基于STM32處理器與PCI—104總線的發電廠故障錄波同步授時卡的設計和實現

沈茂東　彭祖濤

摘要：電廠/變電站的一件十分重要的基礎工作就是時間同步，統一精確的時間是保證電力系統安全運行和提高電力運行水平的一個重要措施。根據分析現有的眾多同步授時裝置的優缺點，并且結合目前比較主流的微處理器，最終選取了ARM Cortex-M3內核的STM32系列處理器來完成數據的處理，采用了PCI-104總線技術來進行數據的傳輸，該總線技術能夠很好地滿足系統實時性的要求。本系統的驅動編寫采用Driver studio來編寫，以實現板卡系統與上位機的通信，上位機測試軟件則采用MFC類來編寫。

關鍵詞：發電廠；時間同步；GPS；ARM Cortex-M3內核；STM32；PCI-104

中圖分類號：TM726文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）24-0108-03

近年來，國內外連續發生的多起大面積的停電事故，暴露出電力系統運行不可忽視的安全問題。隨著電廠、變電站日益提高的自動化水平，電網運行水平不斷提高，測量及調度自動化系統等自動化裝置得到了廣泛的應用，而這些設備的運行都需要有統一的時間基準。如果有了統一精確的時間，就能夠實現全廠（站）的各個系統在GPS（北斗）提供的時間基準下運行監控，也能夠通過事故后的各個開關動作的先后、調整順序的先后的準確時間來分析事故的原因及過程。一直以來，GPS授時都是美國霸占。1983年，我國科學家陳芳允和美國的一位科學家同時提出了利用地球同步衛星來進行導航定位的設想。經過多年的預研后，終于在1994年全面啟動導航系統的研制。目前國內的關于GPS同步授時也取得了非常迅猛的發展，主要有濟南唯尚電子的W9000電廠/變電站時間同步系統、上海銳呈電氣的K801同步授時裝置、思利敏公司的SNTS網絡時間同步裝置等。通過分析現有的眾多同步授時裝置的優缺點，結合目前比較流行的微處理器，最終選取了性能高、成本低、功耗低的專門為嵌入式應用設計的ARM Cortex-M3內核的STM32系列處理器來完成數據的處理，在數據傳輸方面，系統采用了PCI-104總線技術來進行數據的傳輸，該總線技術能夠很好地滿足系統實時性的要求。

1硬件設計

系統的板卡主要為故障錄波和數據采集等裝置提供200uS的高精度同步絕對時標。這就要求系統要能接收主時鐘源發出的RS485方式的對時信號，在對時過后即正常狀態下其要能夠自己運行正確的時間信息。

由于主時鐘源發來的信號不止一種，因此不能直接將其送入單片機。需先將其送至邏輯芯片，經過邏輯芯片的判斷選擇之后再送入MCU，這樣會節省單片機很多資源及時間。

為了在沒有時間信號輸入的情況下，此板卡依舊能正常顯示準確的時間信息，系統在此為其配備了Dallas公司的DS12C887時鐘芯片。

在單片機與PC機通訊方面，除采用了專門為嵌入式設計的的PCI-104總線以節省板卡空間之外，為了使雙方能夠準確、快速地進行數據交換，系統還采用了一片雙口RAM來提升此卡的整體性能。

在PC機與MCU通訊的時候，要經過雙口RAM，本板卡所用的芯片有2K的地址空間，為解決單片機引腳問題以方便交換數據，系統將這1K空間分為8頁，每頁128個地址空間。這樣的話對單片機來說，直接通過一個數據端口就可方便地輸出地址。

通訊卡上有8頁RAM用來與PC機交換數據，每頁為128Bytes。每頁RAM的用途：第0頁和第1頁是PC機與單片機交換時標數據區。

第0頁：儲存偶數0.2ms的時鐘數據（10Bytes）。

第1頁：儲存奇數0.2ms的時鐘數據（10Bytes）。

第2～6頁：保留。

第7頁：儲存從PC機向同步時鐘卡（從卡）的對時時鐘數據（10Bytes）。

此通訊卡在本系統的作用主要有：為PC機提供200uS時間刻度；通過PCI總線與PC機相連，將接收到的對時信號轉換為200uS的絕對時標刻度數據，采用中斷或查詢方式提供給PC機；PC機可在任何時刻從卡上讀取分辨率為200uS的絕對時間刻度；事件捕獲功能。以200uS的分辨率捕獲輸入事件脈沖到達的精確時刻，并以中斷方式告知PC機。

系統的硬件主體框圖如圖1所示：

2軟件設計

系統的軟件設計主要分為三大部分：系統板單片機程序設計、驅動程序設計和上位機測試應用程序。

2.1系統板單片機程序設計

此部分主要負責實現本次設計的主要目標任務：提供200uS精確時標以及各種傳送方式的時間等信息的接收、解碼和發送。

200uS精確時標的產生主要由邏輯芯片配合單片機來實現。為了能夠及時地與PC機進行信息交流，充分利用系統資源，并提高板卡的整體性能，系統采用雙口RAM實現存儲器共享。

2.2驅動程序設計

在此系統中選擇WDM驅動編程模式，該模式為微軟公司推出的分層化的驅動程序模式，適用于Win2000、WinNT和WinXP操作系統中，它不但可以實現對新硬件的即插即用，而且可以有效減少并降低驅動程序開發的數量和復雜性。在該模式下，每個IO操作可通過一個IO請求包（IRP）描述，當操作系統遇到一個IRP時，它就調用相應驅動程序中的例程來處理該IRP。WDM的層次結構如圖2所示：

2.3上位機測試應用程序

上位機測試應用程序主要是為評測底層硬件是否合理正確以及板卡系統單片機程序是否編寫正確。

在此程序中我們將能很輕松地看到板卡系統的時間信息、發送方式等。這將給后續的開發和測評提供很好的幫助。

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作者簡介：沈茂東（1978-），男，山東滕州人，國家電網山東電力集團公司安全監察部處長，工程師，研究方向：電力系統及其自動化、經濟學；彭祖濤，重慶大足人，重慶市電力公司壁山供電公司專業工程師，助理工程師，研究方向：電氣自動化。

（責任編輯：周瓊）