一种基于OMAP5910的低压保护测控装置设计

介绍了多核处理器OMAP5910的软硬件结构和特点，提出了以OMAP5910为核心处理器的低压保护测控装置设计方案，简述了保护测控装置的硬件和软件设计方案，并给出了A/D转换电路、数字量输入电路和数字量输出电路的设计原理图，介绍了继电保护功能的特点。由于采用了高性能的硬件平台和嵌入式实时操作系统，该装置具有功能完善、保护配置灵活、运行可靠、维护方便、可扩充性好等特点，较好地满足了低压保护测控装置的性能要求。
随着电力系统自动化程度的不断提高，继电保护测控装置数字化、智能化的趋势日益明显，并具有功能多样化、通信接口丰富化、高可靠性和高性能指标等特点。目前，传统低压保护测控装置的硬件平台大多使用ARM+DSP+FPGA的多CPU结构，该结构可以保证数据交换的实时性和保护功能的可靠性，但存在数据共享、设备间隔扩展、时钟信号同步、功耗高等方面的问题，为了解决这些问题，本文提出了一种以多核处理器OMAP5910(内部集成有DSP和ARM内核)为控制核心的低压保护测控装置设计方案，取得了较好的效果。

保护测控装置的总体结构

多核处理器OMAP5910是TI公司推出的开放式多媒体应用平台，片内集成了DSP处理器和ARM处理器，DSP处理器基于TMS320C55X核，提供2个乘累加(MAC)单元，1个40位的算术逻辑单元和1个16位的算术逻辑单元，由于DSP采用了双ALU结构，大部分指令可以并行运行，其工作频率达150MHz，并且功耗更低。ARM处理器是基于ARM9核的TI925T处理器，包括了1个16KByte的指令cache和8KByte的数据cache，1个协处理器，指令长度可以是16位或者32位。OMAP5910具有集成度高、硬件可靠性和稳定性强、数据处理能力强、低功耗等优点。

图1 保护测控装置的结构框图

为了检修方便，保护测控装置在设计时采用模块化结构，主要包括交流模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、按键和显示模块、通信模块、微控制器模块等，其结构框图如图1所示。交流模拟量输入模块包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路和A/D转换电路，用于将交流模拟信号转换为能被OMAP5910处理的数字信号;数字量输入模块用于采集负荷开关位置信号、低压断路器位置信号、熔断器熔断信号等普通开关量信号，还可以采集重瓦斯动作跳闸、轻瓦斯动作告警等非电量信号;数字量输出模块主要用于各种保护装置的出口跳闸、信号报警等功能;按键和显示模块主要用于人机交互;通信模块用于与其它智能设备和监控中心进行通信。

OMAP5910中的DSP处理器是实现保护测控功能的核心，主要负责交流模拟量与数字量输入信号的采集、数字滤波、电气量计算、保护逻辑判断、故障信息处理、保护动作出口等实时性任务。OMAP5910中的ARM处理器主要负责处理人机交互、GPS对时、网络通信等非实时性任务。由于DSP处理器和ARM处理器集成在一个芯片内，所以其功耗相对于多CPU结构的硬件平台要低很多，且不存在时钟信号同步问题;DSP处理器和ARM处理器可以通过192K字节的内部SRAM实现数据共享，不存在数据共享和问题，且整个硬件平台具有较灵活的可扩展性，较好地解决了多CPU硬件平台中存在的问题。

主要硬件电路设计

A/D转换电路

低压保护测控装置采集的交流模拟信号包括三相测量电流、三相保护电流、零序电流和三相电压[4]，三相测量电流使用5A/3.53V的线性电流互感器采样，三相保护电流信号使用100A/7.07V的电流互感器采样，零序电流使用20A/7.07V的电流互感器采样，三相电压使用220V/7.07V的电压互感器采样，共需要10路A/D转换通道。

图2 TLC3578的接口电路

A/D转换芯片使用TI公司生产的TLC3578，它是8通道14位串行模数转换器，采用单5V模拟电源和3V~5V数字电源供电，模拟量输入范围为-10V~+10V，完全可以满足同时接多个互感器的设计要求。TLC3578的接口电路如图2所示，TLC3578同OMAP5910的串行接口主要由片选信号 、时钟信号SCLK、串行数据输入SDI和三态串行数据输出SDO四个引脚组成， /EOC端连接至OMAP5910的中断输入端，当TLC3578内部FIFO存储区满时产生相应的外部中断，触发相应中断程序将数据读走。

数字量输入电路

数字量输入电路不但可以采集低压供电系统中的负荷开关位置信号、熔断器熔断信号、低压断路器位置信号等普通开关量信号，而且还可以采集低压变压器的重瓦斯跳闸、轻瓦斯告警、超高温跳闸、高温告警等非电量信号。该装置设有20路强电数字量输入接口，并提供有4路可编程的备用非电量输入接口，便于非电量功能扩展。数字量输入接口电路如图3所示，DIIN是数字量输入端子，DICOM是数字量输入电路的公共端，DIOUT为数字量输入的输出端，DIIN端的输入交流信号经整流、滤波、光电耦合器后变成数字信号输出。