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摘 要：设计并实现了一个基于ARMCortex-M3处理器为核心的馈电开关保护装置，该保护装置可为低压电网提供安全保障。文章给出了该保护装置的设计方案，并对其硬件和软件系统的设计进行了详细的阐述。
关键词：馈电开关；ARM处理器；保护装置
中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）8-0077-02
我国的馈电开关保护技术起步于20世纪50年代，经历了模仿苏美、西欧等先进国家的产品到自主开发、非智能化到智能化的发展历程，馈电开关保护装置为井下低压供电提供了有力保障。目前，井下低压馈电开关保护的方法比较多，但其存在的不足之处便是灵敏度、可靠性和准确性易受到外部条件的影响，难以适应复杂的井下工作环境。基于此认识，考虑到嵌入式应用领域中32位ARM处理器具有的高性能、低成本和低功耗等优点，决定将其运用到低压馈电开关保护中去。
1 保护装置系统总体设计
该馈电开关保护装置系统采取芯片为STM32F103RS的32位ARMCortex-M3处理器，系统硬件是以STM32F103RS芯片为核心的嵌入式硬件平台，并根据保护装置的需要设计了多种功能模块；该馈电开关保护装置系统软件采取了μC/OS-II嵌入式实时操作系统，按照一定的优先级将各个功能模块的控制程序进行任务管理。为了促使该保护装置安全、稳定运行，在系统软件和硬件方面分别加入了抗干扰设计。
该保护装置的安装位置为开关防爆腔内，经馈电开关的断路器来完成电路的通断。其工作原理是互感器对电网的电量参数进行采集，保护器由A/D端口接收信号并对其进行分析、判断和处理，发生故障时则通过继电器闭合将跳闸回路接通使断路器跳闸，从而实现故障保护。保护装置的主要功能有：①由采样电路对互感器上的信号进行实时监测和处理，并依据处理结果由ARM处理器结合μC/OS-II嵌入式实时操作系统来提高故障保护的实时性，同时采用RS-485通信连接方式来降低故障保护动作时间。②利用其通信功能来实现数据的传播、共享与交换，同时提高保护装置的稳定性和可靠性。③可以通过LED显示器实时显示电网的运行情况，在发生故障时自动报警，同时支持参数的按键设置。
该设计的低压馈电开关保护装置系统总体功能结构由电源模块、信号预处理模块、通信模块、故障保护模块、液晶显示模块等等，具体如图1所示。
2 保护装置硬件系统的设计
考虑到低压馈电保护装置的设计成本和功能需要，决定选用ST公司生产的32位STM32F103RB芯片，该处理器芯片内嵌有两个12位模拟/数字转换器（A/D）。STM32F103RB芯片采用了RISC和Thumb-2技术，与单纯ARM相比所需内存降低30%以上，同时又具有低功耗、高性能的优点。按照低压馈电保护装置的功能需要，硬件设计主要包括：开关量输出模块、通信模块设计、显示模块设计、电源模块设计、信号预处理模块、测温模块和开关量输入模块等。保护装置的硬件结构如图2所示：
2.1 电源模块设计
该保护装置的电源取自于井下配电电网，由变压器降压后转为24 V的交流电作为馈电开关的电源。根据保护装置系统的需求，采用DC/DC变换3.3 V、5.0 V、12 V和24 V四种等级电压。由于电源易受到微机控制系统的影响，在满足系统不同等级供电电压要求的同时，要采取一定的抗干扰措施。综合各方面因素，决定采用如下保护装置的电源模块设计方案：采用LM2575HV集成稳压电路将24 V交流电转为12 V的直流电，然后再采用78M05型和MC34063型DC/DC电源芯片将12 V电压转为5.0 V和24 V直流电，最后由SP6201-3V3型电源芯片将5.0 V电压转换为3.3 V直流电压。
2.2 通信模块设计
该保护装置采用的是RS-485通信模式，通信电路采用MAX485芯片，该芯片内部包含驱动器和接收器，除了满足高通信要求外，还具备较强的抗干扰能力。考虑到保护装置的防爆性能，在通信模块设计时加入了光耦隔离元件PC817、6N137和高压隔离变换器B0505，同时设计整流桥来保证输出信号的稳定性。
2.3 信号预处理模块设计
井下电网信号主要来自于采样电阻和互感器，往往难以满足A/D转换器的要求，因此必须对其进行预处理使其符合芯片的要求。考虑到在合闸和分开时总开关处只需分别检测绝缘电阻和零序信号，设计采用继电器控制绝缘电阻检测回路的通断。零序电压由该零序电压变压器所取得，是40 V的交流信号，并由UO接入采样电路，为了满足系统不同等级电压需求，对其进行降压处理。零序电流由零序电流互感器所得，并使之从IO处接入电路，同时设计采用PO07构成的微分电路进行相位补偿以满足互感器感应电流在相位上的滞后，零序电流经转换成为电压信号，并经过LM324放大电气隔离，成为符合芯片要求的电压信号。
2.4 开关输入与继电保护输出模块设计
继电保护的输出和参数的设定与开关量的输入输出有关。为了提高STM32芯片驱动力和处理器、电路的稳定性和准确性，要采取一定的抗干扰措施。该保护装置以薄膜开关作为输入按键，同时采用6N137和PC817等光电隔离器件来实现输入与输出电路信号的隔离。由于继电器驱动所需电流较大，设计采用高耐压、大电流的ULN2003驱动继电器动作。
2.5 其他模块设计
①测温模块——保护装置采用PT100测温传感器，其测温原理是在该传感器上施加一个稳定电流，通过检测两端电压，进而确定其阻抗，并利用阻抗与温度变化之间的关系计算出相对应的温度。②显示模块设计——为了实现保护装置的运行状态显示，同时满足防爆安全要求，决定采用RT1286M-1型LED屏，采用4位并行接口和3线串行接口的通讯方式。
3 保护装置软件系统的设计
考虑到主控芯片是基于ARMv7架构且又能够支持嵌入式操作系统，同时该保护装置又要满足多种功能需求，故决定采用移植开源的μC/OS-II 嵌入式操作系统。根据系统功能需要，将功能按照任务模块进行划分和编写，同时设计好各程序对应的优先级和通信连接方式。该保护装置软件应包括处理功能、人机操作、保护功能输出、逻辑判断、通讯功能、显示功能等程序。该保护装置软件系统结构图如图3所示：
图3中的BSP板级支持包是介于硬件和操作系统之间的一段程序，其主要是使操作系统较好的运行于硬件主板。保护装置的软件系统主要包括系统内核、主程序、驱动程序、BSP、系统任务、故障处理子程序、采样中断服务子程序等。软件设计首先应完成该μC/OS-II操作系统的移植，之后在系统上进行程序编写、断服务函数、各功能任务程序的编写等等。保护装置执行的任务主要有LCD刷新、键盘和互感器扫描、故障的处理与数据的传输等等。操作系统通过信号量、消息邮箱、邮箱阵列和事件等四种同步对象来完成系统任务间的通信和同步。此外，为了各项任务的实现还需编写供μC/OS-II 操作系统调用的应用程序、功能函数和数据处理算法等，该类程序的编写在此不予赘述。该保护装置的系统启动后，经过初始化后开始运行，启动操作系统的硬件定时器并创建相应的系统任务，然后系统按照设定的优先级进行各任务的执行。保护装置系统软件系统如图4所示：
4 结 语
根据当前馈电开关保护技术存在的问题，基于ARM 处理器为核心构建了馈电开关保护装置的硬件结构和软件系统，该保护装置是集通信、故障保护、人机交互等多种功能于一体的高智能化低压馈电开关保护装，为矿井低压电网安全可靠的运行提供了有力保障。
参考文献：
[1] 王世斌，梁睿，刘建华，等.基于ARM的低压馈电开关智能保护装置[J].煤矿机械，2009，（5）.
关键词：馈电开关；ARM处理器；保护装置
中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）8-0077-02
我国的馈电开关保护技术起步于20世纪50年代，经历了模仿苏美、西欧等先进国家的产品到自主开发、非智能化到智能化的发展历程，馈电开关保护装置为井下低压供电提供了有力保障。目前，井下低压馈电开关保护的方法比较多，但其存在的不足之处便是灵敏度、可靠性和准确性易受到外部条件的影响，难以适应复杂的井下工作环境。基于此认识，考虑到嵌入式应用领域中32位ARM处理器具有的高性能、低成本和低功耗等优点，决定将其运用到低压馈电开关保护中去。
1 保护装置系统总体设计
该馈电开关保护装置系统采取芯片为STM32F103RS的32位ARMCortex-M3处理器，系统硬件是以STM32F103RS芯片为核心的嵌入式硬件平台，并根据保护装置的需要设计了多种功能模块；该馈电开关保护装置系统软件采取了μC/OS-II嵌入式实时操作系统，按照一定的优先级将各个功能模块的控制程序进行任务管理。为了促使该保护装置安全、稳定运行，在系统软件和硬件方面分别加入了抗干扰设计。
该保护装置的安装位置为开关防爆腔内，经馈电开关的断路器来完成电路的通断。其工作原理是互感器对电网的电量参数进行采集，保护器由A/D端口接收信号并对其进行分析、判断和处理，发生故障时则通过继电器闭合将跳闸回路接通使断路器跳闸，从而实现故障保护。保护装置的主要功能有：①由采样电路对互感器上的信号进行实时监测和处理，并依据处理结果由ARM处理器结合μC/OS-II嵌入式实时操作系统来提高故障保护的实时性，同时采用RS-485通信连接方式来降低故障保护动作时间。②利用其通信功能来实现数据的传播、共享与交换，同时提高保护装置的稳定性和可靠性。③可以通过LED显示器实时显示电网的运行情况，在发生故障时自动报警，同时支持参数的按键设置。
该设计的低压馈电开关保护装置系统总体功能结构由电源模块、信号预处理模块、通信模块、故障保护模块、液晶显示模块等等，具体如图1所示。
2 保护装置硬件系统的设计
考虑到低压馈电保护装置的设计成本和功能需要，决定选用ST公司生产的32位STM32F103RB芯片，该处理器芯片内嵌有两个12位模拟/数字转换器（A/D）。STM32F103RB芯片采用了RISC和Thumb-2技术，与单纯ARM相比所需内存降低30%以上，同时又具有低功耗、高性能的优点。按照低压馈电保护装置的功能需要，硬件设计主要包括：开关量输出模块、通信模块设计、显示模块设计、电源模块设计、信号预处理模块、测温模块和开关量输入模块等。保护装置的硬件结构如图2所示：
2.1 电源模块设计
该保护装置的电源取自于井下配电电网，由变压器降压后转为24 V的交流电作为馈电开关的电源。根据保护装置系统的需求，采用DC/DC变换3.3 V、5.0 V、12 V和24 V四种等级电压。由于电源易受到微机控制系统的影响，在满足系统不同等级供电电压要求的同时，要采取一定的抗干扰措施。综合各方面因素，决定采用如下保护装置的电源模块设计方案：采用LM2575HV集成稳压电路将24 V交流电转为12 V的直流电，然后再采用78M05型和MC34063型DC/DC电源芯片将12 V电压转为5.0 V和24 V直流电，最后由SP6201-3V3型电源芯片将5.0 V电压转换为3.3 V直流电压。
2.2 通信模块设计
该保护装置采用的是RS-485通信模式，通信电路采用MAX485芯片，该芯片内部包含驱动器和接收器，除了满足高通信要求外，还具备较强的抗干扰能力。考虑到保护装置的防爆性能，在通信模块设计时加入了光耦隔离元件PC817、6N137和高压隔离变换器B0505，同时设计整流桥来保证输出信号的稳定性。
2.3 信号预处理模块设计
井下电网信号主要来自于采样电阻和互感器，往往难以满足A/D转换器的要求，因此必须对其进行预处理使其符合芯片的要求。考虑到在合闸和分开时总开关处只需分别检测绝缘电阻和零序信号，设计采用继电器控制绝缘电阻检测回路的通断。零序电压由该零序电压变压器所取得，是40 V的交流信号，并由UO接入采样电路，为了满足系统不同等级电压需求，对其进行降压处理。零序电流由零序电流互感器所得，并使之从IO处接入电路，同时设计采用PO07构成的微分电路进行相位补偿以满足互感器感应电流在相位上的滞后，零序电流经转换成为电压信号，并经过LM324放大电气隔离，成为符合芯片要求的电压信号。
2.4 开关输入与继电保护输出模块设计
继电保护的输出和参数的设定与开关量的输入输出有关。为了提高STM32芯片驱动力和处理器、电路的稳定性和准确性，要采取一定的抗干扰措施。该保护装置以薄膜开关作为输入按键，同时采用6N137和PC817等光电隔离器件来实现输入与输出电路信号的隔离。由于继电器驱动所需电流较大，设计采用高耐压、大电流的ULN2003驱动继电器动作。
2.5 其他模块设计
①测温模块——保护装置采用PT100测温传感器，其测温原理是在该传感器上施加一个稳定电流，通过检测两端电压，进而确定其阻抗，并利用阻抗与温度变化之间的关系计算出相对应的温度。②显示模块设计——为了实现保护装置的运行状态显示，同时满足防爆安全要求，决定采用RT1286M-1型LED屏，采用4位并行接口和3线串行接口的通讯方式。
3 保护装置软件系统的设计
考虑到主控芯片是基于ARMv7架构且又能够支持嵌入式操作系统，同时该保护装置又要满足多种功能需求，故决定采用移植开源的μC/OS-II 嵌入式操作系统。根据系统功能需要，将功能按照任务模块进行划分和编写，同时设计好各程序对应的优先级和通信连接方式。该保护装置软件应包括处理功能、人机操作、保护功能输出、逻辑判断、通讯功能、显示功能等程序。该保护装置软件系统结构图如图3所示：
图3中的BSP板级支持包是介于硬件和操作系统之间的一段程序，其主要是使操作系统较好的运行于硬件主板。保护装置的软件系统主要包括系统内核、主程序、驱动程序、BSP、系统任务、故障处理子程序、采样中断服务子程序等。软件设计首先应完成该μC/OS-II操作系统的移植，之后在系统上进行程序编写、断服务函数、各功能任务程序的编写等等。保护装置执行的任务主要有LCD刷新、键盘和互感器扫描、故障的处理与数据的传输等等。操作系统通过信号量、消息邮箱、邮箱阵列和事件等四种同步对象来完成系统任务间的通信和同步。此外，为了各项任务的实现还需编写供μC/OS-II 操作系统调用的应用程序、功能函数和数据处理算法等，该类程序的编写在此不予赘述。该保护装置的系统启动后，经过初始化后开始运行，启动操作系统的硬件定时器并创建相应的系统任务，然后系统按照设定的优先级进行各任务的执行。保护装置系统软件系统如图4所示：
4 结 语
根据当前馈电开关保护技术存在的问题，基于ARM 处理器为核心构建了馈电开关保护装置的硬件结构和软件系统，该保护装置是集通信、故障保护、人机交互等多种功能于一体的高智能化低压馈电开关保护装，为矿井低压电网安全可靠的运行提供了有力保障。
参考文献：
[1] 王世斌，梁睿，刘建华，等.基于ARM的低压馈电开关智能保护装置[J].煤矿机械，2009，（5）.