低压断路器智能化控制技术研究

1、第一章 绪论第一节 课题背景第二节 智能控制器简介121 基本结构及保护功能122 断路器的主要技术参数第三节 智能断路器的功能特点及发展现状131 智能断路器的功能特点l32 国内外的现状及发展趋势第三节 本文的主要工作第二章 智能控制器的设计原理第一节 电量参数的计量原理2.1.1 电压、电流的计量2.1.2 电网频率、功率因数及功率的计量第二节 保护的原理及实现方法2.2.1 保护的算法及分析222 三段电流保护的实现原理在电力系统中，存在发生各种故障的可能，虽然危害最大的是发生系统的短路，但是从发生的几率来看，出现最多的故障则是过电流线路中的电流长期高于额定电流的一种非正常工作状态。因

2、为发生过电流故障时系统电流比额定电流略高，所以其程度不会立即对线路或电力系统中的负载设备造成损害，但是如任由其发展下去，长时间的累计效应，同样会给线路和用电设备带来很大的破坏。系统长时间工作在超过其额定电流的情况下，不论是绝缘还是各部件的机械强度都将迅速降低，加速系统的老化，而且机械性能、电接触性能的降低又会给其他类型的故障提供了可能性，所以更要认真对待。2.2.3 过电流保护特性曲线的运用2.2.4 保护的实现第三节 其它保护的实现原理231 接地或漏电保护2.3.2 负载监控保护特性233 电流不平衡保护特性2.3.4 MCR接通分断及超限跳闸功能第三章 智能控制器的硬件系统设计第一节 硬

3、件设计准则第二节 智能控制器的硬件电路设计智能控制器单元具有测量、控制、保护、显示、通讯等功能，其硬件设计围绕功能进行。整个智能控制器单元根据所完成的功能分为以下几个主要功能模块：CPU系统、数据采集模块、开关量的输入输出回路、用户界面模块、串行通信接口电路、时钟电路、监控电路等。其中CPU系统为整个控制器单元的核心，是断路器实现数字智能化的标志。智能控制器单元的硬件总体结构框图如图31所示。下面依次讨论各硬件模块的工作原理及硬件电路的实现。图31控制器结构框图处理器主要是对信号进行实时采集处理，完成计量、各种保护和辅助功能，并且通过通信接口与上位机进行通信。其中，对数据要进行有效值的处理，还

4、要进行复杂函数的即时运算，使保护器真正达到所需的保护（反时限、定时限）特性，这就要求所选芯片具有较高的速度，对ROM和RAM也要求有较大容量。故选用Cygnal公司的C8051系列单片机。控制器故障复位或断电后仍具有故障记忆功能，保留一次历史事件，还可对电网中各种数据进行历史记录，可记录半小时，故还需外部扩展EEPROM还可以保存智能控制器的各项整定参数，以及在电网出现故障时能记录下该故障的相关信息以便查询。这种设计所需外围元件少，使得设计简单，布线方便，提高其可靠性，而且在稳定性和抗干扰能力上都有极大提高。这样，经过软件的精心设计可以完成全部功能，实现精确的、始终一致的选择性匹配保护，使配电

5、系统的可靠性大大提高。3.2.1 嵌入式片上系统1C8051系统单片机嵌入式片上系统C8051F该系统是真正能独立工作的集成的混合信号片上系统(SOC)，有一个真正的12位多通道ADC或一个10位的多通道ADC，对于智能控制器需要处理这么多路信号是占有优势的，由于省去了A/D转换器件，同时通过软件编程可以选择采样通道，这就省去了多路开关等器件。因此使外围电路大大简化，有效的减小了电路板的面积。它具有高速指令处理能力，标准的805l一个机器周期要占用12个系统时钟周期，执行一条指令最少要一个机器周期。Cygnal C8051F系统单片机指令处理采用流水线结构，峰值性能可达25MIPS，机器周期由

6、标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，指令处理能力比MCS-51大大提高。70的指令执行是在一个或两个系统时钟周期内完成，只有四条指令的执行需4个以上时钟周期。Cygnal C8051F系列单片机采用CIP-51内核，与MCS-51指令系统完全兼容，可用标准的ASM-51、Keil C高级语言丌发编译C8051F系列单片机的程序。标准的8051只有7个中断源，C8051F系列单片机扩展了中断处理，这对于实时多任务系统的处理是很重要的。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。Cygnal

7、C8051F系统单片机比标准的8051只有外部引脚复位增加了7种复位源，使系统的可靠性大大提高，每个复位源都可以由用户用软件禁止。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。每个系统都能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。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

8、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。C8051的内部结构如图3.2所示。C8051F系列单片机内部有一个能独立工作的时钟发生器(提供的内部时钟误差在2以内)，在系统复位时被默认为内部时钟。如果需要可接外部时钟，并可在程序运行时实现内、外部时钟的切换，外部时钟可以是晶体、RC、C或外部时钟。以上的功能在低功耗应用系统中非常有用。图3.2 C8051的内部结构2Cygnal C8051F的存储器C8051的存储器组织与标准8051的存储器组织类似。有两个独立的存储器空间：程序存储器与数据存储器。程序和数据存储器共享用一

9、个地址空间，但用不同的指令类型访问：(1) 数据存贮器具有标准8051的程序和数据地址配置。它包括256字节的RAM，其中的低128字节用于通用寄存器和临时存储器。可以用直接或间接寻址方式访问数据存储器的低128字节。从0x00到0xlF为4个通用寄存器区，每个区有8个寄存器。接下来的16字节，从地址0x20到0x2F，既可以按字节寻址又可以作为128个位地址用直接位寻址方式访问。数据存储器中的高128字节用户只能用直接寻址访问。该存储区与特殊功能寄存器(SFR)占据相同的地址空间，但物理上与SFR空间是分开的。当寻址高于0x7F的地址时，指令所用的寻址方式决定了CPU是访问数据存储器的高12

10、8字节还是访问SFR。使用直接寻址方式的指令将访问SFR空间。间接寻址高于0x7F地址的指令将访问数据存储器的高128字节。(2) 程序存储器C8051有64K字节的程序存储器空间，MCU在这个程序存储空间中实现了32896字节可在系统编程的FLASH存储器，组织在一个连续的存储块内，从地址0x0000到0x807F，后面的512字节保留给工厂使用，不能用于存储用户程序。3可编程数字I/O和交叉开关Cygnal C8051F系列单片机具有标准的8051I/O口，除P0、P1、P2、P3之外还有更多的扩展的8位I/O口，每个端口I/O引脚都可以设置为推挽或漏极开路输出，这为低功耗应用提供了进一步

11、节电的能力。最为独特的是增加了“Digtal crossbar”（数据交叉开关）。它可将内部数据系统资源定向到P0、P1、P2和P3端口I/O引脚。并可将定时器，串行总线，外部中断源，A/D输入转换，比较器输出，都可通过设置Crossbar开关控制寄存器定向到P0、Pl、P2和P3的I/O口。这就允许用户根据自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。4模数数模转换器(1) 模数转换器C8051系列内部都有一个ADC子系统，由逐次逼近型ADC、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成。ADC工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的12位精度。ADC完全由CIP-51通过特殊

12、功能寄存器控制，系统控制器还可以关断ADC以节省功耗。C8051还有一个15ppm的基准电压和内部温度传感器，并且8个外部输入通道可被配置为两个单端输入或一个差分输入。可编程增益放大器增益可以用软件设置，从0.5到16以2的整次幂递增。当不同ADC输入电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时，可编程增益放大器是非常有用的。(2) 数模转换器C8051F系列内有两路12位DAC，2个电压比较器。CPU通过SFR控制数模转换和比较器。CPU可以将任何一个DAC置于低功耗关断方式。DAC为电压输出模式，与ADC共用参考电平。C8051除了通用计数器定时器之外，还有一个片内可编程计数

13、器定时器阵列(PCA)，包括一个专用的16位计数器定时器，5个可编程的捕捉比较模块。内部还有多类型串行总线端口，内部自带看门狗。片内有调试电路与JTAG口，可以实现非侵入式在线调试。3.2.2 数据采集模块CPU及其接口的扩展该模块的主要功能就是将控制器单元所需要的电流、电压经电流互感器CT和电压互感器PT引入系统，并经信号调理、模数转换后变成计算机可以识别的数字信号。空芯互感器的二次输出得到智能型控制器的信号，其感应的电压输出与一次母线电流的微分成正比。即。进入控制器信号处理电路，首先进行积分处理，使二次感应信号与一次母线电流成正比。空芯互感器由于无铁芯，具有较大的线性范围，感应信号适用于C

14、PU处理。它将供电回路中的强电流、高电压转换为适合电子电路和微处理器处理的电流电压信号，为微处理器系统提供正确可靠的信号。如果采用铁芯互感器，当出现过大的电流时，铁芯会出现磁饱和，这时，感应的电压输出与一次母线电流的微分不再成正比，也就是k不恒定，故不可取。既要提高小电流时的测量精度，又兼顾电流的测量范围，实现全范围电流的精确测量，采用罗柯夫斯基(Rogowski)线圈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。信号采集原理图如图3.3所示。图3.3 信号采集原理图信号经隔离滤波、放大等处理后进入采样和保持电路，微处理器内带的A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号，供C

15、PU进行逻辑运算与处理。CPU根据这些信号进行逻辑运算和处理，将运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号。这些信号经放大后可以直接驱动断路器的执行机构使得断路器动作。各种故障保护的动作电流和时间整定值已通过键盘设定，预先存储于EEPROM中，并且在使用中随时可以更改。对于特大短路故障，其故障电流达到一定值时，不经CPU处理，直接比较输出脱扣信号，由特别设计的模拟脱扣电路使执行元件动作。主线路电流和电压信号通过大功率电流互感器和电压互感器变换成O5A的电流和O一300V的电压信号，供二次系统采集，考虑到A/D转换器的信号输入标准较小，必须采用小功率CT、PT对信号进行调理，然后经

16、过模数转换后供给微处理器处理。同时，电流和电压互感器也起到电气隔离的作用，使断路器和控制器单元强弱电分离，提高控制器单元的抗干扰性能。考虑到电压、电流信号在传送时容易受到外界的电磁干扰，因此在选择电压互感器和电流互感器时，一般使用把电压和电流信号转化成小电流的互感器。此类互感器带载能力较差，需要使用运算放大器来组成电流信号的调理电路。考虑到一次回路电流高达50kA/75kA，进入A/D转换的电流信号范围较大，为了提高精度和采样分辨率，把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。但是，一般电网中中性接点的波动范围不会很大，对中性接点的接地信号采样只要用A/

17、D的一个通道，其取样方式有两种：一种方式为测量中线电流，直接取三极电流信号矢量和。正常运行情况下，系统平衡，；在系统不平衡时或接地故障情况下，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。接地信号取于中线互感器信号与三极电流信号矢量和，只要没有接地故障，则无论是系统平衡还是不平衡，总是0。只有在发生接地故障时，才有信号。即仅与接地电流有关而与中线电流无关，此电流可作为接地电流的保护信号。在我们的设计中，两种方式可由用户选择。A、B、C三相大信号、三相小信号、电压信号和接地漏电信号共9路输入经过滤波、隔离、放大等处理后

18、送入单片机，温度采样由单片机系统内部的温度传感器完成，单片机系统通过SFR控制交叉丌关选通所需的各路信号。9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。3.2.3 电源模块的设计在电子装置中，电源直接关系到装置是否能正常工作，电源的品质也影响着A/D转换精度，起到的作用不言而喻。智能化电气开关的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

19、。电压变换器的输入由两部分组成：一是速饱和电流互感器供电，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供给控制器电源。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。如果只采用电压源供电方式，当发生近端短路故障并造成电网电压跌落严重时，智能控制器将不能保证断路器可靠分断，但它的可靠性较好。如果采用互感器这一“自生”电源，当断路器闭合，运行电流达到一定值以上时，即使在短路情况下，互感器感应出的能量也可保证脱扣器可靠工作。

20、但在小电流时，特别是断路器闭合前需要现场调试、检查或试验时，常需外配试验设备，现场使用往往不太方便。正是综合考虑了这两方面的优缺点，结合实际应用情况，本智能控制器采用两路电源以“或”的形式提供，确保了电源的可靠性。其中，一路电源为自生电源，用快速饱和互感器从三相电源感应获得能量供控制器工作。该电源与通过母线的电流有关：要求三相运行电流从到极限短路分断能力之间的电流范围内，或在电路短路故障状态时均能保证供给控制器正常工作电源。但需要注意的是，在所配断路器非运行状态或在较小电流运行状态时控制器不能工作。为此设计了另一路辅助电源，分交、直流两种。交流输入由变压器降压、经整流、滤波，产生稳定的直流输出

21、电压。直流输入时，当输入电压较高(如220V，110V)，需要经过DCDC电源模块。在额定电压的85110范围内，辅助电源以“或”的形式单独供电可保证控制器可靠工作。被保护主回路的电流经电流互感器送到智能控制器的电子电路，在作为电流信号的同时，也作为智能控制器电子电路的电源。这样，当被保护主回路发生三相短路时，智能控制器仍能正常工作。电流互感器供电是断路器所特有的一种供电方式，可以随着电网的接通自动开始工作，是一种理想的供电方式。增加辅助电源，便于用户对智能控制器在所配断路器运行前进行参数整定、功能检查、试验等：在断路器动作、主回路失电后能保证各种显示状态的正确性、报警触点输出等辅助功能：另外

22、便于中央控制计算随时与各种接口子站进行通信。电源的框图如图3.4所示。图3.4 电源的框图3.2.4 MCR机械脱扣本系统充分考虑到从系统通电起到正常工作数字电路不能工作的情况，设计了相应的模拟电路，用于在这段时间内对短路电流的反应。智能控制器内部还单独设计了一块MCR机械脱扣电路。当发生特大短路电流时，考虑到数字电路反应上的滞后，信号不通过单片机直接通过比较电路发出指令分断断路器，可以实现越限跳闸后备保护方案。越限跳闸是指断路器在正常运行时，当短路电流超过一定值后，当故障讯号超过规定时，例如当短路电流超过75kA时，控制器以瞬时指令使断路器分断，保证断路器可靠动作。这两个单元分别是上电前的短

23、路判断单元和上电后的特大短路判断单元。此种功能由用户通过丌关确定是否需要。原理图如图3.5。325执行控制电路智能控制器主要目的是能实时处理过载、短路、接地等故障信号，按保护特性要求延时或瞬时控制执行元件分断断路器，从而达到保护目的。执行元件采用磁通变换器，正常工作时由永磁铁闭合动铁芯，克服了传统欠压线圈执行元件在正常工作时耗能、发热、噪音等缺陷。动作执行时，控制器发出脉冲方波，通过线圈的电流产生反向磁通抵消固有磁通，由执行元件中反力弹簧推动铁芯，从而带动断路器控制半轴分断断路器。智能型控制器的脱扣方式有两种：一种是CPU按保护特性对各种故障信号进行处理后，通过芯片口线发出动作指令。正常运行情

24、况下，P0.6为高电平，单稳态电路处于稳态，复合管T被截止，控制执行元件线圈无电流通过。当P0.6发出动作脉冲指令时，单稳态电路被激活，输出36ms宽度方波触发复合管，线圈接通电流产生反磁通而动作。CPU控制信号为闭环设计，脱扣信号发出后，检测执行元件辅助接头，如执行元件未能动作，则CPU继续发脱扣脉冲直到动作为止。脱扣的另一种方式称为模拟脱扣，故障电流信号达到一定值时，不经CPU处理，直接输出脱扣信号。图中。电流信号经积分跟随隔离处理后，直接与产生的正负两个基准电压比较，若信号峰值超过正基准或低于负基准，运放均可输出方波，其宽度与信号超过基准的绝对值大小相关。所有输出方波以或的形式，通过选择

25、开关送脱扣电路。当信号脉宽超过抗干扰脉宽时，激活单稳态电路并触发复合管使执行元件动作。模拟脱扣一般作为后备，动作电流为控制器瞬动最大定值，如50kA或75kA。在模拟脱扣电路中另有一种MCR接通分断保护功能，MCR线路处理方式和模拟脱扣一样，只是动作定值较低，一般为10kA左右。只有在特大短路电流出现时，模拟控制电路才能起作用。设计开关供用户选择，特别是在随断路器做短延时特性试验时，需关断，以防瞬动。3.2.6 串行通讯接口电路(1) 通讯基础数掘通讯有两种不同的方式，即并行通讯方式和串行通讯方式。并行数据通讯是指数据的各位同时进行传送(发送或接收)的通讯方式，其优点是传输速度快，通讯方法简单

26、：缺点是数据有多少位，就需要多少根传输线。此外还需要若干控制线和一条地线。这种通讯方式只适用于短距离的数据传输，如计算机与外部设备之间。串行数据通讯是指通讯的发送方和接收方之间数据信息的传输是在一对数据线上分时进行的，以每次一个二进制位一位一位的顺序传送，它的突出优点是只需一对传输线进行传送信息，所需传输线的条数少，这样就大大降低了成本，特别适用于分级、分层和分布式控制系统以及远距离通讯之中，其缺点是传输速度较低。通常可根据信息需要传输的距离来决定采用哪种通讯方式，并行通讯在位数多、传输距离又远时不适宜使用，并且其造价较高，故在本设计中采用串行通讯。按照串行数据的传输方式，串行通讯又分为异步通

27、讯和同步通讯两种基本的通讯方式。同步串行通讯是一种连续串行传输数据的通讯方式，一次通讯只传送一帧信息。它是按照软件识别同步字符来实现数据的发送和接收的，传输过程中，字符和字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符来指示。异步通信是一种利用字符的再同步技术的通讯方式，在异步通讯中，数据通常是以字符(或字节)为单位组成字符帧传送的，字符帧由发送端帧一帧的发送，通过传输线被接收端一帧一帧的接收，发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，不必同步，发送端和接收端是靠规定端字符帧格式和波特率高低来协调数据的发送和接收的，两者是异步通信中的两个重要

28、指标。在实际应用中，同步通信是应用于传输速度高的情况，这也正是它的优点所在，但由于它要求发送时钟和接收时钟保持严格同步，在硬件的实现上比较复杂，系统成本较高。因此，在本设计中，选择串行异步通信方式，以降低硬件的复杂性以及设计成本。(2) 电路设计从自动化控制角度来看，智能控制器还是一个简单的点式控制部件，要对低压电网进行网络控制必须通过计算机通讯接13来实现。智能控制器数据通信的主要内容主要有以下三类：一是控制器元件自身工作状态参数，如：工作状态，通或断；待命状态，已准备好还是未准备好；已动作还是未动作；二是控制器元件所在工作支路的电参数，如：电流、故障参数等；三是控制网络工作参数如：遥调、遥

29、控。通信功能内容如下：遥信功能：智能控制器向上位机报送电器实时的各项保护参数；遥测功能：智能控制器向上位机报送工作参数、故障参数， 以达到遥测的目的：遥调功能：智能控制器接受上位机的遥调参数来改变智能脱扣器的保护参数，以实现对多种不同具体要求电路的保护；遥控功能：智能控制器接收上位机的控制信号来实现电力电网系统的遥控功能。常用的RS-232标准接13电路，属于单端信号传送，对共地噪声和共模干扰的抑制能力较差，信号传送的距离十分有限(12m)。对于要求达到上千米的通信距离，广泛采用RS-485收发器（半双工），它采用平衡发送和差分接收方式，最低能检N1200毫伏的电压，而且波特率越低，传送距离越

30、远。只需用一对双绞线就能实现多站点联网的分布式系统，而且设备简单、价格低廉。设计中，综合考虑技术、成本、应用环境等因素，采用RS-485通信接口，半双工、串行通信方式，波特率为9600(即每秒传输9600个码元)。分机和分机之问不能通信，也不能主动向主机发请求信号，只能应答主机的询问。数据通信系统是一点（主机）对多点（各分机）的通信，共用一条通信线路（总线)。主机发给各分机的信号、各分机的应答信号）均在共用线路上传输。串行通信接口是智能控制器单元与上位机进行数据交换的通道，智能控制器单元通过它向上位机发送各种，同时接收上位机的各种指令。单片机通过MAX485芯片，将信号转换为RS-485信号，

31、使单片机既能与手持编程器进行485通汛，又可外加RS-485转换RS-232的芯片，与PC进行232通讯。第三节 用户界面在智能化设备中，不仅要实现自动控制，还要能把信息传递给操作人员，并且接受外部输入并做出响应。此系统中用户操作界面，主要包括键盘和指示灯的管理电路以及数码管显示电路。良好的用户界面是人机对话所不可缺少的，灵活的键盘管理及直观的信息显示将给用户提供极大的便利。智能控制器采用数码显示、发光管指示方式对各种状态和数值进行指示和显示，同时采用按键方式进行整定、试验、检测等。曾考虑采用液晶方案，但考虑目前国产液晶特性在工业恶劣条件下不太稳定，液晶显示在高温和振动情况下容易损坏，特别是在

32、部分现场环境较暗时，控制器是否正常运行不便监察。采用BC7281显示驱动数据管LED，以动态扫描方式显示，解决了耗能多的问题，显示读数直观、清晰，给用户操作使用带来了很大方便。3.3.1 显示和键盘控制芯片BC7281BC7281芯片是16位LED数码管显示及键盘接口专用控制芯片。通过外接移位寄存器，最多可以控带t16位数码管显示或128只独立的LED。BC7281的驱动输出极性及输出时序均为软件可控，从而可以和各种驱动电路配合，适用于任何尺寸的数码管。串行接口数据宽度为8位，两个字节为一组构成一条完整的指令，第一个字节为命令字节，第二个字节为数据字节，在传送时高位MSB在前，串行接口数据结构

33、如下：指令字节中R/W为读写控制，当R/W=0时，由单片机I句BC7281的内部寄存器内写入数据；当R/W=1时，单片机读出BC7281内部寄存器的数据。a0-a4为目标寄存器的地址，其范围为00H一19H。数据字节即写入或从寄存器读出的数据，写入指令(R/W=0)时，数据由单片机传向BC7281；读出指令(R/W=1)时，数据由BC728l传向单片机。BC7281各位可独立按不同的译码方式译码或习i译码显示。译码方式显示时小数点不受译码影响使，使用方便，各显示位可以独立地控制闪烁属性，BC7281内部还具有一闪烁速度控制寄存器，使用者可随时改变闪烁频率。译码方式除了常用的BCD译码等2种方式

34、外，还有专用于光柱显示的光柱译码方式，只要送一个字节就可以完成光柱显示的控制。128段被分成2个各自独立的64段光柱，可以分别控制。另外128个显示段同时被分配了128个地址利，用段寻址功能可以独立地控制每一个段，便于使用独立的LED。BC7281芯片可以连接最多64键(88)的键盘矩阵，内部具有去抖动功能，键盘为互锁式，扫描到的键值将被锁存在内部的锁存器内直至被读出。BC7281采用高速二线接口与CPU进行通讯，只占用很少的口线资源和CPU时间。位驱动输出适合连接共阳式的数码管，虽然位驱动本身具有一定的驱动能力，但为了保证足够的显示亮度，应该另加以外部驱动电路。外部驱动电路比较简单，只需要8

35、只NPN型三极管既可，三极管接成射极跟随器形式，因此基极无需限流电阻。BC728l需要外接移位寄存器构成段驱动电路。送出的数据共16位，发送的顺序是高位在前，其中前8位为第815位显示的段驱动数据，后8位为第07位显示的段驱动数据。对于8位以内的显示系统，只需要接入对应位的一片8位的移位寄存器，而对于多于8位的显示系统，则需要2片8位移位寄存器或一片16位的移位寄存器。由于BC7281的段驱动数据输出极性及移位脉冲的时序均可调，因此可以适应与各种各样的移位寄存器相连。移位脉冲有两种模式，分别是164模式和的5模式，164模式为普通的移位寄存模式，每五位数据对应着一个移位脉冲；而595模式适应于

36、像74595等内部有二级缓存触发器的移位寄存器，使用时将二级触发器的锁存时钟与级锁存(移位寄存器)的时钟并联在SCLK上，这样二级锁存器与移位寄存器同步更新但其内容比移位寄存器滞后一个脉冲，在595模式下，SCLK在最后一个脉冲后，还会输出一额外的脉冲，这样数据便可以正确地锁存到二级缓存中。BC7281的段驱动数据的输出极性可以由软件控制，这样使用者可以灵活地使用各种外围驱动电路。BC7281缺省的工作模式是164模式、不反相输出，也就是说，输出的段驱动数据中，点亮的段对应的数据为“0”。如果电路中在移位寄存器的后面又使用了反相输出的驱动器，或者使用的是反相输出的移位寄存器，则需要将BC728

37、1的工作模式置为反相模式(INV=1)。INV位所影响的只是段驱动数据的极性，而对键盘扫描的极性没有影响，因此如果使用了反相输出的驱动器，而同时又使用键盘的话，键盘矩阵必须连接在反相驱动器之前。BC7281的矩阵键盘最多可以连接64个按键，按8*8矩阵排列，矩阵的“行”连接到BC7281的位驱动DIG0DIG7，矩阵的“列”连接到第0-7位显示的段驱动移位寄存器的输出，为了防止对显示部分的影响，键盘矩阵与显示电路之间必须加入4.7K的隔离电阻。当使用BC7281的键盘功能时，DIG0DIG7上应该加以100K的下拉电阻，且8根引脚必须都接，即使所用到的键比较少时，也不能将其中未连接键盘的引脚上

38、的下拉电阻省略。332 显示和键盘电路的设计系统通过键盘显示管理芯片BC7281，利用3个信号线与CPU相连，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。BC7281与单片机之间通讯采用2线高速串行接口，二根连线分别是数据DAT和同步时钟线CLK，其中DAT为双向数据传输线，BC7281既用该线从单片机接收数据，也用该线向单片机发送数据。BC7281的DAT引脚为漏极丌路输出(0PEN DRAIN)结构，使用时需要在该线上加左右的电阻，CLK引脚为串行接口的同步时钟，由单片机控制，下降沿有效。(1) 外部振荡电路设计B

39、C7281采用外接的RC振荡电路为显示和键盘扫描提供时钟驱动，外接元件采用典型参数为，。在的情况下，振荡电路的典型振荡频率为45MHz。由于C8051是高速芯片，可相应的修改参数以提高BC7281的振荡频率。BC7281的CLK0端为内部振荡电路的输出端，此脚悬空。在电路板布线时，振荡电路的元件尽可能地靠近BC7281芯片，并使连线最短。(2) 复位电路的设计BC7281的复位端为RST，因为BC7281的内部有上电复位电路，因此在一般情况下不需要特殊的复位电路，只需将RST引脚直接连接到Vcc端就可以了。如果需要外部的复位电路，可按图37的接法。RST上的复位脉冲的最小宽度为20口S，复位电

40、路中电阻R的阻值不能超过40Kf2。本系统要解决单片机与BC7281同时复位的问题，因此直接由单片机的I/O控制BC7281的复位。BC7281的复位过程大约需要20mS的时间，也即RST为高电平约20mS后，BC7281才开始工作。(3) 与单片机的接口电路BC7281与单片机的接口共需要四根线，数据线DAT、时钟线CLK和按键指示及，其中CLK和及引脚分别为输入和输出引脚，而DAT脚则为双向口，其内部为OPEN DRAIN结构，需要外接的上拉电阻，以使其能可靠地输出高电平。图3.5 BC7281的复位电路(4) 键盘的设计BC7281的键盘内部具有去抖动功能，不需要设计外部消抖电路，因此使

41、用比较方便。系统有5个按键，分别为功能键、上键、下键、确认键及返回键，由于上键和下键在设置参数时要求能够连续修改参数，而BC7281的键盘为互锁式，因此这两个键由单片机单独控制。功能键、确认键及返回键由BC7281的键盘矩阵生成。矩阵的“行”连接到BC7281的位驱动上，矩阵的“列”连接到段驱动的移位寄存器的输出，为了不影响显示部分，键盘矩阵与显示电路之间加入了4.7KQ。位驱动DIG0一DIG7上应该加以100K的下拉电阻，且8根引脚必须都接，即使系统只使用了其中的3个位驱动。BC7281的扩展如图3.6。图3.6 BC7281的扩展在正常运行状态下，用户使用控制器面板上的键盘或者上位机和编

42、程器的通讯可进行定位显示、参数设置调整、试验、存储、复位等各项操作。通过数码管显示电路运行参数、LED指示电路运行状态。第四节 系统时钟的设计智能控制器故障时钟功能，用于记录故障发生的时刻，可汜录故障发生的年、月、同、时、分、秒，需由一时钟电路给系统提供时钟信号。系统采用DALLAS公司的DSl302涓流充电时钟保持芯片，为系统提供时间标准，也可用于定时。传统的时钟芯片主要有MC68HC68T、MCl46818、LM8365等，这些器件引脚数较多、体积大、占用口线较多，故本系统采用串行时钟芯片DSl302。实时时钟芯片DSl302采用串行通讯方式，只需三条线即可与单片机通讯，同时体积仅仅是上述

43、时钟芯片的1/4，且片内均含RAM，可增加系统的RAM。对于停电时只需对时钟电路单独供电的系统，该芯片具有备用电池充电和切换管理功能。DS1302虽没有采取光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果明显，日历及RAM中的数据不再改变。同时体积小，连线少，外围只有-32768Hz晶振，使用灵活，DSl302T作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于lmW。与单片机的接口电路如图3.8。图3.7 DSl302与单片机的接口电路DSl302实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数，具有318RAM，可供保存有用数据。用于时钟或RAM数据的读写具有单字节或多字节

44、(也称脉冲方式)数据传送方式。DSl302慢速充电时钟芯片包括实时时钟同历和31字节的静态RAM，经过一个简单的串行接口与主单片机通信。实时时钟日历提供秒、分、时、日、月和年等信息，对小于31天的月末的日期进行调整，还包括闰年的校正功能。时钟的运行可采用24小时或带AM(上午)和PM(下午)的12小时格式。DSl302与单片机的通信仅需三根线BIRST(复位线)、I/O(数据线)和SCLK(串行时钟线)。数据可以按每次一个字节或多达31个字节的形式传送到时钟RAM或从中送出。DSl302还有另外的功能：即用于主电源和备用电源相连接的双电源引脚VCCl和VCC2。芯片具有可编程选择的对备份电池进

45、行微电流充电的功能，有效延长了备份电池的使用寿命。若启用芯片内部的微电流充电器，则在主工作电源正常工作时，由主工作电源向充电电池充电。备份电池电压应略低于主工作电源电压，在系统掉电的情况下，则由备份电池向系统供电，以保证时钟正常运行，并保持时钟日历信息和31个字节静态RAM中的重要数据信息不丢失，使系统在没有主电源的情况下也能保持时钟的连续运行。第五节 自诊断电路的设计智能控制器不但能够测量系统的电压和电流等参数，同时也具有自我诊断和监察的能力，当脱扣器本身发生故障或环境温度超过允许范围时，可以发出信号报警。为了保证系统工作可靠性，使用了硬件看门狗，在软件之中也对系统进行检测，随时监视系统的运

46、行情况，若发生因为干扰而导致的系统不正常运行时，就会使系统强行复位，从新开始运行。避免了因系统自身故障而引起的不能开断或误动作。自诊断的项目主要有出错、A/D转换出错、环境超温、CT断线、跳闸线圈断线、断路器拒动及触头维护。与硬件有关的自诊断有A/D转换出错、环境超温、CT断线，跳闸线圈断线、断路器拒动和触头维护。A/D转换出错利用多路选择器将外部的基准电源加到单片机的模拟输入通道上，单片机采样后与预设的设置值进行比较来确定A/D转换是否正常。利用单片机内部的温度传感器来测得环境温度，经过D/A转换，成相应的数字量，与控制器的极限温度比较，由比较结果来决定是否环境超温。CT断线利用当CT是否断

47、线电路自身产生的微量直流信号的不同，取样该直流电压，通过放大处理，送到比较器，比较器比较输出的电平送到单片机的I/O口，单片机根据I/O口电平的高低来判断CT是否断线。跳闸线圈断线基于同样的原理，因此电路也基本相似。CPU控制信号为闭环设计，脱扣信号发出后，检测执行元件辅助接头，如执行元件未能动作，则CPU继续发脱扣脉冲直到动作为止，在规定的时间内，如果断路器还未能动作，则CPU认为断路器拒动，发自诊断故障信号。智能控制器的自诊断不仅大大提高了其自身的运行可靠性，还有利于产品的完善和发展，更给维修等后期工作提供了极大的方便。第四章 智能控制器的软件设计上一章介绍了低压断路器的智能控制器单元的硬

48、件电路的设计原理和电路结构，本章将在上一章的基础上介绍控制器单元的软件设计思想及其编程实现。第一节 软件设计概述对于一个完善的智能控制系统，软件和硬件是密不可分的。一套好的软件不仅可以弥补硬件的某些缺陷，使系统更为灵活，而且可以充分发挥现有硬件的功能，在不增加硬件开销的基础上大大增强系统的功能。本智能控制器单元直接对断路器进行控制，其实时性要求较高，为此采用MCS-51汇编语言作为编程工具，与其他高级语言相比，它的执行效率高，实时控制功能强。同时，软件编制中适当的采用中断方式进行控制，以提高智能控制器单元的实时响应速度。对于软件和硬件的功能划分，在满足实时性的前提下，尽量采用软件来实现系统的功

49、能，以提高系统的灵活性，并针对控制器单元在现场运行时可能遇到的干扰，在软件设计时采取一定的抗干扰措施以提高系统的可靠性。本控制器单元的软件设计遵循结构化和模块化的原则，将软件划分为若干个独立的功能模块，各模块通过软件接口相连接，连接时力求模块内部数据结构的紧凑性以及模块之间数据关系的松散性，尽可能减少各功能模块的相互影响。上位机的应用软件采用开发效率高、应用功能强大的Labview进行开发，实现智能控制器单元上送数据的处理。本章主要讨论智能控制器单元软件设计。第二节 开发环境每个单片机内部都有JTAG和调试电路。通过4脚的JTAG接口，可以使用安装在最终应用系统上的产品单片机进行非侵入式、全速

50、、在系统调试。Cygnal的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，设置断点、观察点、单步及运行和停机命令。不需要额外的目标RAM、程序存储器或通信通道。在调试时，所有的模拟和数字外设都全功能正确运行（保持同步）。当单片机因单步执行或执行到断点而停机时，WDT被禁止。开发套件C8051F015DK具有开发应用代码和进行在系统调试所需要的全部硬件和软件。每个套件包括一个具有调试器和8051汇编的集成开发环境(IDE)、一个被称为EC的RS232到JTAG的协议转换模块和一个安装有C8051F015的目标应用板，每个套件还包括RS232和JTAG电缆及电源。Cygnal集成开发环境(IDE)是一套完

51、整独立的软件程序，它为设计者提供了用于开发和测试项目的所有工具。第三节 软件开发软件设计应由以下几个部分组成：采样、键盘、显示、故障处理、动作执行、时钟程序和通讯等，分别实现设计所要求的各项功能。4.3.1 主程序设计主程序流程如图41，主要完成对单片机各专用寄存器和各任务模块的初始化任务，包括各中断向量的设置、中断的各内部寄存器的设置、软件定时器工作方式的设定、扩展I/O口的初始化、BC7281的初始化以及对任务的调配等。4.3.2 定时采样为了计算50Hz正弦电流信号的有效值，对各路信号进行等间隔采样，采样周期均为0.625ms，也就是一个周期内(20ms)将被采样32次。由于周期、频率采

52、样占用了定时器0(timer0)，我们使用时钟3(timer3)定时，每隔0.625ms产生一次中断，在定时中断中读取采样值。由于本系统有相当多的中断系统，为了防止各中断系统的冲突，在中断中只处理参数的采样，相关的数据处理在主循环里，当32次采样到时，将相应的标志位置位，循环检测到这个标志位，将进行采样值的计算。由于电压不需要故障处理，电压的采样要求就相对低些。因此对电压的采样采用A、B、C、N轮流采样。对不同情况的故障电流，处理方法也不同。对特大短路(要求瞬时脱扣)电流保护要求灵敏度高，采用即采即比的方法，即峰值采样处理，并考虑了抗尖峰干扰处理，信号处理时间为1.25ms。而对一般延时保护特

53、性和单相接地等故障信号，精度要求较高，需尽量避免畸变信号的影响，故在采样中断保存采样值，再进行有效值变换处理，这样可以减小因电网信号变化和谐波等的影响。定时采样流程见图4.2。图4.1主流程图图4.2定时采样流程4.3.3键盘程序设计本模块实现数据整定、数据处理并送显示、试验、选择显示、参数设定、复位、故障记忆及显示等功能。智能控制器的各项整定值是可以根据用户的要求设定的，用户也可以根据要求选择输出显示的内容。这些都能够通过智能控制器面板上的键盘操作来完成。(1) BC728l的键盘程序设计BC7281的键盘内部具有消抖功能，外部不需要消抖电路或消抖程序，可直接读取BC7281的键值锁存器。键

54、盘是互锁式的，扫描到的键值将被锁存在内部的锁存器内直至被读出，可采用查询方式。(2) 其它的键盘程序设计当采用简单电路实现按键时，按键按下和释放瞬间在输入端口上会产生“回跳”现象。如图4.3所示，从t1到t2时刻以及从t4到t5时刻，按键的模拟信号产生变换，得到的数字信号有相应的干扰现象。但是，有时在按键稳定期间，也会产生干扰现象，如图4.4中的t3时刻。常见的干扰源有50HzI频交变电磁场通过感应进入系统的工频电磁波干扰、测量过程中电器开关的闭合与开断所产生的电弧而引起的多种频率成分的噪声信号通过感应进入系统的噪声干扰等等。可见，不仅在按键按下和释放瞬间采样键盘会产生误输入，而且即使在按键稳

55、定期间采样也会产生误输入。因此，如果采用简单电路实现按键，必须应用软件进行抗干扰处理，以避免误输入的产生。通常对按键抖动的消除方法是：判断有键后延时1020ms再次读键判断，以便达到每次按键（含抖动）操作只产生一次有效信号供单片机处理。 当检测到有按键时，判断执行相应的按键程序。图4.5 按键消抖4.3.4 显示子程序设计显示子程序主要完成各种测量电量参数和故障信息的显示任务。电压表窗口显示内容在任何状态下都一样，电流表窗口根据需要分为正常运行时的显示和故障时的显示。电压窗口循环显示三相线电压()、三相相电压、频率、功率因数和有功功率等。在复位状态下，按“上键”或“下键”可对上述参数进行选择定

56、位显示，每按一次显示内容变化一次，在一定的时间内无键按下，则退出选择定位显示，进入循环显示状态。电流表窗口在系统正常运行时，循环显示三相电流。在复位状态下，按“上键”或“下键”可对相关参数进行选择定位显示，显示内容包括触头磨损率、合分闸操作次数、接地电流、三相不平衡率、三相电流和N相电流。在复位状态下，可进行按键操作，可设置保护参数、查询参数、查询历史故障参数等。在系统报警时电流表窗口显示最大相电流，如果系统退出故障，则显示窗口重新返回循环显示，如果延时时间已到进入故障状态，电流表窗口将循环显示故障电流和脱扣的延时时间。4.3.5 故障处理按照智能控制器各项参数的整定值，当采样完成时判断控制器

57、的执行机构要完成的保护动作，如长延时脱扣、短延时脱扣、瞬时脱扣等，并计算出各个动作的执行时间。计算完成后通知动作执行任务执行相应的动作，根据故障处理计算结果，精确定时，定时完成时向执行机构发指令动作。故障处理流程图4.6。4.3.6 自检程序设计所谓的自检就是对系统中出现的软硬件故障进行自动检测并给予校正。通常有3种自检方式：开机自检、周期性自检和键控自检。开机自检发生在系统开始工作之前，每当电源接通或者系统复位后进行一次，当系统进入正常工作以后，不再自检。这种自检一般是检查总线、ROM、RAM等。周期性自检大部分操作需要在系统运行过程中重复进行，键控自检需要操作人员通过按键来启动自检程序。本系统只设计了开机自检与周期性自检。图4.6 故障处理(1) RAM与ROM自检检查ROM采取校验和法。即在将程序写入ROM之前，保留一个单元不写程序而写入校验字，使ROM的每一列具有奇数个“1”，从而使ROM的校验和为全“1”。校验程序从ROM的第一个单元开始，按位相加，最后的校验和如果与设置的全“1”相等，则说明ROM内容正确，否则错误。对RAM的检查采取了两种方法。当R