0 引言
發電廠、變電站的直流供電系統是控制和信號系統、繼電保護及自動裝置的工作電源，對保障電力系統安全運行是十分重要的，這就要求直流系統及其網絡必須具有高可靠性。當直流系統發生一點接地時，應能及時找出和處理。目前，國內外基于單片機的絕緣監測裝置大多是基于傳統的平衡電橋法、低頻信號注入法等研制的，但要解決直流系統大電容接地和環網影響等問題，則需要采用更為先進的處理方法，如基于小波變換的檢測方法，而單片機有限的資源限制了這類方法的使用。
本文通過基于ARM的嵌入式系統進行直流系統接地故障檢測裝置的設計，并在該裝置中實現基于小波變換的檢測方法解決直流系統大電容接地和環網影響等問題，并重點闡述了基于該系統的應用程序的設計。
1 ARM微處理器S3C44BOX
考慮到設計應用的需要，選用了三星公司的S3C44BOX微處理器。這是該公司一款基于ARM7TDMI的SOC芯片。它一方面具有ARM處理器低功耗、高性能的優點；又具有非常豐富的片上資源，非常適合嵌入式產品的開發。其特點如下：
·采用ARM7TDMI內核，I／O電壓3．3V，內核電壓2．5V；
·內置鎖相環(PLL)，系統主頻最高達66MHz；
·4種工作模式，可以實現電源管理以降低系統功耗；
·8kB的系統高速緩存(CACHE)，極大地提高了系統運行速度；
·支持8個MEMORY BANK，最大外部存儲空間達256MB，并支持SDRAM；
·內置彩色LCD控制器；
·2路異步串口(UART)；
·71個通用I／O口；
·8通路模／數轉換器(ADC)；
·實時時鐘(RTC)和看門狗電路(WATCHDOG)。
2 直流系統接地故障檢測裝置總體結構
如圖1所示，可以看出此檢測裝置主要分為兩個部分：S3C44BOX主控單元及各種接口、信號采集及預處理單元。
此裝置將實現以下功能：
(1)通常情況：此裝置處于在線監視狀態，通過采集現場信號并依據相關算法判斷直流系統是否存在一點接地；
(2)直流系統發生一點接地：當發現直流系統存在一點接地時，并啟動低頻信號源，向電網中注入低頻信號；
(3)依次對低頻電壓和各個支路電流信號進行同步采樣；通過直流系統每個支路上的電流互感器檢測出每個支路的電流信號。由多路開關依次選通每個支路，將相關信號經調理后進行采樣，同步進行低頻電壓信號的采樣，然后依次按照特定的基于小波變換的控制算法對采樣數據進行處理，從而確定故障支路，將結果顯示在LCD或是遠程終端上以便于用戶查看并及時排除該接地故障。
3 軟件總體設計方案
對于一個開放的嵌入式系統而言，其程序存儲器中一定要有系統的初始化代碼。初始化在系統復位后自動完成。在系統的初始化中，必須包含如下的初始化代碼：設置入口指針、設置中斷向量表、初始化堆棧指針寄存器、初始化存儲器系統、初始化I／O端口以及需要改變處理器的工作模式、初始化應用程序存儲空間。之后，呼叫并開始執行應用程序。
μC／OS-Ⅱ是源碼公開的實時嵌入式操作系統，其主要特點是公開源代碼；可移植；可固化；可裁剪；是占先式實時內核；可管理多任務：執行時間可確定；提供很多系統服務；具有中斷管理；穩定且可靠。但是，μC／OS-Ⅱ提供的僅僅是一個任務調度內核，需要在其基礎上擴展成實用的RTOS。根據該裝置的功能要求，系統軟件中需要實現相應的用戶任務：a．監視；b．報警；c．啟動低頻信號源；d．低頻電壓采樣，并計算其幅值和初始相位；e．選通各個支路并檢測其電流信號，然后利用小波算法進行判斷；f. 在LCD或遠程終端上顯示相關信息。其中任務e的具體流程如圖2所示。
相對于相敏檢波、載波相位等傳統的檢測方法，上述基于小波變換的處理方法可以充分發揮小波分析優良的時頻分析特性，有效地克服直流系統大電容接地環網等因素的影響，能夠準確地計算出支路接地電阻值，從而判斷出故障支路。由于8／16bit單片機有限的資源，無法實現這么復雜的算法，而ARM的高性能和高可靠性為這種算法提供了良好的硬件平臺。擴展后的RTOS總體框圖如圖3所示。
4 應用程序設計
根據以上的分析，設計應用程序運行流程圖如4所示。
4．1 直流系統正負母線對地接地絕緣監測
系統初始化完成以后，進入任務一，如果發現存在接地故障，則等待鍵盤消息，以設定待檢支路數，然后系統調用任務二；如果沒有發生接地故障，則延時特定時間段后再次調用任務一。
任務一的具體代碼如下所示：
4．2 啟動低頻信號源，同步采樣低頻電壓及當前支路電流
當判定直流系統發生接地故障之后，調用任務二，首先確定支路號，然后同步采樣正負母線低頻電壓信號和當前支路電流信號，當完成了相應采樣之后，系統調用任務三。
任務二的具體代碼如下所示：
4．3 對采樣數據進行濾波及低頻提取處理，并計算接地電阻值
當任務二完成相應的采樣工作之后，系統調用任務三，任務二和任務三構成了一個循環，任務三主要對任務二采樣所得的數據進行3次B樣條濾波和Morlet小波低頻分量提取等處理，并判斷該支路故障與否，同時依據當前支路號判斷是否已經檢測了全部支路，如果直流系統中還存在沒有檢測的支路，則返回任務二開始新的采樣，如果已經全部完成，則延時30分鐘后返回任務一。
任務三的具體代碼如下所示：
5 結束語
基于ARM微處理器進行相關的設計應用可以提高系統性能，并使系統小型化、低成本，而且具有高可靠性。本文介紹的基于ARM的直流系統接地故障檢測系統的應用程序設計，構建了一個完整的硬、軟件平臺，在實際應用中取得了很好的效果。