基于STM32處理器與PCI—104總線的發(fā)電廠故障錄波同步授時卡的設計和實現(xiàn)

沈茂東　彭祖濤

摘要：電廠/變電站的一件十分重要的基礎工作就是時間同步，統(tǒng)一精確的時間是保證電力系統(tǒng)安全運行和提高電力運行水平的一個重要措施。根據(jù)分析現(xiàn)有的眾多同步授時裝置的優(yōu)缺點，并且結(jié)合目前比較主流的微處理器，最終選取了ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器來完成數(shù)據(jù)的處理，采用了PCI-104總線技術來進行數(shù)據(jù)的傳輸，該總線技術能夠很好地滿足系統(tǒng)實時性的要求。本系統(tǒng)的驅(qū)動編寫采用Driver studio來編寫，以實現(xiàn)板卡系統(tǒng)與上位機的通信，上位機測試軟件則采用MFC類來編寫。

關鍵詞：發(fā)電廠；時間同步；GPS；ARM Cortex-M3內(nèi)核；STM32；PCI-104

中圖分類號：TM726文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）24-0108-03

近年來，國內(nèi)外連續(xù)發(fā)生的多起大面積的停電事故，暴露出電力系統(tǒng)運行不可忽視的安全問題。隨著電廠、變電站日益提高的自動化水平，電網(wǎng)運行水平不斷提高，測量及調(diào)度自動化系統(tǒng)等自動化裝置得到了廣泛的應用，而這些設備的運行都需要有統(tǒng)一的時間基準。如果有了統(tǒng)一精確的時間，就能夠?qū)崿F(xiàn)全廠（站）的各個系統(tǒng)在GPS（北斗）提供的時間基準下運行監(jiān)控，也能夠通過事故后的各個開關動作的先后、調(diào)整順序的先后的準確時間來分析事故的原因及過程。一直以來，GPS授時都是美國霸占。1983年，我國科學家陳芳允和美國的一位科學家同時提出了利用地球同步衛(wèi)星來進行導航定位的設想。經(jīng)過多年的預研后，終于在1994年全面啟動導航系統(tǒng)的研制。目前國內(nèi)的關于GPS同步授時也取得了非常迅猛的發(fā)展，主要有濟南唯尚電子的W9000電廠/變電站時間同步系統(tǒng)、上海銳呈電氣的K801同步授時裝置、思利敏公司的SNTS網(wǎng)絡時間同步裝置等。通過分析現(xiàn)有的眾多同步授時裝置的優(yōu)缺點，結(jié)合目前比較流行的微處理器，最終選取了性能高、成本低、功耗低的專門為嵌入式應用設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器來完成數(shù)據(jù)的處理，在數(shù)據(jù)傳輸方面，系統(tǒng)采用了PCI-104總線技術來進行數(shù)據(jù)的傳輸，該總線技術能夠很好地滿足系統(tǒng)實時性的要求。

1硬件設計

系統(tǒng)的板卡主要為故障錄波和數(shù)據(jù)采集等裝置提供200uS的高精度同步絕對時標。這就要求系統(tǒng)要能接收主時鐘源發(fā)出的RS485方式的對時信號，在對時過后即正常狀態(tài)下其要能夠自己運行正確的時間信息。

由于主時鐘源發(fā)來的信號不止一種，因此不能直接將其送入單片機。需先將其送至邏輯芯片，經(jīng)過邏輯芯片的判斷選擇之后再送入MCU，這樣會節(jié)省單片機很多資源及時間。

為了在沒有時間信號輸入的情況下，此板卡依舊能正常顯示準確的時間信息，系統(tǒng)在此為其配備了Dallas公司的DS12C887時鐘芯片。

在單片機與PC機通訊方面，除采用了專門為嵌入式設計的的PCI-104總線以節(jié)省板卡空間之外，為了使雙方能夠準確、快速地進行數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)還采用了一片雙口RAM來提升此卡的整體性能。

在PC機與MCU通訊的時候，要經(jīng)過雙口RAM，本板卡所用的芯片有2K的地址空間，為解決單片機引腳問題以方便交換數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將這1K空間分為8頁，每頁128個地址空間。這樣的話對單片機來說，直接通過一個數(shù)據(jù)端口就可方便地輸出地址。

通訊卡上有8頁RAM用來與PC機交換數(shù)據(jù)，每頁為128Bytes。每頁RAM的用途：第0頁和第1頁是PC機與單片機交換時標數(shù)據(jù)區(qū)。

第0頁：儲存偶數(shù)0.2ms的時鐘數(shù)據(jù)（10Bytes）。

第1頁：儲存奇數(shù)0.2ms的時鐘數(shù)據(jù)（10Bytes）。

第2～6頁：保留。

第7頁：儲存從PC機向同步時鐘卡（從卡）的對時時鐘數(shù)據(jù)（10Bytes）。

此通訊卡在本系統(tǒng)的作用主要有：為PC機提供200uS時間刻度；通過PCI總線與PC機相連，將接收到的對時信號轉(zhuǎn)換為200uS的絕對時標刻度數(shù)據(jù)，采用中斷或查詢方式提供給PC機；PC機可在任何時刻從卡上讀取分辨率為200uS的絕對時間刻度；事件捕獲功能。以200uS的分辨率捕獲輸入事件脈沖到達的精確時刻，并以中斷方式告知PC機。

系統(tǒng)的硬件主體框圖如圖1所示：

2軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要分為三大部分：系統(tǒng)板單片機程序設計、驅(qū)動程序設計和上位機測試應用程序。

2.1系統(tǒng)板單片機程序設計

此部分主要負責實現(xiàn)本次設計的主要目標任務：提供200uS精確時標以及各種傳送方式的時間等信息的接收、解碼和發(fā)送。

200uS精確時標的產(chǎn)生主要由邏輯芯片配合單片機來實現(xiàn)。為了能夠及時地與PC機進行信息交流，充分利用系統(tǒng)資源，并提高板卡的整體性能，系統(tǒng)采用雙口RAM實現(xiàn)存儲器共享。

2.2驅(qū)動程序設計

在此系統(tǒng)中選擇WDM驅(qū)動編程模式，該模式為微軟公司推出的分層化的驅(qū)動程序模式，適用于Win2000、WinNT和WinXP操作系統(tǒng)中，它不但可以實現(xiàn)對新硬件的即插即用，而且可以有效減少并降低驅(qū)動程序開發(fā)的數(shù)量和復雜性。在該模式下，每個IO操作可通過一個IO請求包（IRP）描述，當操作系統(tǒng)遇到一個IRP時，它就調(diào)用相應驅(qū)動程序中的例程來處理該IRP。WDM的層次結(jié)構如圖2所示：

2.3上位機測試應用程序

上位機測試應用程序主要是為評測底層硬件是否合理正確以及板卡系統(tǒng)單片機程序是否編寫正確。

在此程序中我們將能很輕松地看到板卡系統(tǒng)的時間信息、發(fā)送方式等。這將給后續(xù)的開發(fā)和測評提供很好的幫助。

參考文獻

[1]楊慶宇．基于多平臺的PCI總線接口設計與實現(xiàn)[D]．西安電子科技大學，2010．

[2]王群．基于PCI總線故障錄波器的研究和開發(fā)[D]．華中科技大學，2005．

[3]劉小春．分布式電力線路故障錄波系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].華中科技大學，2001．

[4]孫莉，吳順君，蘇濤．DSP與PCI總線接口設計及實現(xiàn)[J].微電子學與計算機，2002，（3）：34-36．

[5]潘穎欣．GPS定位導航和授時產(chǎn)品的開發(fā)[D]．南京航空航天大學，2002．

[6]張雄偉，陳亮，徐光輝．DSP芯片的原理與開發(fā)應用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

[7]危文華．PCI接口芯片9052以及應用[J]．電子技術應用，2001，21（1）：67-70．

[8]PCI Local Bus Specification Revision 2.1．PCI Special Interest Group，1995．

[9]李貴山，陳金鵬．PCI局部總線及其應用[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2003．

[10]王胡艦，吳瑞生．利用接口芯片PCI9052制作PCI總線

接口卡詳解[J]．工業(yè)控制計算機，2004，17（12）：25-27．

[11]徐鵬華，魏豐．基于PCI總線的GPS同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J]．工業(yè)控制計算機，2005，18（10）：33-36．

[12]瞿坦．計算機網(wǎng)絡原理及應用基礎[M]．武漢：華中理工大學出版社，1999．

作者簡介：沈茂東（1978-），男，山東滕州人，國家電網(wǎng)山東電力集團公司安全監(jiān)察部處長，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化、經(jīng)濟學；彭祖濤，重慶大足人，重慶市電力公司壁山供電公司專業(yè)工程師，助理工程師，研究方向：電氣自動化。

（責任編輯：周瓊）