一種基于OMAP5910的低壓保護測控裝置設計

摘要：介紹了多核處理器OMAP5910的軟硬件結構和特點，提出了以OMAP5910為核心處理器的低壓保護測控裝置設計方案，簡述了保護測控裝置的硬件和軟件設計方案，并給出了A/D轉換電路、數字量輸入電路和數字量輸出電路的設計原理圖，介紹了繼電保護功能的特點。由于采用了高性能的硬件平臺和嵌入式實時操作系統，該裝置具有功能完善、保護配置靈活、運行可靠、維護方便、可擴充性好等特點，較好地滿足了低壓保護測控裝置的性能要求。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/ article/203224.htm

關鍵詞：多核處理器；OMAP5910；保護測控裝置；VxWorks

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.009

引言

隨著電力系統自動化程度的不斷提高，繼電保護測控裝置數字化、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等特點。目前，傳統低壓保護測控裝置的硬件平臺大多使用ARM+DSP+FPGA的多CPU結構[1]，該結構可以保證數據交換的實時性和保護功能的可靠性，但存在數據共享、設備間隔擴展、時鐘信號同步、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（內部集成有DSP和ARM內核）為控制核心的低壓保護測控裝置設計方案，取得了較好的效果。

保護測控裝置的總體結構

多核處理器OMAP5910是TI公司推出的開放式多媒體應用平臺，片內集成了DSP處理器和ARM處理器，DSP處理器基于TMS320C55X核，提供2個乘累加（MAC）單元，1個40位的算術邏輯單元和1個16位的算術邏輯單元，由于DSP采用了雙ALU結構，大部分指令可以并行運行，其工作頻率達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16KByte的指令cache和8KByte的數據cache，1個協處理器，指令長度可以是16位或者32位。OMAP5910具有集成度高、硬件可靠性和穩定性強、數據處理能力強、低功耗等優點。

主要硬件電路設計

A/D轉換電路

低壓保護測控裝置采集的交流模擬信號包括三相測量電流、三相保護電流、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，三相保護電流信號使用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轉換通道。

A/D轉換芯片使用TI公司生產的TLC3578，它是8通道14位串行模數轉換器，采用單5V模擬電源和3V～5V數字電源供電，模擬量輸入范圍

為-10V～+10V，完全可以滿足同時接多個互感器的設計要求[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 、時鐘信號SCLK、串行數據輸入SDI和三態串行數據輸出SDO四個引腳組成， /EOC端連接至OMAP5910的中斷輸入端，當TLC3578內部FIFO存儲區滿時產生相應的外部中斷，觸發相應中斷程序將數據讀走。

數字量輸入電路

數字量輸入電路不但可以采集低壓供電系統中的負荷開關位置信號、熔斷器熔斷信號、低壓斷路器位置信號等普通開關量信號，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。該裝置設有20路強電數字量輸入接口，并提供有4路可編程的備用非電量輸入接口，便于非電量功能擴展。數字量輸入接口電路如圖3所示，DIIN是數字量輸入端子，DICOM是數字量輸入電路的公共端，DIOUT為數字量輸入的輸出端，DIIN端的輸入交流信號經整流、濾波、光電耦合器后變成數字信號輸出。

數字量輸出電路

數字量輸出電路采用啟動繼電器閉鎖形式，啟動繼電器的控制信號由OMAP5910的ARM內核控制，出口繼電器的控制信號由OMAP5910的DSP內核控制，只有啟動繼電器動作后，才能開放出口繼電器的正電源，從而實現數字量輸出控制的部分解耦，避免由于器件損壞而引起保護誤動作。數字量輸出接口電路如圖4所示，當需要輸出時，首先使啟動繼電器的DOENH置高電平，DOENL置低電平，光電耦合器EL852導通，啟動繼電器動作，其常開觸點閉合，使+24VE連接到+24V；然后將DOOUT置為低電平，光電耦合器EL852導通，出口繼電器動作，其常開觸點閉合，使跳閘或告警電路導通。

通信接口電路

保護功能配置靈活

保護測控裝置設置有豐富的保護功能，包括三段式帶復壓閉鎖的定時限過流保護、三段式過負荷保護、反時限過流保護、零序電流保護、負序電流保護、低電壓保護、過電壓保護和PT斷線告警等。保護測控裝置按照模塊化的設計思想，將不同的保護功能給劃分為獨立的模塊，各個模塊具有獨立的入口條件和出口狀態，并且每個模塊設置有控制軟壓板，可以通過控制軟壓板的投入或退出來配置裝置的保護功能，各保護功能的整定值和出口方式（跳閘或告警）可以通過按鍵或通信網絡來配置。這種模塊化的設計使保護功能具有極強的可讀性和移植性，各模塊間的協作關系清晰明了，有利于提高保護的可靠性。

OMAP5910的DSP內核根據配置的保護功能和保護整定值與出口方式，將采集到的保護用交流模擬量通過數字處理后，與保護整定值進行比較，當滿足保護動作條件時，按照配置的出口方式動作，并將出口信息傳遞給ARM核，供LCD顯示、狀態指示和數據通信使用。當裝置被配以某種或多種保護功能時，其它未被配置的保護功能的相關整定值和事件信息變為不可見，在系統程序中不執行相關保護功能，因此只需配置所需保護功能的整定值，可以最大限度地減少整定值數量，簡化用戶的定值管理，減少出錯的可能。

軟件設計

OMAP5910是一個高度集成的硬件和軟件應用平臺，它支持WinCE、EPOC、Nucleus、VxWorks和Linux等多種操作系統，由于VxWorks操作系統具有高效的任務管理功能、支持多任務多優先級、支持優先級搶占和輪轉調度機制、極高的實時性和可靠性等特點，使其非常適合在保護測控裝置中應用，可以提高裝置的實時性、保護軟件的可靠性和軟件開發及維護效率。

由于VxWorks操作系統采用多任務、優先級搶占機制，因此在編程中把重點放在對任務、中斷進行劃分和任務調度的實現等問題上。系統主要包括三個中斷、一個任務調度和多個任務，三個中斷包括A/D采樣中斷、定時器中斷和按鍵輸入中斷，任務包括模擬量計算任務、保護邏輯判斷任務、保護功能任務、數字量控制任務、故障錄波任務、通信處理任務、按鍵管理任務、報警功能（LCD顯示和指示燈指示）任務和GPS對時任務。實時多任務調度是整個系統的核心，是保證多個任務合理有序地執行的關鍵，設計時將任務調度放在數據采樣中斷處理中執行，其任務調度框圖如圖5所示。

結論

本文提出了以OMAP5910為核心處理器的低壓保護測控裝置設計方案，借助OMAP強大的硬件平臺和VxWorks操作系統的軟件環境，使整個裝置的硬件結構更加簡潔和優化，有效地降低了裝置的整體功耗，提高了裝置內部數據交換的效率和軟件開發的靈活性，提高了裝置的可靠性和可擴展性。同時，裝置具有靈活的保護功能配置和保護出口配置功能，簡化了保護整定值的管理和使用，便于使用和維護。

參考文獻：

[1] 華健衛.基于DSP2812平臺的數字式測控保護綜合裝置設計[J].電力自動化設備，2008，28（12）：114-116

[2] 張吉，宋斌，唐成虹.保護測控裝置嵌入式采樣新平臺的研制[J].電力系統自動化，2011，35（2）：89-92

[3] 王海燕，徐云燕，王世云，等.一種基于DSP+MPC的數字化保護測控裝置[J].電力系統自動化，2010，34（9）：112-114

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