请问怎样去设计一种TCSC实验控制器前置单元？

　　可控串联补偿（ TCSC） 是柔性交流输电系统（ FACTS）概念提出后的第一个FACTS装置。 由于TCSC直接串入输电线路，可以连续、快速、大范围地调节线路阻抗（本身的阻抗从容性到感性变化） ，和其自身的数据采集与监控（ SCADA）系统相配合，可以实现远方阻抗和功率潮流调节，平息地区性功率振荡，提高系统暂态稳定性，抑制次同步谐振。 本文通过一个在研项目——福建-华东电网互联的可控串补研究，详细介绍了可控串联补偿（ TCSC）实验控制器的前置单元部分设计，以便于为实际决策提供完整、准确的实验数据。
　　TCSC的稳态特性分析电路模型
　　TCSC的基本结构是固定的串补电容C并联一个由双向晶闸管（实际也可把两个单向晶闸管并联反接在一起）控制的电抗L ，图1所示为稳态分析用的TCSC模型：
　　它的运行模式有：
　　1） 晶闸管截止。 TCSC等同于固定串联补偿。
　　2） 晶闸管旁路。 在电流正或反方向流过VT时，双向晶闸管VT分别在180°范围内全导通，线路电流大部分通过L ，整个TCSC呈现小电抗特性。
　　3） 容性微调模式。 VT导通角较小，整个TCSC的阻抗呈现大于C本身的容抗特性。
　　4） 感性微调模式。 VT的导通角较大，整个TCSC的阻抗呈现感性电抗特性。
　　
　　通过其运行模式可以看出，控制双向晶闸管VT的导通角可以改变LC环路导通电流，从而可以连续快速调整TCSC阻抗值而达到其控制目的。
　　实验控制系统由上位主机和前置控制单元组成，上位机主要负责系统分析，控制算法的确定。 前置单元实现高速数据采集，AD转换，与上位机快速传递数据及触发可控硅等多项功能。
　　前置单元的需求分析
　　前置单元的在整个TCSC实验控制系统中主要完成以下3项工作。
　　和上位机的通讯
　　前置单元通过USB接口和上位机通讯。 这个功能是其它两个功能的基础，要实现这一功能，需要设计设备端（前置单元）和主机端（上位机）的USB 软件，并定义上位机和前置单元间通讯的数据格式。
　　数据采集
　　前置单元要采集从电流（电压）传感器输入的三相电流和三相电压，共六路数据。当上位机需要三相电流电压数据时，就发送命令给前置单元要求其开始采集数据，并设定所需采样的周期数。前置单元收到命令后立即开始数据采集，并通过USB把采集的数据按约定的格式送给主机。要实现六路采样功能，前置单元必须具备采样保持器、多路选择器和AD转换器。
　　数据采集的速度分析：因为上位机需要对电压电流信号进行高次谐波分析，所以数据采集的速度必须尽量快。S3C44B0X自带的AD最高采样频率为100 kSPS（10μs一次） ，加上其多路选择器的切换时间为15μs，实际的最快采样速度为25 μs一次。这里选择每0.2 ms对三相电压和三相电流各采样一次，即每33μs采样一个数据。这样每个周波可以采样100 次，可以分析到5～7次谐波。
　　三相晶闸管的触发控制
　　上位机计算出合适的晶闸管导通角并通过USB传给前置单元，前置单元使用此导通角发出晶闸管触发信号。要实现此功能，前置单元必须具有3路电压过零监测器和晶闸管触发电路，如图2所示。
　　硬件设计
　　单元硬件电路的核心部分采用51EDA和勤研公司联合研制的44B0X开发板。 该开发板使用SAMSUMG S3C44B0X处理器，并集成了其它外部设备，主要包括2 MB16 位数据宽度的线性Flash（ SST39VF160） ， 10M TCP / IP 接口（RTL8019 ） ， USBDevice接口（ Philip s PD IUSBD12） ，LCD接口， 7路ADC输入，两路标准RS232接口等等。此外，根据课题需要在设计中还自行扩展了过零检测电路，采样保持电路和可控硅触发电路。
　　
　　微处理器SAMSUNG S3C44B0X介绍
　　一款基于ARM7TDM I内核的32位的高性能R ISC处理器。 支持16位Thumb和32位ARM双指令集，尤其是在使用16位Thumb指令集时仍然享受ARM处理器的32位的特性，如32位长的寄存器， 32位的寻址空间等，并且得到更高密度代码。 此外还集成很多外设，包括8通道ADC，外部存储器控制器， LCD控制器， 4通道DMA， 71个通用IO口，具有日历功能的RTC时钟， 5个PWM定时器，一个内部定时器和一个看门狗定时器，片内锁相环（ PLL）时钟发生器（最高时钟频率66 MHz） ， 2 通道异步串口，带有16 字节F IFO， IIC、IIS总线控制器等等。
　　USB接口器件PD IUSBD12介绍
　　Philip s公司推出的一款应用广泛的USB 接口器件，符合USB1.1规范，集成SIE， F IFO存储器，收发器以及电压调整器，可与任何外部微控制器或微处理器实现高速并行接口（2 MB / s） ，完全DMA操作，主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输。
　　电压过零检测电路
　　过零检测电路由一个电桥，光电隔离及其它器件组成，共3组，两个74HC14反向门用来将电压整形为TTL电平，输入到微处理器S3C44B0X外部中断端，当电力线电压变为零时，光电隔离器中发光二极管截止，此时向中断端输出高电平脉冲引发中断。
　　采样保持电路
　　保持器共6 路，其中3 路测电压， 3 路测电流。采用LF398芯片，它有8个引脚， 1和4脚接电源，范围为（ ±5 ～ ±18） V之间， 3脚为输入端，接电力线经变压后的电压或经电流互感器转化的电压， 2脚接1 kΩ电阻，用于调节漂移电压。7脚接参考电压， 8 脚接控制信号，控制芯片的采样保持状态。在这里通过S3C44B0X的通用I/O 引脚GPF0-5 分别控制6 路采样保持器的8脚。6脚外接保持电容，这里考虑到实时性的要求，因此选择较小的电容值，取C1 = 0.001μF，此时采样时间不超过10μs，同时可以满足8位的采样精度。
　　晶闸管触发电路
　　触发电路共3 组分别接A， B， C三相，如图3 所示，两个74LS04反向门用来增加驱动能力，输入端接44B0X的通用IO 口GPE4-6引脚。脉冲变压器N1 和N2一方面传递触发脉冲，另一方面对强弱电之间起到很好的隔离作用。CPU 发出触发脉冲信号之后，两个反向可控硅的触发端会同时有触发信号，但由于某一时刻加在两个可控硅上的电压只有一个满足导通条件，故只有一个可控硅会导通。
　　
　　软件设计
　　前置单元的软件要完成和上位机通讯、AD 采样和晶闸管触发3项功能。 其中AD采样速率很高、晶闸管触发实时性很强，所以这两项功能必须采用硬件定时器来保证其实时性，因此设计使用中断服务程序（ Interrup t Service Routine， ISR ） 来完成这两项功能。USB驱动程序由开发板附带，通讯的功能主要通过μC /OS-Ⅱ中的任务来完成（当然， USB 中断处理也是必不可少的）。USB 任务和各ISR 之间的通讯通过μC /OS-Ⅱ的同步机制（信号量、消息队列）和全局变量来完成。 所有软件均是在ARM公司自己的开发环境ADS下实现的，ADS1。2有自己的C， C + +语言编译器及库文件，有GU I界面的调试器AXD和命令行界面的调试器armsd以及GU I界面的编辑器Code WarriorIDE，这为开发人员提供了极大的便利。 调试工具用的是JTAG仿真器， JTAG仿真器通过JTAG边界扫描口与ARM CPU核通信，属于完全非插入式（即不使用片上资源）调试，它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，是目前采用最多的一种调试方式。
　　嵌入式实时操作系统μC /OS-II介绍
　　对于复杂的应用，直接在裸机上开发运行的前后台系统开发、维护和扩展都很困难，嵌入式操作系统应运而生，其最大的特点就是处理多任务，而且在工控领域大多实时性要求较强，而μC /OS-II迎合了这些特点。μC /OS-II支持64个任务，每个任务的优先级必须是不同的，调度算法总是让处于就绪状态的最高优先级任务先执行， 并提供了信号量（ Semaphore） 、邮箱（Mailbox）和消息队列（Message Queue）等多种通讯同步原语。每个任务都处在以下5种状态之一的状态下，这5种状态是休眠态（Dormant） ，就绪态（Ready） 、运行态（Running） 、挂起态（Waiting）和被中断态（ Interrup ted）。μC /OS-II中全部系统调用的执行时间是可确定，其系统调用的执行时间不依赖于应用任务的多少，这也是其实时性的表现。
　　中断服务程序（ ISR）的设计
　　AD采样和晶闸管触发这两项功能由中断服务程序（ ISR）来完成。根据μC /OS-Ⅱ要求， ISR开始时需调用OSIntEnter （ ）函数通知μC /OS-Ⅱ系统进入了ISR，ISR结束时需调用OSIntExit （ ）函数通知μC /OS-Ⅱ进行进程调度。
　　AD采样模块有3 个ISR，分别是： 定时器4 ISR（产生周期性的采样保持信号） ，定时器5 ISR （产生16μs的延迟，以符合S3C44B0X的多路选择器对切换时间的要求） ，AD ISR （读取AD采样结果，并进行相应的操作）。系统必须在两次Timer4中断之间完成6次AD采样工作。晶闸管触发模块有3组、每组2个ISR。每组的2个ISR分别为一个过零检测ISR和一个定时器ISR，共同控制一相的晶闸管触发。
　　μC /OS-II任务设计
　　前置单元通过PD IUSBD12 的Endpoint1 （ PacketSize = 16 B ）接受上位机的命令，返回命令的执行状态，通过PD IUSBD12的Endpoint2 （ Packet Size = 64 B）返回AD 采样的结果。 这通过两个函数TaskU***Ep1RxDone和TaskU***Ep2SendData 可以实现， 同时通过TaskU***SetupPacket函数来处理主机发来的请求。我们设置PD IUSBD12 的Endpoint1 （ Generic Endpoint） 工作在Interrup t 模式， Endpoint2 （Main Endpoint）工作在Bulk模式，则：
　　1） TaskU***Ep1RxDone
　　TaskU***Ep1RxDone为前置机接受上位机采样或置触发角的任务，其工作流程下所示。
　　先用OSSemPend （ ）等待上位机发送命令，若上位机发来的COMM_START_AD命令，则：
　　若TOTAL _ SAMPLE _ TIMES！ = 0， 则通过Endpoint1返回错误信息给上位机，否则置AD_BUFF_P =0， TOTAL _ SAMPLE _ TIMES =所需采样的周期数×100，开启Timer4 （采样保持定时器） ，通过Endpoint1返回成功信息给上位机。
　　
　　若上位机发来的是COMM _SET_ANGLE命令则设置相应的X_ANGLE变量，能过Endpoint1返回成功信息给上位机。
　　2） TaskU***Ep2SendData
　　TaskU***Ep2SendData任务的工作次序为先等待AD ISR发送要求传送数据的消息，消息发出后，在等待上次USB传送结束，再通过Endpoint2发送缓冲区中的数据。
　　3） TaskU***SetupPacket
　　TaskU***SetupPacket任务工作次序为先等待SetupPacket事件，事件发生后再调用U***ControlHandler（ ）函数处理主机的请求。
　　软件整体结构
　　整体软件结构框图如图4所示（图中矩形框代表中断服务程序ISR，椭圆代表μC /OS-Ⅱ任务虚线框代表μC /OS-Ⅱ信号量或消息队列）。
　　结论
　　实验结果表明，实际系统数据采集速度与设计时预期的结果基本一致，印证了现阶段结合数据采集、AD转换、数据传输及其它功能模块如过零检测、触发可控硅等诸多任务于一体的复杂系统，必须有功能强大的硬件资源平台做支撑;在多任务、实时性较强的场合，嵌入式实时操作系统是必不可少的;在数据传输方面，USB在速度方面的优势比传统的RS232更能满足TCSC实时控制的要求。