基于嵌入式系统的地铁牵引变断路器在线监测系统的设计

摘要

地铁是我国城市公共交通的重要组成部分，地铁牵引变断路器是保证输电系统安全稳定运行的关键部件之一，因此确保断路器的可靠运行极为重要。地铁牵引变断路器的大部分事故源于电气和机械方面的原因，而地铁运营部门每年都要投入大量的人力物力对断路器进行定期检修，这种检修的盲目性大，费用高，而且对断路器本身造成人为因素损坏，对断路器正常运行造成隐患，降低了利用率和可靠性。针对这些问题，本文设计了基于嵌入式系统的地铁牵引变断路器在线监测系统，该系统通过对断路器的在线监测及综合诊断分析，实时地反映断路器运行情况，进而提高地铁牵引系统的安全可靠性，克服定期维护的盲目性，为牵引调度、操作及检修提供可靠的科学依据。
　　在分析了地铁牵引变交、直流断路器的工作原理及检修规程前提下，本文确定了在线监测中所需要提取的重要特征参数，如振动信号、合分线圈电流、储能电机电流等。在系统设计方面，本文以utu2440-F-Core核心板为硬件载体，对监测系统进行设计和研究;以Linux系统为软件平台进行移植开发;利用MAX125采样芯片外扩AD功能进行数据采集，通过以太网进行采集数据的传输。本文设计的在线监测系统具有实时多任务、功能全面、便于管理等特点。
　　本文完成了地铁牵引变断路器在线监测系统监测单元的硬件系统的设计、Linux操作系统平台设计、数据采集功能和数据传输功能的实现。硬件系统设计主要包括:数据采集电路的设计、LCD液晶显示器设计和以太网通信接口设计等。Linux操作系统平台设计包括:开发环境的构建，ADC、以太网、LCD接口的驱动程序编写，数据采集、基于Qt的监测系统、数据通信的应用程序编写。本文完成了地铁牵引变断路器在线监测系统测试，结果表明:本文设计的地铁牵引变在线监测系统可以准确的采集监测信号，通过以太网监测装置可以快速并安全的将采集到的信号传输到主站系统并在主站系统进行波形显示，为主站系统对信号的进一步分析奠定了很好的基础，基于Qt的监测系统在LCD液晶显示器上运行使得监测更加方便、直观。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题的研究意义

1．1．1 对地铁牵引变断路器实施在线监测的意义

1．1．2 现有断路器在线监测系统中存在的问题

1．2 嵌入式技术的研究现状

1．3 电气设备在线监测的国内外研究现状

1．4 电力设备在线监测技术展望

1．5 本论文的主要研究内容

2 地铁牵引变断路器在线监测系统

2．1 断路器的分类及基本参数

2．1．1 断路器的分类

2．1．2 断路器的基本参数

2．2 地铁牵引变断路器分合闸操作过程

2．2．1 交流10kV断路器分合闸操作过程

2．2．2 直流750V断路器分合闸操作过程

2．3 地铁牵引变断路器在线监测系统的主要监测内容

2．3．1 地铁牵引变断路器机械特性的在线监测

2．3．2 开断电流的在线监测

2．3．3 相电流、负荷电流的监测

2．3．4 交流、直流合分闸控制电源电压监测

2．3．5 储能电机电压、电流在线监测

2．4 本章小结

3 ARM系统软硬件平台的搭建

3．1 ARM核心板的硬件构成

3．1．1 具有ARM内核的微处理器——S3C2440A

3．1．2 SDRAM存储器及其接口电路

3．1．3 NAND Flash存储器及其接口电路

3．1．4 核心板和外围电路接口

3．2 嵌入式Linux开发环境的搭建

3．2．1 嵌入式Linux的构架

3．2．2 交叉编译环境的介绍

3．2．3 交叉编译环境的搭建

3．2．4 嵌入式Linux内核的搭建

3．3 ARM板上安装Linux系统

3．3．1 下载安装utu-bootloader文件u-boot．bin

3．3．2 更新内核镜像uImage

3．3．3 网络更新YAFFS文件系统映像

3．4 本章小结

4 地铁牵引变断路器在线监测装置的硬件设计

4．1 监测系统的整体结构

4．2 模拟信号的测量

4．3 前端调理电路

4．4 多路开关

4．5 AD转换电路

4．5．1 AD转换芯片MAX125的介绍

4．5．2 MAX125工作过程

4．5．3 MAX125与S3C2440A的接口电路设计

4．6 LCD及触摸屏接口电路

4．7 数据通信传输电路

4．7．1 以太网接口电路

4．7．2 通信规约

4．8 USB接口电路

4．9 串口电路

4．10 JTAG调试接口电路

4．11电源电路

4．12 本章小结

5 嵌入式Linux驱动与应用程序的设计

5．1 Linux驱动开发概述

5．1．1 设备驱动程序概述与作用

5．1．2 设备驱动的分类

5．1．3 Linux操作系统与驱动的关系

5．1．4 驱动程序重要的结构体

5．1．5 驱动程序的加载和卸载

5．2 Linux应用程序介绍

5．3 数据采集应用程序的设计

5．4 AD转换驱动程序的设计与移植

5．4．1 AD转换的原理及程序流程图

5．4．2 AD转换驱动程序设计

5．4．3 AD转换驱动程序的移植

5．4．4 用于编译AD驱动程序的Makefile文件

5．5 以太网通信应用程序的设计

5．5．1 Linux中网络协议

5．5．2 Linux中的套接字

5．5．3 基于socket编程的客户器程序

5．5．4 基于socket编程的服务器程序

5．6 基于Qt的监测系统应用程序的设计与移植

5．6．1 Qtopia设计程序概述

5．6．2 基于Qt的监测系统应用程序的设计

5．6．3 移植Qtopia到ARM开发板

5．6．4 LCD驱动程序的移植

5．7 本章小结

6 系统的测试结果及分析

6．1 断路器在线监测电路板实物图

6．2 系统监测装置测试及分析

6．3 基于Qt的监测系统的测试及分析

6．4 通信系统测试及分析

6．5 本章小结

7 结论

参考文献

作者简历

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