（电力电子与电力传动专业论文）红外遥控智能脱扣器及其基于电力线扩频通信监控系统的研究.pdf

t h er e s e a r c ho fi n f r a r e d c o n t r o li n t e l l i g e n tt r i p p e r a n di t sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n a bs t r a c t in t e l l i g e n tt r i p p e ri sac i r c u i tp r o t e c t o rf o re l e c t r i cm o t o r , t r a n s f o r m er c a b l e l i n e s ，e t c w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h e r ei sah i g h e rd e m a n df o rt r i p p e r s f u n c t i o n b u tt h et r i p p e r su s e dp r e s e n t l yh a v el o t so fd r a w b a c k s f i r s t t h e yl a c k f e a s i b l ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d sf o rr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e m s e c o n d t h e d i s p l a y e di n f o r m a t i o ni si i t t l ea n dt h ei n t e r a c t i v ef u n c t i o no fp e o p l ea n dt r i p p e r si s i n c o n v e n i e n t t h i r d ，t h e ya r en o ts u i t a b l ef o rs o m es p e c i a ic a s e s s u c ha si nt h e e n v i r o n m e n t sf u l io ff l a m m a b l eg a s l a s t t h et r i p p e r s c u r r e n tm e a s u r a b l er a n g e i ss m a l ia n dt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sl o w w h i l et h ep r o d u c tc o s ti sh i g h i n o r d e rt oo v e r c o m et h e s ed r a w b a c k s ，t od e v e l o pn e w t y p eo ft r i p p e r si sn e c e s s a r y u t i l i z a t i o no fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ( p l c c ) t e c h n o l o g y , i n t e r a c t i v e m e n ub a s e do nl c dd i s p l a y , i n f r a r e dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dm c u ，w ed e v e l o p e d an e wt y p eo fi n f r a r e d c o n t r o li n t e l l i g e n tt r i p p e r t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do np l c cd o e sn o tn e e dt op l a c ee x t r ac o m m u n i c a t i o ni i n e sa n dt h ec o s to f s y s t e mj sm e r yl o w i n f r a r e d c o n t r o im o d ea v o i d st h ek e y b o a r dc o n t r 0 1w e a k n e s s a n dl c dd i s p l a yc a ni n c r e a s et h em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o na sw e l ia si m p r o v et h e f l e x i b i l i t y o fp a r a m e t e r sa d j u s t m e n t m o r e o v e r , t h i st h e s i sr e p r e s e n t san e w m e t h o dt oe n l a r g et h ec u r r e n tm e a s u r a b l er a n g e ，j m p r o v et h em e a s u r e m e n t a c c u r a c yw i t ha i rc o r ei n d u c t a n c e 。a u t o m a t i cs w i t c hs i g n a la m p l i f yc i r c u i ta n d o t h e rt e c h n i q u e s t h e r ea r et w om a i np a r t si nt h i st h e s i s i nt h ef i r s tp a r t w ed i s c u s s e dt h e p r i n c i p l eo ft h ei n t e l l i g e n tt r i p p e ra n di t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i nt h e s e c o n dp ar t ，w ep r e s e n t e dt h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fi n t e l l i g e n tt r i p p e r b a s e do np l c c w ei n t r o d u c e dt h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dr e a l i z e dac h i r pc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t hs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n i cp 3 0 0 t h i ss y s t e mh a sah i g hs i g n a ia n dn o i s er a t i oa n di ti sd e p e n d a b l e w e d i s c u s s e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o i nd e t a i la c c o r d i n gt os y s t e m sd a t ai i n kl a y e r , n e t w o r kl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e ra n di t ss o f t w a r er e a l i z a t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tt r i p p e r ，l c d ，i n f r a r e d c o n t r o l ，p l c c ，s p r e a d s p e c t r u m ，s s cp 3 0 0 ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅尊本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文牵。 ，t 保密瓯在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 7 不保密口o ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者龋孙砖双指剥雠葶抛 日期：刎砗f 月剪日 曰移哦许月岁曰 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者躲副、畸叹 日期：溯2 年月万日 上海交通大学硕士学位论文 第一章概述 1 智能脱扣器研究现状 第一章概述 智能断路器用来对电动机、变压器和电缆等设备进行过载、短路、接地故障等保 护。断路器的核心是智能脱扣器，其各种智能控制保护功能均由智能脱扣器实现。 工业的发展对配电系统的要求越来越高，这就要求智能脱扣器不仅要具有传统功能， 而且要具有更高的智能性功能集成，具有三段保护、区域连锁、能量监控和记录、 故障记忆、在线调试等功能，集保护、测量、监控于一体。近年来国内外科研机构 开发了很多以新型的智能脱扣器为核心的断路器，如德国西门子公司开发的3 w n l 型 多功能断路器，法国m g 公司开发的m a s t e r p a c t 系列框架式断路器，日本寺崎电机 推出的x h 系列塑壳断路器，美国通用电器公司推出的带数字化固态脱扣器的 p o w e r b r e a k e r 系列塑壳式断路器，以及国内江苏黄海电控厂也专业生产此类产品。 这些产品都体现了上述智能化倾向，智能化已是低压断路器的一个重要发展方向。 但是上述产品都具有以下几个共同的缺点与不足。 1 )现有的脱扣器大多没有远方通信联网监控功能，即使有的也大多是采用 r s 4 8 5 等需另外架设明线的方式，应用场合有很大的局限性，并且成本较 高，维护不易。 2 )现有的脱扣器都是采用键盘操作方式，容易产生电火花，不适合用于有易 燃、易爆化学危险气体，或者高压线路等一些特殊场合进行操作。在这种 场合下，为了安全，防止按键电弧引起爆炸，需将脱扣器密封起来，而这 样又无法对脱扣器进行操作，所以需要采用非接触性的操作方式。 3 )这些脱扣装置大都采用l e d 和发光二极管配合显示各种参数和脱扣器状 态，用l e d 显示数字，用发光二极管指示显示的是什么内容，这种显示方 式不仅显示不够直观，而且显示的信息量少，人机交互功能差，所用的元 器件也比较多，可靠性较低。 4 )现有产品在电流的适用范围、电流测量精度与系统的性价比有待进一步提 高。 针对以上目前脱扣器存在的不足之处，笔者采用a t 8 9 c 5 5 作为主控芯片，外围配 以电力线载波通信模块、液晶显示芯片、红外遥控编解码芯片、a d 转换芯片、空芯 电流互感器等元器件，研制出一种新型的红外遥控智能脱扣器。这种新型的红外遥 控智能脱扣器不仅具有上述各种智能化保护功能，而且很好的解决了上述缺点。因 上海交通大学硕士学位论文 第一章概述 为采用红外遥控操作方式，避免按键操作的不足，解决了密封的脱扣器操作不便的 问题。采用字符型液晶作为基本的显示器件，以菜单的方式实现了良好的人机交互 界面，参数信息显示直观简明，信息丰富，并且在线调试功能灵活强大，参数设置 非常简明方便。此外，系统还提出了一种在大电流范围内提高电流实时测量精度的 方法，它采用了空芯式电流互感器，分量程放大电路和其它软硬件措施，具有很高 性价比。 2 红外遥控智能脱扣器的组成与工作原理 智能断路器的核心智能脱扣器，是由微处理器、电力线载波通信模块、红外遥控 发射、键盘与红外接受、液晶显示、实时信号采样、通讯接口以及其它外围接口、 e 2 p r o m & w a t c h d o g 和脱扣执行等几个部分组成。系统框图如图l 一1 所示。 图1 1红外遥控脱扣器原理框图 f i g u r e1 1 t h ed i a g r a mo fi n f r a r e d c o n t r o li n t e l l i g e n tt r i p p e r 脱扣器系统工作原理及设计思想将在随后的章节中详细介绍，其中电力线载波部 分将单独讨论。 同当前国内市场上流行的同类产品相比，p i r 一8 0 0 型智能脱扣器不仅很好的解决 了上述的三个主要缺点与不足，而且还具有以下的优点： 1 ) 所用的元器件减少了三分之一，集成度更高，进一步提高了产品的可靠性与 性价比。 2 ) 功能模块化，可以根据需要灵活添加或减少，无需更改产品的电路板和外壳。 3 ) 克服了现有的产品调整电流放大倍数需人工调整换算的缺点，换算工作由微 处理器完成，操作简单，换算更加精确。 2 圈圜圈仆圈 上海交通大学硕士学位论文 第一章概述 4 ) 针对各种干扰源，系统软硬件设计采取了相应的措施，进行了进一步优化， 大大提高了系统抗干扰性与稳定性。 3 系统性能指标 1 、工作电压等级：6 6 0 v 、11 4 0 v 或3 3 0 0 v ，适用于中性点不接地的供电系统。 2 、保护装置额定工作电流i e ：2 0 0 a - - - 8 0 0 a 连续可调，步长1 0 a 。最大工作 电流1 5 k a 。 3 、过载保护可通过软件整定为：o 4i e 、o 5i e 、0 6i e 、0 7i e 、0 8i e 、0 9i e ， i e 。动作时间除满足下表规定外，也可由软件整定，并具有热记忆特性： l 过载倍数 1 0 51 2 01 5 02 0 0 4 o o 6 0 0 i 动作时间2 h 不脱扣 1h 脱扣 3 m i n2 m i n4 0 s8 s 4 、短路保护整定值为：3 i e 、4i e 、5i e 、6i e 、7i e 、8i e 、9i e 、1 0i e ，动作时 间为瞬动，极限分断电流为1 5 k 刖6 6 0 v ，1 2 5 k 11 4 0 v 。 5 、欠压保护：整定值为3 5 7 0 额定电压值，动作时间l s 一5 s 可调。 6 、断相保护：三相任意断一相，动作时间 0 4 1 n m ) ，互感器二次 侧的能量即可保证系统的可靠工作，特别是在短路等大电流的故障状态下，可确保 控制装置电源的稳定。电压源通过变压器从系统主回路取得。两路电源用二极管的 反相截流特性隔离，在任何一路电源发生故障时，另外一路电源自动投入运行。原 理图2 1 所示 ，- 5 图2 一l 复式电源 f i 9 2 - 1t h ed i a g r a mo fd u a lp o w e rs u p p l y + 5 v 一5 y 单独采用电压源供电，智能控制装置只有在被保护线路工作正常，即电压基本 稳定的情况下控制装置才能正常工作，若断路器处于短路等故障状态，系统母线电 压急剧降低时无法保证智能控制装置正常工作，同时不可能实现短路过载延时、欠 压延时，零压延时等必须的保护功能。单独电流源供电，智能控制装置只有在被保护 4 上海交通大学硕士学位论文 第二章智能脱扣器硬件设计 线路存在一定数值电流时控制装置才能正常工作( 国外一般规定2 0 , - - - 2 5 额定电 流) ，若断路器处于分闸状态，就无法进行参数设定。采用复式电源后，两路电源可以 相互自动切换，在上述故障情况下都可以保证系统可靠工作。 图中开关电源是采用l 4 9 6 0 ，由于开关电源具有功耗小、效率高、体积小、重 量轻、稳压范围大、滤波效率高等优点，故采用开关电源产生+ 5 v 和一5 v 直流稳 压信号。l 4 9 6 0 是一个单片集成的开关电源，输出电压5 1 v 至4 0 v 可调，最大电流 2 5 a 。芯片特性还有片内集成限流、软启动、热保护以及高精度( 2 ) 的片内参考 基准。 2 信号采样电路 本装置采用定时器中断方式实时采样，每5 0 0 u s 对a 、b 、c 三相循环采样一次， 每工频周期( 2 0 m s ) 采样4 0 点。由于采样频率为2 k i - i z ，信号频率为5 0 h z ，采样 频率为信号频率的5 0 倍，而根据奈奎斯特采样定律，采样不失真要求大于8 倍以上 即可，故本系统可以不失真采样。对采样值进行软件滤波、有效值变换处理，求出 这一个周期的三相电流有效值。原理如图2 2 所示。 i i i 低通 跟随 小信号 放大电 滤波 隔离 路带 通 a d 厂滤 中线放 转 大电路 波 换 电 大信号 路 放大电 路 2 1空心互感器 图2 2 实时采样电路 f i g2 - 2 t h ec i r c u i td i a g r a mo fr e a l - t i m es a m p l e c p u 为了保证断路器的智能控制装置准确可靠的工作，必须在全范围内对电流进行 实时准确的测量。线路上的电流可从额定电流到过载电流直至短路电流，电流范围 广，电流互感器若采用实芯电流互感器在小电流时线性度虽好，但大电流时铁心易 于饱和，线性度差，测量范围小；采用空心电流互感器，线性度好，测量范围广， 但在小电流时，信号较小，测量误差大，要提高小电流时的测量精度，必须改变互 上海交通大学硕士学位论文第二章智能脱扣器硬件设计 感器线圈匝数，增加互感器副边输出信号，但是小电流时副边输出信号过大，大电 流时则信号难于采样，甚至破坏电路的正常工作。因此，如何提高小电流时的测量 精度，同时兼顾电流的测量范围，实现全范围电流的精确测量，是断路器实现智能 化重要关键技术之一。 下面我们将从理论分析空心电流互感器的变比与被测电流大小无关，进而证明 具有良好的线性输入一输出特性空心互感器是测量大范围电流时的最佳选择。 ， 一 五一 j 1 z 2 一 t 1 2 图2 - - 3空心电流互感器等效电路 f i g2 - 3 t h ee q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo fa i rc o r ei n d u c t a n c e 图2 4空心互感器矢量图 f i g2 - 4 t h ev e c t o r g r a p ho fa i rc o r ei n d u c t a n c e j 3 ， + 筮 i | 卜a 考虑到空心互感器的铜耗r ，互感器互感m ，其等效电路如图2 3 所示，矢量 图如图2 4 所示。从等效图，可以写出矢量方程： 1 l ( _ + j c o l l ) 一j c o m l 2 。u l ( 1 ) 厶( - j c o m ) + ( r 2 + r ) + j c o ( l 2 + 1 ) 1 2 = 0 ( 2 ) 由式( 1 ) 、( 2 ) 解出变流比： 6 上海交通大学硕士学位论文 第二章智能脱扣器硬件设计 k ，：x - c o 2 ( l 2 + l i ) i 丁2 + ( r 2 + 一r t ) 2 ( 3 ) m 、。 胪t g 丽r 2 + r l ( 4 ) 墨。= k l 么协一) ( 5 ) 从上述推导结果中可见，空心电流互感器的变比k 。z 0 r 一) 与被测电流大小无 关，是一个常数，其输入一输出特性线性度非常好。同时，由于空心电流互感器以 松耦合的方式工作，副边开路时不会造成开路电压太高，保证操作安全和设备安全， 进一步提高了系统的可靠性。 考虑到系统所需检测的电流范围很大，而铁心互感器很难能够满足要求，又因 为空心互感器在很大的电流范围内良好的线性输入一输出特性，所以电流传感器采 用空芯互感器。下面一节我们将讨论提高小电流时的测量精度的措施，以及测量精 度分析。 2 2分量程放大自动切换电路 为了提高系统小电流时的测量精度，弥补空心互感器在小电流时信号太小，影 响测量精度的缺点，电路采用信号分量程放大电路，既解决了小电流时的测量精度， 又满足了系统大电流测量范围的需要。 所谓信号分量程放大电路是指系统按照互感器输出信号的大小将信号分为大信 号和小信号两部分放大电路。在大信号放大电路中，信号经过两阶低通滤波后直接 送入a d 转换器进行转换。小信号放大电路中，信号经过低通滤波、隔离后，进行 放大，然后经过带通滤波电路后，送入a d 转换器进行转换。二者之间的切换由c p u 自动判断进行。 从性价比和实际系统要求，系统采用8 位a d 转换器a d c 0 8 4 8 。对n 位的a d 转换器分辨率，可用其输出数据2 个二进制数进行量化，分辨率为1 l s b 。百分数表 示分辨率即为1 2 1 0 0 。若输入a d 转换器的模拟输入电压v i n ，则a d 转换 器的不可调整的电压误差为1 2 1 0 0 v i n ，也即只有当输入电压变化大于或等于 1 2 1 0 0 v i n 时，输出数据才变化。对a d c 0 8 4 8 ，假定其参考电压为2 5 v ，则 其分辨电压能力为9 8 m v 。 采用信号分量程放大实时采样电路后，所测的电流精度有了较大程度的提高。 应用于额定电流为8 0 0 a 的框架式智能断路器中时，电流范围为0 1 0 i e ，即0 s k a ， a d 转换器a d c 0 8 4 8 的参考电压为2 5 v ，电流检测利用空心电流互感器，为了保 7 上海交通大学硕士学位论文 第二章智能脱扣器硬件设计 证电流全范围内的测量，由于受到a d 转换参考电压的限制，同时考虑到一定的裕 量，空心互感器的变比系数采用1 k a 电流对应输出5 0 0 m v 。下面分析有无分量程 放大电路所测的额定电流误差： 1 ) 无分量程放大电路时 此时所测额定电流的最大绝对误差( a d 输出数据每变化1 l s b ，输出电流不可调 整值。不含电流互感器引起的误差) 为： l 2 1 0 0 v i n i e v d = l 2 8 2 5 8 0 0 ( 4 0 0 1 0 3 ) = 1 5 6 2 ( a ) 相对误差为15 6 2 8 0 0 = 1 9 5 。 2 ) 采用分量程放大电路时 小信号放大电路测量电流范围是最大额定电流8 0 0 a ，放大倍数a 为1 0 ；大信号 放大电路电流测量范围是最大短路电流8 k a ，则所测额定电流的最大绝对误差为： 1 2 1 0 0 v i n i e v d a = 1 2 8 2 5 8 0 0 ( 4 0 0 10 0 1 0 ) = 1 5 6 ( a ) 相对误差为3 1 2 5 8 0 0 = 0 1 9 5 。 从以上比较可知，采用分量程放大电路后，所测小电流的误差明显减少，精度提 高l o 倍，很好的解决了空心互感器小信号误差较大的缺点。 为了进一步提高测量精度，提高抗干扰性，经空心互感器转换后的小电压信号 首先要经过低通滤波，滤除基波以外的高次谐波和高频干扰，然后经过跟随隔离电 路后，再进行信号分量程放大。放大后的信号再经过带通滤波进一步滤除谐波和干 扰后，送入a d 转换器中进行a d 转换，然后送入c p u 中进行处理。 3 红外遥控装置 在存在易燃、易爆化学危险气体等特殊场合下，为了防止断路器动作电弧引起爆 炸，需将控制装置密封，但这又带来操作不便，这时希望能够采用非接触性的操作 方式。本系统有红外遥控和本机按键两种操作方式，这两种操作方式完全一致。采 用红外遥控操作方式解决了在有危险气体中对密封的控制装置无法操作的问题。 本系统中红外遥控发射与接受部分采用p t 2 2 6 2 与p t 2 2 7 2 配套编、解码芯片， 这套芯片是低功耗c m o s 集成芯片，具有很强的抗干扰性，电路简单，有6 路独立 的按键信号输出，而输出的信号是高电平的方波信号，因此可以和本机上的六个按 键以线与的方式连接在一起，因此使用本机按键和使用红外遥控器进行各种操作是 完全一致的。如下图2 - - 5 所示。 8 上海交通大学硕士学位论文 第二章智能脱扣器硬件设计 图2 5 红外接受& 键盘 f i g2 - 5 t h ec i r c u i td i a g r a mo fi n f r a r e dr e c e i v e & k e y b o a r d 其中六路按键信号接入c d 4 0 7 8 八输入异或门中，c d 4 0 7 8 的输出接到c p u 的外 中断，其功能是当任何按键按下的时候，都产生一个中断信号，在中断程序中c p u 循环检测6 路按键信号，判断是哪个按键按下，然后执行相应的操作。这样就既保 证了按键的实时响应，也保证了平时c p u 处于最空闲。 4 液晶显示部分 目前的脱扣器大多采用l e d 显示数字，发光二极管指示显示信息类型，二者配 合显示各种参数和故障状态。采用这种方式操作面板上需要有很多的发光二极管来 对应指示当前显示的是哪种参数，还要有很多的按键来完成各种参数的设定与调整。 这样就有两个很大的缺点，一是系统显示部分需要较多的元器件，降低了系统可靠 性，提高了系统的成本。二是系统任何时候系统只能显示一个参数，而且显示的是 什么参数还需要发光二极管指示，不仅不够直观，而且系统参数调整设定操作复杂， 人机交互性差，受其限制，系统的在线调试功能较少。 为了克服上述缺点，本系统采用了t m l 6 4 字符型液晶作为基本显示器件，配合 两个发光二极管指示供电线路工作正常或故障即可，大大简化了系统的电路。这种 液晶芯片每行可以显示1 6 个字符，共4 行，所有的参数值及参数类型信息都显示在 液晶显示屏上，各种参数设定等都通过分级式菜单操作。采用了液晶菜单式界面， 使得人机交互非常方便，显示的信息直观，信息量丰富，在线调试功能方便，参数 整定容易。 液晶模块接口电路如图2 6 所示。接口只需要8 根数据线，3 根控制线，通过 送入数据和指令，就可以使模块正常工作。 9 上海交通大学硕士学位论文第二章智能脱扣器硬件设计 c p u l c d p 2 7e v d d p 2 6 r 1 w 牛 p 2 5 r s v e e p o 1卜 d b 0 v s s d b 7 图2 6液晶接口电路 f i g2 - 6 t h ec i r c u i td i a g r a mo fi n t e r f a c eo fl c d 图2 7 是字符型液晶显示模块电路框图，它由h d 4 4 7 8 0 、h d 4 4 1 0 0 以及几个电 阻、电容组成。主控驱动电路是h d 4 4 7 8 0 ，h d 4 4 1 0 0 是扩展显示字符位的，显示的字 符是位码( c o m l c o m l 6 ) 和段码( s e g l s e g 8 0 ) 驱动显示。l c d 驱动器h d 4 4 1 0 0 是 采用低功耗c m o s 技术制造的大规模l c d 驱动i c 。它既可以当行驱动用，也可以当 列驱动用，由2 0 2 0 b i t 二进制移位寄存器、2 0 2 0 b i t 数据锁存器和2 0 2 0 b i t 驱动器组成。l c d 控制器h d 4 4 7 8 0 是采用低功耗c m o s 技术制造的大规模点阵l c d 控 制器，和4 8 b i t 微处理器相连，它能使点阵l c d 显示大小英文字母、数字和符号。 h d 4 4 7 8 0 c o m i 1卜 d b o l c d 沁 ： d b 7c o m l 6 es e g l i s e g 8 0r w l s e g 4 1 v e e s e g 4 0 vd d g n d 卜 h d 4 4 1 0 0 图2 7字符型液晶显示模块电路框图 f i g2 - 7 t h ec i r c u i td i a g r a mo ft h ed i s p l a ym o d u l eo fl c d 字符型液晶工作可靠性高、寿命长、功耗低、接口简单、指令功能强，可以显 示丰富的信息，与l e d 相比，具有不可比拟的优越性。 5e 2 p r o m & w a t c h d o g 为了提高系统的抗干扰性，系统需要上电复位、看门狗和电源电压监控电路。而 且，因为各个不同的断路器的各项整定参数都不是相同的和固定的，而断路器工作 l o 上海交通大学硕士学位论文 第二章智能脱扣器硬件设计 的场合又要求这些参数必须在掉电期间有效的保存，所以就需要将这些参数保存在 e 2 p r o m 中，实行掉电保护，系统每次上电初始化时都将各种系统参数重新载入。 并盈若在系统运行中对各项参数进行整定后，被整定的参数也存入e e p r o m 中对应 的单元。采用e 2 p r o m 的另一个作用就是在供电线路发生各种故障，监控程序将故 障类型、故障保护时闻、故障次数等信息存入e e p r o m 中，以备以后查阅。基于以 上需求，我们选用了x 5 0 4 5 芯片。 5 1x 5 0 4 5 芯片工作原理 x 5 0 4 5 芯片是一个带4 k bs p i 总线e 2 p r o m 的c p u 监控器。x 5 0 4 5 芯片把四种 常见的功能：看门狗定时器、上电复位、电压监控、电源电压监控和块锁( b l o c kl o c m ) 的串行e e p r o m 存储器组成在一个封装之内。这种组合降低了系统的成本、减少了 电路板空间和增加了可靠性。图2 8 是x 5 0 4 5 的原理方框图。 5 2 上电复位 图2 - 8x 5 0 4 5 原理框图 f i g2 - 8 t h ed i a g r a mo fx 5 0 4 5 向x 5 0 4 5 加电时会激活7 上电复位电路，它将傈持了r e s e t 信号有效一段时阀。 这个信号有几个用途： 1 它避免系统的c p u 在电压不足的情况下工作。 2 它避免c p u 振荡器稳定前工作。 当v c c 超过器件的v t r i p 门限值，经2 0 0 m s ( 典型) 电路释放r e s e t ，允许系统开 上海交通大学硕士学位论文 第二章 智能脱扣器硬件设计 始工作。 5 3 低电压监控 器件的电源电压监控电路可以保护系统免受低电压之影响，当v c c 降到最小v c c 转换点以下时，系统复位。复位一直维持到v c c 回到正常工作电压并且稳定为止。 有5 个工业标准的转换电压门限v t r i p 可以选用，并且x i c o r 独特的电路允许对门限 编程，以满足用户的需要或者对高精度应用的精细调整的需要。 5 4 看门狗定时器 看门狗定时器对c p u 提供了一个独立的保护机制。当系统故障时，在可选的超 时时间( t i m e o u ti n t e r v a l ) 之后，器件将激活r e s e t 信号，用户可以从三个预置的值 中选择一个超时时间。一旦选定，即使在断电后重启电源也不会改变。 5 5s p i 串行e e p r o m x 5 0 4 5 的存储器部分是具有x i c o r 块锁保护的c m o s4 k b 串行e 2 p r o m 。该阵列 内部的组织是x 8 位。器件利用了x i c o r 公司专有的d i r e c tw r i t e t m 晶片，提供最小 为1 0 0 万次擦写和最少为1 0 0 年的数据保存期。 器件具有s p i 接口的特性，其软件协议允许工作在一个简单的四总线上，可以与 很多通用的微处理器系列的同步s p i 接口。器件包括一个控制器件工作的8 位指令 寄存器。指令代码通过s i 输入端写入寄存器中。有两种只需要指令字节的写操作。 有两种用指令字节来启动数据输出的读操作。剩下的操作需要一个指令字节，一个 8 位地址，然后数据字节。所有的指令，地址和数据都由s c k 信号同步输入。所有 的指令( 表1 ) 、地址和数据的传送都是m s b 在前。 表1指令组 4 抟擘g ：之：撰终二t 稚 1 、r e n0 0 0 0 0 1 1 0 磁强o i 。蹙缱：i ：存防 经恐? j j ；：譬) w r d l0 0 0 0 0 10 0 亚f 毒气j 蹙能；羹 。 麓l 袋! i ：j 臻 l r s d r0 0 0 0 0 1 0 1ij r 拭志等行；鬈 w r s r0 0 0 0 0 0 01 。t 一奠惠奇静嚣：霹l “：搿疆蛟谈) r e a d 0 0 0 0 a 0 0 1 1 f 、逍，蠢0 1 量；t t ：毪“i 主露自 i 羚j ：1 ，0 0 0 锻! 誉 w r l t e 0 0 0 0 a 0 0 1 0s i 、选f 退趣l j ：蝙写入敛i l ! ：生j ：髓搿专毒l i1 王1 6 # 节) 泣：j 旨豹之二端如m s b ，指f 0 毯楚m s b 6 i 辩。 1 2 上海交通大学硕士学位论文第二章智能脱扣器硬件设计 5 5 1 时钟和数据时序 在c s 变低以后，在s i 线上输入的数据在s c k 的第一个上升沿时被锁存。在s o 线上的数据由s c k 的下降沿输出。允许用户停止时钟，然后再启动它以便在它停止 的地方恢复操作。在整个工作期间c s 必须为低。 5 5 2 读存储器阵列 当要从e e p r o m 存储器阵列中读出时，c s 只要拉低选中器件。8 位r e a d 指令送 到器件，后面跟随8 位地址。r e a d 指令的位3 选择器件的高半部分或是低半部分。 在r e a d 操作码和地址送出后，在选定地址的存储在存储器中的数据即在s 0 线上移 出。在连续的提供时钟脉冲的条件下存储在下一个地址的数据可被连续的读出。在 每个数据字节被移出后，器件即自动的将地址增加至下一个更高的地址。当达到最 高的地址时，地址计数器即翻到地址0 0 0 h ，使读周期无限制的连续下去。读操作由 拉高c s 而中止。读e e p r o m 时序参见图2 9 。 5 口 图2 9 读e e p r o m 阵列时序 f i g2 - 9t h et i m es e q u e n c ed i a g r a mo fr e a d i n ge e p r o m 5 5 3 写存储器阵列 在要向存储器阵列写入任何数据之前，必须用w r e n 指令设置w e l 位。首先将c s 拉低，然后向器件输入w r e n 指令，再将c s 拉高。再次将c s 拉低并输入w r i t e 指令 后面跟谁8 位地址，后面是要写入的数据。w r i t e 指令的位3 是地址位a 8 ，该位选 择阵列的高半部分或是低半部分。如果c s 在w r e n 和w r i t e 之间不变为高，则w r i t e 指令将被忽略。 w r i t e 指令至少需要1 6 个时钟脉冲。在操作期间c s 必须保持为低。主机可以连 续写入多至1 6 个字节的数据。唯一的限制是1 6 个字节必须在同一个页面中。一页 地址由 xx xx 0 0 0 0 开始，由 x xx x x1 11 1 结束。如果字节地址达到 三圣! 苎要：节而时钟仍在继续，则计数器将返至该页的第一个地址并重写前面已 经写过的数据。 。一一 。望二毫壁写操作，在最后一个被写入的数据字节的位。完成后，c s 必须被拉高。 如果它于任何其它时间被拉高，写操作将不完全。详细写操作时序图参见苗“2 “- - 1 “0 。： 器 粼号矗蔫n 3 矗二二彳叠 一1 0翟p 卫笪塑一1 7 1 8 塑垫2 1 碰2 3 图2 1 0 写e e p r o m 阵列时序 f i g2 10 t h et i m es e q u e n c ed i a g r a mo fw r i t i n g e e p r o m 6 脱扣装置 。翟于一个脱扣装置，最终目的是为了正确的发出有效脱扣信号以控制断路器正确 曹坌墅，保证既不拒动，也不误动。脱扣方式分为两种：一种是欠压脱扣，一种是 分励脱扣，二者相互配合，其工作原理见图2 一i i 。 速 饱 和 电 抗 1 2 v 交 流 图2 - - 1 1 脱扣机构驱动电路 f i g2 - 11t h ec i r c u i td i a g r a mo fb r e a k i n gf r a m e w o r k d r i v e p 1 4 1 4 上海交通大学硕士学位论文 第二章智能脱扣器硬件设计 从图中我们可以看到，分励脱扣部分是c p u 的p 1 4 脚，发出脱扣信号后，经过 光耦隔离后，触发晶闸管，接通脱扣机构。其中晶闸管工作电压是由速饱和电抗输 出信号，经过三相桥式整流电路整流后提供，这部分电路与整个系统没有任何公共 端，这样再经过光耦隔离后，可以很好的提高系统抗干扰能力。 欠压脱扣部分是c p u 的p 1 4 脚，经过光耦隔离后，通过驱动三极管来驱动继电 器，继而控制脱扣机构的通断。其抗干扰处理和分励脱扣部分原理是一样的，区别 在于其工作电压是由交流1 2 v 的变压器提供。这两部分电路输出的一端以线与的方 式并结在一起，以实现脱扣的相互补偿，确保脱扣动作的正确执行。 脱扣机构采用了一只带永久磁铁的磁通变换器，当动作信号输入时，减少了有 效磁通，使脱扣机构动作，这种变换器动作时所需的电流很小。 上海交通大学硕士学位论文第三章智能脱扣器软件设计 第三章智能脱扣器软件设计 软件主要分为两大部分：一部分为主程序，一部分为中断程序。中断程序又分 为键盘中断子程序、定时器中断子程序和通信中断子程序。中断优先级从高到低依 次为：通信中断、定时器中断、键盘中断。对于通信部分，我们将在本文的第二大 部分中单独介绍。 1中断子程序 1 1 定时器采样中断 系统采用定时器中断方式实时采样，每5 0 0 u s 对a 、b 、c 三相循环采样一次， 每工频周期( 2 0 m s ) 采样4 0 点。由于采样频率为2 k h z ，信号频率为5 0 h z ，采样 频率为信号频率的5 0 倍，而根据奈奎斯特采样定律，采样不失真要求大于8 倍以上 即可，故本系统可以不失真采样。对采样值进行软件滤波、有效值变换处理，求出 这一个周期的三相电流有效值。因为经过采样后的信号与源信号有比例关系，故处 理后的采样信号还要整定放大。 由于我们仅需要各相信号的峰值，故在软件上采用了冒泡法。每个信号周期下 来只留下各相信号的最大值。对于负值，由于我们已经采用硬件波形上拉技术，所 以我们在处理采样信号时，还要进行信号恢复转换处理，所以所谓的最大值，有可 能是信号的波峰值，也可能是信号的波谷值。对于瞬时保护，我们采用了即采即比， 不管采到的是否为峰值，只要比设定值大，即置相应的标志并立即退出中断留待主 程序处理，以尽可能快的速度分断断路器。图3 1 所示为定时器中断子程序的流程 图。 由于a d c 0 8 4 8 变换大概需要4 0 us 的时间，为了节省时间，我们在启动a d 变换后，先处理上一相的信号，处理完后再读a d 变换内容。即选择b 相并启动 a d 变换后，先处理a 相信号。a 相信号处理完后，启动c 相信号a d 变换，然后 再进行b 相信号处理，依次类推。 定时器中断的功能不仅是实时采样处理，而且还是系统记时的基本单位。中断 采用c p u 的定时器2 的1 6 位自动重载方式，系统记时精确。 1 6 上海交通大学硕士学位论文第三章智能脱扣器软件设计 至s t a 叵r t ) 看门狗复位 注燃害h 启动a 相a d 变换 上 读a 相a d 转换结果 j ， 启动b 相a d 变换 j a 相信号处理 j 0 换大档信号卜_ 而 读b 相a d 转换结果 0 启动c 相a d 变换 + b 相信号处理 _ 换大档信号卜 、百 读c 相a d 转换结果 + 启动零序电流变换 c 相信号处理 = 二 未涉换大档信号卜一 圻 启动电压变换 0 零序电流处理 + 电压信号处理 丫 f ， r e t i 、 1 7 上海交通大学硕士学位论文第三章智能脱扣器软件设计 1 2 键盘中断 图3 1定时器中断子程序流程图 f i g u r e3 - 1 t h ef l o wc h a r to f t i m e ri n t e r r u p ts u b p r o g r a m 由于系统对实时性要求比较高，故对按键处理放在主程序中，在中断子程序中 仅做判键处理。中断我们采用了电平触发方式，为了防止一次按键产生多次中断， 我们在一次按键中断产生后，延迟l o o m s 左右，才进行处理。 l 对6 路按键信号 依次转换 l 判键，置相应键 标志 图3 - - 2 键盘中断子程序流程图 f i g u r e3 - 2t h ef l o wc h a r to fi n t e r r u p ts u b p r o g r a mf o rk e y b o a r d 系统判键就是系统对6 路按键信号通道依次进行a d 转换，如果发现某路信号 有从低到高的电平跳变，则可断定该键按下，置相应的键标志位，等待主程序中键 处理子程序处理。 2主程序 在主程序中，主要分为系统初始化、故障判断、故障延时热记忆、实时显示以 及菜单操作等主要几个部分，下面将分别详述。以上