进行测量参数、保护整定值和历史故障信息的显示，本设计选用128×64点阵型的液晶显示模块BYG12864E，可以详细地显示各个状态下的电流、电压值。BYG12864E采用+5 V供电，可与CPU直接连接，工作温度范围-20～70 ℃，满足设计要求，硬件连接如图4所示。信息来自:输配电设备网
 

2 系统软件设计信息来自:www.tede.cn
 
万能式断路器智能控制器的监控对象是线路电流，对信号的检测和设备的保护动作要求有很高的实时性和可靠性。本系统软件设计采用以C语言为主，C语言和汇编语言混合编程的方式，以确保实时性。信息来自:输配电设备网
 
软件程序分为主程序和中断程序两大部分，主程序功能响应中断、智能脱口器故障处理，中断程序包括定时中断、A/D中断、通信中断及案件中断等子程序。其中，I r1为过载长延时的电流整定值(0.4～1)I 0(I 0为脱扣器的额定电流)可调，T 1为I r1的动作整定时间;I r2为短路短延时的电流整定值(0.4～15)I 0可调，T 2为I r2的动作整定时间，0.1～0.4 s可调;I r3为短路瞬时的电流整定值;I r4为接地电流整定值，T 3为I r4动作时间整定。主程序流程图如图5所示。信息来自:输配电设备网
 

3 结语信息来源:http://tede.cn
 
本文提出的万能式断路器智能控制器的设计方案简便、可靠，具有高速采集、智能多重保护、可通信、液晶显示、在线参数整定于一体的功能，符合当今断路器智能综合保护的要求。同时本文的总体设计思想对智能电器的设计有一定的通用性，也拓宽了ARM核微控器的应用空间。 信息来源:http://tede.cn
免责声明：本站信息来源于互联网、期刊杂志或由作者提供，其内容并不代表本网观点，仅供参考。如有侵犯您的版权或其他有损您利益的行为，我们会立即进行改正并删除相关内容。