基于STM32处理器与PCI—104总线的发电厂故障录波同步授时卡的设计和实现

摘要：电厂/变电站的一件十分重要的基础工作就是时间同步，统一精确的时间是保证电力系统安全运行和提高电力运行水平的一个重要措施。根据分析现有的众多同步授时装置的优缺点，并且结合目前比较主流的微处理器，最终选取了ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器来完成数据的处理，采用了PCI-104总线技术来进行数据的传输，该总线技术能够很好地满足系统实时性的要求。本系统的驱动编写采用Driver studio来编写，以实现板卡系统与上位机的通信，上位机测试软件则采用MFC类来编写。

关键词：发电厂；时间同步；GPS；ARM Cortex-M3内核；STM32；PCI-104

中图分类号：TM726

文献标识码：A

文章编号：1009-2374（2012）24-0108-03

近年来，国内外连续发生的多起大面积的停电事故，暴露出电力系统运行不可忽视的安全问题。随着电厂、变电站日益提高的自动化水平，电网运行水平不断提高，测量及调度自动化系统等自动化装置得到了广泛的应用，而这些设备的运行都需要有统一的时间基准。如果有了统一精确的时间，就能够实现全厂（站）的各个系统在GPS（北斗）提供的时间基准下运行监控，也能够通过事故后的各个开关动作的先后、调整顺序的先后的准确时间来分析事故的原因及过程。一直以来，GPS授时都是美国霸占。1983年，我国科学家陈芳允和美国的一位科学家同时提出了利用地球同步卫星来进行导航定位的设想。经过多年的预研后，终于在1994年全面启动导航系统的研制。目前国内的关于GPS同步授时也取得了非常迅猛的发展，主要有济南唯尚电子的W9000电厂/变电站时间同步系统、上海锐呈电气的K801同步授时装置、思利敏公司的SNTS网络时间同步装置等。通过分析现有的众多同步授时装置的优缺点，结合目前比较流行的微处理器，最终选取了性能高、成本低、功耗低的专门为嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器来完成数据的处理，在数据传输方面，系统采用了PCI-104总线技术来进行数据的传输，该总线技术能够很好地满足系统实时性的要求。

1　硬件设计

系统的板卡主要为故障录波和数据采集等装置提供200uS的高精度同步绝对时标。这就要求系统要能接收主时钟源发出的RS485方式的对时信号，在对时过后即正常状态下其要能够自己运行正确的时间信息。

由于主时钟源发来的信号不止一种，因此不能直接将其送入单片机。需先将其送至逻辑芯片，经过逻辑芯片的判断选择之后再送入MCU，这样会节省单片机很多资源及时间。

为了在没有时间信号输入的情况下，此板卡依旧能正常显示准确的时间信息，系统在此为其配备了Dallas公司的DS12C887时钟芯片。

在单片机与PC机通讯方面，除采用了专门为嵌入式设计的的PCI-104总线以节省板卡空间之外，为了使双方能够准确、快速地进行数据交换，系统还采用了一片双口RAM来提升此卡的整体性能。

在PC机与MCU通讯的时候，要经过双口RAM，本板卡所用的芯片有2K的地址空间，为解决单片机引脚问题以方便交换数据，系统将这1K空间分为8页，每页128个地址空间。这样的话对单片机来说，直接通过一个数据端口就可方便地输出地址。

通讯卡上有8页RAM用来与PC机交换数据，每页为128Bytes。每页RAM的用途：第0页和第1页是PC机与单片机交换时标数据区。

第0页：储存偶数0.2ms的时钟数据（10Bytes）。

第1页：储存奇数0.2ms的时钟数据（10Bytes）。

第2～6页：保留。

第7页：储存从PC机向同步时钟卡（从卡）的对时时钟数据（10Bytes）。

此通讯卡在本系统的作用主要有：为PC机提供200uS时间刻度；通过PCI总线与PC机相连，将接收到的对时信号转换为200uS的绝对时标刻度数据，采用中断或查询方式提供给PC机；PC机可在任何时刻从卡上读取分辨率为200uS的绝对时间刻度；事件捕获功能。以200uS的分辨率捕获输入事件脉冲到达的精确时刻，并以中断方式告知PC机。

系统的硬件主体框图如图1所示：

2　软件设计

系统的软件设计主要分为三大部分：系统板单片机程序设计、驱动程序设计和上位机测试应用程序。

2.1　系统板单片机程序设计

此部分主要负责实现本次设计的主要目标任务：提供200uS精确时标以及各种传送方式的时间等信息的接收、解码和发送。

200uS精确时标的产生主要由逻辑芯片配合单片机来实现。为了能够及时地与PC机进行信息交流，充分利用系统资源，并提高板卡的整体性能，系统采用双口RAM实现存储器共享。

2.2　驱动程序设计

在此系统中选择WDM驱动编程模式，该模式为微软公司推出的分层化的驱动程序模式，适用于Win2000、WinNT和WinXP操作系统中，它不但可以实现对新硬件的即插即用，而且可以有效减少并降低驱动程序开发的数量和复杂性。在该模式下，每个IO操作可通过一个IO请求包（IRP）描述，当操作系统遇到一个IRP时，它就调用相应驱动程序中的例程来处理该IRP。WDM的层次结构如图2所示：

2.3　上位机测试应用程序

上位机测试应用程序主要是为评测底层硬件是否合理正确以及板卡系统单片机程序是否编写正确。

在此程序中我们将能很轻松地看到板卡系统的时间信息、发送方式等。这将给后续的开发和测评提供很好的帮助。

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作者简介：沈茂东（1978-），男，山东滕州人，国家电网山东电力集团公司安全监察部处长，工程师，研究方向：电力系统及其自动化、经济学；彭祖涛，重庆大足人，重庆市电力公司壁山供电公司专业工程师，助理工程师，研究方向：电气自动化。