智能选相断路器控制的硬件设计

1、西华大学毕业设计说明书 智能选相断路器控制的硬件设计摘要：本设计主要阐述的是一种新型的智能控制器智能选相断路器，也称为相控开关。其硬件主要以TMS320F2812-176LQFP 以及其外部扩展复杂可编程逻辑器件为核心，通过各种外部电路采集电力系统的信号并运用数字信号处理器中写入相应的程序实现对断路器永磁机构的智能控制，永磁机构是智能控制器件的关键部分，永磁机构是区别于传统的弹簧机构和电动机构的一种比较好的断路器传动机构，在智能控制中得到了广泛应用。在设计过程中充分考虑电路信号的安全稳定性，在电路中需设置各种保护，驱动回路前后级之间采用光电隔离技术。关键词：相控开关，永磁机构，复杂可编程逻辑器

2、件，数字信号处理器Abstract：Mainly elaborated the design is a new kind of intelligent controller, intelligent circuit breaker phase selection, also known as phase switch. Its hardware mainly LQFP TMS320F2812-176 and its external extension CPLD as the core, through a variety of external circuit in the acquisit

3、ion of power system signal and using DSP to write the program corresponding to the intelligent control of permanent magnetic actuator circuit breaker permanent magnet mechanism is a key part of intelligent control devices, permanent magnet mechanism is different from traditional spring mechanism and

4、 the mechanism of transmission mechanism, a better circuit breaker has been widely applied in the intelligent control. In the design process fully consider the safety stability of the circuit signal, need to set up all kinds of protection in the circuit, drive circuit level between before and after

5、adopting photoelectric isolation technology.Key words:The phase switch，Permanent magnet mechanism，CPLD,DSP 目 录1 绪论11.1 选题的目的与意义11.2 智能选相断路器的介绍11.3 智能控制器件的发展现状与前景21.3.1 发展现状21.3.2 发展前景21.4 课题研究的目的和工作任务32 总体方案设计42.1 智能选相断路器永磁机构42.1.1 永磁机构简介42.1.2 永磁机构的结构及原理42.2 控制方案选择62.3 智能选相断路器的原理72.4智能选相断路器设计的总体思路8

6、3 总电源模块设计104 交流信号采集调理转换单元设计124.1 交流信号采集电路设计124.2 交流信号调理电路设计134.3 A/D转换单元设计134.3.1 A/D工作基本原理144.3.2管脚介绍及设计图145 CPU单元设计185.1 CPU电源185.2 DSP最小系统设计195.2.1 DSP复位电路设计195.2.2 DSP时钟电路设计205.2.3 DSPJTAG接口电路设计205.3 DSP CAN总线设计215.4 DSP外部随机存储器设计225.4 CPLD模块设计236 开关量接口设计256.1开关量插件的功能与芯片介绍256.2 开关量模块电源设计276.3 单片机

7、小系统设计286.3.1 单片机复位电路设设计286.3.2 JTAG插件设计286.4 ATMEGA128总线接口的设计296.5 实时时钟电路设计306.6 开关量采集电路设计316.7 远动分、合、快速跳闸220V电源开关量采集设计326.8 开关量显示回路设计337 驱动模块设计357.1 驱动部分电源设计357.2 驱动回路原理及设计367.2.1 驱动部分调理电路设计377.2.2 驱动部分控制电路设计397.2.3 励磁线圈电流检测电路417.2.4 励磁线圈过电流保护监测电路417.2.5 断路器动触头位置监测电路设计427.2.6 电容电压监测电路设计438 总结体会459

8、致谢4610 参考文献47附录1：智能选相断路器控制的设计图48附录2：外文资料翻译491 绪论1.1 选题的目的与意义 随着经济社会的发展，我国对电能的需求越来越大，电能对经济的促进作用也越来越明显，因此为了满足国家发展需要我们就需要大力发展电力系统，与此同时我们对电能安全性能也越来越高。那么传统的电力系统、电器元件并不能满足电力安全的要求，因此我们就需要研究性能更好、可靠性更高的电器元件从而改善电力系统。在电力系统中与电网安全性紧密相关的就是断路器，断路器的作用是对电网进行正常的开断或者是当电网出现故障时保护动作使断路器开断切除故障，所以断路器性能的好坏直接关系到电网安全、用户和企业安全。

9、传统的断路器它的操作机构有弹簧操作机构、电动操作机构，在以前我们对电能质量和电网安全性要求不高的时候此种断路器还是非常安全可靠的，但是现在这种断路器就不能满足电网安全性的长远发展，因此研究智能型断路器是一个非常有意义的课题。 断路器的性能很大程度上取决于它的操作机构的性能，断路器的操作机构从弹簧操作机构、电动操作机构发展到现在的永磁操作机构。传统操作机构受机械性能影响比较大，其时间的离散性比较大，因此其就不能实现让断路器动触头快速动作切断电网故障，也就不能实现很好的保护作用，而对于智能选相断路器其操作机构是由永磁铁构成的永磁机构,其具有动作速度快也就是时间离散性小，所以就很好的满足当前电力系统

10、发展的需要。 在当下电力系统大力发展的前提下，发展智能电网是我国发展的一大趋势，研究设计智能选相断路器也是发展智能电网的其中一部分，智能断路器的核心就是DSP，电力系统的各种数据都会传输到DSP中，经过DSP的处理判断而做出断路器是否动作、何时动作或者是发出各种提示信号，这样就能比传统断路器更能对电网实现保护功能。还有就是通过通信可以实行远距离的对断路器的远程控制、监视。真在的实现电网的智能化。因此在这样一个背景下我们研究设计智能选相断路器是非常有意义的。1.2 智能选相断路器的介绍 智能选相断路器也称为相控开关，其硬件主要由电源模块、信号采集单元、信号调理单元、A/D转换单元、DSP和CPL

11、D单元、开关量输入输出模块、驱动模块等构成，在这过程中主要运用到了电子线路设计技术、微处理技术、远程通信技术，电子线路设计主要是为了完成各种模拟信号和数字信号的采集传输；微处理技术它是智能选相断路器的心脏，通过一些方可以让其实现逻辑推理、逻辑判断；远程通信技术它主要是为了能让断路器实现远程控制、远程监视而设计的一个模块。智能选相断路器和传统断路器相比差别是很大的，首先智能选相断路器的可靠性要比传统断路器要高，应为它能够实时的对系统参数进行采集、监控，当发现故障时立即作出判断从而控制断路器动作，同时智能选相断路器反应要比传统断路器要快，主要是应为其操作机构是永磁操作机构，和传统的电动操作机构、弹

12、簧操作机构相比其时间离散性要小得多，那么当故障发生的时候就能快速的切除故障保护系统安全，智能选相断路器它能通过实现写好的程序自己进行逻辑判断和处理控制，这就叫做“智能选相断路器”。1.3 智能控制器件的发展现状与前景1.3.1 发展现状 智能器件的发展一定程度上反应在智能电网的发展上，智能电网已经引起了很多国家的关注包括欧美发达国家，只是欧美国家比我国发展的要早、要快。，在1998年，美国就进行了智能电网控制的试探性研究；在2002年，美国立项“Intelli grid”开启了智能化的正式研究；2008年，美国建立了世界首个智能化电网城市Boulder，所以美国的智能化研究是走在世界前列的；英

13、国也与2009年提出发展智能电网，并且投入巨额的资金进行研究；德国、法国都推出了自己的智能研究发展计划。智能选相断路器作为智能电网重要的一部分对它的研究是非常重要的，经过这么多年的研究也有了许多实质性的进展。对于我国智能电网、智能控制方面的研究起步相对要晚一点点，在2008年才开始启动，我国的智能电网主要是朝着智能电表、特高压方面发展（智能选相断路器是其中的一部分），也取得了很大的进展。2009年，在四川建立了全国首个智能化实训变电站，并成立了中国电器工业协会智能电网专家组，2011年国家电网发布了关于智能电网发展的长远计划。通过这几年的发展我国智能电网研究取得了阶段性的成果。1.3.2 发展

14、前景 经过几十年的发展，我国的电力行业取得了令人瞩目的成就，在当下我国经济快速增长的这一形式下，传统的电力网安全性能不能满足经济的长远发展，因此电网就需要进行升级改造。当下我们对于智能电网的研究虽然才刚起步，介于它的实用性非常大，同时电子技术快速发展对我们研究智能电网起到推动作用，那么我们研究智能选相断路器是非常有必要的，同时也是以后电网发展的趋势。在未来，智能控制必将引领电力网新一轮的变革。1.4 课题研究的目的和工作任务 本课题研究的目的：是研制一种智能化的断路器，让其能够满足当下经济快速增长、保障供电安全性的要求。 本课题需要做的工作和完成的任务是：1)首先查找资料，了解国内外关于智能选

15、相断路器的发展状况。2)设计方案讨论与选择。3)做出本设计的总体框图。4)分模块进行硬件设计，包括电源、信号采集、调理、A/D转换、DSP和CPLD、开关量插件、驱动等部分的硬件设计。并检验其设计合理性。第 48 页2 总体方案设计 2.1 智能选相断路器永磁机构2.1.1 永磁机构简介 短路器的操作机构有很多种，有弹簧操作机构、电磁操作机构，还有就是现在逐渐普及、成熟的永磁机构。 永磁机构是一种利用永磁铁的特性来保持断路器触头位置的新型电磁操作机构。通过原理的不同我们可以将其分为单稳态永磁机构和双稳态永磁机构。单稳态永磁机构只有一个励磁线圈，其只用于断路器的合闸操作，其开断由弹簧机构来实现；

16、双稳态永磁机构其可能是有两个对称的励磁线圈，或者是只有一个不对称的励磁线圈，其断路器的分合都是由永磁铁来控制的。2.1.2 永磁机构的结构及原理 单稳态永磁机构图如下所示，其主要由定铁芯、永磁铁、动铁芯、驱动轴、线圈组成。 图2.1 单稳态永磁机构 单稳态永磁机构的原理：在分闸状态时，励磁线圈中无电流流过，其由弹簧的拉力保持其在分闸位置，当线圈中通一正向电流时，线圈周围产生磁场，让永磁铁向上的磁力增强，就会吸引动铁芯向上运动，则驱动轴就会驱动断路器闭合，同时由于永磁铁的特性其的磁力会一直保持；在需要分闸时，我们就在励磁线圈中同一个相对较小的电流，以此来消弱永磁铁的磁力，当永磁铁的磁力小于弹簧向

17、下的拉力时，动铁芯就会向下运动，驱动断路器分闸。 对于双稳态永磁机构其与单稳态的差别就在于励磁线圈的不同，如下图所示双稳态永磁机构的结构图。图2.2 双稳态永磁机构结构图 如上图所示，1为驱动轴；2为空气间隙；3为合闸线圈；4为永磁铁；5为动铁芯；6为静铁心；7为分闸线圈；8为空气间隙。如（c）所示断路器在分闸位置，若我们需要进行合闸操作时，就需要在合闸线圈3中通电流，线圈得电后，将会产生磁场并且该磁场与永磁铁产生的磁场相反，那么就会消弱永磁铁的向下的磁力，当电流大到一定值时，间隙2中的磁力大于间隙8中的磁力的时候，动触点就会向上运动，从而实现合闸。要实现断路器分闸，其原理和合闸是相同的，就是

18、在分闸线圈中通一电流使间隙8中的向下的吸引力大于间隙2中向上的吸引力就能实现分闸。 单稳态永磁机构与双稳态永磁机构相比有一下优点：1）单稳态永磁机构只有一个励磁线圈，所以这样就减少了永磁机构的体积2）单稳态永磁机构的分闸是靠弹簧的拉力来实现的，因此这个过程需要流入励磁线圈的电流较小，耗能较小。3）由于是采用弹簧分闸，所以其不会出现动触头在中间位置的情况。 我们从永磁机构和弹簧机构的的结构可以看出，永磁机构结构很简单，元件相对较少，所以这样可以减少其在动作过程中出现故障的概率。同时永磁机构它的操作也比较简单、动作迅速，所以其更能满足电力系统安全性的要求。 综合上述永磁机构的优点，本设计根据满足现

19、代电力系统安全性要求，选择单稳态永磁机构做为断路器的操作机构。2.2 控制方案选择 随着电力电子器件的发展，控制器件也经历了几代发展，现在用的控制器主要由三种，继电器控制方式、电子控制方式、微机控制方式。三种控制方式的特点如下： 1) 继电器控制方式，这种方式主要是通过继电器不同的连接方式来实现不同的功能。由于继电器的性能决定了其只能实现对小电流、小电压进行开断。虽然它能够对各种电气量进行检测，但是由于其逻辑功能单一、不利于扩展。因此现在这种控制方式逐渐的被淘汰了。 2) 电子控制方式，电子控制方式就是利用各种电力电子元件组成的一个逻辑电路，实现对器件的控制。因为电力电子元件的发展迅速，所以其

20、性能也比继电器控制方式有很大的提高。这种控制方式主要是利用变压器、互感器及各种传感器对信号进行采集，在通过电子元件对信号进行调理，后通过电子驱动回路实现对晶闸管的开断控制，实现对器件的控制。这种控制方式主要的缺点就是要实现多个逻辑功能时，电路非常复杂，利用的元器件较多。 3)微机控制方式，微机控制方式是以微机处理器为核心的一种控制方式，其可根据人们的需要来编写程序，在通过程序来进行逻辑处理输出去控制励磁机构。因为处理器的逻辑判断功能，这就实现了智能化的控制。智能控制不仅可以提高对信息的处理能力，还可以提高控制的安全性。因为其受程序的控制所以我们利用起来非常方便，功能也利于扩展。 通过以上的比较

21、我从安全性和实用性的角度，选择微机控制方式。其更适合现代化电力器件的发展方向。2.3 智能选相断路器的原理 1、智能选相断路器，其通过采集电力系统的三相电压、电流信号，同时通过传感技术采集断路器励磁线圈上的励磁电流和监视断路器动触头行程，将其信号经过处理输入DSP中，因为DSP中已经写入了我们所编写的程序，那么其就会对输入的信号进行逻辑判断、分析，经判断如需进行断路器的开断，则其会发出开断命令，在开断命令到来时其会计算出电压或电流在过零点的最短时间，并推断出以后过零点的时间，选择最合适的时间输出信号去让某组二极管导通从而改变断路器励磁机构线圈的励磁电流的流向使永磁铁得磁或消磁，实现断路器的关断

22、，这样就可以避免使断路器开断是产生过电压或过电流危害电网。同时我们还设计有人机接口界面，对系统状态可在线监测，具有9个按键输入能够对一些整定参数进行设置。通过这样智能选相断路器就可以实现某些保护，如过电流保护、欠压保护、过压保护等等，因为我们在编写程序算法时已经将各种系统故障出现的情况写入其中，它自己就能判断是什么故障，所以就能自主的进行动作或发出各种信号。 2、相控开关技术的原理 选相控制技术就是在断路器自身机械性能所决定的动作时间t上，再根据我们对断路器开断时电压或电流相位的要求基础上而计算出其动作时间的技术。 如图2.3所示，我们以断路器合闸为例，当控制器在时刻收到合闸命令后，其将会选择

23、一个参考零点，图中其选择的是收到前的零点为参考点，选择参考点后，控制系统将计算出其适合的合闸相位，微处理器将会在经过时间后发出合闸命令。其中是控制系统的逻辑处理时间。同理分闸原理也是一样的。 图 2.3 同步合闸时序原理图 2.4智能选相断路器设计的总体思路 智能选相断路器采用TMS320F2812-176LQFP芯片为核心，其主要构成有：电源模块、交流信号采集单元、信号调理单元、A/D转换单元、DSP和CPLD单元、开关量插件、驱动模块。总体框图如图2.4所示：图2.4 智能控制器总体框图3 总电源模块设计 1、电源是器件工作必备的一部分，电源性能的好坏对硬件电路的工作有很大的影响，因此我们

24、就需要对硬件设计一个可靠的电源。在设计中我们主要用到的电源有、。因此就可以通过开关电源将转换成、，在根据其需要转换成各种芯片的电源。总电源设计图如下所示。图3.1 开关电源 2、因为控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离，所以他们的直流电源之间也因相互隔离，这里用的是PWF2424D-6W双输入DC/DC转换器，同时数字电源对模拟电源之间有干扰，我们需要将其隔开，那么就在数字与模拟电源之间串联一个磁珠和并联一个点解电容，对高频信号进行阻碍和滤除。图3.2 24VDC/DC转换图3.3 数模电源隔离 在电源电路设计过中也要充分考虑到干扰信号对控制电路的影响，如图3.2所示，在电源输出

25、端并联一个压敏电阻。其作用就是当输出电流突然变得很大时，其将被击穿起到分流的作用从而起到保护的作用。在正常时由于压敏电阻阻值很大，相当于开路。4 交流信号采集调理转换单元设计4.1 交流信号采集电路设计 交流信号采集单元主要用于采集电力系统三相电压、电流信号，首先经过变压器将电网高电压降压到较低的电压，中间串有磁环，相当于增大了线路的电感，磁环的作用主要是用来抑制阻尼振荡波，减少高频信号的干扰，后面再经过电压电流互感器将电压、电流信号转变成适合A/D输入的信号。交流电压信号采集电路如图4.1所示：图4.1 电压采集电路交流电流信号采集电路如图4.2所示： 图4.2 电流采集电流 在电压电流互感

26、器的二次侧都并有一个双向稳压二级管P6KE12CA，它的作用是对电路进行保护，当互感器二次侧的电压大于12V的时候（不管是正向还是反向）稳压二极管被击穿，此时电路被短路从而避免高电压、强电流流入A/D，造成A/D损坏。在稳压管后接有旁路电容电路作用是消除经变压器和互感器转换后信号内杂波的影响。4.2 交流信号调理电路设计 信号调理电路由LC形滤波电路和一个电压跟随器构成。LC形滤波电路和交流信号采集电路中的LC滤波电路是连接在一起的，作用都是滤除电路传输中的杂波从而消除对后面电路的干扰，形滤波电路后面接有一个电压跟随器，电压跟随器的作用：首先是具有隔离缓冲的作用，因为电压跟随器输入阻抗很高，几

27、乎不从信号源吸取电流；输出阻抗很低，所以后级电压几乎不受负载的影响，可视为电压源，因此前级能够驱动的有效负载的能力就越强，A/D所采集的信号就更加准确（即增加了电路的抗干扰能力）。信号调理电路如图4.3所示。图4.3 信号调理4.3 A/D转换单元设计 在这里我们采用的是AD7656芯片，它具有以下特点:AD7656是6个输入通道的逐次逼近型ADC转换器，因为它具有高速的串行与并行接口，所以可以与DSP相连接。它的分辨率很高同时功率消耗很小。4.3.1 A/D工作基本原理 因为本次设计需要对多个模拟信号进行采集处理，所以设计采用了两片AD转换器，这样通过DSP发出的脉冲就可以控制两片AD六通道

28、分别进行电压、电流信号的采集（两片交替工作），同时对应AD的D0至D15接口同步输出信号至DSP。当某片AD的CS接口为高电平时说明DSP允许其工作那么另一片ADC就不允许工作，当CONVA、CONVB、CONVC都由低电平变为高电平时，那么ADC转换就开始进行（本设计中三个接口是连在一起的，即V1至V6是同时工作或同时不工作的）。当AD开始工作时18接口呈高电平，过一段时间后又变为低电平，表明ADC由工作状态变为停止工作状态，18引脚是受DSP的中断信号控制，连接在CPLD的中断引脚上。AD的两个RD引脚是连接在一起的接在DSP的42号引脚上，在片选CS为低电平的前提下，当DSP发出一个低电

29、平时到42引脚时，DSP就开始读取ADC内部寄存器中的数据，此外两片ADC芯片的复位引脚也是连在一起并接在CPLD的1接口，高电平有效，也就是说当DSP开始读取ADC中数据时会发出一个上升沿信号至复位引脚，因为只有这样才能保证读取数据时从数据的第一位开始。4.3.2管脚介绍及设计图 本设计中A/D转换单元需完成的功能：1)对电网三相电压进行采集转换，监视过电压2)同时也对分、合闸过程中A、B、C三相操动机构励磁电流进行监视。3)对分、合闸过程中A、B、C三相触头运动的位置进行监视。 AD7656各接口电路的设计：表4.1 AD管脚介绍管脚编号管脚名称 管脚功能33、36、39、42、45、48

30、V1V6模拟信号单端输入通道，其由RANGE控制27RANGE决定模拟输入信号的范围接CPLD3.3v电源54565851REFCAPAREFCAPBRCFCAPCREFIN/REFCOUT连接去耦电容（1uF）后接地,其对每对ADC基准电压缓冲器进行去耦9、26VDRIVE DVCC9接口是逻辑电源输入，起接口电源电压决定逻辑接口的工作电压由CPLD决定。26接口是数字电源4.75V5.25V31VDD模拟输入部分的正电源电压，接正15v电压30VSS模拟输入部分的负电源电压，接负15v电压32、37、38、43、44、49、52、53、55、57、59AGND模拟接地8、25DGND数字地

31、28RESET复位输入，上升沿有效24STBY待机模式接口，低电平为待机，高电平时正常18BUSY当此引脚为高电平时表示转换正在进行212223CONVC CONVBCONVA转换开始输入端，分别用于启动V1和V2，V3和V4，V5和V6输入，高电平是启动19CS片选，下降沿有效63WR数据写入使能端，始终为高电平，不能写入20RD读取数据使能64234 D15D13D12D11三态并行输入、输出引脚，当CS和RD为低电平时用来做输出引脚，当CS和WR为低电平时作为写入控制寄存器引脚1REFBUF数据使能/禁用，三态输入输出引脚5DOUTC串行输出数据C，三态并行数据输出引脚6DOUTB串行输

32、出数据B，三态并行数据输出引脚7DOUTA串行输出数据A，三态并行数据输出引脚10HBEN/DCEN并行输出引脚/菊花链启用11121314SCLKDCINADCINBDCINC三态输出引脚151617SELCSELBSELA三态输出引脚，若接口为高电平时则串行接口1、2、3工作，并能使其作为串行端输出，若为低电平就不能使相应的接口作为串行口输出34、35、40、41、46、47、50、60、AVCCADC内核模拟电源电压,正5VAD及外围接口图如下所示：图4.4 AD接口及外围电路A/D与DSP、CPLD的接口电路如下所示： 图4.5 AD与CPU接口设计5 CPU单元设计 CPU单元是智能

33、控制的核心，主要功能是根据写入程序的要求对各种输入信号进行逻辑判断推理，并作出相应的动作信号。本设计主要以TMS320F2812为核心,辅以随机静态存储器IS61LV51216以及可编程逻辑器件EPM3256ATC-144构成。虽然TMS320F2812自带有大容量的存储器，但是我们为了提高DSP的处理能力，所以在外部扩展了一个随机存储器IS61LV51216。 TMS320F2812是一种高性能的数字信号处理器，特点如下：1)自带有16通道ADC转换通道；2)有两个大容量存储器；3)有19位地址和16位数据单相输出接口，可以进行外部存储器扩展；4)有3个时钟控制接口；5)两个事件管理单元，分

34、别包括三个比较单元、三个捕获单元、两个正交编码脉冲单元；6)数据和程序空间是采用分开寻址的方式；5.1 CPU电源 电源是CPU正常工作不可缺少的，因此电源设计得好坏对其工作有很大的影响。经分析得知对于CPU系统所需的电源有+3.3V、+1.8V。因此就可以用+5电源经过TPS76818QR和线性电压变换器LM1117转换得到，设计如5.1图所示。图5.1 3.3VCPU电源 输入、输出端都要并联电容，因为这样可以提高输出电压的稳定性和瞬态响应。在LM1117两端并联有一个二极管，其作用就是当输入端发生接地短路时，输出端电容将会向调节器的输出端放电，若电容输出电流过大将会烧毁LM1117，所以

35、我们并联一个一个IN4007旁路二极管，当输出级电容向前级放电时，电流就从二极管流过，起到保护LM1117的作用。 DSP 1.8V电源如图5.2所示：图 5.2 1.8VCPU电源5.2 DSP最小系统设计5.2.1 DSP复位电路设计 DSP复位电路的功能是：对系统进行监视。因为系统在运行过程中容易受到干扰从而造成系统故障。为了系统能够自动的恢复正常，我们就需要对其进行监视调整。在这里我用的是TPS3823-33DBVT芯片构成的复位电路。其原理是：通过在复位电路中接入VDD，当VDD电压下降到某一值时就会在接口RET输出一个低电平（持续一段时间），使DSP复位正常工作。设计电路图如下：图

36、5.3 复位电路5.2.2 DSP时钟电路设计 时钟电路主要是用于给DSP内部提供一个基准时钟频率，保障其内部有序运行。它的设计有谐振器方式和外部振荡器方式，在这里我使用的是一个无源晶振，设计电路图如下：图5.4 晶振5.2.3 DSPJTAG接口电路设计 JTAG接口电路主要是用于对DPS的调试以及仿真用。通过JTAG接口可对DSP芯片进行编写程序，在DSP硬件设计完以后，我们可以通过JTAG接口载入程序数据，对其进行仿真，检验各接口电路设计是否满足我们的要求。其设计电路图如下：图5.5 JTAG接口5.3 DSP CAN总线设计CAN总线主要是用于DSP与单片机之间进行通信（数据传输）。S

37、N65HVD230是一种高收发率的通信收发器，抗干扰能力很强。为了提高通信的可靠性和通信效率采用两个CAN总线进行同时传输，因为TMS320F2812自身只有一个CAN总线接口，因此还需外扩一个。在这里其电源是3.3V，SN65HVD230的RS要连接一个10K的电阻使其工作在斜率控制模式下。设计如下图5.6所示。 图5.6 CAN总线设计5.4 DSP外部随机存储器设计 再设计过程中考虑到DSP需处理的程序较多，为了防止其内部存储器不够用，所以就对其进行存储器外扩。外扩存储器用的是IS61LV51216芯片，IS61LV51216是一个结构为512K*16位字长的、8M容量高速率静态随机存储

38、器，其具有19根地址总线和16根数据总线，是和TMS320F2812相匹配的。其所需电源为3.3V。IS61LV51216芯片如下图：图 5.7 IS61LV51216接口设计工作原理： 当DSP向片选信号发出一个低电平时，若此时也向WE发出低电平、OE为高电平，则此时DSP向寄存器内写入数据；若向OE发出低电平、WE发出高电平，则此时DSP向寄存器进行读数据。 DSP与IS61LV51216的接口连接设计如下图：图5.8 DSP外扩寄存器原理5.4 CPLD模块设计 CPLD 模块在本设计中也是出于非常重要的地位，本设计用的是可编程逻辑芯片EPM3256ATC-144，其启动运行电源用3.3

39、V，其可同步进行信号的输入输出，我们可以根据功能的需求对其编写程序，从而完成某些我们需要的逻辑运算。它主要用于接收DSP的控制信号并做出相应的动作。 CPLD模块主要作用如下： 1）接收断路器开断、闭合信号；2）接收给驱动装置充电信号；3）接收断路器位置信号；4）发出中断信号（信号突然变化时）； CPLD接口设计图如下所示：图5.9 EPM3256ATC-144接口设计6 开关量接口设计6.1开关量插件的功能与芯片介绍 1、 开关量插件主要作用是： 1）对开关量插件24V电源监控； 2）对16路24V开关量输入信号监控和采样； 3) 三路远动开关量220V输入信号监控和采样：远动合、分和跳闸命

40、令； 4) 根据装置状态输出3路状态信号：合闸、分闸和报警； 5) 通过内部CAN总线将开关变位信号反馈给CPU插件； 6) 定值组设置，CPU片内EEPROM实现； 2、该单元的设计主要以ATMEGA128单片机为核心，其作用是将采集的各种开关量信号进行与整定值比较，判断其开关状态，后通过CAN总线向DSP反馈开关量信号，从而用于DSP控制开关开断的一个依据。同时单片机检测到三相断路器的状态后会通过外部电路发出声光信号，表明断路器的状态。 ATMEGA128是一款性能非常高的微处理器。其特点如下： 1)具有133条强大的指令和32X8个通用寄存器、两个硬件乘法器； 2)工作于16MHZ时性能

41、高达16MIPS； 3)具有128KB的在线可编程Flash； 4)具有4K字节的EEPROM和SRAM；通过JTAG 接口实现对Flash, EEPROM的编程； 5)两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器，具有独立预分频器的实时时钟计数器两路8 位PWM6路分辨率可编程（1 到16 位）的PWM6)具有八个单通道、七个差分通道和两个可以编程的差分通道；两个可编程的串行USART；可工作于主机/ 从机模式的SPI串行接口具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器 单片机芯片接口介绍：表6.1 AT

42、MEGA128接口功能接口功能A(PA7PAO)端口A为双向I/O口，作为开关量信号输入。B(PB7PBO)接CAN总线控制器C(PC7PC0)端口A为双向I/O口，作为开关量信输入。D(PD7PD0)接时钟ISL1208输入和开关量状态输出控制。E(PE7PE0)Card输出，中断输出接口。G(PG4-PG0)可吸收大电流，在这里主要采集信号输入。F(PF4-PF0)可接收大电流，作为ADC输入接口和JTAG接口RESET复位输入引脚XTALl反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入XTAL2反向振荡器放大器的输出VCC单片机电源PENSPl串行下载的使能引脚，为低电平时为SPI下载模式。单

43、片机ATMEGA128接口设计图如下所示：图6.1 ATMEGA128接口设计6.2 开关量模块电源设计 因为单片机和其他芯片均采用3.3V供电，所以电源设计也采用5V电源通过线性调压器LM1117变换得到，设计图如下所示。图6.2 3.3v电源 输入、输出端都要并联电容，因为这样可以提高输出电压的稳定性和瞬态响应。在LM1117两端并联有一个二极管，其作用就是当输入端发生接地短路时，输出端电容将会向调节器的输出端放电，若电容输出电流过大将会烧毁LM1117，所以我们并联一个一个IN4007旁路二极管，当输出级电容向前级放电时，电流就从二极管流过，起到保护LM1117的作用。6.3 单片机小系

44、统设计6.3.1 单片机复位电路设设计 单片机复位电路也是防止系统程序运行不正常时使其自动回复，或人为使其手动恢复。其图如下所示：图6.3 复位电路6.3.2 JTAG插件设计 开关量插件在硬件设计完成后，我们为了检验设计是否正确，我们就可以通过JTAG接口向单片机内写入我们需要的功能程序，对其进行调试检验，JTAG接口如下图所示：图6.4 JTAG接口6.4 ATMEGA128总线接口的设计 CAN总线是一种支持分布控制或实时控制的串行通信接口，在这里主要是用于DSP与单片机之间的关于开关量变位信号的传输。其主要由CAN总线控制器MCP2510和高速总线收发信器SN65HVD230构成。为满

45、足要求本设计采用双总线传输方式保证通信的可靠。 MCP2510特点：通信速率很快；其能够接收和发送标准的数据；自身还可以滤除无关的报文信号；支持CAN技术规范2.0A/B；SPI接口逻辑输入；CAN协议机用于与连接总线接口；可以保证数据一次性传输；工作电源在3V至5V之间。其接口介绍：表6.2 ATMEGA128接口功能接口功能SCKSPI接口时钟输入端SISPI接口数据输入端SOSPI接口数据输出端CSSPI接口片选信号输入端RESET复位端INT终断输出引脚TXCAN发送输出引脚RXCAN接收输入引脚OSC2OSC1振荡器输出与输入端VDD电源端VSS地端 SN65HVD230是一种高收发

46、率的通信收发器，抗干扰能力很强。在这里其电源是3.3V。MCP2510与单片机ATMEGA128、SN65HVD230连接入下图，MCP2510连接在单片机的SPI口，MCP2510的输出、输入连接在SN65HVD230的输出、输入端上，SN65HVD230的信号输出、输入接到DSP的CAN总线上。SN65HVD230的RS要连接一个10K的电阻使其工作在斜率控制模式下。图6.5 CAN总线接口设计6.5 实时时钟电路设计 实时时钟电路电路设计如图6.6所示，其主要是记录系统发出和接收指令或作出动作的各项日期时间，给电网操作人员参考。其由ISL1280构成，ISL1280是一款低功耗的实时时钟

47、集成电路，自带有日历寄存器所以可寄存年、月、日,由外部晶振来保证时间的准确。在其内部具有一个电源，为了防止内部电源故障，外部还设有一个直流备用电源。SCL脚是数据输出、输入时钟同步信号,SDA可用于串行数据输出、输入。IRQ是中断输出引脚。图6.6 实时时钟6.6 开关量采集电路设计 开关量采集主要是为了反馈开关的状态信号给DSP，使DSP能够综合判断控制断路器。采集开关量信号还能通过声光信号给操作人员直观的显示。由于断路器是开断高电压，强电流所以我们不能将采集电路直接接到一次回路，而是利用断路器的辅助触头进行采集，断路器的辅助触头有三种，第一种是在断路器闭合的时候辅助触头是闭合的；第二种是在

48、断路器在开断的时候是闭合的；第三种是断路器在故障跳闸的时候是闭合的。在三种辅助触头两端接有24V的电源，辅助触头闭合时采样回路就能采集到24V电压、断开时就不能。 在开关量的采集过程中我们需要考虑到线路干扰的问题，所以在电路中采用了光电隔离技术。在这里用的是TLP521实现隔离，其集电极与发射级电压 最小80V,电流转换率最小50%，最小隔离电压3750Vrms。根据设计要求，我们需要16路开关量采集电路，分别实现24V电源的信号采集和对A、B、C三相开关闭合信号采集、开断信号采集、告警信号采集，复位信号采集，同时还要对三相远动开关量采集。 A、B、C三相采集回路图如下所示：图6.7 开关量采

49、集回路 在IN端输入24V电压时，发光二极管就会亮，从而三极管导通，三极管导通后集电极电平就由高电平转换为低电平，实现了从电信号向光信号再到电信号的转变。光电二极管最小导通电流为4mA，三极管集电极电流成正比，为了是三极管尽快进入饱和区，在三极管集电极接一个2K的上拉电阻。在输入端为了限流因此需要串两个2K的电阻，同时为了防止输入电压突然变大对光耦器件造成损坏，需在输入端并联一个稳压二极管T1,为了消除电源杂波的影响，在输入端并联一个电容C25进行滤波，为了防止在IN输入为0时，电容对发光二极管施加一个高电压造成击穿。在电容两端也并联了一个反向二极管，使电流从二极管流过。6.7 远动分、合、快

50、速跳闸220V电源开关量采集设计 对于智能控制器我们需要其能够实现远动控制断路器进行正常的分合闸操作，还要可以进行故障快速远动跳闸。当我们在远方按下110V开关按钮时，开关量采集回路就能采集到110V电压，经转换后输入单片机内，单片机进行相应的信号处理，输出其开关位置信号，并把该信号反馈给DSP执行相应的远动分、合、快速跳闸动作。远动分、合、快速跳闸的三路信号采集电路是相同的，只是在进行正常分、合操作时DSP会有一定的延时在发出动作信号，而在进行故障快速跳闸时，DSP会不经延时立刻发出动作信号。 设计图如6.8所示：图6.8 110V开关量通道 因为在设计中，RIN输入是110V，电压是比较高

51、的，因此在输入端并联了一个压敏电阻VR1、VR2、VR3，在平常的时候该电阻也是起到分流的作用，在输入端电压突然变得很高时，输入电流会很大，但是压敏电阻的阻值随电压的升高而变小，从而大电流就会从压敏电阻流过，起到一个分流的作用。在电路中任然有R56限流电阻和RC滤波电路。二极管D15、D6、D10和稳压管Z5、Z8、Z11是构成一个稳压、电流回路，因为在开关开断瞬间，电容电压可能高出某一值，那么稳压二极管Z11和D15就会被击穿，形成电流回路而保护发光二极管。6.8 开关量显示回路设计 开关量输出回路图如图6.9所示，当对开关量进行采集后，经光电隔离就将相应的电信号输入单片机中，经过事先写入的

52、程序从而输出对应的信号去驱动输出后路。如图，SET接口经一个下拉电阻将其电位拉低，CTRL接口经上拉电阻将电位拉高。 当单片机检测到开关信号时输出SET高电平信号和来自DSP反馈给单片机的断路器低电平状态信号CTRL时经过74HC00与非门逻辑后输出一个低电平则光电二极管亮，光敏三极管导通，所以继电器线圈得点，触点闭合，发出光电信号表现为合闸、分闸或告警状态。若CTRL信号为高时，将禁止状态发出，所以只有SET信号为高，CTRL信号为低是才能发出相应的状态信号，即二者起到保护，防止误动作。图6.9 开关量输出驱动回路 复位电路如图6.10所示，当我们需要对开关量状态从新复位显示时，可通过按下复

53、位按键，则开关量检测回路测到24V电源，送入单片机后输出复位信号，当CTRL信号为低，则三个继电器线圈得电复位。图6.10 开关量复位回路7 驱动模块设计1、对驱动模块设计的要求：1 根据CPLD发出的控制信号要正确完成对断路器的开断2 要具有对断路器励磁线圈电流监视的功能；3 具有对断路器动触头位置的监视功能；4 需要考虑到后级电路信号对前级弱点信号的影响；7.1 驱动部分电源设计 本部分主要用到的电压有，3.3V、+15V、-15V、20V、24V。光电隔离器件HCP-4504所需的电源为15V,高电压、高放大率器件IR2112低边固定电源为20V,高边浮动电压分别为15.08V。本设计通

54、过总电源经过LM317、LM7815、F2415S转换得到。1、IR2112低边电源和跟随器部分设计图7.1 20v和15v电源 通过总电源24V1电压经过LM317稳压滤波后得到20V的直流电压，后经过LM7815稳压输出15V的直流电压。图中IN4007的作用是其保护功能，防止前后电压差过大损坏芯片，IN4148是起到一个稳压限幅的功能。2、IR2112高边浮动电压VBB设计 图7.2 IR2112高边浮动电源3、光电耦合器HCPL-5404电源设计 其由低压线性调压器LM1117组成，其采用固定式输出，输出电压为3.3V。设计如图7.3所示：图7.3 HCPL-5404电源 其输入端并有一个0.1uf电容，输出端也并有两个47uf电容,输出端并联电容对提高输出电压的稳定性和瞬态响应起着很大的作用。在LM1117两端并联有一个二极管，其作用就是当输入端发生接地短路时，输出端电容将会向调节器的输出端发电，若电容输出电流过大将会烧毁LM1117，所以我们并联一个一个IN4007旁路二极管，当输出级电容向前级放电时，电流就从二极管流过，起到保护LM1117的作用。7.2 驱动回路原理及设计 驱动回路实现断路器开断就是改变通过断路器励磁线圈上的励磁电流的方向，让永磁铁得磁或消磁。那么为了能够改变励磁线圈中励磁电流的方向，我们