CCS技术的核心是什么

总线式低压断路器新型智能控制器的研制引言智能断路器是一种将计算机技术、数字处理技术和信息技术引入传统开关设备中发展起来的新一代开关电器。智能断路器的控制器是实现智能操作的核心部件，其基本任务是通过对电网参数的采集和处理，给出相应的控制信息。此外，智能控制器通过现场总线可以和计算机连接，实现断路器间的联网通信以及进行远程监控管理。近年来，由于嵌入式系统的使用越来越成熟，其中us/OS-II 嵌入式操作系统由于源代码公开化，内核体积小，可移植性好等原因，受到了广泛的应用。本文采用了TI 公司的DSP 芯片TMS320LF2407A 作为嵌入式系统硬件，设计了低压断路器的智能控制器，同时，将us/OS-II 嵌入式操作系统移植到DSP 芯片中，提高了系统的运行效率和可靠性。现场试验表明，该控制器可靠性高，试验结果达到预期的设计要求，具有广阔的应用前景。1 us/OS-II 嵌入式操作系统嵌入式系统是被内部计算机控制并执行专用功能的设备或系统，操作系统以及应用软件都集成于计算机硬件系统之中，即应用软件和系统硬件一体化，嵌入式系统具有软件代码少，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时性高和多任务处理的情况。us/OS-II 嵌入式操作系统是一个完整的、源代码公开的、可移植的、固化的、可裁剪的占先式实时多任务内核，它是一种不可剥夺型内核，在任务调度时须预先设定任务的优先级。us/OS-II 包括以下几个部分：内核管理、任务管理、时间管理、事件控制块、信号量管理、邮箱管理等。us/OS-II 中创建的任务有5 种状态，分别是：睡眠态、等待态、就绪态、运行态、中断服务态。us/OS-II 是占先式内核，每个任务都要设置优先级，优先级最高的任务可以先进入CPU 运行，其它任务只能先在就绪状态中等待。us/OS-II 最多可以创建多达64 个任务(实际可以使用的是56 个，因为前4 个和后4 个任务优先级被保留做系统升级用)。2 嵌入式系统的硬件设计1 智能控制器总体结构及工作原理智能控制器硬件系统的总体结构如图1 所示。该控制器的主要任务是采集电网的电流和电压信号，经过信号采样电路处理后，使信号变换成DSP 的标准输入电压0 到3V，DSP 通过对采集信号的分析比较，做出正确的判断，发出动作指令，从而实现线路的过载、短路、接地等故障的保护，并通过Profibus 总线发送和接收监控计算机的相关数据，实现远程监控管理。系统主要有DSP 及其外围电路、A/D 信号采集与处理电路，液晶显示电路，电源，脱扣电路等部分构成。DSP 的外围电路主要包括晶振、滤波回路、片外RAM 和一些门电路。 2 TMS320LF2407A 芯片及其开发环境CCS2 简介TMS320LF2407A 是基于控制应用而设计的，它将高性能的DSP 内核和丰富的微控制器外设集成于单片中，从而成为传统的微控制器的理想替代。TMS320LF2407A 控制器的外设包括：事件管理器、网络接口、A/D 通道模数转换、SPI 串行外设接口、SCI 串行通信接口、通用双向I/O 引脚。CCS2 是CCS 系列中的最新版本，有很多既方便又强大的功能。包括：支持同时载入多个工程文件；加强了编译器功能，对语法的检查更加严格；通过建立库工程，支持编译函数文件成为库文件等。3 信号采集电路本设计采集的信号是四路电流和三路电压信号，电压和电流信号都是经过互感器形成的二次侧感应电压。经滤波隔离放大之后形成适合A/D 转换的电压范围，7 路信号经处理后送到多路电子开关。由于DSP 本身具有A/D 转换器，所以只需通过DSP 控制电子开关选通所需的各路信号，即可完成对多路信号的采集。DSP 的A/D 转换精度为2-10，完全能够满足实时采集和高精度要求。设计中利用定时中断方式进行采样，要求每1ms 就在3 路电压和4 路电流信号上各采集一点。4 Profibus-DP总线接口模块在Profibus-DP总线通信过程中，主站循地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。同时，数据的通信是通过主站和从站的监控功能进行监控的。本系统选用了5I系列单片机DPC932AI来实现Profibus总线通信。由于单片机LPC932AI上安装有增强型Profibus总线通信。由于单片机通过通过软件来模拟Profibus现声场总线协议。LPC932AI指令执行时间只需167ms，增强型的UART波特率可以使数据在Profibus-DP总线传输中高达500Kb/s。它允许高述度周期性的数据通信，因此特别适用十对时间要求苛刻的场合。Profibu-DP接口模块见图2，电路主要由三部分组成：模拟总线协议处理微控制器LPC932AI、高速光电耦合器6N137和RS485收发器SP3485。 了增强Profibus-DP 总线节点的抗干扰能力，LPC932A1的TXD 和RXD 并不是直接与RS-485 收发器SP3485 的TXD和RXD 相连，而是通过高速光电耦合器6N137 后与SP3485 相连，这样能很好地实现总线上各Profibus-DP 节点间的电气隔离。其中光耦部分电路所采用的2 个电源VCC 和VPP 必须完全隔离，虽然增加了节点的复杂性，但是却提高了节点的稳定性和安全性。连接至SP3485 上A 引脚的上拉电阻和连接至B引脚的下拉电阻用于保证无连接时的SP3485 芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS-485 节点与网络的可靠性。3 嵌入式系统的软件设计1 us/OS-II 在2407 上的移植us/OS-II 在2407 实现移植是嵌入式系统软件设计的关键所在， 根据嵌入式实时系统的实际需要， 对OS_CPUH，OS_CPU_AASM，OS_CPU_CC 文件进行编写，对OS_CFGH 配置的正确设定，如对最低优先级OS_LOWEST_PRIO、最多任务控制块OS_MAX_EVENTS、最多任务数OS_MAX_TASKS 进行设置，对需要使用的功能进行选择置位。OSStartHighRdy()控制最高优先级任务的运行，OSCtxSw()用来实现中断服务子程序、陷阱或异常处理程序的任务切换，OSTickISR()用来实现时钟节拍功能。将各种函数编写好以后，装载入2407 或外部RAM 中，进行成功移植后，即可在此基础上进行嵌入式系统的软件开发。2 智能控制器软件设计智能控制器系统软件设计主要有两部分：主程序和中断程序，中断程序包括定时器采样中断、延时保护处理中断和通讯中断,其中定时器中断优先级高于通讯中断,以保证定时采集数据并进行相关处理。软件采用了汇编语言和高级语言混合编制而成，按功能可分为两类：一类是执行软件,完成各种实质性的功能,如测量、计算、显示等；另一类是监控软件,采用了模块化设计技术,便于系统功能扩展和提高程序的可靠性、可维护性，为实现智能控制器的测量、保护、监控和通信等功能,设计了一种多任务操作系统。主程序流程如图3 所示。其中主要功能如液晶显示、保护算法、滤波算法、有效值计算、通信的发送和接收、键盘输入设置参数等，由于实时性要求不高,用主循环依次实现。对于实时性要求较高的程序,比如A/D 采样转换程序和瞬动保护判断程序，采用了汇编语言编程,这样可以加快相关代码运行的速度,提高系统运行的效率。利用DSP 的A/D 转换器，每隔1 ms 采样1 次,完全可以满足实时性要求，定时采样中断程序流程如图4所示。智能控制器通过定时采样中断和计算获取主线路的信号,比较是否达到或超过短路瞬时整定值、短延时整定值、过载长延时整定值，作出相应的分断命令。3．3 上位监控软件设计中,智能断路器与上位机之间的通讯采用多主方式,即网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,目的是使智能节点不仅能响应上位机进行数据传输,而且能够定时或在智能节点出现异常时能够及时主动地向上位机传送相关信息。上位机采用VB 编程实现了以下功能:实时接收智能断路器上传的数据, 包括正常情况下的定时发送和异常情况下的实时发送；随时读取下位智能断路器的数据,即工作人员可从上位监控机上根据需要随时向下位智能节点发送远程帧,索取相关数据；具有在线远程设置相关参数及远程控制断路器的分、合闸。即实现“四遥”功能。4 试验和总结设计的样机在企业试验站进行了现场调试、试验，如保护特性的测试、上位机和控制器之间的通信以及液晶显示、测量等，做了大量的运行试验，取得很好的结果。试验表明：设计的智能控制器实现了测量、保护、通信和监控等功能，实时性好，指标达到预期要求。本文的创新点在于：基于DSP 的新型智能控制器，不仅运行可靠，实时性强，精度高，电磁兼容性好，而且由于采用了us/OS-II 嵌入式实时操作系统，提高了DSP 的运行效率和控制器的可靠性。同时，本文也为us/OS-IIus/OS-II 嵌入式操作系统在电力系统领域的应用开辟了新的空间。该样机已通过验收，预计每年可产生经济效益100 万元。

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