基于ARM的定時繼電器驅動模板的設計

引言

　　本文設計的定時繼電器驅動模板是一款嵌入式SCADA系統的一種插件，稱為智能控制輸出板(IntelligentControl Output Board，簡稱C板)。該裝置主要用于電力系統和電動馬達的實時數據采集與控制。
??? 在電力系統自動化領域，對發電廠／變電站控制對象的遠方控制主要采用定時繼電器驅動現場的執行機構進行操作。鑒于電力系統的特殊性，對控制操作的安全可靠性有非常嚴格的要求，一旦發生誤動，將導致電力系統發生運行事故，甚至造成大面積停電的重大事故。為此，在進行智能控制輸出板設計時要對開關量過程輸出通道進行嚴格的安全設計，同時要按照電力調度遙控操作規程，設計返校檢測閉鎖、超時閉鎖等安全措施，防止裝置受到干擾以后產生錯誤的控制輸出，釀成事故。本文主要就該模板的軟硬件設計原理與實現方法以及遙控過程的安全可靠性設計進行了介紹。

1 硬件設計
1．1 總體設計

　　C板以Philips LPC2138 ARM 微控制器為核心，完成8通道定時繼電器驅動輸出。作為嵌入式SCADA系統的一種插件，板上設計了一路RS422異步串行通信接口，通過該接口與裝置的通信與管理模板(Communication andManagement Board，簡稱M板)通信，接收M板下達的控制輸出命令，并執行控制輸出操作。由于M板要通過RS422總線管理多塊IIO板工作，M板采用主從方式實現與IIO板的通信連接，為此各IIO板都設計了ID標識地址進行身份確定。C板的ID標識地址采用8位雙排跳線器設置，標識地址范圍為01H～FFH。此外，模板還設計了一路為RS232接口，用于模板的檢測與調試，以及LPC2138的軟件下載。調試RS232接口是一個標準的VTl00超級終端接口，通過該接口可以與PC機進行通信連接，使用Windows的超級終端仿真軟件可以十分方便地對該模板進行調試和檢測。同時該串口也是LPC2138軟件的下載接口，將編譯連接生成的軟件下載到LPC2138的FLASH存儲器。

　　板上定時繼電器驅動過程通道由12個TQ2-24V繼電器和光電隔離達林頓繼電器驅動電路、狀態輸出鎖存電路、狀態輸出邏輯閉鎖電路、繼電器狀態返校電路、單穩延時電路等部分組成。其中狀態輸出鎖存電路、狀態輸出邏輯閉鎖電路、繼電器狀態返校電路采用一片EPM7128CPLD 編程實現，LPC2138通過I／O引腳訪問CPLD內部實現的寄存器和鎖存器對繼電器進行控制操作，實現模板的數字量輸出功能。

　　為了保證模板運行的穩定可靠性，C板設計有硬件看門狗電路(HWDT)，軟件還設計了軟看門狗定時監視器(SWDT)。軟硬看門狗協同工作，在軟件“走飛”或局部”走死”之后自動恢復模板運行。C板的工作原理如圖1所示。

1．2 定時繼電器輸出過程通道設計

　　如圖3所示，定時繼電器輸出電路由輸出狀態鎖存器(LS273)、帶達林頓驅動光電隔離電路(TLPl27)、繼電器(TQ2-L-24v)三部分組成。板上的12個繼電器按功能劃分為對象、性質、執行3類，其中JD1～8為對象(OBJ)繼電器、JD9和JDl0分別為合分性質繼電器(CA／0A)、JD11和JDl2分別為合分執行繼電器(CE／OE)。CPU將鎖存器的對應位設置為1，光偶的達林頓驅動電路導通，繼電器的常開觸點閉合，反之亦反。即cPU通過訪問鎖存器，控制繼電器動作，從而達到對現場執行機構控制操作的目的。

　　模板上的繼電器觸點采用町洋2EHDRM／2ESDFM-18P接線端子從模板的后面板對引出，與外部中間繼電器構成執行回路。板上12個繼電器的觸點與接線端子的連接關系如圖4所示。

　　由于TQ2-L-24V繼電器觸點的驅動能力不夠，不能直接驅動現場執行機構操作，中間繼電器(至少3對觸點)的體積太大，安裝不到電路板上。為此，中間繼電器安裝在機柜內，與板上的繼電器觸點構成控制回路，驅動現場執行機構操作。

　　根據用戶需求，一塊C板可以實現對4／8個現場對象進行合分操作。控制4個對象合分操作時，OBJ1～4的輸出觸點并聯，再與CA、CE的觸點串聯驅動4個合操作中間繼電器；0BJ5~8的輸出觸點并聯，再與0A、0E的觸點串聯驅動4個分操作中間繼電器。控制8個對象合分操作時，需要驅動19個中間繼電器構成控制回路，控制回路與中間繼電器觸點輸出連接如圖5所示。