基于ARMCortex-M3的断路器智能控制器的设计

　　0 引言

　　万能式断路器是低压配电系统中起通断及保护作用的重要元件。万能式断路器智能控制器也被称为电子脱扣器，是判断万能式断路器是否先进的重要依据之一。目前，国内的智能控制器一般采用的中央处理器是单片机[1]，随着万能式断路器的发展对智能控制器的要求越来越高，虽然单片机在性能方面有了明显的提升，但受基本架构的限制，进一步改进和提高性能的余地相对较小。现在智能控制器中央处理器也有采用DSP的，但在工业上可选的芯片较少，在选择上受到一定的限制。

　　A R M 微处理器基于先进的精简指令集计算机(RISC)架构[ 2 ]，具有突出的性能优势，是当前32位嵌入式系统的主流平台。本设计采用ARMCortex-M3内核，设计一种新型的万能式断路器智能控制器[3-4]。该智能控制器与原基于单片机平台控制器之间具有互换性，而以STM32F103为微处理器的智能控制器在功能、结构、性能方面均有改进。

　　1 框架断路器控制器硬件设计

　　1.1 总体方案简介

　　万能式断路器智能控制器的主要作用是对线路中的过载、短路、接地等故障进行保护。其保护的工作原理是：断路器检测来自传感器的信号，通过信号采集电路将其进行滤波、放大、通道判别等处理，然后由微处理器内核CPU对采集到的数据进行运算和逻辑判断。若判断到电路发生故障，则根据预设的保护特性，发出脱扣控制信号，由执行电路驱动断路器动作[5]。断路器的动作与否及动作时间的长短取决于断路器的控制信号。

　　根据智能控制器的工作原理，以与STM32F103接口的外围芯片为扩展的思想，按功能模块扩展：信号检测，信号采集，输入与显示部分，存储部分，数据通信接口，执行输出元件等模块组成。其组成框图如图1所示。

　　1.2 信号采集模块

　　由于电流信号强度是几十安培到几万安培，因此针对不同强度的采样分辨率要求也是不同的。当电流信号较小时，要求采样的分辨率高，而电流很大时，采样要求的分辨率就低很多。为了提高A/D采样分辨率，把信号分成小信号和大信号两组，电流信号较小时，采用较高的放大倍数，电流信号较大时，采用较低的放大倍数。这样三相电流就变成了六路信号，为了减少信号调理电路的数量，同时节省I/O口资源，7路电压信号先接入多路模拟开关，再经过调理电路调理，最后送入A/D转换模块。信号采集单元包括信号处理电路及A/D转换部分，这两部分为微处理器系统提供正确可靠的信号。信号采集模块如图2所示。

　　1.3 微处理器

　　微处理器主要是对信号进行实时处理完成计量、各种保护和辅助功能，并且通过通信接口与上位机进行通信。ARM内核采用RISC架构，内核设计引进了众多先进技术，并用指令流水线来提高指令执行的效率，支持各种最新的硬件技术接口与外设接口。