智能斷路器多參數(shù)測控系統(tǒng)設(shè)計方案

智能斷路器多參數(shù)測控系統(tǒng)設(shè)計方案

摘要：本文給出了一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的智能斷路器多參數(shù)測控系統(tǒng)設(shè)計方案，闡述了電力信號和溫度檢測電路、Profibus-DP總線接口模塊的設(shè)計方法。該方案采用了先進的頻率自適應(yīng)同步快速交流采樣算法對多參數(shù)測控軟件進行設(shè)計，為智能斷路器的數(shù)據(jù)采集和通信提供了一條有效的實現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：智能低壓斷路器;現(xiàn)場總線;智能控制器

1引言

在低壓電器領(lǐng)域，斷路器是一種非常重要的器件。智能型低壓斷路器具有傳統(tǒng)斷路器所沒有的自動化、智能化、模塊化的優(yōu)點，它以智能控制器為核心，是一種把微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)集成在一起的高新技術(shù)產(chǎn)品?；谖⑻幚砥鞯闹悄芸刂破骶哂卸喾N檢測和通信功能，利用總線功能實現(xiàn)電力質(zhì)量監(jiān)控是一種經(jīng)濟有效的方案。文中給出的斷路器測控系統(tǒng)采用的是Profibus-DP現(xiàn)場總線，Profibus-DP設(shè)計旨在用于現(xiàn)場一級的高速數(shù)據(jù)傳輸，在這一級中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設(shè)備進行通信。

本文給出了一種基于Profibus-DP總線的智能斷路器多參數(shù)測控系統(tǒng)設(shè)計。該設(shè)計采用Philips的LPC2114微處理器作為現(xiàn)場控制的核心，通過51單片機LPC932A1來實現(xiàn)Profibus總線通信。LPC2114內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器和單八路模擬開關(guān)CD4051相配合完成了多路信號的采集，采用的高精度實時時鐘芯片SD2304FLP能夠有效地實現(xiàn)溫度檢測和實時時鐘。文章最后還給出了先進的測控軟件算法及通信接口軟件的設(shè)計。

2控制電路硬件設(shè)計

智能控制器主要由微處理器、信號采集電路、時鐘溫度檢測電路、電源、鍵盤和液晶顯示電路、執(zhí)行機構(gòu)以及Profibus-DP總線接口電路等部分組成，組成框圖如圖1所示。智能控制器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度采集、處理控制、現(xiàn)場通信等功能,能單獨完成現(xiàn)場測量控制,也可與多個從站和主站一起構(gòu)建一個大系統(tǒng),完成整體的測量控制任務(wù)。

微處理器選擇

本設(shè)計任務(wù)選用了Philips的LPC2114微處理器作為現(xiàn)場控制的核心。該處理器具有足夠多的I/O接口和快速處理數(shù)據(jù)的能力，能夠滿足對多參數(shù)系統(tǒng)的實時監(jiān)控和報警的要求。

LPC2114有128K片內(nèi)FLASH程序存儲器，具有ISP和IAP功能，為系統(tǒng)的開發(fā)和維護帶來了很大的靈活性;預(yù)取指令方法使得CPU的執(zhí)行速度是普通FLASH最高速的4倍，指令的執(zhí)行速度可達(dá)到18ns;4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間短至μs;多串行口，多達(dá)46個通用I/O口，12個獨立外部中斷引腳。只要通過精心的軟件設(shè)計就可以以最少的器件完成所要求的性能,提高可靠性。

溫度檢測和實時時鐘電路

傳統(tǒng)的溫度檢測和實時時鐘是由各自獨立的芯片電路分別完成，這樣分散處理往往降低了微處理器的處理效率而且也增加了電路的復(fù)雜性，所以本設(shè)計采用了高精度實時時鐘SD2304FLP。SD2304FLP是一種具有內(nèi)置晶振、兩線式串行接口的高精度實時時鐘芯片。該芯片可保證時鐘精度為±5ppm;芯片內(nèi)置始終精度調(diào)整功能，通過內(nèi)置的數(shù)字溫度傳感器可設(shè)定適應(yīng)溫度變化的調(diào)整值，實現(xiàn)在寬溫度范圍內(nèi)高精度的計時功能;內(nèi)置2K串行E2PROM，用于存儲各溫度點的時鐘精度補償數(shù)據(jù)。正是由于內(nèi)置了I2C總線的數(shù)字溫度傳感器，可以很方便地通過I2C接口讀取溫度數(shù)據(jù)。

SD2304FLP的溫度補償是應(yīng)用的關(guān)鍵。時鐘精度隨溫度變化的補償數(shù)據(jù)出廠前已經(jīng)存儲在2K容量的E2PROM里，因此只要讀取片內(nèi)溫度傳感器就可知當(dāng)前溫度值。根據(jù)溫度值的高八位確定存儲在E2PROM補償數(shù)據(jù)地址，讀出該補償數(shù)據(jù)并寫入時鐘調(diào)整寄存器。需注意的是：I2C總線的上拉電壓應(yīng)確保在總線需要工作的時始終存在，并在系統(tǒng)中最先上電，最后掉電。

信號采集電路

本設(shè)計采集的信號是四路相電流和三路相電壓信號，電壓和電流信號都是經(jīng)過互感器形成的二次側(cè)感應(yīng)電壓。經(jīng)濾波隔離放大之后形成的適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍，7路信號經(jīng)處理后送到多路電子開關(guān)。由于LPC2114本身具有A/D轉(zhuǎn)換器，所以只需通過LPC2114控制電子開關(guān)選通所需的各路信號，即可完成對多路信號的采集，本設(shè)計選用的是單八路模擬開關(guān)CD4051。

CD4051的通道轉(zhuǎn)換頻率高達(dá)10MHz，而且控制簡單，量程可達(dá)到10V，工作溫度范圍為-55oC～+125oC，具有寬量程和信號采集實時性的特點。

LPC2114的A/D轉(zhuǎn)換頻率最大可以達(dá)到，轉(zhuǎn)換精度為2-10，完全能夠滿足實時采集和高精度要求。CD4051與LPC2114的A/D初始化和轉(zhuǎn)換工作由主程序完成。設(shè)計采用定時中斷方式，要求每1ms就在3路電壓和4路電流信號上各采集一點，LPC2114將采集所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲在ADDR中。

Profibus-DP總線接口模塊

在Profibus-DP總線通信過程中，主站循環(huán)地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。同時，數(shù)據(jù)的通信是通過主站和從站的監(jiān)控功能進行監(jiān)控的。

本系統(tǒng)選用了51單片機LPC932A1專門來實現(xiàn)Profibus總線通信。由于單片機LPC932A1上安裝有增強型UART，因此可以使用單片機通過軟件來模擬Profibus現(xiàn)場總線協(xié)議。LPC932A1操作頻率的速度是普通標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的6倍，指令執(zhí)行時間只需167ns，增強型的UART波特率可以使數(shù)據(jù)在Profibus-DP總線傳輸中高達(dá)500Kb/s，它允許高速度周期性的數(shù)據(jù)通信，因此特別適用于對時間要求苛刻的場合。

Profibus-DP接口模塊見圖2，電路主要由四部分組成：微控制器LPC2114﹑模擬總線協(xié)議處理微控制器LPC932A1﹑高速光電耦合器6N137和RS485收發(fā)器SP3485。在Profibus-DP接口

模塊設(shè)計中只需占用LPC2114中4個引腳端口，大大節(jié)省了LPC2114的端口資源。為了增強Profibus-DP總線節(jié)點的抗干擾能力，LPC932A1的TXD和RXD并不是直接與RS-485收發(fā)器SP3485的TXD和RXD相連，而是通過高速光電耦合器6N137后與SP3485相連，這樣能很好地實現(xiàn)總線上各Profibus-DP節(jié)點間的電氣隔離。其中光耦部分電路所采用的2個電源VCC和VPP必須完全隔離，雖然增加了節(jié)點的復(fù)雜性，但是卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。連接至SP3485上A引腳的上拉電阻和連接至B引腳的下拉電阻用于保證無連接時的SP3485芯片處于空閑狀態(tài)，提供網(wǎng)絡(luò)失效保護，以提高RS-485節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3軟件設(shè)計

測控軟件的算法

軟件算法采用小電流接地系統(tǒng)中用作保護算法的積分法，其依據(jù)是正弦量的半周絕對值

積分正比于幅值?m。算法表示為

式中M為每個周期內(nèi)的采樣數(shù)，S為第j個采樣值，K是比例系數(shù)，與初始采樣點S的角度有關(guān)。

此算法僅因初始采樣點不同引起的誤差較大，但個別采樣值受干擾后對總值的影響較小，在半波積分過程中部分諧波相抵消。

電壓、電流和三相有功功率的算法公式為

式中U、i為第點的電壓、電流采樣值。由上述算法可分別算出UAB、UCB和IA、IC。其他量如cosφ也可據(jù)此推算出。在普通算法中,Q算式通常由P算式導(dǎo)出,而本設(shè)計中采用的算法中,Q算式直接由電流、電壓導(dǎo)出,極大地提高了計算精度。

實時時鐘與溫度檢測軟件設(shè)計

當(dāng)測控系統(tǒng)運行時，每隔一段時間就要進行一次時鐘校準(zhǔn)和溫度檢測。主程序在自診斷模塊部分讀取溫度檢測值，判斷環(huán)境溫度是否異常。主站通過Profibus總線發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時間到各智能從站，然后由各從站對各自的時鐘進行校準(zhǔn)操作。當(dāng)某個從站發(fā)生故障和報警時，此從站就對自己的D2304FLP進行讀寫操作，以得到發(fā)生故障或報警時的時鐘和溫度值。D2304PLP初始化程序如圖3所示。

為了優(yōu)化軟件設(shè)計，兼顧開發(fā)效率和代碼運行速度，對測控程序中一些實時性或運算能力要求很高的模塊采用匯編語言編程，如參數(shù)實時控制、浮點數(shù)運算、數(shù)據(jù)采集、傳感器校準(zhǔn)、定時顯示、EEPROM存取等，同時把這些嵌入到C程序中進行處理。針對一般參數(shù)測量儀校準(zhǔn)操作繁瑣的缺陷，采用AT24C02串行EEPROM，編制了參數(shù)校準(zhǔn)模塊，既可避免每次開機校準(zhǔn)，又可按使用情況進行自動標(biāo)定、校準(zhǔn)，提高了儀器的測量精度和執(zhí)行的準(zhǔn)確性。

通信接口軟件設(shè)計

Profibus-DP接口模塊的軟件設(shè)計主要包括3個部分：LPC932A1的SAPs緩存初始化、與主站通信的主程序、LPC2114與LPC932A1的SPI通信。

LPC932A1嵌入了能模擬簡單Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議的程序。LPC932A1的初始化包括：設(shè)置符合Profibus-DP通信協(xié)議要求的UART中斷和傳輸?shù)牟ㄌ芈?，設(shè)置SPI通信，設(shè)置寫入?yún)?shù)緩存區(qū)、診斷緩存區(qū)、地址緩存區(qū)以及交換數(shù)據(jù)緩存區(qū)。

LPC932A1與Profibus-DP主站的通信發(fā)生在從站開始接收主站發(fā)送的報文前，通過響應(yīng)UART中斷來接收報文。然后判斷所接收到的報文是否為發(fā)送給本站的報文，如果不是就結(jié)束中斷，等待下一個報文。如果是，則判斷是否要改變本站地址，如果不要改，就以SPI通信方式與LPC2114進行數(shù)據(jù)傳輸。最后把經(jīng)過處理后的符合Profibus-DP協(xié)議報文發(fā)送給主站，發(fā)送成功后就等待下一個循環(huán)的到來。

LPC932A1與LPC2114以SPI的方式進行通信。LPC2114響應(yīng)SPI中斷，并開始接收LPC932A1發(fā)送過來的經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換處理的報文。由于LPC2114所接收到的報文格式會相對簡單，所以不需要占用LPC2114過多的資源。要注意的是，在SPI通信方式中，LPC932A1應(yīng)設(shè)置為主，LPC2114設(shè)置為從。

4結(jié)束語

本文從開發(fā)的角度闡述了一種新型的智能斷路器多參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計。采用LPC932A1和LPC2114兩塊微處理芯片組成的具有Profibus-DP通信功能的智能低壓斷路器控制器，具有自身的優(yōu)點，可以有效地改善控制實時性。在工業(yè)、建筑及基礎(chǔ)項目的建設(shè)中，具有通訊功能的新一代斷路器，在初始化參數(shù)、組態(tài)、診斷、測試、維護及能量管理方面打開了全新的應(yīng)用空間。

本文作者創(chuàng)新點：1.利用PROFIBUS-DP的總線網(wǎng)絡(luò)來控制智能斷路器，選用了51單片機LPC932A1來實現(xiàn)Profibus總線通信;2.智能斷路器的微處理器采用的是具有ISP和IAP功能的LPC2114微處理器，它具有高速多接口的特點，只要用軟件精心設(shè)計就可以以最少的器件完成所要求的性能;3.該測控系統(tǒng)采用了高精度、具有溫度補償功能的實時時鐘芯片SD2304FLP來實現(xiàn)溫度檢測和實時時鐘;4.采用先進的頻率自適應(yīng)同步快速交流采樣算法。

參考文獻

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用