基于ARM和DSP的温度巡检保护装置设计

摘要

随着计算机技术和超大规模集成电路技术的发展，传统的温度巡检装置存在的测量精度低、巡检时间长、数字集成度低、适用范围窄、操作使用复杂、通讯功能缺失等问题已远远不能适应当今水电站、变电站综合自动化的需要，因此，迫切需要一种速度快、精度高、易操作的温度巡检保护装置，能够快速地、准确地将发电机或系统的温度量参数送到监控室，并在异常工作时进行保护控制，以满足当前综合自动化的应用要求。
　　 本文介绍了温度监测及保护控制在水电站中的应用及重要性，并针对我国水电站目前使用的多点温度巡检装置所存在的问题，特别是长距离引线测量误差大、多点温度巡检速度慢、测量切换硬件回路可靠性低等实际难题，研发设计了基于ARMv7-M架构的高性能Cortex-M3处理器LM3S9B92和低功耗的信号处理器TMS320F2812为核心的新型温度巡检保护装置，系统采用内部SPI总线的平台操作;温度测量由双路恒流源激励，外部采用三线制接线，可消除长距离引线带来的线路电阻误差，有效的提高了温度测量的精度及分辨率;使用多片模拟多路复用器进行切换，可实现快速、稳定、集成的具有最多达96通道的温度测量;提供多种通讯接口及标准通讯协议，并实现在Windows系统下的网络远程访问。
　　 通过对各类测温传感器优缺点的比较，对温度测量精度提高的实现原理和方法的介绍，以及对传感器信号处理技术的分析;重点说明了新型多路温度巡检保护装置采用热电阻三线制输入测温的实现方案和优势所在，特别是装置提供Web服务器进行访问操作控制，在当前网络互联环境下极大的方便了使用。并介绍了由ARM和DSP组成的SPI总线通讯系统，提出了高效可靠的内部通讯机制实现方案;还介绍了Cortex-M3内核的LM3S9B92和DSP的双处理器架构;以及由模拟多路复用器、模数转换器和DSP组成的温度量选取、采集和处理电路系统的应用;提出了提高温度测量精度和分辨率的方法和途径，使测温系统在水电站应用更加方便、经济、稳定和可靠。

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摘要

表格目录

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第1章 绪论

1．1 概述

1．2 温度监测及保护在水电站中的应用及重要性

1．3 温度检测的特点

第2章 温度监测的技术要求

2．1 温度传感器的类型

2．2 温度传感器接线方式

2．3 温度监测的准确度

2．4 测量通道数量

2．5 巡检刷新速度

2．6 保护动作输出容量

2．7 电磁兼容性能

第3章 总体设计原理与方法

3．1 铂热电阻测量温度的原理

3．2 铂热电阻接线对温度测量精度的影响

3．3 提高温度测量精度的方法

3．3．1 三线制接法

3．3．2 四线制接法

3．4 消除引线电阻影响的三线制测量方法

3．5 实现温度高精度测量的设计方案

3．5．1 AD7793特性概述

3．5．2 利用热电阻的测温原理

3．6 装置总体设计方案

第4章 温度监测的关键技术

4．1 非线性校正技术

4．1．1 查表法

4．1．2 插值法

4．2 误差补偿技术

4．3 量纲变换技术

4．4 数字滤波技术

4．4．1 限幅滤波和中位值滤波

4．4．2 平均滤波

第5章 硬件设计与实现

5．1 硬件架构特性与原理

5．1．1 Cortex-M3处理器简介

5．1．2 LM3S9892微控制器

5．1．3 TMS320F2812数字信号处理器特性

5．2 装置结构设计

5．3 装置模件分类

5．4 CPU模件硬件设计

5．4．1 电源电路设计

5．4．2 时钟存储电路设计

5．4．3 SPI总线通信电路设

5．4．4 IO接口电路设计

5．5 MB模件／RTD模件硬件设计

5．5．1 温度量处理电路设计

5．5．2 以太网通信电路设计

5．5．3 串口通信电路设计

5．5．4 其他外围电路设计

5．6 DO模件硬件设计

第6章 软件设计与实现

6．1 MB模件软件设计与实现

6．1．1 读取AD7793数据

6．1．2 温度测值的校准

6．1．3 温度测值越限报警开出

6．1．4 温度测值梯度计算

6．2 CPU模件软件设计与实现

6．2．1 网页文件的制作存储

6．2．2 网页与装置的通信

6．3 SPI通信机制的实现

6．3．1 帧格式

6．3．2 报文信息的分类

6．3．3 报文类型列表

第7章 测试结果及讨论分析

7．1 温度测量实验

7．1．1 常温误差试验

7．1．2 低温误差试验

7．1．3 高温误差试验

7．2 装置性能检验

7．3 测试结果分析

第8章 结论与展望

8．1 本文总结

8．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录一 作者硕士期间发表论文

附录二 本论文专用术语注释表