CN201130872Y - 数字化电力系统监控装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及数字化电力系统监控装置，其含有CPU模块子板、背部总线板、功能模块子板、电源模块子板、人机接口模块；背部总线板通过显示接口、键盘接口分别与CPU模块子板、显示及键盘模块相连接，背部总线板通过CAN总线接口实现CPU模块子板与功能模块子板的连接，背部总线板通过电源接口实现电源模块子板与CPU模块子板和功能模块子板的连接；CPU模块子板是整个装置的核心部件，背部总线板是装置各子模块的信号的连接电路板，其它的模块都是插在母板上的，功能模块子板中的每块子板都有独立的MCU，都有独立的功能，电源模块子板为整机提供工作电源，人机接口模块包括液晶、按键、指示灯、维护串口等。

Description

数字化电力系统监控装置
【技术领域】
本实用新型涉及自动化管理设备制造领域，具体的说，是一种数字化电力系统监控装置。
【背景技术】
随着计算机技术以及控制技术的不断发展，变电站自动化管理设备得到了快速的发展。目前常见的变电站自动化系统的监控装置都有如下特点：
(1)大部分采用8位或者16位的单核微处理器，采用非实时操作系统或不采用操作系统将程序直接烧在程序存储器中；
(2)固定数量的遥信、遥测输入和遥控输出，CT、PT和继电器等都固化在印制板上，参数在购买产品时需声明；
(3)提供一个或两个RS485或RS232通信口，只能提供一至二种通信规约。
目前技术存在的缺陷是：
(1)CPU处理能力低、可靠性差，非实时系统效率低，不用操作系统直接将程序写在程序存储器中，可扩展性和灵活性较差；
(2)固定数量的遥信、遥测输入和遥控输出，不能根据实际需要灵活配置，任何一种I/O超出单台容量后需增加装置，造成费用和空间的浪费；
(3)可扩展性和灵活性差，工程后期需扩容时或需改变通信规约时非常麻烦，当装置有局部损坏时，不能就地维修，需返厂维修，可靠性比较差；
(4)RS485串行接口只支持一个主站(Host)对多个从站(Slave)的通信方式，系统规模大时，实时性差，串行通信抗干扰和纠错能力较差；
(5)装置功能因为硬件的固化而做死，升级和增加新功能的空间很小。
【实用新型内容】
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种基于可靠的、实时性高的通信总线CAN总线作为装置内部总线和高可靠性、实时性、可裁减性的VXWORKS作为内部实时操作系统的板卡式数字化电力系统监控装置。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种数字化电力系统监控装置，含有CPU模块子板、背部总线板、功能模块子板、电源模块子板、人机接口模块；所述的背部总线板通过显示接口、键盘接口分别与CPU模块子板、显示及键盘模块相连接，背部总线板通过CAN总线接口实现CPU模块子板与功能模块子板的连接，背部总线板通过电源接口实现电源模块子板与CPU模块子板和功能模块子板的连接。
所述的CPU模块子板含有MPC850主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GSP秒对时脉冲模块、CAN总线接口控制模块、BOOT存储器、程序存储器、数据存储器和CPLD扩展模块、外部接口端子和96针总线接口模块；其中
——CPLD扩展模块通过显示及键盘接口控制线与96针总线接口模块相连接；
——CAN总线控制接口模块通过数据总线和控制总线与CPLD扩展模块连接；CAN总线控制接口模块通过CAN总线与96针总线接口模块相连接；
——网口模块通过网口接口信号线与外部接口端子相连接；
——串口模块通过串口接口信号线与外部接口端子相连接；
——GSP秒对时脉冲模块通过脉冲对时信号线与外部接口端子相连接；
——此外，MPC850主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GSP秒对时脉冲模块、BOOT存储器、程序存储器、数据存储器和CPLD扩展模块分别与地址总线、数据总线、读写控制总线相接。
所述的背部总线板是装置各子模块的信号的连接电路板，其它的模块都是插在母板上的。
所述的人机接口模块包括液晶、按键、指示灯、维护串口等。
所述的电源模块子板为整机提供工作电源。
所述的功能模块子板中的每块子板都有独立的MCU，都有独立的功能。
其中功能模块子板为：交流采样模块子板、直流采样模块子板、遥信输入模块子板、遥控输出模块子板、直流输出模块子、同期模块子板、B码对时模块子板和关纤模块子板、交流采样模块子板、直流采样模块子板、遥信输入模块子板、遥控输出模块子板、直流输出模块子、同期模块子板、B码对时模块子板和关纤模块子板中的几种。
此外，本实用新型共设计有21个标准插槽。CPU模块子板，电源模块子板和功能模块子板的印制板尺寸设计相同，占有整数个插槽，采用96针欧式端子与背部总线板连接，每个插槽都配有导轨，保证子板插入的可靠性。有15个标准槽可插功能模块子板，且这15个插槽可插同一类型或不同类型的功能模块子板。
本实用新型数字化电力系统监控装置的积极效果是：
(1)使用的微处理器为32位的MPC850微处理器，为双核微处理器，支持多种通信协议的通信处理器(CPM)，具有强大的通信和网络协议处理能力；
(2)采用VxWorks操作系统做为装置的操作系统，稳定、可靠，实时性好；
(3)采用CAN总线做为装置内部子板之间的通信总线，CAN总线受干扰率低，节省了总线冲突仲裁的时间，增加了CAN总线通信的可靠性，升级时只需增加一种I/O子板类型；
(4)I/O输入输出和CPU模块根据类型的不同采用全模块化的板卡设计，装置有15个插槽可插I/O输入输出模块，具有灵活性、快速性、经济性和可扩充性；
(5)装置提供两个RS232和两个RS485通信口的同时，提供两个10M的不同网段的以太网口，并且支持多主的通信方式。
【附图说明】
附图1为数字化电力系统监控装置的结构示意图；
附图2为CPU模块子板的示意图。
附图中的标号分别为：1背部总线板，2CPU模块子板，3功能模块子板，4电源模块子板，5人机接口模块，6MPC850主CPU核心控制模块，7CAN总线接口控制模块，8BOOT存储器，9程序存储器，10CPLD扩展模块，11网口通信模块，12串口通信模块，13GSP秒对时脉冲模块，14数据存储器，1596针总线接口模块和16外部接口端子。
【具体实施方式】
以下结合附图给出本实用新型的具体实施方式。
参见附图1。本实用新型数字化电力系统监控装置含有CPU模块子板2、电源模块子板4、功能模块子板3、背部总线板1及人机接口模块5；其中，背部总线板1通过显示接口和键盘接口分别与CPU模块子板2和显示和键盘模块5相连接；背部总线板1通过电源接口分别与CPU模块子板2、功能模块子板3和电源模块子板4相连接；背部总线板1通过CAN总线接口分别与CPU模块子板2和功能模块子板3相连接。
参见附图2。CPU模块子板2由MPC850主CPU核心控制模块6、网口通信模块11、串口通信模块12、GSP秒对时脉冲模块13、CAN总线接口控制模块7、BOOT存储器8、程序存储器9、数据存储器14、CPLD扩展模块10、96针总线接口模块15和外部接口端子16所组成。CPLD扩展模块10通过显示及键盘接口控制线同与96针总线接口模块15相连接；CAN总线控制接口模块7通过数据总线和控制总线与CPLD扩展模块10连接；CAN总线控制接口模块7通过CAN总线与96针总线接口模块15相连接；网口模块11通过网口接口信号线与外部接口端子16相连接；串口口模块12通过串口接口信号线与外部接口端子16相连接；GSP秒对时脉冲模块13通过脉冲对时信号线与外部接口端子16相连接；MPC850主CPU核心控制模块6、网口通信模块11、串口通信模块12、GSP秒对时脉冲模块13、BOOT存储器8、程序存储器9、数据存储器14和CPLD扩展模块10分别与地址总线、数据总线、读写控制总线相接。
CPU采用摩托罗拉公司生产的高性能的32位MPC850SR芯片。它内部采用32位的嵌入式POWERPC内核，包含1K字节的命令CACHE和2K字节的数据CACHE，内部还集成了内存管理单元MMU，存储器控制器MCU，总线接口单元，两路32位时钟，双口RAM和通信协处理器(CPM)，中断控制器等单元电路，通信协处理器还包含可连接两路SCC，可用以括展两路网口。两路SMC，可用以括展两路串口，另外还有USB，IIC，SPI等接口。工作主频最高可达80MHZ，8路外部中断请求输入，15路内部中断源，中断优先级可编程控制，能够满足中断的需要，同时提高了系统的实时处理能力。优越的CPU指令结构支持高级语言和VXWORKS操作系统。
CPU单元外部晶振为宽温有源晶振，工作频率4MHZ，通过MPC850SR内部的PLL锁相环倍频电路使CPU高作在50MHZ的工作频率上，看门狗电路由MAX706构成，MAX706的输出到CPLD，在CPLD里通过门电路再到MPC850SR的复位脚上，程序里控制门电路的寄存器来清看门狗，可保证当装置故障时软件可靠复位。另外CPU的外围还附加了SDRAM，FLASH，和BOOTROM等电路，一起构成基本系统。内部中断有网络收发中断，维护口中断，内部定时器中断。内部定时器中断一部分为操作系统提供时钟，一部分用作用户应用程序的软时钟。用以协调软件功能和自检测，错误判断等。外部中断，中断2给GPS对时，GPS采用秒脉冲的上升沿产生中断，通知CPU立刻进行精确校时这种校时方法可以精度到MS。外部中断1给CAN通信，本模块板上有两路CAN口，他们的中断都到CPLD后合成一个中断源通知CPU进行CAN数据读写，中断3给括展串口，本模块板为了增加通信功能，采用ST16C554芯片另外扩展了4路串口，该串口芯片有FIFO功能可用于快速通信处理，四个串口的中断信号都连到CPLD，互与后合成一路，中断7给键盘，该装置共有六个按键，六个按键任一个按下都会产生这个中断，平时按键不用扫描，该中断产生时可即时获得按键值。
系统复位电路由U22的MAX706ESA构成。MAX706的复位信号是1秒6左右一次，而VXWORKS系统的启动需几十秒，如果不处理将使系统没起来就已复位，用MAX706的复位信号通入CPLD，在CPLD中对该信号进行计数，当达到一个很大的数而计数器不清零时，将输出复位CPU的低脉冲信号。平时系统起来后会不断清除该计数器使它不溢出。
CPU模块子板上设计有BOOTROM和汉字库存储器EEPROMSST39VF040(U19)，应用程序和配置文件存储器FLASH(闪烁存储器)SST39VF640(U18、U20)。SDRAM由U24、U25构成16MB，应用程序和数据运行存储器SDRAMHY57V641620ET-7(U24、U25)。
CPLD信号综合处理模块板上有两块CPLD，U11、U12。采用的是ALTERA公司生产的EPM3128芯片，它内部有128个宏逻辑单元，每个宏逻辑单元包含了一些门电路和锁存器。可以更改逻辑文件改变内部连接方式从而搭配出不同的逻辑功能电路，满足电路设计的需要。由于它的这一特性，可在硬件设计时把一些小规模的逻辑电路集中用它来实现，这样既缩小了板尺村，也使系统设计方便灵活，可大大缩短硬件的开发周期。
CAN总线电路由U5、U7的SJA1000T芯片构成，收发信号经过光电隔离后再通过U8、U9的SJA1050电平变换后输出到U10的96脚欧式插座上。对SJA1000TCAN控制器的控制是在CPLD中做了几个数据和控制寄存器，由850CPU直接读写这些寄存器实现。CAN口采用的控制器为SJA1000T，该芯片为地址数据分时操作，即地址先出现，锁存后数据才出现，与MPC850SR的时序是不同的，因而要驱动SJA1000T，必须由CPLD进行时序转换，使CPLD的输出符合SJA1000T的要求。两路CAN口中断经CPLD汇总后占用CPU的外部中断1，一路CAN口用于本装置各模块之间的通信，另一路CAN口用与本装置与扩展机箱之间的通信。
GPS秒对时模块板采用GPS秒脉冲对时方式，主要电路由三极管Q1、Q2和光隔PH5构成，秒脉冲为TTL电平输入，GPS秒脉冲的上升沿输入通过光隔反相后去850CPU的/IRQ2信号的2号中断，以便即时精确中断对时，这种对时精度可达ms内。
网口通信模块是MPC850SR内部带有通信协处理器CPM，可提供两路网口，SCC2、SCC3可用来构成两路网口。POWERPC与CPM之间是通过内部双口RAM来通信的，通过内部双口RAM对SCC进行初始化设置和数据的收发处理。由于有通信协处理器CPM，使MPC850的通信效率很高，又不占用太多的系统开销。
串口通信模块是MPC850SR内部带有通信协处理器CPM，可提供两路串口，其中MPC850的SMC1用来构成维护口，串口的收发线通过光隔后再接U23的MAX232ESE芯片进行电平变换后输出到前面板上用于系统调试。串口以内部中断方式工作。POWERPC与CPM之间是通过内部双口RAM来通信的，通过内部双口RAM对SMC进行初始化设置和数据的收发处理。由于有通信协处理器CPM，使MPC850的通信效率很高，又不占用太多的系统开销。
另外该模块板还用ST16C554芯片外扩了四路串口。这四路串口占用外部中断3。两路为RS232方式，两路为RS485方式。输出端与ST16C554之间都采用了光隔离器件进隔离。
功能模块之一的功能模块AIAC主要实现交流电压、电流的采集和各种计算量的计算。其核心芯片为TMS320VC33DSP芯片(U24)。CPLD(U44)实现复位、CAN口通信控制、AD转换控制、中断控制、板地址等功能。MAX125(U62、U63)实现14精度的AD转换。转换完成后的中断信号连接到U24的中断1上。AD进行每周波64点的高速采样，中断后数据被U24即时读取，然后通过傅氏变换等到交流值。最多可采16路交流量。U60(SJA1000T)为CAN口通信芯片，DSP通过操作CPLD里的控制和数据寄存器对它进行读写操作。U67为96脚欧式插座，用来连接后背板。它上面的信号主要有：电源、CAN口通信线、板地址线等。
背部总线板是装置各子模块的信号的连接电路板，其它的模块都是插在母板上的，这种结构下装置的抗干扰的能力比较强，结构比较稳固，装卸比较方便。
电源模块板为整机提供工作电源。电源模块板固定插在背板U13槽上。本模块分110VDC和AC85～AC265(DC220V)两种规格。其输出一共为五组，分别为：5V2A、+-15V0.5A、+-15V0.5A、24V0.5A、48V0.5A。并且各组不共地相互隔离。抗干扰等级为四级。工作温度范围-40～+85度，湿度0～80％。其中5V为各模块系统工做电压，24V为遥控用电压。48V为遥信用电压。+-15V提供给AD采样用。
人机接口模块包括液晶、按键、指示灯、维护串口等。人机接口模块主要实现显示系统工作信息、操作、维护等功能。液晶采用320X240图形点阵液晶模块，可显示汉字和字符，也可以作图。它自带SED1335液晶驱动模块。国标二级汉字库固化在850CPU板上的39VF040FLASH芯片中。液晶线通过背板(文件名BUSPCB)上的U33插座及背板走线与850CPU板插槽U11联接，850CPU板上是通过CLPD电路(EPM3128)对液晶实现译码和读写控制。由850CPU的口线LCDBL对液晶背光灯开关进行控制。按键、指示灯、维护串口在一个板上(文件名AJPCB)，总共六个操作按键外加一个系统复位按键，每个按键为增强抗干扰性能都有上下来电阻，并采用与系统电源隔离的24V电源，通过10针插座PIN1连接到背板上。背板上U1、U3～U8光隔转换后，经过U2反相电路后，通过背板上850CPU板插槽U11与850CPU的PD口连接，由PD口直接读取按键值。同时背板上的U10，U9产生按键中断信号/IRQ7，连接到850CPU的7号中断上。以便按键即时读取。
以上描述仅为本实用新型的实施例，谅能理解，在不偏离本实用新型构思的前提下，对本实用新型的简单修改和替换皆应包含在本发明的技术构思之内。

Claims (8)

1.一种数字化电力系统监控装置，其特征在于，含有CPU模块子板、背部总线板、功能模块子板、电源模块子板、人机接口模块；所述的背部总线板通过显示接口、键盘接口分别与CPU模块子板、显示及键盘模块相连接，背部总线板通过CAN总线接口实现CPU模块子板与功能模块子板的连接，背部总线板通过电源接口实现电源模块子板与CPU模块子板和功能模块子板的连接。
2.根据权利要求1所述的数字化电力系统监控装置，其特征在于，所述的背部总线板是装置各子模块的信号的连接电路板，其它的模块都是插在母板上的。
3.根据权利要求1所述的数字化电力系统监控装置，其特征在于，所述的人机接口模块包括液晶、按键、指示灯、维护串口等。
4.根据权利要求1所述的数字化电力系统监控装置，其特征在于，所述的电源模块子板为整机提供工作电源。
5.根据权利要求1所述的数字化电力系统监控装置，其特征在于，所述的功能模块子板通过CAN总线与CPU模块子板进行连接，每块子板都有独立的MCU，都有独立的功能。
6.根据权利要求5所述的数字化电力系统监控装置，其特征在于，所述的功能模块子板为交流采样模块子板、直流采样模块子板、遥信输入模块子板、遥控输出模块子板、直流输出模块子、同期模块子板、B码对时模块子板和关纤模块子板、交流采样模块子板、直流采样模块子板、遥信输入模块子板、遥控输出模块子板、直流输出模块子、同期模块子板、B码对时模块子板和关纤模块子板中的几种。
7.根据权利要求1所述的数字化电力系统监控装置，其特征在于，所述的CPU模块子板含有MPC850主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GSP秒对时脉冲模块、CAN总线接口控制模块、BOOT存储器、程序存储器、数据存储器和CPLD扩展模块、外部接口端子和96针总线接口模块；其中，
CPLD扩展模块通过显示及键盘接口控制线与96针总线接口模块相连接；
CAN总线控制接口模块通过数据总线和控制总线与CPLD扩展模块连接；
CAN总线控制接口模块通过CAN总线与96针总线接口模块相连接；
网口模块通过网口接口信号线与外部接口端子相连接；
串口模块通过串口接口信号线与外部接口端子相连接；
GSP秒对时脉冲模块通过脉冲对时信号线与外部接口端子相连接；
此外，MPC850主CPU核心控制模块、网口通信模块、串口通信模块、GSP秒对时脉冲模块、BOOT存储器、程序存储器、数据存储器和CPLD扩展模块分别与地址总线、数据总线、读写控制总线相接。
8.一种数字化电力系统监控装置，其特征在于，设计有21个标准插槽，CPU模块子板，电源模块子板和功能模块子板的印制板尺寸设计相同，占有整数个插槽，采用96针欧式端子与背部总线板连接，每个插槽都配有导轨，保证子板插入的可靠性，有15个标准槽可插功能模块子板，且这15个插槽可插同一类型或不同类型的功能模块子板。
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