《硕士学位论文开题报告-高压开关动作特性测试仪的研制.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硕士学位论文开题报告-高压开关动作特性测试仪的研制.doc（33页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、硕士学位论文开题报告高压开关动作特性测试仪的研制学 号：姓 名：导 师：教授学 院：电气工程学院专 业：电力电子与电力传动研究方向：电力电子技术日 期：2011年10月华东交通大学研究生处制目录一、课题的来源、目的和意义1二、高压开关动作特性测试仪的研究现状2三、本课题研究的主要内容和重点2四、技术方案2五、实施方案所需的条件9六、存在的主要问题和技术关键9七、预期能达到的目标9八、课题研究计划进度9九、研究经费预算10十、主要参考文献10文献阅读报告：关于高压开关动作特性测试系统的研究121 高压开关动作特性测试系统研究的必要性122高压开关简介123 嵌入式处理器134 传感器相关资料简介
2、165 嵌入式系统176 下位机硬件电路的设计197、下位机硬件设备驱动程序的设计268 测试仪的测试299 结论2910 参考文献29II华东交通大学硕士学位论文开题报告一、课题的来源、目的和意义高压开关是电力系统中最重要、最复杂的电器设备，它在电力系统中起着控制和保护的关键作用，它的可靠性及运行状况直接影响着整个电力系统的安全运行和供电质量，电力设备主要有：发电机、变压器、电动机、断路器、电力电容器、隔离开关及其它辅助设备。在电力设备投入运行后，在长期使用过程中由于材料老化变质、人才操作过错引起故障以及长期的疲劳运行等，会使性能下降，严重时会发生故障甚至引起整个电网的损坏。因此，在电力设备
3、投入运行后，维护和检修工作是保障设备正常运行的必要手段4。高压开关是电力系统中重要的电力设备，在供电线路出现故障时，高压开关必须及时、可靠的对故障线路进行切断或接通，以防故障扩大，确保电力系统安全稳定运行。为了保证高压开关动作的安全可靠，在高压开关生产、安装和调试的过程中必须对其动作特性进行严格的测试，测试参数主要包括分（合）闸时速度和行程等，并以此为根据来判断该开关质量是否合格，能否安全投入使用的重要依据。随着现代社会的发展，电网规模的不断扩大，用户对电能质量要求的不断提高，电力系统的安全运行就愈显得更加重要，因而对在电力系统中担负着控制与保护双重功能的高压开关提出了更高的要求，其状态的好坏
4、直接影响着电力系统的安全运行，所以开展高压开关的特性检测的研究是很有必要的。对高压开关进行检测，是实现设备预知性维修的前提，是保证设备安全可靠运行的关键。高压开关检测为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件。长期以来的计划检修，盲目解体拆卸，浪费了大量的人力、物力和财力，同时也造成了停电损失和设备寿命的降低。目前，电力系统各个运行单位正致力于高压开关由计划检修到状态检修的转变，不再以投入年限和动作次数作为衡量标准，而是以设备的实际状态为维修依据。电力设备的检修要实现这种转变，测势在必行13。随着传感器技术和信息处理技术的发展，对高压开关的运行状态进行检测已经成为可能。这种方法能够及时发现开关
5、的缺陷，降低事故的发生率，减少开关预防性实验和检修的工作量及停电次数。因此为了确保高压开关的安全运行和提高电力系统运行的可靠性，以先检测为依据的维修逐步取代以预防性实验为依据的预测维修，或者弥补预防性实验的不足，延长预测维修的周期，这无论在理论和实用上都具有重大的技术经济价值。因此对高压开关进行检测的出现将会很好的解决这些问题。这种方法能够及时发现设备的缺陷，降低事故的发生率，减少开关预防性实验和检修的工作量及停电次数，确保高压开关的安全运行和提高电力系统运行的可靠性。对高压开关进行离线预防性检测，是实现设备预知性维修的前提，是保证高压开关安全可靠运行的关键。随着传感器技术和信息处理技术的发展
6、，对高压开关的特性参数进行检测已经成为可能。因此，对高压开关的特性检测的研究有着十分广阔的前景值得深入研究。二、高压开关动作特性测试仪的研究现状1、国内的开关机械特性测试装置主要是由科研院所，高校，以及一些相关的从业单位来进行开发生产。主要的产品有两类:一类是采用单片机作为主控芯片，虽然价格低，但由于受芯片技术和计算机技术的影响，曲线采样的幅值精度和时间精度都不高，而且曲线都在仪器自带的液晶显示屏上显示，无法进行深入精确的分析计算。另一类产品采用与国外产品相同的工业计算机加数据采集卡的模式，在性能上逼近了国外产品的水平，但是在成本方面，依然是居高不下17-18。2、国外的高压开关测试仪产品功能
7、上基本相同，对开关的机械特性参数都能做出准确的测量，但是它们的测试对象比较单一，只是针对几种特定型号的开关，不具有普遍性，而且超过30万的售价，是比较昂贵的。如果有多种型号的开关，配齐机械特性测试装置花费的代价非常大，并且仪器基本采用数据采集卡加工业计算机构成，体积比较庞大，不能适应户外的测量需求。纯英文的操作界面，对电力系统及断路器生产厂家的操作人员来说，使用相对比较困难1-3。三、本课题研究的主要内容和重点本课题主要是完成高压开关机械特性测试系统的下位机系统的设计。下位机能够通过USB功能模块与上位机进行通信，上下位机都能对信号进行分析处理和显示，得以判断高压开关的性能，保护电网的正常运行
8、22-23。本文主要工作步骤及内容如下：1、 对高压开关测试装置进行系统性的分析，根据系统的需求制定相应的测试方法及参数，提出整体的设计方案。2、 下位机硬件电路的设计，围绕ARM处理器设计符合要求的处理器模块、存储模块、USB模块、LCD模块、信号采样模块及外围控制信号模块等一系列的功能模块电路，并给出详细的设计电路原理图。3、 系统的下位机软件设计。主要包括：启动程序的初始化及移植、嵌入式操作系统和图形系统的设计等。4、 对下位机进行调试和测试，对实验结果进行验证，以求进一步的优化。四、技术方案1、下位机系统功能的基本要求对高压开关测试系统需要进行系统性的分析，通过对高压开关动作特性的分析
9、制定出相应的可实现的系统需求，根据系统需求制定出下位机系统需要实现的功能要求，功能要求如下所示：（1）仪器自动识别分、合闸状态，防止用户错误操作。（2）能够实现断路器单分、单合、合分、分合分、分合分合分、合分合分操作。（3）可进行多断口测试，并可以选择将传感器安装任意一个断口，灵活设置。（4）既可以选择用直线位移传感器进行测量，也可以选择角位移传感器测量。（6）能准确测试出分、合闸线圈的电流峰值以及变化曲线。（7）可以根据“占总行程百分比”、“占开距的百分比”、“时间”、“行程”四种定义方式分别定义触头运动速度，满足各种速度测试要求。（8）能直接精确测量触头开距，并显示端口波形、反弹幅值、弹跳
10、、超行程、过冲等。2、高压开关机械特性参数的检测方案开关的机械特性参数是保证其正常工作的重要依据。机械特性参数可以从高压断路器的行程一时间曲线来定义和计算。在合闸时，动触头迅速移动，并接触静触头，使高压开关导通，接入负载。但由于动触头存在惯性，还会运动到最高点，而后返回到平衡点，形成一个振荡过程。高压断路器的机械特性参数是说明断路器是否正常工作的重要依据，根据国家标准高压交流断路器和高压开关设备常温下的机械试验中规定的机械特性试验的检测项目有：（1）行程：分合闸操作中，断路器动触头运动过程中相对于起始点的距离。（2）时间行程特性：分合闸操作中，断路器的动触头行程与时间的关系。（3）触头开距：断
11、路器处于分位置时，断路器一极的各触头之间或其连接的任何导电部分之间的总间隙。（4）超行程：合闸操作，断路器动静触头接触后动触头带动触头支架继续运动距离。（5）触头刚分速度：断路器分闸过程中，动触头与静触头分离瞬间的运动速度。（6）合闸速度：断路器合闸过程中动触头的运动速度。任取一段运动区间，（7）分闸速度：断路器分闸过程中动触头的运动速度。计算公式同合闸速度。（8）全程平均速度：断路器分合闸过程中，动触头的运动平均速度。（9）合闸时间：从接到合闸指令瞬间起到所有极触头都接触瞬间的时间间隔。合闸时间包括开关合闸所必需的并与断路器组成一体的任何辅助设备的动作时间。（10）弹跳时间：在合闸过程中动静
12、触头接触后由于弹力，再经过反复弹跳后最终达到稳定的这段时间(指三相触头都已经稳定合上)。（11）分闸时间：从接到分闸指令瞬间起到所有极的触头分离瞬间的时间间隔。（12）断路器合闸同期性：断路器合时各极间及(或)同一极各断口间的触头接触瞬间的最大时间差异。（13）断路器分闸同期性：断路器分时各极间及(或)同一极各断口间的触头分离瞬间的最大时间差异。（14）分-合时间(自动重合时)：重合闸操作时，从所有极的弧触头都分离瞬间起到首合极各弧触头都重新接触瞬间的时间间隔。（15）合-分时间：在合操作中，从首合极各触头都接触瞬间起到随后的分操作时在所有极中弧触头都分离瞬间的时间间隔。除非另有说明，即认为与
13、断路器装在一起的分闸脱扣器是在首合极中各触头都接触瞬间通电。这种情况下的合-分时间是最短的合分时间。（16）时间-电流特性：在规定操作条件下，表示时间(例如动作时间)作为预期电流的函数的曲线。（17）电流峰值IMAX：所测量得到的电流的最大值。为了全面准确地检测真空开关的机械特性参数，需要运用适当的检测手段，对开关的分合闸线圈电压电流、触头接触信号(检测动静触头接触与否)、动触头行程曲线、储能时间（针对弹簧储能机构）进行采集和分析，进而得到各个机械特性参数。3、参数的测量方法和原理10-123.1 分、合闸时间及其他时间相关参数的测量方案首先要确定的是分、合闸时间。分、合闸操作起始瞬间的选择直
14、接影响着断路器机械特性参数的数值。本设计中，通过检测各断口开关量的状态，来计算断路器的分、合闸时间。具体做法是将断路器一侧通过上拉电阻接到高电平，另一侧接地，当触头分(合)时断口为高(低)电平，六路通道通过检测电平的高低来判断断路器的状态。同时为了去除干扰信号，在开关量信号输入微处理器芯片前，增加了光电隔离模块。其他与时间相关的特性参数，包括开关的合分闸同期性，合闸弹跳时间，分合时间以及合分时间都需要基于各断口开关量的状态来计算。3.2 行程参数的测量方案行程包括：开距，超行程和总行程，其中，总行程等于开距与超行程之和。只要确定了时间量和相对位移量，就可以依次求出这些参量。从合闸前的稳态位置到
15、合闸后的稳态位置之间的位移量之差，就是触头合闸总行程；从分闸前的稳态位置到分闸后的稳态位置之间的位移量之差，就是触头分闸总行程。超行程则随着开断次数增多而逐渐减小。合闸超行程起始于三相触头合而止于操作稳态位置，即三相触头全接触开始到合闸后稳态位置的位移量之差。因为采用的是同步中断采样的方式，时间量与位移量是一一对应的关系。因此只要在时间量上找到特殊变化：由合到分变化点，由分到合变化点，弹跳变化点，就可以对应的在位移量上找到相应的点，并由此计算出开距，超行程和总行程。行程测量方法：既不能影响机构原有的机械特性和绝缘特性，又要真实反映断路器的行程特性，同时还要便于安装。行程测量就是先由行程传感器将
16、将行程量转换为电信号，然后再由A/D模数转换器将模拟量转换为数字量，最后由嵌入式微处理器完成数字量的采集。20世纪90年代，采用光栅传感器和有接点的滑动电阻传感器来测量高压断路器的行程，但最初光栅尺的间距在2mm及以上，只能粗略地测出高压断路器的行程特性。近几年来传感器技术发展很快，光栅尺的间距已从2mm发展到0.1mm，己经可以较准确地测得高压断路器在分、合闸过程中动态的行程特性曲线。与此同时，从国外购进的高精密度滑动电阻传感器也己用来测量高压断路器的行程特性。根据系统的功能要求，以及传感器安装部位和环境的适应性要求，测试系统选择直线位移传感器和角度位移传感器。3.3 电流参数的测量方案针对
17、高压断路器电流信号瞬时性的特点，装置选用了对信号反应非常灵敏的磁补偿式霍尔电流传感器，可以测量任意波形的电流，输出端能真实地反映输入端电流的波形参数。将断路器分、合闸线圈引线穿过霍尔电流传感器测量孔径，很方便地取得电流信号，既可以克服电磁式互感器的非理想性缺点，又解决了直流电参量测量时的隔离问题。3.4 分、合闸速度的测量方案断路器分、合速度的定义方式，由于制造工艺的差别，以及制造厂家的不同，速度定义和测试方法也是不尽相同的，虽然都是在一定区间上定义，但不同的区间速度差异很大，因此在实际测量过程中不能盲目地进行统一。在对各厂家的速度定义方法进行了总结之后，在程序中提供四种方式选项，这样就可由测
18、试人员自行设定速度定义的方式。（1）按总行程的百分比：从A%到B%。（2）按开距的百分比：从A%到B%。（3）按行程：触头分离(接触)前A mm到分离(接触)后B mm。（4）按时间：触头分离(接触)前 A mm到分离(接触)后B mm。其中A，B为自行设定的参数，具体大小由测试人员决定。4、高压开关测试系统的结构设计方案8高压开关测试仪采用的是下位机的结构。整个系统的结构主要由：被测高压开关、传感器、下位机、上位机等构成。传感器是通过高压开关和下位机之间进行信号传递。下位机是将传感器的电信号转换为数字信号，然后提供信号传输的差错控制机制，对被测开关进行控制，同时显示所采集的传感器的信号，以便
19、测试人员分析计算，并得出被测高压开关的测试能力。另上位机也能够对下位机进行控制，也能够对采集信号进行处理及显示。下位机的主要工作模式主要是：下位机负责数据的采集、处理和显示。测试界面模块查询模块存储模块数据处理模块USB模块上位机部分USB模块ARM处理器外围采样电路及AD转换存储器传感器接入模块被测高压开关下位机部分图2 系统架构图64M SDRAM2M NorFlashLCD键盘电源模块5、系统的总体设计方案思路ARM是硬件系统的核心，综合系统要求，采用三星公司的S3C2410，主频可达到203MHz，与大容量的SDRAM一起为系统提供较高的计算性能，本系统的存储模块选用Nor Flash
20、和SDRAM，2MB的Nor Flash用来存放本系统的固化软件和数据，包括系统引导程序、嵌入式操作系统、图形系统和测试系统应用软件；64MB的SDRAM是程序的运行空间。显示模块选用STN彩色液晶模块，分辨率为320x240。USB模块采用基于USBI.1协议的控制器，用于与上位机进行通信。因为ARM处理器内部己经包含了UART控制器，所以连接非常方便，可以直接连到处理器引脚上，用以提供与嵌入式串口打印机连接的通道。A/D采样模块包括S3C2410芯片内部集成的8通道10位AD和另增加一个AD转换器，最高采样率要求达到100kSPS。其中10位AD负责电流信号的采样，外置AD转换器负责行程信
21、号的采样。键盘采用4x4的矩阵式键盘，用于仪器操作以及测试参数的录入。6、信号采样模块电路设计思路信号采样模块需要同时采集10路通道的信号，其中2路模拟信号，8路数字信号。这10路信号又可以分为三类：行程、电流和数字开关量，同时在测试流程中还要判断分合闸线圈是否带电。（1）行程信号采样电路设计思路行程信号采样模块主要功能是将需要检测的行程信号通过位移传感器引入系统，经过模数转换后变成计算机可以识别的数字信号。它的工作性能的好坏将直接影响整个系统的准确性和可靠性。主要包括两部分：信号调理模块和A/D芯片模块。信号调理模块电路设计思路：通常，传感器信号不能直接转换为数字信号，这是因为传感器输出是相
22、当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数据之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。 A/D芯片模块电路设计思路：测试系统对行程位移信号的精度要求较高，因此，行程采样我们选用外置的AD转换器。（2）电流信号采样电路设计思路由于电流采用微处理器内部自带的8通道10位AD模块来进行模数转换，因此只需要设计电流信号的调理电路。（3）开关量信号采样电路设计思路开关量信号能够直接反映断路器实际所处的状态，是测试流程以及计算特性参数时所必需的样本数据。增加光耦模块。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LE
23、D)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电一光一电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。（4）分合闸线圈带电判别电路设计思路当系统进行测试时，需要选择一个时间点来开始信号采样，本系统选择分合闸线圈带电时刻作为系统开始采样的起始点。因此，如何判别分合闸线圈是否带电，就十分重要，并且要有很高的可靠性和实时性。由于加在分合闸线圈上的直流电压高达上百伏，所以在电路设计中计划增加压敏电阻进行保护。压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值U时，流过
24、它的电流极小，相当于一只关死的阀门；当电压超过U时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。7、下位机控制软件的实现思路一般说来，对于一个完整的嵌入式应用系统的开发，硬件的设计与调试工作仅占整个工作量的一半，应用系统的程序设计也是嵌入式系统设计一个非常重要的方面，程序的质量直接影响整个系统功能的实现，好的程序设计可以克服系统硬件设计的不足，提高应用系统的性能。下位机除了完成数据的采集外，还能完成上位机的各项功能，包括数据的各项处理、图像的显示以及报表的打印等。整个系统的下位机软件设计包括ARM与操作系统模块下用户测试软件的设
25、计以及控制程序开发。主程序流程下图所示：初始化等待测试发相应操作命令（合/分）线圈带电否？启动采集TimeTd2延时Td3开始接收上位机命令?TimeTd1是否合/分结束Error:合分闸控制回路断线开关拒合/分NYNNYNY图3 下位机软件流程图8、对高压开关动作特性测试系统的测试（1）测试功能：测试装置设计实现断路器单分、单合、合分、分合分、分合分合分、合分合分六种操作，并可在上位机的配合下进行寿命测试。因此，在实验室中在试验室中利用继电器模拟高压断路器，将高压断路器机械特性测试装置串入继电器的控制回路，模拟对断路器的单分、单合、合分、分合分等操作，检测装置的控制功能是否正确。（2）数据保
26、存功能：测试完毕后，将测试数据保存下来，然后回读数据，检验保存的数据是否正确。然后关断电源，待仪器重启后，再次回读数据，确认数据是否完好。（3）特性参数打印功能：测试完毕后，将计算所得的特性参数通过串行打印机以热敏纸打印出来。核对特性参数与屏幕显示值是否一致，并观察特性曲线是否正确，有无出错点。五、实施方案所需的条件S3C2410一块、AD转换器AD976A一片、位移传感器一个、电流传感器一个、被测高压模拟开关一个、计算机及相关软件等器件。六、存在的主要问题和技术关键1、由于信号传感器输出的信号一般都比较弱，导致提取的信号比较失真或者精确度不够：应该选择高精确的信号传感器，然后把信号送入到合理
27、的信号调理电路，就可以得到比较准确的信号。2、由于电磁干扰的影响，很容易导致数据采集误差加大、控制状态失灵：合理的布置与选择有关参数，设计出合理的抗干扰技术，使它能有效地抑制抗干扰源，阻断干扰传输通道。3、由于实验模拟高压开关与真正的高压开关有一定的差距，可能会导致实验结果有所偏差：尽可能的使模拟开关符合实验所要求，以后有机会对真正的高压开关进行检测，进一步的优化测试系统。七、预期能达到的目标1、完成下位机硬件系统的设计：用于数据采集的主板电路设计、振动信号采样调理电路设计、分合闸线圈带电差别电路设计、外围控制模块电路设计、AD转换模块设计。2、完成下位机系统软件的编写。3、完成下位机测试系统
28、的实现。4、对下位机测试系统进行测试，检验。八、课题研究计划进度1、2011.92011.10：收集相关资料，确定总体方案2、2011.102012.2：完成下位机硬件系统的设计。3、2012.22012.4：完成下位机软件系统的编写。4、2012.52012.6：完成下位机系统的测试、检验；5、2012.72012.9：总结、撰写论文和论文答辩。九、研究经费预算设备损耗费及图书资料费 ：1000元开发板及其它器件 ：7000元科研业务费 ：1500元其它经费 ：1000元共计约 ：10500元。十、主要参考文献1Lee DS S，Lithgow B L，Mommn R ENew fault
29、diagnosis of circuit breakersJIEEE Transactions on Power Delivery，Oct.2003，v01.3，pp24-3 12International Conference Of Double Clients，Westin Hotel Copley Place，Boston, Mass，USA，March 292009，pp1-63New Fault Diagnosis of Circuit Breakers Dennis S.S. Lee，Member IEEE，Brian J Lithgow，Senior Member，IEEE，an
30、d Rob EMomson，Oct2003，v0111，PP8488574胡晓光，戴景民，纪延超等基于小波奇异性检测的高压高压开关故障诊断J.中国电机工程学报，2001，18(5)：29-355Daubechies IThe wavelet trans form，time frequency localization and signal analysis，JIEEE trans on information Theory，March1 990，v013，PP944-9506方可行编著高压开关故障与监测北京：中国电力出版社，20027陈晓平，和卫星等基于小波分析的滚动轴承振动信号处理2008中
31、国仪器仪表与测控技术报告大会，2008，1 97-2008胡晓光王建赜刘桂芝等基于振动信号高压开关故障诊断的仿真研究J哈尔滨工业大学学报，2001，12(6)：34-409曾芸，武和雷基于小波包的频带能量特征提取及智能诊断中国自动化学会中南六省(区)第26届学术年会，2008，1-610Dong Mei，Li Fa Chao LiIdentification of chaotic systems丽tll noisy data based on RBF neural networksInternational Conference On MachineLeaming and Cybemetics
32、；ICMLC2009，Baoding(CN)，2009，PP2578-25811王芳，毛晓桦基于小波奇异性和神经网络的高压开关机械故障诊断南京工程学院学报2005，11(5)：253112亿特科技CPLDFPGA应用系统设计M北京：人民邮电出版社，200513Cyclone Device HandbookSAltera Corporation，200314任晓东CPLDFPGA高级应用开发指南北京：电子工业出版社，200315李江，常葆林嵌入式操作系统设计中的若干问题J微型机与应用，2000，(08)16魏本纪真空断路器速度测量方法和机械特性J高压电器，1997，(6)：474917John
33、LHenessy David APattersonComputer Organization&Design The HardwareSoftware InterfaceM北京：机械工业出版社，200218Kirk ZurellC Programmin g for Embedded Systems，北京：机械工业出版社，200219徐新华C+Builder高级编程技术M北京：人民邮电出版社，200520刘滨c+Builder高级编程实例精解M北京：国防工业出版社，200521王晟C+Builder数据库开发经典案例解析M北京：清华大学出版社，200622Anderw STanenbaum计算机网
34、络M北京：清华大学出版社，199823Tim ParkerTCPfiP技术大全M北京：机械工业出版社，2000文献阅读报告：关于高压开关动作特性测试系统的研究1 高压开关动作特性测试系统研究的必要性1高压开关是发电厂、变电站的电器设备中重要的控制和保护设备, 当设备和线路发生故障时能快速切除故障, 保证无故障部分正常运行, 起运行保护作用。它除了能正常的操作控制电气设备以外，还在短路事故时能及时动作切断故障，以保证电力系统和工厂高压电气设备的安全。 一旦高压断路器不能可靠分合，就必须及时发现，否则会发生设备损坏或人身伤亡事故， 所以对高压断路器产品进行出厂检测及使用中进行自动化诊断、预测，以此
35、来评定高压断路器使用状态的好坏。高压开关依靠机械部件完成开合线路动作, 为保证高压开关安全运行, 必须对其机械部件的机械特性进行检测。2高压开关简介2-32.1、真空断路器结构断路器的主触头置于真空灭弧室内，触头的开断与闭合均在高真空度的环境中进行。所以真空断路器的结构，实为真空灭弧室的结构。一般的真空断路器主要由真空灭弧室和操动机构通过绝缘导杆和支持杆组成一体。其结构图大致如图1所示，其中动静触头均密封在真空开关管中，由动导电杆通过三极绝缘子与操作机构相连。机构的台分闸动作由主轴的摇臂通过三极绝缘子带动三极动触头同时接通和分断。因而通过可以分析动导电杆与静端盖板之间的位移情况来得到动静触头间
36、的时间位移关系。图1 真空断路器结构图2.2、真空断路器的工作原理在图1中断路器上部是真空开关管，下部是操动机构，安排在支架上。操动机构通过绝缘杆、触头弹簧等同真空开关管的动导电杆相连，带动动导电杆运动完成合分闸操作。当操动机构的合闸线圈通电，合闸电磁铁被吸合，带动导电杆运动，使动、静触头接通，这就完成了合闸过程。当操动机构的分闸线圈通电，分闸铁芯被吸合，从而使锁扣释放，在分闸弹簧以及本身重力作用下迅速分闸，完成了分闸过程。2.3、真空断路器的分、合闸动作合闸动作：操动机构合闸线圈得电合闸铁芯动作机构及传动连杆动作开关主轴转动绝缘推杆前推三角拐臂转动下压触头弹簧装置灭弧室动导电杆向下运动使触头
37、接触触头弹簧压缩至接触行程终点。与此同时，机构的辅助开关切断会闹接触器线圈电源，分闸弹簧拉长贮能，电磁机构的扣板由半轴扣车保持在合闸位置，合闸结束。分闸动作：机构中的分闸线圈得电分闸铁芯动作扣板与半轴脱扣开关在触头弹簧和分闸弹簧的作用下迅速分断机构的辅助开关切断分闸线圈电源一机构复原，并由分闸弹簧保持在分闸位置。3 嵌入式处理器3.1 ARM的简介ARM(Advanced RISC Machines)，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权(IP)核的
38、微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面18。ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM公司的授权，因此既使得ARM技术获得更
39、多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争24。3.2 ARM处理器的应用19到目前为止，ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：(1)工业控制领域：作为32位的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位16位微控制器提出了挑战。(2)无线通讯领域：目前已有超过85的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。(3)网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的AD
40、SL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。(4)消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。(5)成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。3.3 ARM的体系结构18ARM设计实现了外型非常小但是性能高的结构，处理器结构的简单使ARM的内核非常小，这样也使器件的功耗变得很低，它集成了典型的RISC的结构特性：（1）一个大
41、而统一的寄存器文件；（2）转载/保存结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储进行操作；（3）简单的寻址模式，所有装载/保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定；（4）统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码；（5）每一条数据处理指令都对算术逻辑单元（ALU）和移位器控制，以实现对ALU和移位器的最大利用；（6）地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化；（7）多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量；（8）所有指令的条件执行实现最快速的代码执行。3.4 ARM处理器系列18-19ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。目前应有的比较多的是ARM7系列、AR
42、M9系列、ARM9E系列、ARM10系列、SecurCore系列和Intel的StrongARM、XScale系列。其中每一类又根据其各自包含的功能模块而分为多种构成。在ARM内核中有四个功能模块可供生产厂家根据不同的用户的不同需求来配置生产。这四个模块分别用T、D、M、I来表示。T：表示Thumb，该内核可从16位指令集扩充到32位指令集；D：表示Debug，该内核中旋转了用于调试的结构，通常它是一个边界扫描链JTAG可使CPU进入调试模式，从而可方便地进行断点设置、单步调试；M：表示Multiplier，是8位乘法器；I：表示Embedded ICE Logic，用于实现断点观测及变量观测
43、的逻辑电路部分，其中的TAP控制可接入到边界扫描链。（1）ARM7系列ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了Jazelle的ARM7EJ-S等。它采用ARMV4T(Newman)结构，分为三级流水，空间统一的指令与数据Cache。广泛应用于多媒体和嵌入式设备。（2）ARM9系列ARM9系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。它采用ARMV4T(Harvard)结构，五级流水处理以及分离的Cache结构。所有的ARM9系列处理器都具有Thumb编码指令集和基于Embedded ICE J
44、TAG的软件调试方式。ARM9系列兼容ARM7系列，而且能够比ARM7进行更加灵活的设计。主要应用于引擎管理、仪器仪表、机顶盒、PDA、带有MP3音频和MPEG4视频多媒体格式的智能电话中。（3）ARM9E系列ARM9E系列为综合处理器，包括ARM926EJ-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM966E-S/ARM946E-S。同样为五级流水处理以及分离的Cache结构。该系列强化了数字信号处理功能，可应用于需要与微控制器结合使用的情况，将Thumb技术和DSP都扩展到指令集中，并具有Embedded ICE-RT逻辑，更好地适应了实时系统的开发需要。同时其内核在ARM9处理器内核的基础上使用
45、了Jazelle增强技术，支持一种新的Java操作状态，允许在硬件中执行字节码。（4）ARM10系列ARM10系列包括ARM1020E和ARM1026EJ-S微处理器核。它采用ARMVST结构，六级流水处理，指令与数据分离的Cache结构。其核心在于使用向量浮点(VFP)单元提供高性能的浮点解决方案，从而极大的提高了处理器的整型和浮点运算性能。VFPIO采用七级流水结构。此系列应用于下一代高性能手持式网络设备以及数字式消费类应用。（5）SecurCore系列SecurCore系列包括SC100、SCll0、SC200和SC210处理核。该系列处理器主要针对安全市场，以一种全新的安全处理器设计为
46、智能卡和其他安全IC开发提供独特的位系统设计，并具有特定的反伪造方法，有助于防止对硬件和软件的盗版。（6）StrongARM系列StrongARM处理器将Intel处理器技术和ARM体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。它采用五级流水结构，目一前有SA110、SA1100以及SA1110等。（7）XSeale系列 IntelXscale微体系结构则提供全性能、高性价比和低功耗的解决方案，支持16位指令和DSP指令。3.5 ARM9处理器中的S3C2410的特性24S3C2410是一款基于16/32位ARM920T内核的微处理器，0.18艺的CMOS标准宏单元和
47、存储编译器。它的低功耗、精简和出色的全静态设计使得它非常适用于手持式设备以及对成本、功耗敏感的应用场合。ARM920T内核由ARM9TDMI、存储管理单元(MMU)和高速缓存三部分组成。其中，全性能MMU，可管理虚拟内存，支持Win CE、Linux等嵌入式操作系统。它采用Harvard结构，支持16KB数据Cache和16KB指令Cache结构分离，具有更高的指令和数据处理能力。为减少整个系统的成本，S3C2410芯片内部集成了各种外围设备，包括：(1)存放Boot Loader启动程序的NAND Flash；(2)芯片选择逻辑和SDRAM控制器的系统管理器；(3)支持STN和TFT带有触摸屏的LCD控制器；(4)PL