（电力系统及其自动化专业论文）数字式自适应型备用电源自动投入装置的研究.pdf

太最自e z 夫掌女 究l 掌* i a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，an e wp r i n c i p l eo fa u t o m a t i cc l o s i n ge m e r g e n c ys o h r c e sd e v i c e w i t ha d a p t a b i l i t yw a s p r o p o s e d a n dap t e vt y p eo f s u c hd e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d ， b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mw i t ht h ek e r n e lo f3 2 - b i tm i c r o - c o n t r o l l e ru n i t t h e d e v i c ei ss u i t a b l et o3 8 0 - 2 2 0 k vs u b s t a t i o n sa u t o m a t i cc l o s i n ge m e r g e n c ys o t l r c e s c o n t r o lo f l i n e s ，帆w i i l d i n gt r a n s f o r m e r so rt h r e e - w 血d i n gt r a n s f o r m e r s t h ed e v i c e h a st h ea b i l i t yt oa u t o m a t i c a l l yj u d g et h eo p e r a t i o nm o d ea n dr e a l i z et h ef u n c t i o no f a u t o m a t i cc l o s i n ge m e r g e n c ys o u r c e si nd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e sw i t h o u tt h e m a n i p u l a t i o no f o p e r a n t , w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t so f s u b s t a t i o na u t o m a t i o na n d e s p e c i a l l ys u i t st h eu n m a n n e do p e r a t i o nm o d e m c 6 8 3 7 6h a st h ec h a r a c t e r i z e so f h i 曲s p e e d ，p o w e r f u lf i m c f i o na n dp l e n t i f u l i n s t r u c t i o n s i n “st h e s i s ，m c ut a b l el o o k u pa n di n t e r p o l a t ei n s t r u c t i o nw a s e m p l o y e di nan e w f a s ti n t e g e re v o l u t i o na l g o r i t h mt h a th a sh i g hp r e c i s i o n t h e d e v i c ea d o p t e dt h i sa l g o r i t h ma n dg a i n e dg o o dr e s u l t s i no r d e rt oi m p r o v er e l i a b i l i t y a n ds i m p l i f yt h eh a r d w a r ed e s i g n , m a n yf l e wr cb u se l e m e n t sv v _ e 1 - eu s e dt or e a l i z e b i n a r yi n p u t , l o g i co u t p u t , c l o c kf u n c t i o n sa n ds t o r i n gs e t t i n g s a n dr e p o r t s b y s i m u l a t i n g1 2 cb u sd a t at r a n s f e r , t h em c ur e a l i z e dw n t ma n dr e a d i n gd a t af r o m e a c hd e m e n tt h ew h o l eh r r d v c d l es y s t e m ss t r u c t u r ei sc o m p a c ta n dr e a s o n a b l e ，a n d t h ed e v i c eh a sh i 曲r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n di m m u n i t yt od i s t u r b a n c e t h e o r e t i ca n a l y s i sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e sh a v ep r o v e dt h er e l i a b i l i t y , l i 曲一s p e e da n df l e x i b i l i t yo fq ：d 3 c c o m p a r e dw i t h1 2 - b i ta d ，t h ep r e c i s i o no f q a d c i s n o t l o w s i n g l e s t e p v c a s a p p l i e dt od e v e l o pm c 6 8 3 7 6 t h es o t i w a r es y s t e mw i t h m o d u l a f i z a t i o ns t r u c t u r en o t0 1 1 l yr e a l i z e dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h ed e v i c e ，b u ta l s o c o m p l e t e dt h ed e s i g no f a b r a n d _ n e wu s e ri n t e r f a c ei l l u s t r a t e db yi c o n st h a ti n c r e a s e d t h ed e v i c e sf l e x i b i l i t y k e y w o r d s ：a u t o m a t i cc l o s i n ge m e r g e n c ys o u r c e s 3 2 _ b i tm i c r o - c o n l r o l l e ru n i t i 2 c b u su s e ri n t e r f a c e 太原理太掌硕研究生掌位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着技术和经济的发展，电网规模的日益扩大，对供电的质量、连 续性和可靠性的要求越来越高。 备用电源自动投入装置是保证供电连续性，提高供电可靠性的重要 措施”“。采用这种装置可阻简化电力网的接线和继电保护装置的配置方 式，节省设备投资，减少运行损耗，而且其本身具有结构简蛩、造价低、 应用范围广的优点，因而在电力系统中被广泛使用。国内外对它的研究 也比较深入。但目前在现场运行的备用电源自动投入装置，无论是电磁 式、整流型、晶体管型、集成电路甚至微机型。”，都大多只能完成单方向 备用电源自动投入的控制，而且在工作电源消失，备用电源投入运行后， 如果工作电源恢复了正常供电，必须人为进行换向操作，以调整到原始 运行方式，备用电源自动投入装置才能重新复位，为下一次故障后动作 做准备。由此可见这些装置本身不具备自适应能力，无法真f 满足变电 站自动化和无人值班的要求“ 7 3 。另外，同类产品”“0 1 也多是仪能实现一 种备用电源自动投入的功能，对于多种系统运行方式不具有让 别性，从 而也失去了装置的灵活性和通用性。 我们开发研制的新型数字式备用电源自动投入装胃，能适用j ：不同 电压等级系统的多种运行方式，实现运行方式的自动识别，异常方式的 自动判别，各种运行方式下的备用电源自投功能，并且性能稳定可靠， 抗干扰能力强，维护工作量小，具有良好的用户界面，满足现场需要。 太取理 掌 究掌m i 1 2 本论文的主要工作 随着电力系统的发展，为了满足负荷的需要，减小损耗，呵霖、经 济地向用户连续供电，在有2 台变压器或2 条电源进线的变电站，备用 电源自动投入装置得到了广泛的应用。在电力装置的继电保护和自动 装置设计规范( g b 5 0 0 6 2 9 2 ) 中对此类装置规定如下： 1 ) 工作电源不论因何种原因失电时( 如工作电源故障或被误断开等) ， 备自投装置均应延时动作； 2 ) 工作电源断开后，备用电源才能投入； 3 ) 保证备自投装置只动作一次，以避免备用电源投入到永久性故障时继 电保护动作将其断开后又重新投入，对系统造成再次冲击； 4 ) 各自投装置在电压互感器二次侧的熔断器熔断时不应动作； 5 ) 备用电源无电压时，备自投装置不应动作； 6 ) 手动断开工作回路时，不启动备自投装置： 7 ) 备用电源自动投入装置中，可设置工作电源的电流闭锁回路。 根据以上原则，结合考虑各自投装置实际运行巾存在的问题“。“， 在论文中对数字式备用电源自动投入装置动作原理和理论算法进行了深 入的探讨，提出了具有自适应能力的备用电源自动投入控制原理，并详 细阐述了这一原理及其均方根算法、开方算法等在单片机系统中的具体 实现方法。 新型数字式备用电源自动投入装置是在以m c 6 8 3 7 6 为核心的硬件平 台上开发的。3 2 位m c 6 8 3 7 6 具有较快的运行速度、很强的数据处理能力、 丰富的资源和强大的功能。装置整体硬件系统结构紧凑合理，具有，目好 的可靠性、稳定性和抗干扰性能。这一硬件平台为开发完善的软件系统 4 i 掌* r 掌t 论女 创造了良好的条件。本论文对 1 1 c 6 8 3 7 6 的特点，子模块的功能，丌发环 境以及硬件系统各结构单元等作了简要介绍。 为简化电路，在硬件电路板设计时采用i o 口模拟i2 c 总线接口，用 来与i2 c 器件进行数据通讯。通过对此技术的研究和编写应用程序，实现 了应用模拟i 总线数据传输技术来完成开入开出、定值存储、报告存储 和时钟功能。 为开发m c 6 8 3 7 6 采用的s i n g l e s t e p 软件，系统界面友好，操作简单， 调试方便，支持c 和c + + 语言的编辑，调试等，我们使用c 语言在此环境 下进行了编程工作。为满足快速、灵活、可靠的设计要求，在论文中提 出控制软件也应采用模块化结构设计的思想，用来实现装置的动作原理， 人机交互信息，报告存取等辅助功能，并提供多种手段对装置进行整体 监视和维护。 设计良好的人机界面是开发智能型自动装置必不可少的：1 作。本装 置采用了一种全新的图标化人机界面，其人性化的设计增强了装置的灵 活性和可操作性，使运行人员无须使用说明书就可对装置进行操作。 太l l z 掌m 兜l 掌t * 文 2 i 概述 第二章m c 6 8 3 7 6 微控制器简介 m c 6 8 3 7 6 微控制器是m o t o r o l a 公司近年推出的最先进的m c u 之一。1 。 它采用了先进的h c m o s 技术，内部总线宽度达3 2 位，具有较高的运行速 度和很强的数据处理和逻辑运算功能。由于m c u 采用工业设计，在稳定 性、抗干扰性、可靠性等方面能够构成最好的单片机系统之一。m c 6 8 3 7 6 微控制器采用模块化结构，几个具有不同功能的模块被设计在一个集成 块内，主要包括：中央处理单元c p u 3 2 、系统集成模块s i m 、定时处理器 t p u 、队列串行模块q s m 、片上存储器r a m 、可配置定时单元c t m 4 、队列 a d 转换模块q a d c 、遵循c a n 2 0 通信协议的t o u c a n 模块等。其中q a d c 、 c t m 、t o u c a n 等模块是在原有高档3 2 位机“1 的基础上新增加的，使 m c 6 8 3 7 6 功能更加强大，结构更加模块化，具备了网络功能和灵活测频、 定时功能，提供了查表和插值指令。它的这种模块化结构非常适用于开 发较大的控制系统，为产品实现系列化提供了方便。 2 2m c 6 8 3 7 6 微控制器各模块描述 m c 6 8 3 7 6 片内集成了工业控制常用的各种模块。 2 。2 1 中央处理器c p u 3 2 中央处理器c p u 3 2 “”是在m c 6 8 0 0 0 处理器基础上发展起来的，不仅具 有m c 6 8 0 1 0 、m c 6 8 0 2 0 的特性，还具有适用于高性能控制器的独特特性。 c p u 3 2 具有较强的数据处理能力。内部数据处理能力高达3 2 位，加 6 原理z 掌m 研究掌m 论文 之增加了可与之并行工作的t p u ( t i m ep r 0 c e s s o ru n i t ) ，使系统总的 数据处理能力得到极大的提高。由于采用了高速互补金属氧化物半导体 ( h c m o s ) 技术，c p u 3 2 在正常工作时具有较低的功耗，而在执行低功耗 s t o p 指令( l p s t o p ) 时，功耗降到极低且可保护信息不致丢失。 选用微控制器时，易编程是一个很重要的考虑因素。c p u 3 2 的指令格 式反映了强调寄存器与内存间接口的思想。c p u 3 2 共有8 个3 2 位多功能 的数据寄存器、7 个3 2 位通用地址寄存器，一个3 2 位的程序计数器，3 2 位的管理级和用户级堆栈指针，一个1 6 位的状态寄存器，两个交替的功 能码寄存器，以及一个3 2 位的向量基址寄存器。数据寄存器支持8 位( 字 节) ，1 6 位( 字) 以及3 2 位( 长字) 的操作码长度。字和长字运算支持 地址操作。即使是程序计数器和堆栈指针这两个特殊用途的寄存器，也 同样适用于大多数数据寻址。指令级跟踪和陷阱功能进一步使程序易于 检查和诊断。 c p u 3 2 指令系统类似于m c 6 8 0 2 0 的指令系统，支持虚拟存储空问寻 址，循环指令，条件码陷阱，增强的断点指令等。新增加了方便工业控 制应用的查表插值，低功耗模式工作等指令。c p u 3 2 支持高级语占编程， 具有背景调试模式。 执行指令时，c p u 3 2 的主要单元在一高度独立的方式下运行。总线 控制器将指令从数据总线装载入译码单元。定序器控制器对芯片进行总 体控制，管理内部总线、寄存器和各个执行单元的功能。 中央处理器c p u 3 2 管理着m c 6 8 3 7 6 和外部器件的全部活动。它通过 内部总线与微控制器的各模块通信。首先它对各模块进行初始化，一旦 初始化后，这些模块就可以脱离c p u 单独执行专门的功能。c p u 3 2 还可以 通过外部扩展总线( 地址总线、数据总线、控制总线) 与外部芯片或外 部器件相连接并进行数据传送。 太翊【4 i j t 掌m 究生掌m * x 2 2 2 系统集成模块s i m 系统集成模块s i m “7 1 可确定复位后或初始化期间m c 6 8 3 7 6 的状态。它 由几个控制系统工作的子模块组成。这些模块主要包括系统配置子模块、 时钟合成器、系统保护子模块、芯片选择、外部总线接口、系统测试子 模块等，每个模块都有专门的功能。 系统配置子模块控制m c u 系统配置。 时钟合成器可与外部晶振或外部振荡电路相连接，生成为s i m 、其它 内部模块和外部设备所用的时钟信号，系统时钟的频率可通过编程来控 制。 系统保护子模块提供总线监视器和软件看门狗以实现系统保护。此 外，它提供一个周期中断计时器，以支持实时控制程序。 软件看门狗由系统保护控制寄存器s y p c r 中的软件看门狗使能位 s w e 控制。软件看门狗被激活时，要求程序定时向软件服务寄存器s w s r 中写入看门狗清零指令( $ 5 5 ，$ 从) ，一旦软件看门狗超时未清零，则发 出复位信号，使m c u 进入软件看门狗复位状态，从而保护系统，防止软 件陷入死循环或失控。 外部总线接口处理在内部总线上挂接的模块与外部地址空| l 白j 之间的 信息传输。外部扩展总线包括1 6 根数据线、2 4 根地址线和一些用于数据 传送、中断请求等功能的控制信号线。也可以作为两个8 位通用双向i o 口和一个7 位单向输出口。 片选子模块提供1 2 个片选信号，每个片选信号都有一个对应的基址 寄存器和片选寄存器，它们在m c u 扩展系统、增加外部设备或外部芯片 时使用。 太自u _ 工夫掌砸 究生掌* 土 2 2 3s r a m 模块 s r a m 模块由控制寄存器子模块和4 k 字节高速静态r a m 组成。g r a m 对系 统堆栈和变量的存取特别有用。它可通过编程映象到地址空间的任意4 k 字节存储区内，只要s r a m 边界不与模块控制寄存器重叠。数据能够以字 节、字或长字形式读取。s r a m 可由后备电源( 如电池) 支持。在j 下常工 作时，它由系统电源v d d 供电；当系统电源掉电或失效时，后备电源自动 接通，使r a m 中的信息不致丢失。这个后备电源通过v s t b y g | 脚与系统相 连接。 2 2 4 队列a d 转换模块q a d c 队歹u a d 转换模块q a d c “”是m c 6 8 3 7 6 新增的一个具有l o 位高精度队列 a d 转换器。它由模拟前端处理机和带有内部总线接口的数字控制子系统 组成。 模拟部分包括输入管脚，模拟多路转换和两个采样保持逻辑电路。 模拟转换通过数模转换器阻容序列和高增益比较器执行。 数字控制部分包括转换序列逻辑，通道选择逻辑和顺序近似寄存器 组成。同时包括周期计时器，控制状态寄存器，转换命令字表r a m 及结果 字表r a m 。 q a d c 主要特性有： 1 ) 1 6 路内部通道，若采用多路转换器，可直接访问的通道数达4 l 路；当不用作a d 口使用时，所有通道管脚都可以作为普通i o 口使用。 2 ) 具有6 种通道选择和转换模式。 3 ) 有两路队列通道，专门用于检测队列中变量长度，每个通道内都 原理i 太掌硕 究掌位论： 存有对应子队列中的变量数。 4 ) 4 0 个1 0 位结果寄存器和三种结果对齐格式：右对齐，有符号位 左对齐，无符号位左对齐。 5 ) 可编程控制a d 采样周期。 6 ) 可直接实现对多路转换器的控制。 2 2 5 队列串行模块q s m 队列串行模块q s m “”为m c 6 8 3 7 6 微控制器提供了两个独立的串行通 信接口，分别为队列串行外围接口q s p i ( q u e u e ds e r i a lp e r i p h e r a i i n t e r f a c e ) 和串行通信接口s c i ( s e r i a lc o m m u n i c a ti o ni n t e r f a c e ) 。 q s p i 和s c i 直接与外部相连，使微控制器与其它具有串行通信能力的处 理器、外部设备、外围芯片等进行串行通信。 q s p i 通过一全双工，同步，四线总线接口来实现外围扩展或微处理 器间通信。而四个可编程外围片选可寻址多达1 6 个外部设备。q s p i 自含 的r a m 队列可处理1 6 个8 1 6 位的串行传输或连续多达2 5 6 位长的数据 流，而不需c p u 的介入。独特的循环处理模式支持连续发送接收方式， 它可简化与a d 转换器的接口，更新存储在r a m 中的转换值。 串行通信接口s c i 用于3 2 位微控制器和一个操作者终端或类似装 置之间的异步串行数据传送( 全双工或举双工) 。它作为一个通用异步 接收发送器( u a r t ) ，可将数据字节转换为串行数据流或将串行数掘流 转换为数据字节。字长可由软件来选择为8 位或9 位。s c i 提供标准的不 归零( n r z ) 传送模式。可通过编程控制数据传送速率或波特率等参数， 波特率发生器在2 0 9 7 m t t z 系统时钟频率下可提供速率为11 0 到6 5 5 k 波 特。s c i 的高级出错检测电路可发现持续时间为1 1 6 位的噪声。 i 理i 夫掌项研究生掌论文 2 2 6 可配置定时模块c t m 4 可配置定时模块c t m 4 是微控制器上的一个定时模块，由分布于c t m 4 内部模块总线s m b 两边的一些子模块组成。c t m 4 模块中的所有数据和控制 信号都经过这一总线。s m b 通过总线接口单元b i u s m 与外界连接。b i u s m 与 内部总线相连，随后连入c p u 3 2 。这一结构容许c p u 3 2 访问在s m b 上的每一 c t m 4 子模块的数据和控制寄存器。计数信息从计数器通过三个1 6 位宽的 时间基总线( t b b l ，t b b 2 $ i j t b b 4 ) 传送到动作子模块。 c t m 4 的主要模块有：线接口子模块( b i u s m ) 、计数分频子模块( c p s m ) 、 自由运转计数子模块( f c s m ) 、两个1 6 位模计数子模块( m c s m ) 、四个双 向触发子模块( d a s m ) 和四个脉宽调制予模块( p w m s m ) 。 2 ，2 7 定时处理器t p u 定时处理器t p u ( t i m ep r o c e s s o ru n i t ) ”是除c p u 3 2 以外，3 2 位 微控制器中功能最强的模块，几乎可以执行一切与定时有关的工作。例 如，作为一种特殊用途的微处理器，可执行输入捕捉和输出比较两种基 本操作( 事件) ，在系统中t p u 服务于这两种事件来代替主c p u 用中断来 服务于这些事件，使系统的效率更高。 2 2 8t o u c a n 模块 t o u c a n 模块是一个实现c a n 2 o a 或c a n 2 。o b 通讯规约的控制器。台 有c a n 2 0 所需要的所有逻辑，支持标准i d 和扩展i d 格式。模块含有1 6 个信息缓冲区，用于发送、接收数据。且具有信息过滤器，用于在比较 接收缓冲区前首先确认接收数据的i d 信息，以此来决定是否屏蔽接收数 据。 太原z 太掌q r 日究生掌m 论文 m c 6 8 3 7 6 的具体结构如下图所示 图2 - 1m c 6 8 3 7 6 结构图 太m 目l i 掌日兜掌m i 2 3 开发支持 c p u 3 2 采用如下方法“3 m ”来支持m c 6 8 3 7 6 的开发应用 与6 8 0 0 0 系列控制器兼容的开发支持 背景调试方式( b d m ) 确定性操作码跟踪 硬件断点r 2 3 1 与6 8 0 0 0 系列控制器兼容的开发支持 1 ) 跟踪指令执行：m 6 8 0 0 0 系列处理器采用指令跟踪机制来帮助指令 开发。单条指令执行后将产生跟踪异常情况，从而监视程序执行。 2 ) 断点；一仿真程序可将软件断点插入目标程序码，来表明断点何 时发生。 3 ) 非法指令的仿真：当一非法指令企图执行时，将发生非法指令异 常情况。这一异常情况处理程序通常用于软件仿真c p u 3 2 指令系统 中未实现的指令功能。 2 3 2 背景调试模式 一般微控制器系统都提供软件调试程序，这些程序可以在最低的级 别上进行系统分析。而c p u 3 2 具有一种独特的工作方式背景调试模 式( b d m ) 。在这种方式下，开发人员可以通过8 d m 接口通讯，清楚的看 到m c u 的内部工作情况，如查看或修改寄存器中的内容、读取或将数值 写入存储器。在这一点上它具有在线仿真器的许多软件调试功能，但要 比在线仿真器系统成本低，而且由于调试程序自有其专用资源和接口， 所以背景调试方式对硬件进行实时运行控制时并不消耗用户的资源。 太l 女z 大掌_ 士日究生掌m 文 目标板m c u 与主计算机连接有几种方法。其一是主计算机通过r s 2 3 2 串行口与仿真接口板连接，仿真接口板再通过背景方式专用电缆和插座 与目标系统相连。另一种方式为主计算机经并行口通过一专用电缆线和 连接器与开发系统上的背景方式插座连接，直接在主计算机上通过软件 调试目标系统。我们采用后一种连接方式，它的示意图如下： 图2 - 2背景调试模式下主机与目标板的连接方式 琚 曲d g n d r e s e l v d o 图2 - 3连接器接口引脚 可以通过以下几种方式进入背景调试模式：外部或内部断点，b g n d 指令，双总线故障。如果不容许进入b d m 模式，当异常情况发生时，按 丽= 一 太最理大掌士研究生掌位论文 正常情况处理。 在如图2 2 所示的连接方式下，主机与c p u 3 2 在b d m 模式下以全双 工方式进行通讯。这时b e e 信号成为串行时钟信号d s c l k ，由丌发系统 负责产生这一时钟信号，通常在d s c l k 下降沿时传送数据，在随后的上 升沿时停止传送。i f e t c h 传送d s i 串行输入数据到c p u 3 2 ，d s o 串行输出 数据通过i p i p e 传送到开发系统。 2 4 小结 m c 6 8 3 7 6 微控制器采用超大规模集成电路技术，在一个芯片上集成了 c p u 、r a m 、s i m 、q a d g 、t p u 、c t m 和i 0 接口而形成一单片微计算机系统。 该微控制器成本低、体积小、功能强、工作可靠性高。采用背景调试模 式开发系统简单易行，便于操作，并且可视化程度高，可实时监控各个 寄存器的值，大大方便了调试。 太原理i 太掌砸女日究生掌位论文 3 1 概述 第三章装置的硬件系统 新型数字式备用电源自动投入装置是在以m c 6 8 3 7 6 微控制器为核心 的硬件平台上开簏的，该平台包括模拟量输入单元，开关量输入输出单 元，通讯接口单元，数据存储单元，电源部分等。装置原理框图如图3 - l 所示。 图3 - 1 装置原理框图 太m 理i ，：掌硪日究掌m * 文 3 2 装置硬件系统 本装置尽可能采用先进的设计理念和先进器件，尽量简化电路以提 高可靠性。 3 2 1 模拟量输入单元 从系统中采集装置所需电压、电流模拟信号，经电压互感器或电流 互感器转换成与微控制器m c u 相匹配的电平，再通过低通滤波回路， 削去其中的高频分量，然后送至m c u 片内q a d c 模块进行a d 转换。 其原理接线图如下所示。从图中可见，采样保持、多路转换、a d 转换 均在m c u 片内进行。这种信号处理方式与常规的片外处理相比具有较 高的可靠性和抗干扰性，而且成本较低，如果片内a d 同时具有较高的 精度，这种处理方式将是非常理想的。从4 3 1 节实验中我们已经得到了 证明，片内a d 在精度上与片外1 2 位a d 相比，差别不大，完全满足 自动装置的精度要求。 图3 - 2a d 转换原理接线刚 在2 2 4 节中已对q a d c 模块的功能和特点做了介绍。在实际应用中， 应首先对模块进行初始化：1 ) 设置q a d c m c r 、q a d c i n t 寄存器以确定中 断情况：2 ) 设置q a c r o 、q a c r l 、q a c r 2 寄存器以确定模块时钟q c l k ，队 太原理z 掌硬_ 士研究生掌m 论文 列起始、终止位置，多路转换模式；3 ) 设置c c w 转换命令字表以确定采 样时间间隔和通道选择等。在此之后每次周期中断时，只需一条简单的 指令修改控制寄存器q a c r l 中的s s e l 位咀启动队列1 ，进入 s i n g l e s c a n - m o d e ，即可从结果字表中取值，速度非常快，采样一次数据 实际占用c p u 3 2 的时间为0 1 2 5 微秒，完全可以忽略不计，周期中断的 时间全部可以用来进行数据处理。程序代码如下： v o i d q a d c 一( ) f q a c r l = 0 x 2 1 0 0 ：启动队列1s i n g l e s c a nm0de u a b s a m c u r r s a m p l e _ p o s = * a d c _ r j u r s l 7 6 * 2 0 ： u b c s a l l l c u r r s a m p l e _ p o s = 卓a d c r j u r s l t 2 * 2 0 ： b u m s a m c u r r s a m p l e p o s ：* a d c _ r j _ u r s l t 7 * 2 0 ： b u h 2 一s a m c u r r s a m p i e _ p o s = * a d cr j u r s l t 3 * 2 0 ： b i l s a m c u r r s a m p l e p o s = * a d cr l u r s l t 8 * 2 0 ： b i 2 一s a m c u r r s a m p l e p o s = * a d c _ r ju r s l t 4 * 2 0 ： 3 2 2 开关量输入输出单元 为简化电路，少占用i o 口线，本单元采用了i 2 c i o 口扩展器件 p c f 8 5 7 4 。来自外部接点的开关量，经过开入回路光电隔离后，送至 p c f 8 5 7 4 。当开关量发生变化时，由该器件向c p u 发出硬中断信号，引发 开入中断程序运行，启动i 总线输入开关量信息，用于备用电源自动投 入的逻辑判断。在程序执行开关量输出时也需启动i 总线，传送丌出量 信息。 在自动装置的开入、开出回路中使用i2 c 串行接口器件以及应用1 2 c 总线进行数据传输，是一种全新的尝试。大量试验( 如4 3 节实例) 证 明这种方式完全满足装置对动作速度和准确性的要求，而且具有较高的 可靠性。 同时为保证出口回路的可靠性，装置还采用了多重闭锁措施。如采 太 目l _ 工尢掌士m 究生掌位论3 t 用启动元件q j 开放出口正电源，采用硬件看门狗闭锁出口等。在m c u 发 出出口命令的同时，必须解除闭锁信号，同时驱动启动继电器方能驱动 出口继电器，发出跳闸或合闸命令。开出回路电路示意图如下： 图3 - 3开出回路电路示意图 3 2 3 程序、数据存储单元 由于m c u 内部仅有8 k 的r o m ，存储容量有限，所以将程序存放在2 5 6 k 的快速闪存f l a s h 中，m c u 通过总线来读取程序指令并执行。r 埘是数据 存储器，存放实时数据，事件记录等。 本单元还采用1 2 c 器件e 2 p r o ma t 2 4 c 6 4 存放整定值、电流电压通道 系数和所选接线方式：采用e p r o ma t 2 4 c 2 5 6 存放事件记录和装置自检异 常报告；采用p c f 8 5 8 3 器件来完成时钟功能。在软件上通过模拟i2 c 总线 太最理z 掌士日究生掌位论x 来完成对这些器件的数据写入和读取。相关电路如图3 4 所示。i ：c 总线 模拟技术将在3 4 节中做详细说明。 a t 2 4 c 2 5 6 a t 2 4 c 6 4p c f 8 5 8 3 图3 4 定值存取和时钟功能1 2 c 总线系统接线 3 2 4 通讯接口单元 装置通过r s 2 3 2 或c a n 网络接口电路按通讯规约与外部设备( 上位 机，打印机) 进行通讯。 3 2 4 1 打印功能 打印功能是通过m c u 的q s m 模块中的串行通信接口s c i 来实现的 首先对s c t 进行初始化：1 ) 设置s c c r o 1 2 ：0 寄存器以定义s c i 波特 率；2 ) 设置s c c r i 寄存器以确定数据长度；3 ) 测试状态且当接收数据 寄存器r d r 满时，读出接收数据；4 ) 测试状态且当发送数据寄存器空时， 写入新的待发数据。在s c l 和外部设备都准各后，外设送来任何数据将 被移入s c i 的接收数据寄存器r d r ，接收程序必须等到状态寄存器s c s r 的r d r f 位为1 ( 接收数据寄存器满) 时，才能读出并存储r d r 中的数掘： 发送程序在s c s r 的t d r e = i ( 发送寄存器空) 时，将要发送的数据写入发 送数据寄存器t d r 。由此，m c u 驱动打印机，发送打印命令。 太原理i 失掌女* 究生掌m 论文 3 2 4 2 通讯功能 具备完善的通讯功能是变电站自动化的关键问题，采用c a n 总线网 络控制部分来实现装置同网络上其它设备间进行实时的数据交换，完成 遥测、遥信、遥控、遥调及远方修改定值、远方信号复归等功能，具有 很大的优势。4 。”。因为c a 网络中任一节点均可作为主节点主动地与其 它节点交换数据，而且网络中的节点可分优先级，这样彻底解决了从节 点无法主动地与其它节点交换数据的问题，从根本上消除了主从方式中 的瓶颈现象，并由此给系统设计以更大的灵活性。另外c a n 总线具有很 强的抗干扰和错误检测能力。装置在利用c a n 总线网络控制部分实现通 讯功能后，可以在远方完成各自投的投入退出、复位操作和参数整定， 把备自投装置的动作报告和整定值单传到上位机，实现自动化。 m c u 的t o u c a n 模块是一个实现c a n 2 0 通讯规约的控制器。使用它 进行通讯时，在发送过程中主要执行四步：1 ) 设置信息缓冲区m b 的控 制寄存器，使所有要使用的m b 都处于未准备好状态：2 ) 赋给所使用的 m b 一个i d 值；3 ) 往所使用的h i b 内放入所要发送的数据；4 ) 修改所使 用m b 的控制寄存器，置发送允许位，并指出所发送数据的字节数。当执 行完这四步以后，m b 便会自动参与总线仲裁，一旦检测到总线空闲或 者竞争获胜，便会将数据发送出去。在接收过程中，主要应执行以下三 步：1 ) 设置m b 的控制寄存器，使所有要使用的m b 都处于未准备好状念； 2 ) 赋给所使用的m b 一个i d 值，注意这一i d 一定要和发送的一样才能 接收到相应的数据；3 ) 置接收允许位。通讯这一部分的工作还有待继续 完善。 3 2 5 电源部分 开关电源可输出5 v ，正负1 2 v ，2 4 v ，k 2 4 v 等电压等级，各路电源相 l l l 大攀硬研究，掌m 。蹭： 互隔离并加抗干扰措施。其中5 v 专向m c u 及附属回路供电；正负1 2 v 向 运算放大器回路供电；2 4 v 向出口回路及继电器供电；k 2 4 v 向开关量输 入回路供电。 装置硬件设有电源检测回路，如图3 5 所示。当5 v 、正负1 2 v 、k 2 4 v 都正常时，三个光耦全部导通，这时继电器动作，常闭节点打丌，不点 亮装置异常灯：当任一电源消失后，对应光耦不导通，继电器将返回， 常闭节点闭合，点亮装置异常灯。 g 婴。一5 v o 台 图3 - 5电源检测回路 3 3 装置的整体结构 装置机箱的整体抗干扰性能。”是保证装置在各种强电磁、强振动、 强干扰环境下不误动，不据动，篚正确动作的首要条件。因此，在对机 箱结构进行了细致的研究比较之后，决定采用目前国内比较先进的背插 式机箱，选用铝合金型材，全导电连接；接插件选用高质量高可靠性元 件，端子选用国内最好的凤凰端子。而且由于采用了背插式机箱解决 了c t 开路和绕接线接触不良等问题。 1 日l z 大掌日r 日究掌t 论文 3 3 1 装置面板 装置面板由液晶、按键和指示灯三部分组成，用来显示装置的工作 状态，完成人机交互信息。面板布置如图3 6 所示。 图3 - 6装置面板布置图 3 3 2 装置插件及背板布置 该装置共有7 个插件，如下所述： 1 ) 电源插件( 1 个) ：为装置提供可靠的工作电源，输入2 2 0 v 直流 交流，输出5 v ，正负1 2 v ，2 4 v ，k 2 4 v 等电压等级。 2 ) m c u 插件( i 个) ：为微控制器单元，2 4 v 开入最大可提供5 对， 并有一对t o c a n 网络接口及r s 2 3 2 串口。 3 ) 开出插件( 2 个) ：为装置出口插件，各输出三组跳闸接点三组 合闸接点、三对信号接点，装置异常备用接点。 4 ) 开入插件( 1 个) ：为开关量输入插件。输入各断路器辅助接点、 原理z 太掌硕士研究生掌位饨。史 闭锁接点等。 5 ) 交流插件( 2 个) ：为交流模件。输入母线及供电侧的电压和电流。 装置背板布置如图3 7 。 p o w e ro u t lo u t 2 m c i n p u ta c 2 a c l r $ 2 3 2 图3 - 7装置背扳布置图 3 4 模拟1 2 c 总线数据传输 i2 c 总线已经广泛应用于电子产品中，其他厂家的继电保护产品中也 有用于e 2 p r o m 与c p u 通讯使用。 3 4 11 2 c 总线概述 i 总线“”是p h i l i p s 推出的芯片间串行传输总线，它以二根连线实 现了完善的全双工同步数据传送，可以极方便地构成多机系统和外围器 件扩展系统。i 总线采用了器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址完 全避免了使用器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统具有最简单而灵 原理 掌砸日r l # m x 活的扩展方法。按照i 总线规范，总线传输中的所有状态都生成相对应 于状态寄存器中的状态码，系统中的主机能够按照这些状态码自动地进 行总线管理，用户只要在程序中装入i2 c 标准处理模块，根据数据操作要 求完成i2 c 总线的初始化，启动i2 c 总线就能自动完成规定的数据传送操 作。 在单片机应用系统中采用1 2 c 总线可以晟大限度的简化结构。二线制 i2 c 串行总线使得各电路单元之间只需要最简单的连线，而且总线接口都 已集成在器件中，不需另加总线接口电路。此外i c 总线具有最大的灵活 性，12 c 总线各节点具有独立的电气特性，各节点单元电路能在相互不受 影响的情况下，甚至在系统供电情况下，接入或拆除。这样在系统改型 设计时，对电路板系统影响很小。 对于不具备i 总线接口的单片机可以使用普通i 0 口来模拟i2 c 总 线接口的数据传送时序，实现对外围器件的读、写操作。这种方式消除 了串行扩展的局限性，扩大了i2 c 总线的应用范围。 3 4 2 模拟i2 c 总线数据传送原理 3 4 2 1 数据传送 对标准1 2 c 总线的数据传送，规定有严格的时序要求，以保证数据传 送的可靠性。用普通i 0 口模拟i2 c 总线的数据传送时，单片机的时钟信 号都能满足时钟线s c l 、数据线s d a 上升沿、下降沿的时l 刮要求，因此， 在时序模拟时，最重要得是保证典型信号，如启动、停止、数据发送、 保持及应答位的时序要求。1 2 c 总线数据传送的典型信号及其定时要求如 图3 - 8 s d a s c l 篡4 z 大掌士究生掌位论文 。a 。e 。点l l 一一挲峰l 发送0 或发送应答位发送1 或发送非麻答位 图3 - 81 2 c 总线数据传送的典型信号及其定时要求 注：s c l 时钟信号最小高电平周期为4 o u s ，最小低电平周期为4 7 u s 。 启动：在时钟线保持高电平期间，数据线出现由高电平向低电平变 化时将启动i 总线，为i 总线的起始信号。 停止：在时钟线保持高电平期间，数据线出现由低到高的电平变化 时将停止i2 c 总线的数据传送，为1 2 c 总线的终止信号。 数据发送：i2 c 总线数据传输时，在时钟线高电平期间数据线上必须 保持有稳定的逻辑电平状态，高电平为数据1 ，低电平为数据0 。只有在 时钟线为低电平时，才容许数据线上的电平状态变化。 应答：1 2 c 总线数据每发送一个字节数据后都必须发送应答信号。在 第9 个时钟位上，接收器输出低电平为应答，输出高电平为非应答信号。 当主控器接收数据时，接收到最后一个数据字节后，必须给被控发送器 发送一个非应答位，使被控发送器释放数据线，以便主控器发送停止信 号，从而终止数据传送。 起始信号与终止信号都是由主控器产生。总线上带有i2 c 总线接口的 器件很容易检测到这些信号。启动1 2 c 总线后主控器立即发送寻址字节。 寻址字节由高7 位地址和最低l 位方向位组成，方向位表明主控器与被 控器数据传送方向。方向位为0 时表明主控器对被控器的写操作，为1 时表明主控器对被控器的读操作。此时，总线上的所有器件都将寻址字 节中的7 位地址与自己的器件地址相比较，若两者相同，则该器件认为 太原理大掌硕士研究生掌论文 在被主控器寻址，并根据读、写位确定是被控发送器还是被控接收器。 在寻址字节后i 总线将传送按指定读、写操作的数据字节与应答位。被 传送的数据字节数是没有限制的，但每传送完一个8 位字节后都必须跟 随一个应答位，并且首先发送的数据位为最高位。在全部数据发送结束 后主控器必须发送终止信号。整个过程如下图所示： 。趟：呲：如眨) ) 口；厂 吼瞰