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毕业设计 智能时间控制器设计 学 生 姓 名： 指 导 教 师 ： 合 作 指 导 教 师： 专 业 名 称 ： 电气自动化技术 所 在 院 系 ： 职业技术学院 2013年 6月 2 目 录 摘 要 i 第一章 前 言 1 第二章 输电线路运行与维护 2 第三章 故障分析与处理 3 第四章 变电站系统存在的问题 .5 4.1电源设计 5 4.2信号采集与处理单元 5 4.3微处理器单元 5 4.4键盘显示单元 6 4.5软件的设计 6 第五章 软硬件的抗干扰措施 19 5.1硬件的抗干扰 .19 5.2软件的抗干扰 .19 结语 .20 致 谢 21 参考文献 .22 i 摘 要 为满足供配电系统的要求研制一种在前人工作基础上改进的新型智能控制器，文中阐述了 它的软件和硬件设计，并简单介绍了软件及硬件的抗干扰措施。该控制器体积小、性能优，具 备完善的保护功能。 关键词: 智能控制器， 软件， 硬件， 抗干扰 i abstract in order to meet the requirements of power supply and distribution system to develop a kind of improvement on the basis of previous work, the new intelligent controller, this paper describes the software and hardware design of it, and introduces the software and hardware anti-jamming measures. the controller has the advantages of small volume, excellent performance, have perfect protection function. keywords: intelligent controller; software; hardware; anti-interference 1 第一章 前 言 控制器是供配电系统中的重要设备，是用于电力系统中接通、分断线路及对各种故障进行 保护控制的一种开关电器。随着用电系统规模和等级不断扩大，系统的网络结构和运行方式日 趋复杂，传统的控制器已越来越难以满足系统的可靠性、准确性和实时性的要求。智能型控制 器是以微处理机为核心的控制器，其主要特点是在传统的控制器基础上充分应用了微电子技术、 计算机控制技术及网络通信等新技术，具有较高的性能和可靠性。智能型断路器不仅具有传统 的过载、短路、瞬时脱扣等故障的保护功能，同时具有显示、存储、记忆、判断、选择和通讯 等功能。采用网络通信技术，使多台智能型断路器组成智能供配电系统，具有遥测、遥控、遥 讯和遥调功能。本文介绍一种笔者在前人工作的基础上改进的功能比较完善的智能控制器。 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 2 第二章 输电线路运行与维护 与传统的控制器相比，智能控制器能够实现多种测试、计量和显示。能测量和计算多种模 拟量和数字量，包括电压、电流、功率、频率、不平衡率等电力参数以及断路器的分合状态， 并且能够实时显示电路运行参数。新型智能控制器不仅具有一般的长延时、短延时、瞬时的三 段保护功能，还具有不平衡保护、接地保护、漏电保护和负载监控、温度检测、预报警等功能， 而且可做到一种保护功能多种动作特性，具有数字量脱扣和模拟量脱扣两种脱扣方式，提高了 系统的可靠性。由于采用了高速嵌入式微处理器，采用 fft的方法计算电流有效值，根据此值 发出动作指令，提高了动作的准确性，把动作范围缩小到 1.051.20倍的整定电流。新型智能 控制器能将故障信息储存，如故障类型、故障电流值、动作时间和故障时间等，有助于工作人 员做出正确的分析和判断，减少线路维修时间；能够对构成智能控制器的电子元件的工作状态 进行自诊断，如触头磨损率、ct 断线等，当出现自诊断故障时发出报警信号，并使断路器分断。 此外，微处理器能进行脱扣与非脱扣两种方式的试验，以及模拟信号进行长延时、短延时和瞬 时整定值的试验；新型控制器还能够模拟热积累，具有热记忆功能。如果供电线路中的故障是 间歇性的，则故障电流会反复断续出现。若故障电流持续时间在达到整定的动作时间之前其值 又恢复到电流整定值以下，智能控制器可把故障电流超过整定值的时间迭加起来，一旦累计时 间达到整定时间，控制器动作，切断故障电流；在线路故障电流超过负载监控整定值而未达到 过载电流整定值时，智能控制器能发出报警和控制信号，利用控制信号进行负载调度；上位机 每隔几秒轮流查询各测控单元即控制器，发操作命令指挥控制器完成某个任务，包括上送计量 信息或故障数据，校验系统时间和参数整定，上报系统的工作状况及控制断路器分合闸。 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 3 第三章 故障分析与处理 智能控制器主要由电源、信号采集、cpu、显示和键盘、执行机构等几个部分组成，产品综 述:模块是一智能型电参数采集模块,可测量三相电流、电压的真有效值,有功功率、无功功率、 功率因数、频率、电能等参数，其输出为 rs-485数字信号:有三相电压、电流、有 功功率、无 功功率、功率因数、频率、电能等参数。可代替电压、电流、功率、功率因数、 频率等变送器 及测量这些变送器的输入模块。主要技术参数.输入范围- 交流 45-65hz电压量程相电压: 60v、100v、200v、250v、400v、500v (或按用户要求制作 ) 电流量程:1a、5a、10a (或按用户 要求制作)数据输出- 三相电压 ua,ub,uc,三相电流 ia、ib、ic 的真有效值，频率 f，有功功 率 p，无功功率 q，功率因数 pf，每相有功功率 pa,pb,pc,有功电度输出接口- rs-485： 二线制、通讯距离：1200 米、15kv esd 保护 通讯协议- modbus-rtu 波特率- 1200、2400、4800、9600、19.2k bps 精度等级- 电压,电流 0.2 级 有功功率,无功功率,功率因数 0.5 级 有功电度 0.5 级 频率 0.2 隔离耐压- 1000vdc 供电电源- +830vdc,功耗0.5w 工作温度- -2075 存贮条件- -20+80（rh:5%95%不结露） 仪表规格- 外形尺寸: 71mm * 113mm * 59mm 主动振动控制系统模型如图所示。隔振对象通过弹性体与基础相连接，基础振动（振幅 为）通过弹性体（刚度为）传递到隔振对象上，引起隔振对象振动。传感器置于二者之间 检测相对位移并输入到控制器，控制器输出的控制量经过功率驱动后输出到电磁作动器控制隔 振对象的振动，同时控制器根据隔振对象的加速度反馈实时调节控制参数。 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 4 系统数学模型描述： 空芯互感器检测供电线路中的电流，并将其转换为数字电路和单片机可处理的电平信号。 信号经隔离滤波、放大等处理后进入采样保持电路，微处理器内的 a/d转换单元将模拟信号转 换为数字信号，供 cpu进行逻辑运算与处理，各种故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘 设定并存于串行 eeprom中，cpu 将检测到的电流信号与整定值比较，在极短的时间内完成各种 外部电路故障的检测与判断。动作时记录时间并发控制信号及报警信号，显示故障电流和故障 类型；否则控制器刷新显示，并进行自诊断和温度检测。 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 5 第四章 变电站系统存在的问题 4.1 电源设计 智能化电气开关电路可以有三种供电方式：专用电源供电、蓄电池供电和电流互感器供电， 后者也称为自供电。这三种供电方式可以单独使用，也可以配合使用，形成冗余供电系统。本 控制器由电压变换器提供全机 24v、+5v 和5v 工作电源。电压变换器的输入由两部分组成：一 是速饱和电流互感器，在预先设定的电流范围内，供给控制器稳定的工作电压；二是辅助工作 电源，在线路电流不足以提供控制器工作电压时给控制器供电。在断路器故障分断后，亦可实 现各种故障状态指示、报警触点输出等辅助功能，从而保证控制器正常工作。电压变换器自动 切换上述两种电源，自动释放速饱和电压互感器提供的多余能量2 。 4.2 信号采集与处理单元 线路电流传感器采用空芯互感器，保证在整个电流范围内采样信号的线性度。空芯互感器、 速饱和铁芯互感器是互相独立的部件，同时套装在断路器主回路的母排上。考虑到一次回路电 流高达 50ka/75ka，进入 a/d转换器的电流信号范围较大，为了提高精度和采样分辨率，把电流 信号分为小信号和大信号两组，对于小信号利用硬件电路进行放大处理，而大信号直接输入。 接地电流信号一般较小，需经放大处理，其取样方式有两种。 一种方式为测量中线电流。直接取三相电流信障情况下，矢量和不等于零，取出此电流信 号作为中线保护电流信号。这种方式不能区分系统不平衡电流和接地故障电流。 另一种方式为测量接地电流。接地信号取于中关，此电流可作为接地电流的保护信号。 a、b、c 三相电流大信号、电流小信号、电压信号和接地漏电信号共 10路输入经过滤波、隔离、 放大等处理后送嵌入式系统的 a/d转换器的输入端，输入端被配置为单端输入方式，温度采样 的输入由嵌入式系统内部的温度传感器完成，嵌入式系统控制电子开关选通所需的各路信号进 行轮流采样。10 路信号采样处理周期为 0.625ms。瞬动短路故障采用峰值采样，考虑抗尖峰干 扰，信号处理时间为双周期 1.25ms，短路故障电流较大时瞬动处理较快。 4.3 微处理器单元 控制器微处理器采用嵌入式微处理器 c8051系列，该系统是真正能独立工作的集成的混合 信号片上系统（soc） ，它具有与 mcs51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准 8051 的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及 功能部件，减少了系统的外围元件，有利于提高系统的抗干扰能力。内部的数字资源通过优先 权交叉开关译码器分配 i/o口，可完全由用户支配。系统具有几种串行总线接口，通过交叉开 关可配置到端口，可方便地与上位机及编程器通讯。嵌入式系统采用流水线结构，处理能力大 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 6 大提高，峰值性能可达 25mips。每个系统都能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭暂时不工 作的外设以降低功耗。flash 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并 允许现场更新固件，这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新 程序代码。片内 jtag调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品 mcu进行非侵入式 （不占用片内资源） 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断 点、单步、运行和停机命令。在使用 jtag调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。嵌 入式系统内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如有需要，时钟 源可以在运行时切换到外部振荡器。扩展的中断系统向嵌入式系统提供 22个中断源，允许大量 的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的系统干预，却有更高的执行 效率。在智能控制器多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 4.4 键盘显示单元 显示曾采用液晶显示方案，但是由于液晶显示在高温和振动情况下容易损坏，特别是在部 分现场环境较暗时，控制器是否正常运行不便监察，因此，采用 led显示。系统通过一个高效 的键盘显示管理芯片 bc7281，利用 3个信号线便完成了主要的面板显示和按键操作。采用数码 管和 led发光二极管循环显示电路运行参数及故障状态下的故障电流和指示故障类型。在正常 运行状态下，用户使用控制器面板上的键盘或者上位机和编程器的通讯可进行定位显示、电流 整定值调整、延时脱扣时间调整、试验、存储、复位等各项操作。由于其中两个按键要求有连 续按键功能，因此单独接到系统的普通 i/o口上。 为了满足系统的实时性需要，需由一时钟电路给系统提供时钟信号。系统时钟信号由串行 时钟芯片 ds1302产生，采用串行通讯方式, 只需三条线即可与单片机通讯；虽没有采用光电隔 离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果明显；同时体积小，连线少，外围 只有 32.768khz晶振，使用灵活。 4.5 软件的设计 软件主要由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序主要完成键盘输入（采用查询方式） 、 数据处理及显示刷新、故障检测及处理和故障脱扣等功能；中断服务程序主要完成电压、电流 的采样、频率、功率因数的计量以及瞬时故障检测和连续按键等功能。主程序开始上电初始化， 配置 i/o端口，系统自检，然后进行 fft对电压、电流的采样数据处理，求取各项电路参数， 并判断是否有故障需要进行延时脱扣。若有故障，则需跳转到各项故障处理子程序，此期间以 查询方式处理键盘程序，定时刷新显示。中断服务程序主要包括各个定时器中断和两个外部中 断 int1、int2。int1 是电压方波中断，int2 是电流方波中断，两个外部中断通过定时器 0经过 处理得到电路的频率和功率因数。定时器 1中断作为延时时间计数和刷新显示计数及其它的计 数。为了防止中断及显示冲突，刷新显示及延时程序放在主程序里完成。定时器 2中断作为和 上位机及编程器的串行通讯。定时器 3中断中进行电压、电流采样和瞬时脱扣处理，基于同样 的原因，采样的数据处理应该放在主程序里完成。tms320c54xx 是 ti公司针对音频信号处理领 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 7 域推出的一种定点 dsp系列芯片，已经在很多语音信号处理系统中得到了广泛的应用。在这些 系统中，通常包含 dsp和单片机两个子系统。dsp 系统作为从设备，完成采样、计算等功能；单 片机系统作为主设备，完成交互界面的控制。主从设备之间也要以一定的方式接口，来进行数 据通信。下面就介绍 dsp和单片机之间的接口技术。 这里单片机选择的是 mcs-51系列。51 系列是一种很经典的单片机，20 多年来一直久盛不 衰。而且 intel通过授权 51内核，出现很多第三方生产的 51系列产品。这些产品一般都具有 较高的时钟频率和较大的存储空间，而且还能运动嵌入式操作系统。这些都极大地提高了它的 性能，扩大了它的应用范围。dsp 芯片中的 hpi（主机接口）是为了满足 dsp与其它的微处理器 接口而专门设计的。它分为 hpi-8和 hpi-16，分别针对具有 8位和 16位数据线的单片机。每一 种又分为标准型和增强型。两值得的区别在于标准型只可以访问固定的地址空间，而增强型可 以访问整个 dsp的片内存储器。这里以增强型的 hpi8为例为说明。 hpi8总共有 18根信号线。其中数据线 8根（hd0hd7）,其余 10根都是控制线，如表 1所列。 表 1 hpi 接口信号及功能 has 锁存信号，用来锁存 hbil、hcntl0/1，hr/w hbil 字节控制信号，0 表示传输第 1个字节，1 表示传输第 2个字节 hcntl0/1 与 hcntl1配合选择 hpi寄存器 hd0hd7 数据线 hcs 片选信号 hds1 传输时序控制信号 hds2 传输时序控制信号 hint 主机中断信号 hrdy 准备就绪信号 hr/w 读或写控制信号 has：在数据线和地址复用的 mcu中，与 ale信号连接，在下降沿锁存 hbil、hcntl0/1、hr/w，因数这些信号通常与地址线连接。如果 mcu的数据线和地址线没有复 用，则应该接高电平。hds1、hds2：数据传输的时序控制。时序见图 1，即下降沿传输开始， 上升沿传输结束。另外如果不使用 has（即接高电平） ，也可以配合 hcs对 hbil、hcntl0/1、hr/w 进行锁存。hcntl0/：选择 hpi内部寄存器，如表 2所列。 表 2 hpi 内部寄存器的选择方式 hcntl1 hcntl0 0 0 控制寄存器 hpc 0 1 数据寄存器 hpid，并且使地址寄存器 hpia为自动增加模式 1 0 地址寄存器 hpia 1 1 hpid，并且 hpia不自动增加 主动振动控制具有隔振率高、适应性强、可抗强冲击振动等优点，可使关键设备在恶劣冲 击振动环境下可靠工作。但是，主动振动控制系统对相位要求较为严格，要求系统具有极强的 实时性，否则由于相位滞后，控制效果将会受到严重影响。因而在数字式主动振动控制系统中， 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 8 通常在单片机难以达到实时性要求，本文采用高速 dsp器件解决控制的实时性问题。 tms320lf2407是 ti公司专为实时控制而设计的高性能 16位定点 dsp器件，指令周期为 33ns， 其内部集成了前端采样 a/d转换器和后端 pwm输出硬件，在满足系统实时性要求的同时可简化 硬件电路设计。本文在总结模拟主动控制系统设计制作经验的基础上，设计了以 tms320f2407 为核心的数字式主动振动控制系统。 控制策略及控制器 控制策略 根据系统各部分数学模型可计算出控制电压输出，如式（）所示。 式中，为相对位移，s 和 s分别为相对位移的一次微分和二次微分。在实际应用中， 上述控制参数并不能准确得出，而且有些参数如弹性体刚度、磁场强度等并不是恒定值。在控 制过程中，先以估算值作为初始值，再以一定控制算法（自整定 pid） ，根据加速度反馈，对控 制参数进行实时校正。 控制系统的硬件结构 位移传感器（psd）输出信号经由信号处理电路、加速度传感器输出信号经由电荷放大器后， 再分别通过 tms320f2407中的 a/d转换器输入到 dsp核心中。dsp 核心根据加速度反馈修正控制 参数，由位移输入计算出控制量，进行 pm调制后送到 pwm功率驱动。 f2407中集成了 32k字的 flash ，eeprom 和 1.5k字的 ram，由于控制算法的需要，本系统 需扩充外部 ram。tms320f2407 片内的 flash可用作程序存储器，但在开发阶段使用 flash作为 程序存储器极为不便，因为每一次程序的修改都需要对 flash进行清除、擦除和编程操作，而 且进行 ccs调试时只能设置硬件断点，故从调试的角度考虑，应扩充程序 ram。为了不增加系统 复杂度，从扩充的数据 ram中分出一块作为调试时的程序 ram。如图 3所示，cy7c1021 为 64k16的 sram。 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 9 在调试时，用跳线短接 ps和与门输入脚，在存储映像文件中将 cy7c1021前 32k字设为数 据 ram，后 32k字设为程序 ram，可将程序实时下载到程序 ram中进行调试，避免了对 flash的 繁琐操作。当开发完成时将 vcc和与门短接，同时修改映像文件，将 64k ram全部用作数据存 储器，而将程序写入内部 flash中，系统即可脱离开发环境独立运行。 微控制器，除了具有标准 8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中 常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件，减少了系统的外围元件，有利于提高系统的抗干 扰能力。内部的数字资源通过优先权交叉开关译码器分配 i/o口，可完全由用户支配。系统具 有几种串行总线接口，通过交叉开关可配置到端口，可方便地与上位机及编程器通讯。嵌入式 系统采用流水线结构，处理能力大大提高，峰值性能可达 25mips。每个系统都能有效地管理模 拟和数字外设，可以关闭暂时不工作的外设以降低功耗。flash 存储器还具有在系统重新编程能 力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新固件，这一特性允许将程序存储器用于非易失 性数据存储以及在软件控制下更新程序代码。片内 jtag调试支持功能允许使用安装在最终应用 系统上的产品 mcu进行线路电流传感器采用空芯互感器，保证在整个电流范围内采样信号的线 性度。空芯互感器、速饱和铁芯互感器是互相独立的部件，同时套装在断路器主回路的母排上。 考虑到一次回路电流高达 50ka/75ka，进入 a/d转换器的电流信号范围较大，为了提高精度和采 样分辨率，把电流信号分为小信号和大信号两组，对于小信号利用硬件电路进行放大处理，而 大信号直接输入。接地电流信号一般较小，需经放大处理，其取论文新型智能控制器的研究与 开发来自 一种方式为测量中线电流。直接取三相电流信障情况下，矢量和不等于零，取出此电 流信号作为中线保护电流信号。这种方式不能区分系统不平衡电流和接地故障电流。另一种方 式为测量接地电流。接地信号取于中关，此电流可作为接地电流的保护信号。a、b、c 三相电流 大信号、电流小信号、电压信号和接地漏电信号共 10路输入经过滤波、隔离、放大等处理后送 嵌入式系统的 a/d转换器的输入端，输入端被配置为单端输入方式，温度采样的输入由嵌入式 系统内部的温度传感器完成，嵌入式系统控制电子开关选通所需的各路信号进行轮流采样。10 路信号采样处理周期为 0.625ms。瞬动短路故障采用峰值采样，考虑抗尖峰干扰，信号处理时间 为双周期 1.25ms，短路故障电流较大时瞬动处理较快。 控制器微处理器采用嵌入式微处理器 c8051系列，该系统是真正能独立工作的集成的混合 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 10 信号片上系统（soc） ，它具有与 mcs51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准 8051 的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及 功能部件，减少了系统的外围元件，有利于提高系统的抗干扰能力。内部的数字资源通过优先 权交叉开关译码器分配 i/o口，可完全由用户支配。系统具有几种串行总线接口，通过交叉开 关可配置到端口，可方便地与上位机及编程器通讯。嵌入式系统采用流水线结构，处理能力大 大提高，峰值性能可达 25mips。每个系统都能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭暂时不工 作的外设以降低功耗。flash 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并 允许现场更新固件，这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新 程序代码。片内 jtag调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品 mcu进行非侵入式 （不占用片内资源） 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断 点、单步、运行和停机命令。在使用 jtag调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 嵌入式系统内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如有需要， 时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。扩展的中断系统向嵌入式系统提供 22个中断源，允许 大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的系统干预，却有更高的 执行效率。在智能控制器多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 显示曾采用液晶显示方案，但是由于液晶显示在高温和振动情况下容易损坏，特别是在部 分现场环境较暗时，控制器是否正常运行不便监察，因此，采用 led显示。系统通过一个高效 的键盘显示管理芯片 bc7281，利用 3个信号线便完成了主要的面板显示和按键操作。采用数码 管和 led发光二极管循环显示电路运行参数及故障状态下的故障电流和指示故障类型。在正常 运行状态下，用户使用控制器面板上的键盘或者上位机和编程器的通讯可进行定位显示、电流 整定值调整、延时脱扣时间调整、试验、存储、复位等各项操作。由于其中两个按键要求有连 续按键功能，因此单独接到系统的普通 i/o口上。 为了满足系统的实时性需要，需由一时钟电路给系统提供时钟信号。系统时钟信号由串行 时钟芯片 ds1302产生，采用串行通讯方式, 只需三条线即可与单片机通讯；虽没有采用光电隔 离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果明显；同时体积小，连线少，外围 只有 32.768khz晶振，使用灵活。 软件主要由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序主要完成键盘输入（采用查询方式） 、 数据处理及显示刷新、故障检测及处理和故障脱扣等功能；中断服务程序主要完成电压、电流 的采样、频率、功率因数的计量以及瞬时故障检测和连续按键等功能。主程序开始上电初始化， 配置 i/o端口，系统自检，然后进行 fft对电压、电流的采样数据处理，求取各项电路参数， 并判断是否有故障需要进行延时脱扣。若有故障，则需跳转到各项故障处理子程序，此期间以 查询方式处理键盘程序，定时刷新显示。中断服务程序主要包括各个定时器中断和两个外部中 断 int1、int2。int1 是电压方波中断，int2 是电流方波中断，两个外部中断通过定时器 0经过 处理得到电路的频率和功率因数。定时器 1中断作为延时时间计数和刷新显示计数及其它的计 数。为了防止中断及显示冲突，刷新显示及延时程序放在主程序里完成。定时器 2中断作为和 上位机及编程器的串行通讯。定时器 3中断中进行电压、电流采样和瞬时脱扣处理，基于同样 的原因，采样的数据处理应该放在主程序里完成。tms320c54xx 是 ti公司针对音频信号处理领 域推出的一种定点 dsp系列芯片，已经在很多语音信号处理系统中得到了广泛的应用。在这些 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 11 系统中，通常包含 dsp和单片机两个子系统。dsp 系统作为从设备，完成采样、计算等功能；单 片机系统作为主设备，完成交互界面的控制。主从设备之间也要以一定的方式接口，来进行数 据通信。下面就介绍 dsp和单片机之间的接口技术。 这里单片机选择的是 mcs-51系列。51 系列是一种很经典的单片机，20 多年来一直久盛不 衰。而且 intel通过授权 51内核，出现很多第三方生产的 51系列产品。这些产品一般都具有 较高的时钟频率和较大的存储空间，而且还能运动嵌入非侵入式（不占用片内资源） 、全速、在 系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。 在使用 jtag调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 嵌入式系统内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如有需要， 时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。扩展的中断系统向嵌入式系统提供 22个中断源，允许 大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的系统干预，却有更高的 执行效率。在智能控制器多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 显示曾采用液晶显示方案，但是由于液晶显示在高温和振动情况下容易损坏，特别是在部 分现场环境较暗时，控制器是否正常运行不便监察，因此，采用 led显示。系统通过一个高效 的键盘显示管理芯片 bc7281，利用 3个信号线便完成了主要的面板显示和按键操作。采用数码 管和 led发光二极管循环显示电路运行参数及故障状态下的故障电流和指示故障类型。在正常 运行状态下，用户使用控制器面板上的键盘或者上位机和编程器的通讯可进行定位显示、电流 整定值调整、延时脱扣时间调整、试验、存储、复位等各项操作。由于其中两个按键要求有连 续按键功能，因此单独接到系统的普通 i/o口上。 为了满足系统的实时性需电初始化，配置 i/o端口，系统自检，然后进行 fft对电压、电 流的采样数据处理，求取各项电路参数，并判断是否有故障需要进行延时脱扣。若有故障，则 需跳转到各项故障处理子程序，此期间以查询方式处理键盘程序，定时刷新显示。中断服务程 序主要包括各个定时器中断和两个外部中断 int1、int2。int1 是电压方波中断，int2 是电流方 波中断，两个外部中断通过定时器 0经过处理得到电路的频率和功率因数。定时器 1中断作为 延时时间计数和刷新显示计数及其它的计数。为了防止中断及显示冲突，刷新显示及延时程序 放在主程序里完成。定时器 2中断作为和上位机及编程器的串行通讯。定时器 3中断中进行电 压、电流采样和瞬时脱扣处理，基于同样的原因，采样的数据处理应该放在主程序里完成。 tms320c54xx是 ti公司针对音频信号处理领域推出的一种定点 dsp系列芯片，已经在很多语音 信号处理系统中得到了广泛的应用。在这些系统中，通常包含 dsp和单片机两个子系统。dsp 系 统作为从设备，完成采样、计算等功能；单片机系统作为主设备，完成交互界面的控制。主从 设备之间也要以一定的方式接口，来进行数据通信。下面就介绍 dsp和单片机之间的接口技术。 这里单片机选择的是 mcs-51系列。51 系列是一种很经典的单片机，20 多年来一直久盛不 衰。而且 intel通过授权 51内核，出现很多第三方生产的 51系列产品。这些产品一般都具有 较高的时钟频率和较大的存储空间，而且还能运动嵌入式操作系统。这些都极大地提高了它的 性能，扩大了它的应用范围。dsp 芯片中的 hpi（主机接口）是为了满足 dsp与其它的微处理器 接口而专门设计的。它分为 hpi-8和 hpi-16，分别针对具有 8位和 16位数据线的单片机。每一 种又分为标准型和增强型。两值得的区别在于标准型只可以访问固定的地址空间，而增强型可 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 12 以访问整个 dsp的片内存储器。这里以增强型的 hpi8为例为说明。 hpi8总共有 18根信号线。其中数据线 8根（hd0hd7）,其余 10根都是控制线，要，需由 一时钟电路给系统提供时钟信号。系统时钟信号由串行时钟芯片 ds1302产生，采用串行通讯方 式, 只需三条线即可与单片机通讯；虽没有采用光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写 保护位，抗干扰效果明显；同时体积小，连线少，外围只有 32.768khz晶振，使用灵活。 软件主要由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序主要完成键盘输入（采用查询方式） 、 数据处理及显示刷新、故障检测及处理和故障脱扣等功能；中断服务程序主要完成电压、电流 的采样、频率、功率因数的计量以及瞬时故障检测和连续按键等功能。主程序开始上电初始化， 配置 i/o端口，系统自检，然后进行 fft对电压、电流的采样数据处理，求取各项电路参数， 并判断是否有故障需要进行延时脱扣。若有故障，则需跳转到各项故障处理子程序，此期间以 查询方式处理键盘程序，定时刷新显示。中断服务程序主要包括各个定时器中断和两个外部中 断 int1、int2。int1 是电压方波中断，int2 是电流方波中断，两个外部中断通过定时器 0经过 处理嵌入式系统内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如有需要， 时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。扩展的中断系统向嵌入式系统提供 22个中断源，允许 大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的系统干预，却有更高的 执行效率。在智能控制器多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 显示曾采用液晶显示方案，但是由于液晶显示在高温和振动情况下容易损坏，特别是在部 分现场环境较暗时，控制器是否正常运行不便监察，因此，采用 led显示。系统通过一个高效 的键盘显示管理芯片 bc7281，利用 3个信号线便完成了主要的面板显示和按键操作。采用数码 管和 led发光二极管循环显示电路运行参数及故障状态下的故障电流和指示故障类型。在正常 运行状态下，用户使用控制器面板上的键盘或者上位机和编程器的通讯可进行定位显示、电流 整定值调整、延时脱扣时间调整、试验、存储、复位等各项操作。由于其中两个按键要求有连 续按键功能，因此单独接到系统的普通 i/o口上。 为了满足系统的实时性需要，需由一时钟电路给系统提供时钟信号。系统时钟信号由串行 时钟芯片 ds1302产生，采用串行通讯方式, 只需三条线即可与单片机通讯；虽没有采用光电隔 离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果明显；同时体积小，连线少，外围 只有 32.768khz晶振，使用灵活。 软件主要由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序主要完成键盘输入（采用查询方式） 、 数据处理及显示刷新、故障检测及处理和故障脱扣等功能；中断服务程序主要完成电压、电流 的采样、频率、功率因数的计量以及瞬时故障检测和连续按键等功能。主程序开始上电初始化， 配置 i/o端口，式中，为相对位移，s 和 s分别为相对位移的一次微分和二次微分。在 实际应用中，上述控制参数并不能准确得出，而且有些参数如弹性体刚度、磁场强度等并不是 恒定值。在控制过程中，先以估算值作为初始值，再以一定控制算法（自整定 pid） ，根据加速 度反馈，对控制参数进行实时校 位移传感器（psd）输出信号经由信号处理电路、加速度传感器输出信号经由电荷放大器后， 再分别通过 tms320f2407中的 a/d转换器输入到 dsp核心中。dsp 核心根据加速度反馈修正控制 参数，由位移输入计算出控制量，进行 pwm调制后送到 pwm功率驱动部分，由功率驱动部分驱 动电磁作动器进行振制。 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 13 系统自检，然后进行 fft对电压、电流的采样得到电路的频率和功率因数。定时器 1中断作为 延时时间计数和刷新显示计数及其它的计数。为了防止中断及显示冲突，刷新显示及延时程序 放在主程序里完成。定时器 2中断作为和上位机及编程器的串行通讯。定时器 3中断中进行电 压、电流采样和瞬时脱扣处理，基于同样的原因，采样的数据处理应该放在主程序里完成。 tms320c54xx是 ti公司针对音频信号处理领域推出的一种定点 dsp系列芯片，已经在很多语音 信号处理系统中得到了广泛的应用。在这些系统中，通常包含 dsp和单片机两个子系统。dsp 系 统作为从设备，完成采样、计算等功能；单片机系统作为主设备，完成交互界面的控制。主从 设备之间也要以一定的方式接口，来进行数据通信。下面就介绍 dsp和单片机之间的接口技术。 这里单片机选择的是 mcs-51系列。51 系列是一种很经典的单片机，20 多年来一直久盛不 衰。而且 intel通过授权 51内核，出现很多第三方生产的 51系列产品。这些产品一般都具有 较高的时钟频率和较大的存储空间，而且还能运动嵌入式操作系统。这些都极大地提高式中， 为相对位移，s 和 s分别为相对位移的一次微分和二次微分。在实际应用中，上述控制 参数并不能准确得出，而且有些参数如弹性体刚度、磁场强度等并不是恒定值。在控制过程中， 先以估算值作为初始值，再以一定控制算法（自整定 pid） ，根据加速度反馈，对控制参数进行 实时校正。 位移传感器（psd）输出信号经由信号处理电路、加速度传感器输出信号经由电荷放大器后， 再分别通过 tms320f2407中的 a/d转换器输入到 dsp核心中。dsp 核心根据加速度反馈修正控制 参数，由位移输入计算出控制量，进行 pwm调制后送到 pwm功率驱动部分，由功率驱动部分驱 动电磁作动器进行振了它的性能，扩大了它的应用范围。dsp 芯片中的 hpi（主机接口）是为了 满足 dsp与其它的微处理器接口而专门设计的。它分为 hpi-8和 hpi-16，分别针对具有 8位和 16位数据线的单片机。每一种又分为标准型和增强型。两值得的区别在于标准型只可以访问固 定的地址空间 pwm接口程序实现 pwm初始化，控制输出的 pwm调制、载波频率、死区宽度等参 数的功能。a/d 转换接口程序包括 a/d转换初始化、转换的通道选择、定时启动和数据读取等部 分。 根据课题的要求，在调试时，用跳线短接 ps和与门输入脚，在存储映像文件中将 cy7c1021 前字设为数据 ram，后字设为程序 ram，可将程序实时下载到程序 ram中进行调试， 避免了对 flash的繁琐操作。当开发完成时将 vcc和与门短接，同时修改映像文件，将 64k ram 全部用作数据存储器，而将程序写入内部 flash中，系统即可脱离开发环境独立运行。 传感器处理电路及 a/d变换加速度传感器和位移传感器输出需进行预处理后再进行 a/d变 换。前者输出电荷信号，应用电荷放大器将其转化为电压信号，后者输出微弱的电流信号（数 个微安） ，进行前置放大及相关模拟处理后得到表示位移的模拟电压信号，经过处理的此二路信 号分别送入 dsp片内 a/d转换器的 1,2通道进行模数变换。 核心程序计算出控制量后进行 pwm调制、功率驱动后输出到作动器中。pwm 调制在片内完成， 而功率驱动则需依靠外加的驱动电路来完成。商品化的 pwm驱动器体积庞大、价格昂贵，在此 采用了自制的小功率 pwm驱动器，其电路图如图所示。ir2110 完成初次驱动，将来自 dsp的 ttl电平转化为 12v电平输出，推动由四个功率管 irf对 5hz2khz范围内的信号显示曾采用液 晶显示方案，但是由于液晶显示在高温和振动情况下容易损坏，特别是在部分现场环境较暗时， 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 14 控制器是否正常运行不便监察，因此，采用 led显示。系统通过一个高效的键盘显示管理芯片 bc7281，利用 3个信号线便完成了主要的面板显示和按键操作。采用数码管和 led发光二极管 循环显示电路运行参数及故障状态下的故障电流和指示故障类型。在正常运行状态下，用户使 用控制器面板上的键盘或者上位机和编程器的通讯可进行定位显示、电流整定值调整、延时脱 扣时间调整、试验、存储、复位等各项操作。由于其中两个按键要求有连续按键功能，因此单 独接到系统的普通 i/o口上。为了满足系统的实时性需要，需由一时钟电路给系统提供时钟信 号。系统时钟信号由串行时钟芯片 ds1302产生，采用串行通讯方式, 只需三条线即可与单片机 通讯；虽没有采用光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果明显；同 时体积小，连线少，外围只有 32.768khz晶振，使用灵活。 软件主要由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序主要完成键盘输入（采用查询方式） 、 数据处理及显示刷新、故障检测及处理和故障脱扣等功能；中断服务程序主要完成电压、电流 的采样、频率、功率因数的计量以及瞬时故障检测和连续按键等功能。主程序开始上电初始化， 配置 i/o端口，系统自检，然后进行 fft对电压、电流的采样数据处理，求取各项电路参数， 并判断是否有故障需要进行延时脱扣。若有故障，则需跳转到各项故障处理子程序，此期间以 查询方式处理键盘程序，定时刷新显示。中断服务程序主要包括各个定时器中断和两个外部中 断 int1、int2。int1 是电压方波中断，int2 是电流方波中断，两个外部中断通过定时器 0经过 处理得到电路的频率和功率因数。定时器 1中断作为延时时间计数和刷新显示计数及其它的计 数。为了防止中断及显示冲突，刷新显示及延时程序放在主程序里完成。定时器 2中断作为和 上位机及编程器的串行通讯。定时器 3中断中进行电压、电流采样和瞬时脱扣处理，基于同样 的原因，采样的数据处理应该放在主程序里完成。tms320c54xx 是 ti公司针对音频信号处理领 域推出的一种定点 dsp系列芯片，已经在很多语音信号处理系统中得到了广泛的应用。在这些 系统中，通常包含 dsp和单片机两个子系统。dsp 系统作为从设备，完成采样、计算等功能；单 片机系统作为主设备，完成交互界面的控制。主从设备之间也要以一定的方式接口，来进行数 据通信。下面就介绍 dsp和单片机之间的接口技术。 这里单片机选择的是 mcs-51系列。51 系列是一种很经典的单片机，20 多年来一直久盛不 衰。而且 intel通过授权 51内核，出现很多第三方生产的 51系列产品。这些产品一般都具有 较高的时钟频率和较大的存储空间，而且还能运动嵌入式操作系统。这些都极大地提高了它的 性能，扩大了它的应用范围。dsp 芯片中的 hpi（主机接口）是为了满足 dsp与其它的微处理器 接口而专门设计的。它分为 hpi-8和 hpi-16，分别针对具有 8位和 16位进行控制。按照采样定 理的规定，采样频率应大于 4khz，为精确控制，将系统采样频率扩大到原来的 2.5倍，达到 10khz，即系统 a/d转换、控制算法、pwm 调制均要求在 100以内完成。tms320f2407 内置 a/d转换器 tms320f2407有二级中断服务程序，分别为通用中断服务程序 gisr和特定中断服务 程序 sisr。所有可屏蔽中断分为六级（int1int6） ，如图 6所示。中断产生时，系统通过通用 中断向量表自动跳到该中断所属级别的 gisr中，在 gisr中，读取外设中断向量寄存器 pivr的 值，根据外设中断向量表，使程序跳转到中断对应的 sisr中。所以进行中断处理需要二级中断 向量表（通用中断向量表和外设中断向量表）和二级中断服务程序（gisr 和 sisr） 。其中，通 用中断向量表必须映射到零地址开始的片内 flash程序存储空间中。最小转换周期可达到 500ns（2mhz） ，pwm 亦有较高响应速度，经过测试，a/d 转换器和 pwm完全可以满足要求。dsp 大连海洋大学专科毕业论文(设计 ) 智能时间控制器设计 15 工作在 30mhz时钟下时，速度为 30mips，故控制算法要求不能超过 3000条汇编指令，由于控制 算法的简化和去除了浮点运算，实际程序没有超过 2000条指令。 单片机应用系统的输入信号常含有噪声和干扰，干扰主要有传导型和辐射型两大类：前者 一般表现为干扰电流和电压，后者表现为干扰电场和磁场，最终都形成为波形、幅度异常复杂 的干扰电压，叠加在地线、系统的信号线和微处理机的数据线、地址线、控制线上。 干扰源干扰周围的用电设备，如果干扰严重，将使控制器发生故障，具体表现为系统死机， 电流、时间等值显示不准确，以及非正常脱扣，尤其是发生瞬时脱扣，造成错误的分断