基于單片機(jī)的FTU測控保護(hù)一體化裝置設(shè)計(jì)

中文摘要論文題目：基于單片機(jī)的FTU測控保護(hù)一體化裝置設(shè)計(jì)中文摘要：在微機(jī)保護(hù)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文中，主要介紹了在CygnalC8051F020單片機(jī)基礎(chǔ)上的一個(gè)過流保護(hù)電路以及它的初步的編程思想，硬件接口電路主要包括：12路數(shù)據(jù)采集模塊，開關(guān)量輸入輸出模塊，保護(hù)模塊，人機(jī)接口模塊，軟件程序包括初始化程序，中斷服務(wù)程序，線路保護(hù)程序等。第一章介紹了C8051單片機(jī)的特點(diǎn)；闡述了選題背景，提出了設(shè)計(jì)方案及整體框圖，并介紹了設(shè)計(jì)中CygnalC8051F020混合信號(hào)ISPFLASH微控制器目標(biāo)板的一些基本特點(diǎn)。介紹了微機(jī)保護(hù)的硬件原理，分別詳細(xì)介紹了接口電路幾個(gè)模塊的功能以及框圖。第三章介紹了微機(jī)保護(hù)的軟件原理，分別詳細(xì)介紹了軟件部分的幾個(gè)模塊的編程思想，并介紹了幾種微機(jī)保護(hù)的算法。第四章介紹了線路保護(hù)的程序邏輯原理，主要給出的是線路保保護(hù)測控單元的邏輯原理框圖以及注釋。第五章介紹了設(shè)計(jì)中所用到的目標(biāo)板詳細(xì)的資料，包括控制器內(nèi)核，模擬外設(shè)，數(shù)字外設(shè)，存儲(chǔ)器等，分別給出了結(jié)構(gòu)框圖以及相關(guān)寄存器內(nèi)容。第六章總結(jié)了設(shè)計(jì)中的結(jié)果以及自己的一些體會(huì)附錄中文摘要關(guān)鍵詞：C8051,FTU,保護(hù)，接口電路，交叉開關(guān)，數(shù)據(jù)采集ABSTRACT InthethesisthatIdesignbeforegraduating,Imostlyintroduceoneprotectcircuitbasedontheone-chipmachine:CygnalC8051F020andthethoughtofprogrammingonthecircuit.Thecircuitinclude:12-bitADC,switchstatesinandout,UART0,interfacecircuitbetweenpeopleandmachineandsoon.Thesoftwareincludeinitialprogram,interruptserviceprogramandtheprotectingprogram.Inthefirstchapter,IintroducethemainfunctionandcharactersoftheC8051,introducethedesignmethod,andintroducesomemaincharactersoftheaimboard:CygnalC8051F020.Inthesecondchapter,Iintroducethehardwarethesisofcomputerprotectionincludingthemainpartsoftheinterfacecircuit.Inthethirdchapter,Iintroducethesoftwarethesisofcomputerprotectionandsomethoughtsofprogramming.Intheforthchapter,Iintroducethelogicoftheprogram.Includesomelogicpictureofthecontrollingpart.InthefifthchapterIintroduceaimboardcarefully.IncludetheC8051core,theanalogperipherals,digitalperipherals,memoryandsoon.Inthesixthchapter,IsummarizethethingsIhavegaininthedesign.keywords:C8051,FTU,protect,interfacecircuit,switch,A/D.目錄1．開題報(bào)告 41.1選題背景 41.2方案提出。 61.3CygnalC8051F020混合信號(hào)ISPFLASH微控制器目標(biāo)板簡介 71.3.1概述 71.3.2Cygnal公司的C8051F對(duì)80C51的重要技術(shù)發(fā)展有： 71.3.3特性 82.微機(jī)保護(hù)裝置的硬件原理 92.1概述 92.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 102.2.1電壓形成回路 102.2.2采樣保持電路（S/H）和模擬低通濾波器（ALF） 102.2.3A/D轉(zhuǎn)換器（ADC） 132.3開關(guān)量輸入及輸出回路 142.3.1開關(guān)量輸入回路 142.3.2開關(guān)量輸出回路 162.4人機(jī)接口回路原理 172.4.1人機(jī)接口框圖 172.4.2串行通信接口電路 173．微機(jī)保護(hù)的軟件原理 193.1微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)配置 193.1.1概述 193.1.2保護(hù)軟件的配置 193.1.3保護(hù)軟件的3種工作狀態(tài) 203.2微機(jī)保護(hù)的算法 203.2.1算法基本概念 203.2.2半周積分算法 203.2.3傅氏變換算法 213.2.4解微分方程算法 223.3微機(jī)保護(hù)的主程序原理框圖 233.3.1初始化 233.3.2自檢的內(nèi)容和方式 253.3.3自檢循環(huán) 253.4采樣中斷服務(wù)程序原理 253.4.1采樣中斷服務(wù)程序原理框圖 253.4.2采樣計(jì)算 263.4.3TV斷線的自檢 263.4.4TA斷線的自檢 273.4.5起動(dòng)元件原理 273.5故障處理程序框圖原理 283.5.1故障處理程序框圖 283.5.2中斷服務(wù)程序與主程序各基本模塊間的關(guān)系 294．保護(hù)部分邏輯 314.1三段式方向電流保護(hù)程序邏輯原理 315．目標(biāo)板結(jié)構(gòu)及框圖 361．整體結(jié)構(gòu) 362．C8051F020原理框圖 373．片內(nèi)各器件原理及框圖說明 373.1片內(nèi)時(shí)鐘及復(fù)位 373.2片內(nèi)存儲(chǔ)器 383.3可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān) 393.4可編程計(jì)數(shù)器陣列 393.5串行端口 403.612位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 406．結(jié)果分析及心得體會(huì) 42附錄 44參考文獻(xiàn) 461．開題報(bào)告1.1選題背景基于單片機(jī)的FTU測控保護(hù)一體化裝置是王仲東教授實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際課題項(xiàng)目之一，這些項(xiàng)目都有實(shí)際的工作意義，所以對(duì)我們將是很好的鍛煉。我們這次的設(shè)計(jì)是利用C8051F020單片機(jī)系統(tǒng)組成對(duì)供電系統(tǒng)的過流保護(hù)裝置，由我和王老師的一位研究生共同完成。近年來電子計(jì)算機(jī)特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展很仇其應(yīng)用已廣泛而深入地影響著科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)和生活等各個(gè)領(lǐng)域．它使各部門的面貌發(fā)生了巨大的，往往是質(zhì)的變化，繼電保護(hù)技術(shù)也不例外。微機(jī)繼電保護(hù)裝置的特點(diǎn)：維護(hù)調(diào)試方便目前在國內(nèi)大量使用的整流型或晶體管型繼電保護(hù)裝置的調(diào)試工作量很大，尤其是一些復(fù)雜的保護(hù)，例如超高壓線路的保護(hù)設(shè)備，調(diào)試一套保護(hù)常常需要一周，甚至更長的時(shí)間。究其原因，這類保護(hù)裝置都是布線邏輯的，保護(hù)的每一種功能都由相應(yīng)的硬件器件印連線來實(shí)現(xiàn)．為確認(rèn)保護(hù)裝置是否完好，就需要把所具備的各種功能都通過模擬試驗(yàn)來校核一遍。微機(jī)保護(hù)則不同，它的硬件是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，各種復(fù)雜的功能是由相應(yīng)的軟件(程序)來實(shí)現(xiàn)的。換言之，它是用一個(gè)只會(huì)做幾種單調(diào)的、簡單操作(如讀數(shù)，寫數(shù)以及簡單的運(yùn)算)的硬件，膠以軟件，把許多簡單操作組合而完成各種復(fù)雜功能的。因而只要用幾個(gè)簡單的操作就可以檢驗(yàn)微機(jī)的硬件是否完好．或者說如果微機(jī)硬件有故障，將會(huì)立即表現(xiàn)出來．如果硬件完好，對(duì)于己成熟的軟件只要程序和設(shè)計(jì)時(shí)一樣(這很容易檢查)，就必然會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)的要農(nóng)用不著逐臺(tái)做各種模擬試驗(yàn)來檢驗(yàn)每一種功能是否正確．實(shí)際上如果經(jīng)檢數(shù)程序和設(shè)計(jì)時(shí)的完全一樣，就相當(dāng)于布線邏輯的保護(hù)裝置的各種功能已被檢查完畢，第四章將介紹，微機(jī)保護(hù)裝置具有自診斷功能對(duì)硬件各部分和存放在EPILoM中的程序不斷地進(jìn)行自動(dòng)檢測，一旦發(fā)現(xiàn)異常就會(huì)發(fā)出警報(bào)．通常只要給上電源后沒有警比就可確認(rèn)裝置是完好的．所以對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置可以說幾乎不用調(diào)民從而可大大減輕運(yùn)行維護(hù)的工作量．（2）可靠性高計(jì)算機(jī)在程序指揮下，有極強(qiáng)的綜合分析和判斷能九因而它可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)保護(hù)很難辦到的自動(dòng)糾錯(cuò)即自動(dòng)地識(shí)別和排除于比防止由于干擾而造成誤動(dòng)作．另外它有自診斷能力能夠自動(dòng)檢測出本身硬件的異常部分配合多重化可以有效地防止拒亂因此可靠性很高。（3）易于獲得附加功能應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)后，如果配置一個(gè)打印比或者其他顯示設(shè)備，可以在系統(tǒng)發(fā)生故障后提供多種信息．例如保護(hù)各部分的動(dòng)作順序和動(dòng)作時(shí)間記錄，故酶類型和相別及故障前后電壓和電流的波形記錄等．對(duì)于線路保P，還可以提供故障點(diǎn)的位置(測距)．這將有助于運(yùn)行部門對(duì)事故的分折和處理．靈活性大由于計(jì)算機(jī)保護(hù)的特性主要由軟件決定(不同原理的保護(hù)可以來用通用的硬件)，因此只要改變軟件就可以改變保護(hù)的特性和功能．從而可靈活地適應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化。保護(hù)性能得到很好改善由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使很多原有型式的繼電保護(hù)中存在的技術(shù)問忍可找到新的解決辦法．例如對(duì)接地距離保護(hù)的允許過渡電阻的能力，距離保護(hù)如何區(qū)別振蕩和短路，大型變壓器差動(dòng)保護(hù)如何識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障等問題都已提出了許多新的原理和解決方法．1.2方案提出。我在過流保護(hù)裝值設(shè)計(jì)中協(xié)助保護(hù)電路以及數(shù)據(jù)采集部分硬件電路的軟件編程，所以主要工作是在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的硬件電路上根據(jù)C8051F020的用戶手冊(cè)中個(gè)寄存器定義，以及各器件功能表，用用戶光盤中提供的CygnalIDE開發(fā)工具用C語言進(jìn)行軟件編程。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路時(shí)需要對(duì)12路信號(hào)進(jìn)行A/D變換，并對(duì)目標(biāo)板自帶的A/D轉(zhuǎn)換芯片設(shè)置工作方式，選擇輸入輸出端口。在保護(hù)電路中需要考慮到I段，II段，III段分別的邏輯關(guān)系，在硬件上都通過一些邏輯器件實(shí)現(xiàn)，這些在后面都會(huì)詳細(xì)介紹。整體程序的關(guān)系如下所示：圖1.1可以看到，整個(gè)程序包括初始化，數(shù)據(jù)采集，保護(hù)邏輯判斷，保護(hù)動(dòng)作等幾個(gè)部分，同時(shí)硬件接口電路包括五個(gè)模塊，包括數(shù)據(jù)采集，線路保護(hù)模塊，開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出，人機(jī)接口，其中人機(jī)接口模塊包括了鍵盤，LED顯示以及一個(gè)485通信模塊。1.3CygnalC8051F020混合信號(hào)ISPFLASH微控制器目標(biāo)板簡介1.3.1概述我們所使用的開發(fā)系統(tǒng)是沈陽新華龍公司代理的Cygnal系列單片機(jī)C8051Fxxx系列的C8051F020.在嵌入式系統(tǒng)低端的單片機(jī)領(lǐng)域，從8位機(jī)誕生至今，已近30年，在百花齊放的單片機(jī)家族中，8051系列單片機(jī)一直扮演著一個(gè)獨(dú)特的角色。Cygnal公司推出的C8051F系列更令業(yè)界人士刮目相看。由intel公司推出的MCS-51提供了最佳兼容性，使MCS-51在被“肢解”改造后，還能以不變的指令系統(tǒng)，基本單元的兼容性保持著8051內(nèi)核的生命延續(xù)，并在未來SOC發(fā)展中擔(dān)任8位CPU內(nèi)核的重任。當(dāng)前Cygnal公司推出的C8051F又將8051兼容單片機(jī)上推上了8位機(jī)的先進(jìn)行列?？偨Y(jié)80C51系列的發(fā)展歷史，可以看出單片機(jī)的3次技術(shù)飛躍。第一次飛躍是以Plilips公司為主力，將以“單片微型計(jì)算機(jī)”形態(tài)的MCS-51系列迅速推進(jìn)到80C51的MCU時(shí)代，形成了可滿足各種嵌入式應(yīng)用要求的單片機(jī)系列產(chǎn)品；第2次飛躍則是ATMEL公司以其先進(jìn)的FLASHROM技術(shù)推出AT89Cxx系列形成的引領(lǐng)單片機(jī)的FLASHROM潮流；而當(dāng)前Cygnal公司推出的C8051F則是將80C51系列從MCU推向SOC時(shí)代的第3次飛躍。1.3.2Cygnal公司的C8051F對(duì)80C51的重要技術(shù)發(fā)展有：大力提高指令運(yùn)行速度。隨著單片及技術(shù)的發(fā)展，MCS-51已成為8位機(jī)中運(yùn)行速度最慢的系列。為了提升速度，采用將機(jī)器周期從12個(gè)時(shí)鐘周期縮短到4個(gè)和6個(gè)，速度提升有限。Cygnal公司在提升8051速度上采取了新的途徑，推出了CIP-51的CPU模式。在這種模式中，廢除了機(jī)器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期位運(yùn)行單位。平均每個(gè)時(shí)鐘可以執(zhí)行完一條單周期指令。與8051相比，在相同時(shí)鐘下，單周期指令運(yùn)行速度為原來的12倍；全指令及平均運(yùn)行速度為原來的9.5倍。C8051F進(jìn)入了8位高速單片機(jī)行列。I/O從固定方式到交叉開關(guān)配置。迄今為止，I/O端口大多是固定位某個(gè)特殊功能的輸入輸出端口，這種固定方式的I/O端口，既占引腳多，配置又不夠靈活。Secinx公司在推出的8位SX單片機(jī)系列中曾采取虛擬外設(shè)的方法將I/O口的固定方式轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖O(shè)定方式；而在Cygnal公司的C8051F中，則采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實(shí)現(xiàn)I/O端口的靈活配置。在這種通過交叉開關(guān)配置的I/O端口系統(tǒng)中,單片機(jī)外部為通用I/O端口，如P0口，P1,P2口；內(nèi)部又輸入輸出的電路單元，通過相應(yīng)的配置寄存器控制得的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。為單片機(jī)提供了一個(gè)完善的時(shí)鐘系統(tǒng)。早期單片機(jī)都是用一個(gè)時(shí)鐘控制片內(nèi)所有步序。進(jìn)入CMOS時(shí)代后，由于低功耗設(shè)計(jì)的要求，出現(xiàn)了在一個(gè)主時(shí)鐘下，CPU運(yùn)行速度可選擇在不同的時(shí)鐘頻率下操作；或設(shè)置高，低兩個(gè)主時(shí)鐘，按系統(tǒng)操作要求選擇合適的時(shí)鐘速度或關(guān)閉時(shí)鐘。而Cygnal公司的C8051F則提供了一個(gè)完整而先進(jìn)的時(shí)鐘系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，片內(nèi)設(shè)置有一個(gè)可編程的時(shí)鐘振蕩器，可提供2Mhz,4Mhz,8Mhz和16Mhz時(shí)鐘的編程設(shè)定，外部振蕩器可選擇4中工作方式。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)切換。編程選擇的時(shí)鐘輸出SYSCLK除片內(nèi)使用外，還可從任意選擇的I/O口輸出。還有其他重要的技術(shù)發(fā)展，由于設(shè)計(jì)中涉及的不是很多，故在此不一一贅述了，只簡略介紹如下:從傳統(tǒng)的仿真調(diào)試到基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試。從引腳復(fù)位到多源復(fù)位。最小功耗系統(tǒng)的最佳支持1.3.3特性C8051F雖然擺脫了5V供電，但仍可與5V電路方便的連接，所有的I/O端口可以接收5V邏輯電平的輸入，在選擇開漏加上拉電阻到5V后，也可驅(qū)動(dòng)5V邏輯器件。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用到的是C8051F020型號(hào)的單片機(jī)系統(tǒng),屬于C8051F02x系列。C8051F02x系列MCU是高度集成的片上系統(tǒng)。主要特點(diǎn)如下：25MIPS8051CPU64k字節(jié)Flash4352字節(jié)RAM外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口2UARTs,SPI,SMBus/I2C5

個(gè)16位定時(shí)器,可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）64

個(gè)I/O口12位ADC

：100ksps;8位ADC

：500ksps12位DAC比較器;電壓基準(zhǔn);溫度傳感器JTAG非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試-40℃到+85℃;TQFP-100封裝2.微機(jī)保護(hù)裝置的硬件原理2.1概述(1)模擬量插入系統(tǒng)(或稱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))包括電壓形成、模擬濾波(ALP),采樣保持(S／H)、多路轉(zhuǎn)換(MPX)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換(A／D)等功能塊，完成將模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量。(2)CPU主系統(tǒng)包括微處理器(MPU)、只讀存儲(chǔ)器(一般用啪0M)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)(RAM)以及定時(shí)器等。MPU執(zhí)行存放在EPEOM中的程序，對(duì)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至RAM區(qū)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以完成各種繼電保護(hù)的功能。(3)開關(guān)量(或數(shù)字量)輸入／輸出系統(tǒng)由若干并行接口適配器(PIA或PIO)、光電隔離器件及有接點(diǎn)的中間繼電器等組成，以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信息警報(bào)、外部接點(diǎn)輸入及人機(jī)對(duì)話等功能．硬件示意框圖如圖1.1所示．圖2.1微機(jī)保護(hù)硬件示意框圖2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2.2.1電壓形成回路微機(jī)要從被保護(hù)的電力線路或設(shè)備的電流互感器，電壓互感器上取得信息，但這些互感器上的二次數(shù)值，數(shù)值范圍對(duì)微機(jī)電路卻不適用，故需要降低和變換。2.2.2采樣保持電路（S/H）和模擬低通濾波器（ALF）(一)。S/H電路原理S／H電路的作用是在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測量模擬輸入量在該時(shí)刻的瞬時(shí)值，并在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間內(nèi)保持其輸出不變。S／H電路的工作原理可用圖l—2來說明。它由一個(gè)電子模擬開關(guān)AS，電容Gb以及兩個(gè)阻抗變換器組成。開關(guān)朋受邏輯輸入端電乎控制。在高電平時(shí)46閉合此時(shí)，電路處于采樣狀態(tài)。Ch迅速充電或放電到Usr也采樣時(shí)刻的電壓值。AS的閉合時(shí)間應(yīng)滿足使Ch有足夠的充或放電時(shí)間即采樣時(shí)間。顯然希望采樣時(shí)間越短越好，因而應(yīng)用阻抗變換器I,它在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，而輸出阻抗很低，使Ch上的電壓能迅速跟蹤到Usr值。A3打開時(shí)，電容Ch上保持住AS打開瞬間的電壓,電路處于保持狀態(tài)。同樣，為了提高保持能力，電路中應(yīng)用了另一個(gè)阻抗變換器，它對(duì)Ch呈現(xiàn)高阻況，而輸出阻抗(Usc側(cè))很低，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力。阻抗變換器可由運(yùn)算放大器構(gòu)成。（二）.對(duì)采樣保持電路的要求高質(zhì)量的采樣保持電路應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：1)使cA上電壓技一定的精度(例如誤差小于0.1％)跟蹤上Usr所需要的小采樣寬度Tc(或稱為截獲時(shí)間)，對(duì)快速變化的倍號(hào)采樣階要求Tc盡量短，以便可用很窄的采樣脈沖，這樣才能準(zhǔn)確的反映某一時(shí)刻的Usr值。2)保持時(shí)間要長。通常用下降率U/(Ts-Tc)來表示保持能力。3)模擬開關(guān)的動(dòng)作延時(shí)、閉合電阻和開斷時(shí)的漏電流要小。上述1)和2)兩個(gè)指標(biāo)一方面決定于圖1—2中所用阻抗變換器的質(zhì)量，另一方面和電容器Ch的容量有關(guān)。就截獲時(shí)間來說，希望Ch越小越好，但就保持時(shí)間而言，Ch則越大越好。閱此設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)使用場合的特點(diǎn)，在二者之間權(quán)衡后選擇合適的Ck值下面通道圖l—4所示的一種典型采樣保持器的特性曲線進(jìn)一步說明采樣保持電路性能與電容Ch大小的關(guān)系。圖2.2采樣保持電路性能與電容Ch大小的關(guān)系。由圖1—4可見，Ch不宜用太小的值，這不僅因?yàn)楸３帜芰﹄SCh下降而下降(圖中曲線1)，還因?yàn)镃h和采樣脈沖輸入電路之間不可避免地有一定的通過分市電容的耦合。因而在從采樣狀態(tài)轉(zhuǎn)到保持狀態(tài)的瞬間，采樣脈沖由高電乎變到低電平，這種電平的跳變可能要通過分市電容的耦合影響Ch的保持值，由于這種原因造成的誤差叫保持跳變誤差(holdstep)．不難理解Ch值越小，保持跳變誤差越大(圖中的曲線2)。對(duì)微機(jī)保護(hù)來說，通?？蛇x用Ch＝o．olpF此時(shí)從曲線1可見，保持下降率約為2mV／s，完全可以忽略(以后將看到保護(hù)系統(tǒng)的采樣間隔一般不大于2ms)，而達(dá)到0.1％的采樣跟蹤精度所需的最小截獲時(shí)間約為20ps,僅相當(dāng)于工頻的o．36。，也是完全允許的。(三)采樣頻率的選擇和ALF的應(yīng)用圖l—3中所示采樣間隔Ts的倒數(shù)稱為采樣頻率fs．采樣頻率的選擇是微機(jī)保護(hù)硬件設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，為此要綜合考慮很多因素并從中作出權(quán)衡。采樣頻率越高，要求CPU的速度越高。因?yàn)槲C(jī)保護(hù)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以采樣頻率不斷地向CPu輸入數(shù)據(jù)，CPU必須要來得及在兩個(gè)相鄰采樣間隔時(shí)間Ts內(nèi)處理完對(duì)每一組采樣值所必須作的各種操作和運(yùn)算，否則CPU將跟不上實(shí)時(shí)節(jié)拍而無法工作．相反采樣頻率過低將不能真實(shí)地反映被采樣信號(hào)的情況。可以證明，如果被采樣信號(hào)中所含最高頻率成份的頻率為Fmax則采樣頻率fs必須大于fmax的二倍，否則將造成頻率混疊．這里僅從概念上來說明采樣頻率過低造成頻率混疊的原因。圖2.3頻率混疊示意圖對(duì)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)來說，在故障初瞬，電壓、電流中可能合有相當(dāng)高的頻率分量(例如2KHz以上)，為防止混疊，fs將不得不用得很高，從而對(duì)硬件速度提出過高的要求．但實(shí)際上目前大多數(shù)的微機(jī)保護(hù)原理都是反映工頻量的，在這種情況下可以在采樣前用一個(gè)低通模擬濾波器(ALF)將高頻分量濾紙這樣就可以降低fs,從而降低對(duì)硬件提出的要求。2.2.3A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）(一)AOC的一般原理由于計(jì)算機(jī)只能對(duì)數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算，而電力系統(tǒng)中的電流、電壓信號(hào)均為模擬量，因此必須采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以認(rèn)為是一編碼電路。它將輸入的模擬量相對(duì)于模擬參考量Ur經(jīng)一編碼電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D輸出。一個(gè)理想的A／D轉(zhuǎn)換器，其輸出與輸入的關(guān)系式為；D=[Ua/Ub]（2.1）式中D是小于1的二進(jìn)制數(shù)．對(duì)于單極性的模擬量，小數(shù)點(diǎn)在最高位前，即要求輸入U(xiǎn)a必須小于Ur,D可表示為（2.2）式中為其最高位，常用英文MSB縮寫為最低位，簡稱為LSB，~均為二進(jìn)制碼，其值只能是“1”或“0”。因而又可寫為：）（2.3）以上即為A／D轉(zhuǎn)換器中模擬信號(hào)量化的表示式。由于編碼電路的位數(shù)總是有限的，例如式(1)中有n位，而實(shí)際的模擬公式卻可能為任意值，因而對(duì)連續(xù)的模擬量用有限長位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)表示時(shí)不可避兔的要舍去比最低位(LSB)更小的數(shù)，從而引入一定的誤差。顯然這種量化誤差的絕對(duì)值最大不會(huì)超過和LSB相當(dāng)?shù)闹?。因而模?shù)轉(zhuǎn)換編碼的位數(shù)越多，即數(shù)值分得越細(xì)，所引入的量化誤差就越小，或稱分辨率就越高．（二）.C8051F020ADC0的啟動(dòng)及工作方式ADC0的最高轉(zhuǎn)換速度為100ksps，其轉(zhuǎn)換時(shí)鐘來源于系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，分頻值保存在寄存器ADC0CF的ADCSC位。有4種啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式，由ADC0CN中的ADC)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式位（ADC0CM1,ADC0CM0）的狀態(tài)決定.轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源有：1．向ADC0CN的AD0BUSY位寫1；2．定時(shí)器3溢出(即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換)；3．外部ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)的上升沿，CNVSTR;4.定時(shí)器2溢出(即定時(shí)器的連續(xù)轉(zhuǎn)換)。在本社幾種主要用到的是定時(shí)器3溢出，即定時(shí)器3計(jì)時(shí)一旦溢出，就會(huì)產(chǎn)生中斷并啟動(dòng)ADC0，在轉(zhuǎn)換期間AD0BUSY被置“1”，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復(fù)“0”，AD0BUSY位的下降沿觸發(fā)一個(gè)中斷并將中斷標(biāo)志AD0INT置“1”。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被保存在ADC數(shù)據(jù)字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L.轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在寄存器對(duì)其中的存儲(chǔ)方式可以是左對(duì)齊或右對(duì)齊。（三）D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）由ADC的原理分析可知，為了實(shí)現(xiàn)模數(shù)變換(ADC)，在A/D變換中必須具備有用于反饋比較的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。因此達(dá)里先簡單介紹一下數(shù)模轉(zhuǎn)換器．?dāng)?shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量D經(jīng)一解碼電路變成模擬電壓輸出。數(shù)字量是用代碼按數(shù)位的權(quán)組合起來表示的，每一位代碼都有一定的權(quán)，即代表一具體數(shù)值。因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每一位代碼技其權(quán)的值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，即得與被轉(zhuǎn)換數(shù)字量相當(dāng)?shù)哪M量，亦即完成了數(shù)模轉(zhuǎn)換。2.3開關(guān)量輸入及輸出回路2.3.1開關(guān)量輸入回路對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的開關(guān)量輸入即接點(diǎn)狀態(tài)(接通或斷開)的輸入可以分成以下兩大類：1)安裝在裝置面板上的接點(diǎn)。這類接點(diǎn)包括在裝置調(diào)試時(shí)用的或運(yùn)行中定期檢查裝置用的鍵盤接點(diǎn)以及切換裝置工作方式用的轉(zhuǎn)換開關(guān)等。2)從裝暨外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點(diǎn)．例如需要由運(yùn)行人顯不打開裝置外蓋而在運(yùn)行中切換的各種壓板，轉(zhuǎn)換開關(guān)以及其他保護(hù)裝置和操作繼電器的接點(diǎn)等。對(duì)于裝在裝置面板上的接點(diǎn)，對(duì)直接接至微機(jī)的并行接口，如圖所示，只要在初始化時(shí)規(guī)定圖中可編程的并行口的PA，為輸入口，則CPU就可以通過軟件查詢，隨時(shí)知道圖中外部接點(diǎn)K1的狀態(tài)。圖2.4對(duì)于從裝置外部引入的接點(diǎn)，如果也按上圖接線將給微機(jī)引入干擾，故應(yīng)經(jīng)光電隔離如下圖所示。圖中虛線框內(nèi)置—個(gè)光電耦合器件，集成在一個(gè)芯片內(nèi)。當(dāng)外部接點(diǎn)K1接通時(shí)，有電流通過光電器件的發(fā)光二極管回路，使光敏三極管導(dǎo)通。Kl打開時(shí)，則光敏三極管截止。因此三極管的導(dǎo)通和截止完全反映了外部接點(diǎn)的狀態(tài)，如同將K1接到三極管的位置一樣。不同點(diǎn)是圖中可能帶有電磁干擾的外部接線回路和微機(jī)的電路之間無電的聯(lián)系，而光電耦合芯片的兩個(gè)互相隔離部分間的分布電容僅僅是幾個(gè)微法，因此可大大削弱于擾。圖開關(guān)量輸出回路開關(guān)量輸出主要包括保護(hù)的跳閘出口以及本地和中央信號(hào)等。一般都采用并行接口的輸出口來控制有接點(diǎn)繼電器(干簧或密封小中間繼電器)的方法，但為提高抗于擾能力，最好也經(jīng)過一級(jí)光電隔離如圖所示。只要由軟件使并行口的PB0輸出“0”，PB1輸出“1’，便可使與非門Hl輸出低電平，光敏三極管導(dǎo)通，繼電器J被吸合。圖2.6在初始化和需要繼電器J返還時(shí)，應(yīng)使PB0輸出“1”，PB1輸出“0”。設(shè)置反相器B1及與非門H1而不是將發(fā)光二極管直接同并行口相連，一方面是因?yàn)椴⑿锌趲ж?fù)載能力有限，不足以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，另一方面因?yàn)椴捎门c非門后要滿足兩個(gè)條件才能使J動(dòng)作，增加了抗干擾能力。最后應(yīng)當(dāng)注意圖中的PB0經(jīng)一反相器而PB1卻不經(jīng)反相器，這樣接可防止拉合直流電源的過程中繼電器J的短時(shí)誤動(dòng)。因?yàn)樵诶现绷麟娫催^程中，當(dāng)5V電源處在中間某一臨界電壓值時(shí)，可能由于邏輪電路的工作紊亂而造成保護(hù)誤動(dòng)作，特別是保護(hù)裝置的電源往往接有大量的電容器，所以拉合直流電源時(shí)，無論是5V電源還是驅(qū)動(dòng)繼電器J用的電源E，都可能相當(dāng)緩慢的上升或下降，從而完全可能來得及使繼電器J的接點(diǎn)短時(shí)閉合。采用圖示的接法后，由于兩個(gè)相反的條件的互相制約，可以可靠的防止誤動(dòng)作。2.4人機(jī)接口回路原理2.4.1人機(jī)接口框圖一般說來，微機(jī)保護(hù)的人機(jī)接口是指鍵盤，顯示器及接口CPU插件電路，人機(jī)接口回路的主要作用是通過鍵盤和顯示器完成人機(jī)對(duì)話任務(wù)，時(shí)鐘校對(duì)及與各保護(hù)CPU插件通信和巡檢任務(wù)。在單CPU結(jié)構(gòu)的保護(hù)中，接口CPU就由保護(hù)CPU兼任。為了減輕保護(hù)CPU的負(fù)擔(dān)，可由可編程鍵盤，顯示器專用接口芯片來完成鍵盤，顯示器與保護(hù)CPU的接口任務(wù)，在本設(shè)計(jì)中用到的是8位的鍵盤接口。圖2.7多CPU保護(hù)的人機(jī)接口插件原理圖2.4.2串行通信接口電路人機(jī)接口與保護(hù)CPU之間的串行通信(一).串行通信接口電路及其作用人機(jī)接口與保護(hù)CPU之間的串行通信的作用是人機(jī)對(duì)話和巡檢，其電路如圖所示。這個(gè)串行通信系統(tǒng)是主從分布式的系統(tǒng)，接口CPU是主機(jī)，保護(hù)CPU是從機(jī)，主機(jī)發(fā)訊的T段接收從機(jī)收訊的R端，從機(jī)發(fā)訊的T端接主機(jī)收訊的R端。接口插件的串行通信回路，由接口CPU串行接口與各保護(hù)插件的串行口按輻射狀相連，每個(gè)保護(hù)插件都可以同人機(jī)接口進(jìn)行雙向的串行通信，而各保護(hù)插件之間不能互相通信，。圖中8256,CPU1,CPU2,CPU3,CPU4分別代表人機(jī)串行通信接口及高頻，距離，零序電流和綜重插件的CPU。串行接口在調(diào)試狀態(tài)下用于傳送人機(jī)接口的鍵盤命令或接收保護(hù)CPU插件的數(shù)據(jù)。在運(yùn)行狀態(tài)下，用于巡檢各保護(hù)CPU插件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后，則能通過串行接口向主機(jī)傳送故障報(bào)告，并通過顯示器顯示出來。（二）.巡檢及巡檢中斷告警正常運(yùn)行狀態(tài)，接口插件不斷的通過串行口向各CPU插件發(fā)出巡檢令，當(dāng)各CPU軍正常時(shí)，分別作出回答，如果某一保護(hù)CPU插件自檢出硬件故障，一方面驅(qū)動(dòng)本CPU告警繼電器AXJN切斷跳閘出口電源，另方面在受到巡檢令后向接口插件傳送故障信息及出錯(cuò)碼，接口插件受到出錯(cuò)碼后，驅(qū)動(dòng)總告警繼電器，并顯示或打印出故障信息。如果接口插件發(fā)出巡檢令，某一保護(hù)CPU未做出回答，則接口插件通過外部復(fù)位開出，強(qiáng)制該CPU復(fù)位，然后再發(fā)出巡檢令，如果仍得不到回答，則驅(qū)動(dòng)總告警開出，并顯示或打印出該CPU出錯(cuò)信息。采用先復(fù)位后告警是為了防止某一保護(hù)插件因干擾造成出格，但并無硬件損環(huán)時(shí)，可再復(fù)位后使其恢復(fù)正常工作，不必告警，如果人機(jī)接口插件發(fā)生故障而不能執(zhí)行循環(huán)監(jiān)測程序時(shí)，各保護(hù)CPU插件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收不到巡檢命令，就驅(qū)動(dòng)巡檢中斷繼電器告警。3．微機(jī)保護(hù)的軟件原理3.1微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)配置3.1.1概述由于微機(jī)保護(hù)的硬件分為人機(jī)接口和保護(hù)兩大部份，因此相應(yīng)的軟件也就分為接口軟件和保護(hù)軟件兩大部份。我在此主要介紹保護(hù)軟件的原理及設(shè)計(jì)。3.1.2保護(hù)軟件的配置各保護(hù)CPU插件的保護(hù)軟件配置為主程序和兩個(gè)中斷服務(wù)程序。主程序通常都有3個(gè)基本模塊：初始化和自檢循環(huán)模塊，保護(hù)邏輯判斷模塊和跳閘處理模塊（即故障處理模塊）。一般來說前后兩個(gè)模塊在不同的保護(hù)裝置是基本上相同的，而保護(hù)邏輯判斷模塊就隨不同的保護(hù)裝置而相差甚遠(yuǎn)。中斷服務(wù)程序有定時(shí)采樣中斷服務(wù)程序和串行口通信中斷服務(wù)程序，在不同的保護(hù)裝置中，采樣算法是不同的，例如采樣算法上有些不同或者因保護(hù)裝置有些特殊要求，是的采樣中斷服務(wù)程序部分也不盡相同。不同保護(hù)的通信規(guī)約不同，也會(huì)造成程序的很大差異。3.1.3保護(hù)軟件的3種工作狀態(tài)保護(hù)軟件有3種工作狀態(tài)：運(yùn)行，調(diào)試，不對(duì)應(yīng)狀態(tài)。不同狀態(tài)時(shí)程序流程也就不相同了。有的保護(hù)沒有不對(duì)應(yīng)狀態(tài)，只有運(yùn)行和調(diào)試兩種狀態(tài)。3.2微機(jī)保護(hù)的算法3.2.1算法基本概念微機(jī)保護(hù)的算法是軟件中的關(guān)鍵問題。微機(jī)保護(hù)算法有很多種，主要考慮的是計(jì)算機(jī)的精度和速度。速度包括兩個(gè)方面：采樣點(diǎn)數(shù)，運(yùn)算工作量。精度往往與速度相矛盾，本節(jié)主要分析保護(hù)常用的三種算法：半周積分算法，傅氏變換算法，解積分方程式算法。3.2.2半周積分算法當(dāng)被采樣的模擬量是交流正弦量時(shí)可使用半周積分算法。該算法的依據(jù)是一個(gè)正弦量載任意半周期內(nèi)絕對(duì)值的積分為一個(gè)常數(shù)。并且積分值和積分的起始點(diǎn)和出相角無關(guān)，如圖2.1所示的正弦波中畫有斜線的兩塊面積是相等的據(jù)此，半周期的面積可寫成：（3.1）在半周期面積S常數(shù)求出后，可利用上式算出交流正弦量i的有效值（電壓類似）。而半周期面積S常數(shù)可以通過圖2.2所示的梯形法求和算出：（3.2）只要采樣點(diǎn)數(shù)足夠多，用梯形法近似積分的誤差可以做到很小。這種算法不能抑制直流，對(duì)于一些要求不高的保護(hù)可以采用此法。圖3.1圖傅氏變換算法當(dāng)被采樣的模擬量不是正弦波而是一個(gè)周期性時(shí)間函數(shù)時(shí)，可采用傅氏變換算法。傅氏算法來源于傅立業(yè)級(jí)數(shù)，可用下式表示：（3.3）式中n為自然數(shù)，n=0,1,2,……表示諧波分量次數(shù)。根據(jù)傅立業(yè)級(jí)數(shù)的逆變換原理可求得：（3.4）于是x(t)中的基波分量為：（3.5）合并正，余弦項(xiàng)，可寫為：（3.6）式中X為基波分量的有效值。將用和角公式展開,得到：（3.7）對(duì)此可根據(jù)a1和b1求出有效值和相角：（3.8）在用計(jì)算機(jī)用梯形法處理積分可求得：（3.9）于半周積分算法相比，傅氏變換算法可以計(jì)算周期性時(shí)間函數(shù)，還可以算出初相位角，其積分運(yùn)算結(jié)果同樣具有數(shù)字濾波功能，運(yùn)算工作量也不大，但是這種算法容易受輸入模擬量中的非周期分量影響很大，通常要加一些措施克服誤差。3.2.4解微分方程算法解微分方程算法主要用于微機(jī)距離保護(hù)中計(jì)算阻抗，它利用電力線路的電壓微分方程關(guān)系式，求解二元一次方程的未知數(shù)：短路故障線路電阻R1和線路電感L1。該算法前提條件式假設(shè)輸電線路的分布電容可以忽略。當(dāng)輸電線路發(fā)生故障時(shí)，從故障點(diǎn)到保護(hù)安裝出的線路可用電阻R1和電感L1串聯(lián)電路來表示，下列微分方程式成立：（3.10）可見，當(dāng)已知采樣電壓和電流時(shí)，通過解上式可求得R1和L1。如果在兩個(gè)不同時(shí)刻t1,t2分別采樣計(jì)算出u,I,di/dt，那么就可以得到兩個(gè)獨(dú)立的方程式：（3.11）連立以上兩式就可以求出未知數(shù)R1,L1，也就是可以求出線路阻抗Z=R1+jL1,這就是二元一次代數(shù)方程式求解短路線路阻抗的基本原理。連立求得R1和L1有：（3.12）在用計(jì)算機(jī)處理以上兩式時(shí)，電流導(dǎo)數(shù)可以用差分法計(jì)算，即取t1和t2分別為兩個(gè)相鄰的采樣瞬間的中間值如下圖所示：圖3.3于是近似有下式：（3.13）可見只要采樣點(diǎn)數(shù)N取得足夠多，其結(jié)果就可以計(jì)算的足夠精確。解微分方程法所依據(jù)的微分方程式忽略了輸電線分布電容。由此帶來的誤差只要用一個(gè)低通濾波器預(yù)先濾出電壓和電流種的高頻分量就可以基本消除，因?yàn)榉植茧娙莸娜菘怪挥袑?duì)高頻分量才是不可忽略的。3.3微機(jī)保護(hù)的主程序原理框圖3.3.1初始化初始化是指保護(hù)裝置在上電或按下復(fù)位鍵時(shí)首先執(zhí)行的程序，它主要是對(duì)單片機(jī)及可編程擴(kuò)展芯片的工作方式，參數(shù)的設(shè)置，以便在后面的程序中按預(yù)定方案工作。初始化（一）是對(duì)單片微機(jī)及其擴(kuò)展芯片的初始化，使保護(hù)輸出的開關(guān)量出口初始化，賦以正常值，以保證出口繼電器均不動(dòng)作。初始化（一）是運(yùn)行與監(jiān)控程序都需要用到的初始化程序。初始化（二）包括采樣定時(shí)器的初始化，控制采樣間隔時(shí)間，對(duì)RAM區(qū)中所有運(yùn)行時(shí)要使用的軟件計(jì)數(shù)器及各種標(biāo)志為清零等程序。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化主要指采樣值存放地址指針初始化。圖自檢的內(nèi)容和方式RAM的讀寫檢查定值檢查EPROM求和自檢及CRC自檢開出自檢3.3.3自檢循環(huán)在開放了中斷后，所有準(zhǔn)備工作就緒了，主程序就進(jìn)入自檢循環(huán)程序階段。故障處理程序結(jié)束返回主程序，也是在這里進(jìn)入自檢循環(huán)的。自檢循環(huán)包括查詢檢測報(bào)告，專用及通用自檢等內(nèi)容。3.4采樣中斷服務(wù)程序原理3.4.1采樣中斷服務(wù)程序原理框圖采樣中斷服務(wù)程序主要包括采樣計(jì)算，TV,TA斷線自檢和保護(hù)啟動(dòng)元件三個(gè)部分。同時(shí)還可以根據(jù)不同的保護(hù)特點(diǎn)，增加一些檢測被保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)的程序。采樣中斷服務(wù)程序原理框圖如下：圖采樣計(jì)算在計(jì)算之前必須分別對(duì)三相電流，零序電流，三相電壓，零序電壓及線路電壓的瞬時(shí)值同時(shí)采樣。保護(hù)采樣計(jì)算就是采用某種之前介紹的算法分別計(jì)算各向電壓電流的有效值，相位，頻率及阻抗等。微機(jī)保護(hù)的采樣計(jì)算是利用微機(jī)能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和存儲(chǔ)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了許多常規(guī)保護(hù)靠硬件根本無法實(shí)現(xiàn)的功能，還是的保護(hù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作特性變得十分簡單靈活而方便。3.4.3TV斷線的自檢檢查TV二次是否斷線可以有以下兩種判據(jù)：正序電壓小于30V,而任一相電流大于0.1A;負(fù)序電壓大于8V.并非所有保護(hù)都有該項(xiàng)功能，如三段式的電流保護(hù)就不需要做TV斷線自檢3.4.4TA斷線的自檢在TA二次回路斷線或電流通道的中間環(huán)節(jié)接觸不良時(shí)，有的保護(hù)有可能誤動(dòng)作，因此對(duì)TA二次回路必須監(jiān)視，在斷線時(shí)閉鎖保護(hù)并應(yīng)告警。對(duì)大接地電流系統(tǒng)可采用如下兩個(gè)零序電流的判據(jù)：（1）變壓器“”側(cè)出現(xiàn)零序電流則判為該側(cè)斷線；（2）“Y”接線側(cè)，比較自產(chǎn)零序電流()和變壓器中性點(diǎn)側(cè)TA引入的零序電流（3），出現(xiàn)差流則判斷該側(cè)TA斷線。對(duì)于中低壓變電所也可選擇其他判斷方法。以下是變壓器保護(hù)采用負(fù)序電流來判斷TA斷線的兩個(gè)判據(jù)：（1）TA斷線時(shí)產(chǎn)生負(fù)序電流僅在斷線一側(cè)出現(xiàn)，而在故障是至少有兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流(2)以上判據(jù)在變壓器空載時(shí)發(fā)生故障的情況下，因僅電源側(cè)出現(xiàn)負(fù)序電流，將誤判TA斷線。因此要求另加條件，降壓變壓器低壓側(cè)三相都有一定的負(fù)荷電流。在TA斷線期間，軟件同樣要標(biāo)志位DLDX=1來標(biāo)志TA斷線，并根據(jù)整定的字決定是否應(yīng)退出運(yùn)行。3.4.5起動(dòng)元件原理（一）起動(dòng)元件作用為了提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性，保護(hù)裝置的出口均經(jīng)起動(dòng)元件閉鎖，只有在保護(hù)起動(dòng)元件起動(dòng)后，保護(hù)裝置的出口閉鎖才被解除。在微機(jī)保護(hù)裝置里，起動(dòng)元件是由軟件來完成的。起動(dòng)元件起動(dòng)以后，標(biāo)志位KST置一。（二）保護(hù)起動(dòng)元件邏輯中低壓變電所通常采用III段電流起動(dòng)元件，是常規(guī)保護(hù)的起動(dòng)邏輯以下是保護(hù)起動(dòng)元件邏輯框圖：圖3.6當(dāng)采樣中斷服務(wù)程序的起動(dòng)元件保護(hù)起動(dòng)，則轉(zhuǎn)入故障處理程序。在進(jìn)入故障處理程序后，CPU的定時(shí)采樣仍不斷進(jìn)行。因此在執(zhí)行故障處理程序過程中，每隔采樣周期Ts,程序?qū)⒅匦罗D(zhuǎn)入采樣中斷服務(wù)程序。在采樣計(jì)算完成之后，檢測保護(hù)是否起動(dòng)過，如KST=1則不需再進(jìn)入TV,TA自檢及保護(hù)起動(dòng)程序部分，直接轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序出口，再回到故障處理程序。3.5故障處理程序框圖原理3.5.1故障處理程序框圖故障處理程序包括保護(hù)軟壓板的投切檢查，保護(hù)定值比較，保護(hù)邏輯判斷，跳閘處理程序和后加速部分。故障處理程序框圖如下所示：圖中斷服務(wù)程序與主程序各基本模塊間的關(guān)系采樣中斷服務(wù)程序與主程序及保護(hù)邏輯，跳閘及后加速處理程序之間的關(guān)系，如下圖所示：圖3.8保護(hù)CPU芯片內(nèi)有四個(gè)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間可由初始化決定。在中斷響應(yīng)后就轉(zhuǎn)入采樣中斷服務(wù)程序。正常運(yùn)行時(shí)采樣中斷服務(wù)程序結(jié)束后就自動(dòng)轉(zhuǎn)回執(zhí)行主程序中原被中斷的指令。但是在采樣計(jì)算后如發(fā)現(xiàn)被保護(hù)的線路，設(shè)備有故障，就會(huì)起動(dòng)保護(hù)，隨即修改中斷返回地址，強(qiáng)迫中斷服務(wù)程序結(jié)束后進(jìn)入故障處理程序，。在執(zhí)行故障處理程序時(shí)，仍然要定時(shí)進(jìn)入采樣中斷服務(wù)程序的，只是因這是起動(dòng)標(biāo)志位KST=1，中斷結(jié)束后就不再修改中斷返回地址了，在中斷結(jié)束后自動(dòng)回到原被中斷了的故障處理程序，即使是在執(zhí)行跳閘后加速程序的時(shí)候，也要定時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，這樣做可是的保護(hù)任何時(shí)候都獲得實(shí)時(shí)的采樣數(shù)據(jù)，保證了保護(hù)的實(shí)時(shí)性和動(dòng)作的正確性，這正是微機(jī)保護(hù)的優(yōu)越之處。在進(jìn)入故障處理程序以后，顯示保護(hù)邏輯判斷，處理結(jié)束后返回到主程序的自檢循環(huán)部分，如果保護(hù)邏輯判斷不應(yīng)動(dòng)作，仍返回到自檢循環(huán)。4．保護(hù)部分邏輯在微機(jī)保護(hù)故障處理程序中，最主要的部分是保護(hù)邏輯程序。各種不同的保護(hù)因功能和原理不相同，他們的邏輯順序也相差甚遠(yuǎn)。本章將介紹設(shè)計(jì)中用到的線路保護(hù)測控單元的邏輯原理及其框圖。4.1三段式方向電流保護(hù)程序邏輯原理與常規(guī)保護(hù)相同，微機(jī)電流保護(hù)也是設(shè)計(jì)成三段式的。I段是瞬時(shí)電流保護(hù)，II段是弦時(shí)電流速斷保護(hù)，III段是過電流保護(hù)，三段均可選擇帶方向保護(hù)保護(hù)或不帶方向饋線保護(hù)。為了提高過電流保護(hù)的靈敏度及提高整套保護(hù)動(dòng)作的可靠性，線路的電流保護(hù)均經(jīng)低電壓閉饋。這樣做看起來較復(fù)雜，在常規(guī)保護(hù)中通常很少這樣配置，但對(duì)于微機(jī)線路保護(hù)設(shè)置低電壓閉鎖時(shí)不需要增加任何硬件，完全采用軟件來實(shí)現(xiàn)。下面會(huì)給出本設(shè)計(jì)中三段保護(hù)的測控單元邏輯原理圖及相應(yīng)注釋：線路保護(hù)測控單元功能配置：圖4.1低壓閉鎖方向過流保護(hù)I段I1set為過流I段保護(hù)電流定核。Uzd為低電壓閉鎖定值。SW1為過流I段方向閉鎖投退控制字。SW2為過流I段保護(hù)投退控制字圖4.2低壓閉鎖方向過流保護(hù)II段I2set為過流II段保護(hù)電流定值Uzd為低電壓閉鎖定值。T2zd過流II段保護(hù)時(shí)間定植SW1為過流II段方向閉鎖投退控制字SW2為過流II段保護(hù)投退控制字圖4.3重合閘保護(hù)Tzd重合閘保護(hù)時(shí)間定值。Uzd為任意相別的電壓定植。注：由于過流III段和過流II段基本配置一樣，只是III段可以選擇定時(shí)限或反時(shí)限，III段保護(hù)功能原理圖不再給出。線路保護(hù)測控單元功能配置：圖4.4過流后加速保護(hù)Iset為過流后加速保護(hù)電流定值。Tzd過流后加速保護(hù)時(shí)間定植。SW為過流后加速保護(hù)投退控制字圖4.5過負(fù)荷告警保護(hù)Iset為過負(fù)荷告警保護(hù)電流定值Tzd過負(fù)荷告警保護(hù)時(shí)間定值SW為過負(fù)荷告警保護(hù)投退控制字圖4.6零序過流保護(hù)IOset為零序過流保護(hù)電流定值Tzd為零序過流保護(hù)是定值SW1為零序過流保護(hù)跳閘投退控制字SW2為零序過流保護(hù)發(fā)信號(hào)投退控制字圖4.7零序過壓保護(hù)Tzd為零序過壓保護(hù)時(shí)間定值U0zd為零序過壓保護(hù)電壓定值SW為零序過壓保護(hù)跳閘投退控制字圖4.8低周減載Iset為無流閉鎖低周電流定值。Sset為無流閉鎖滑差低周定值。Tzd為低周減載動(dòng)作時(shí)間定值。SW1為滑差閉鎖低周投退控制字SW2為無流閉鎖低周投退控制字SW3為低周減載投退控制字。線路保護(hù)測控單元功能配置：圖4.9控制回路斷線告警圖4.10小電流接地選線SW1為零序過流保護(hù)跳閘投退控制字SW2為零序過流保護(hù)發(fā)信號(hào)投退控制字Tzd為零序過流保護(hù)時(shí)間定值圖4.11母線充電保護(hù)Iset為電流保護(hù)整定值Tzd為過流保護(hù)時(shí)間定值電流整定應(yīng)躲過母現(xiàn)對(duì)地的電流定值。5．目標(biāo)板結(jié)構(gòu)及框圖1．整體結(jié)構(gòu)C8051F020結(jié)構(gòu)框圖如下：C8051F02x系列MCU是高度集成的片上系統(tǒng)。主要特點(diǎn)如下：25MIPS8051CPU64k字節(jié)Flash4352字節(jié)RAM外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口2UARTs,SPI,SMBus/I2C5

個(gè)16位定時(shí)器,可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）64

個(gè)I/O口12位ADC

：100ksps;8位ADC

：500ksps12位DAC比較器;電壓基準(zhǔn);溫度傳感器JTAG非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試-40℃到+85℃;TQFP-100封裝2．C8051F020原理框圖C8051F020原理框圖如下3．片內(nèi)各器件原理及框圖說明3.1片內(nèi)時(shí)鐘及復(fù)位擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向CIP-51提供22個(gè)中斷源，允許大量的模擬以及數(shù)字中斷控制器。MCU有多達(dá)7個(gè)復(fù)位源。MCU內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)鐘發(fā)生器，在復(fù)位后被默認(rèn)為系統(tǒng)時(shí)鐘。片內(nèi)時(shí)鐘及復(fù)位原理框圖如下：3.2片內(nèi)存儲(chǔ)器片內(nèi)存儲(chǔ)器組織框圖：3.3可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)該MCU具有標(biāo)準(zhǔn)8051的端口（0，1，2，3）以及附加開關(guān)（4，5，6，7），由于可以按位尋址，因此共有64個(gè)通用I/O端口。數(shù)字交叉開關(guān)，允許將內(nèi)部數(shù)據(jù)資源映射到P0,P1,P2,P3端口的I/O引腳數(shù)字交叉開關(guān)原理框圖：3.4可編程計(jì)數(shù)器陣列片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)包括一個(gè)專用的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和5個(gè)可編程的捕捉/比較模塊。每個(gè)捕捉/比較模塊都有6種工作方式

可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）原理框圖：3.5串行端口C8051F020的MCU內(nèi)有2個(gè)增強(qiáng)型全雙工UART0,UART1.SPI總線和SMBus/I2C.3.612位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器C8051F020片內(nèi)有一個(gè)12位SARADC（ADC0）,一個(gè)9通道輸入多路選擇開關(guān)和可編程增益放大器。該ADC工作在100ksps的最大采樣速率時(shí)可提供真正的12位精度。ADC0的的基準(zhǔn)電壓可以在DAC0輸出和外部VREF之間選擇。ADC完全由CIP-51通過特殊功能寄存器控制。A/D轉(zhuǎn)換有4種啟動(dòng)方式：軟件命令，定時(shí)器2溢出，定時(shí)器3溢出和外部信號(hào)輸入。在本次設(shè)計(jì)中我們主要用到的A/D啟動(dòng)方式為定時(shí)器3溢出。在轉(zhuǎn)換完成后，12位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到兩個(gè)特殊功能寄存器ADC0L和ADC0H中，并可由軟件控制為左對(duì)齊或右對(duì)齊。12位ADC原理框圖如下：6．結(jié)果分析及心得體會(huì)基于C8051單片機(jī)的過流保護(hù)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分，在設(shè)計(jì)中我主要負(fù)責(zé)軟件的部分，任務(wù)是在設(shè)計(jì)好的硬件電路上進(jìn)行軟件編程，以及對(duì)目標(biāo)板的測試。由于硬件電路完成的時(shí)間比較晚，因此，我的工作主要放在對(duì)目標(biāo)板的測試上，并嘗試編寫了一些如兩路以及十二路數(shù)據(jù)采集的程序，通信模塊的程序等。過流保護(hù)系統(tǒng)的硬件接口電路分為五個(gè)模塊，包括數(shù)據(jù)采集，線路保護(hù)模塊，開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出，人機(jī)接口，其中人機(jī)接口模塊包括了鍵盤，LED顯示以及一個(gè)485通信模塊。我們所使用的目標(biāo)板CygnalC8051F020擁有一個(gè)高速8051微控制器內(nèi)核，4K+256字節(jié)內(nèi)部存儲(chǔ)，64K閃存，64K外部存儲(chǔ)，8字節(jié)的I/O端口，16位的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列，12位的ADCSAR,片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描（支持在系統(tǒng)調(diào)試），2-16MHz內(nèi)部可編程振蕩器等等。對(duì)這塊加值不菲的板子我最大的感受就是它的在系統(tǒng)調(diào)試功能的確很強(qiáng)大，在附帶的編譯軟件中，我們可以很輕松的用一些初始化程序?qū)ζ溥M(jìn)行測試，并且可以隨時(shí)進(jìn)行修改后就調(diào)試，十分方便。微機(jī)保護(hù)的軟件部分為4個(gè)大的模塊，分別是初始化程序，數(shù)據(jù)采集模塊，中斷服務(wù)程序模塊以及故障處理模塊。其中故障處理模塊為最重要的部分，它包括比較，邏輯判斷，跳閘處理，保護(hù)動(dòng)作等部分。而且在編寫軟件之前要先學(xué)習(xí)微機(jī)保護(hù)的算法，包括對(duì)正弦信號(hào)采樣的算法，周期時(shí)間函數(shù)采樣的算法以及微分算法等，這是軟件編寫的基礎(chǔ)。然后是畫出保護(hù)線路的邏輯框圖，即第4章所交代的內(nèi)容，最后根據(jù)邏輯框圖進(jìn)行編寫在參考了一些資料，基本了解了微機(jī)保護(hù)的硬件原理和軟件原理后，我嘗試著編寫了幾個(gè)程序。最先編寫的是一個(gè)兩路的數(shù)據(jù)采集子程序，由于C8051F020中附帶的的ADC為12路的，所以這個(gè)程序只是個(gè)基礎(chǔ)，在2路的基礎(chǔ)上只要做不多的修改就可以做出12路的程序。在最初做2路的子程序時(shí)，我還是遇到了不少的麻煩，由于以前從來沒有用C語言對(duì)硬件進(jìn)行編程，所以一下子覺得模不著頭腦，特別是地址分配的問題困擾了我好久，后來明白了每一個(gè)路接模擬信號(hào)其實(shí)都已經(jīng)有硬件連線確定了對(duì)應(yīng)的地址，用P0端口的0，1，2，3這四位來確定每一路的輸入，如給P0置0x01就是指對(duì)第2路信號(hào)進(jìn)行采樣.另外還有就是模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)結(jié)果存儲(chǔ)的問題，由于轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ADC0中，而要求把結(jié)果存儲(chǔ)在RAM的一個(gè)地址空間中，即存儲(chǔ)在一個(gè)事先定義好的數(shù)組中，而在不知道ADC0中的數(shù)據(jù)可以直接存儲(chǔ)到數(shù)組的情況下，我用了一個(gè)很繁瑣的算法將數(shù)據(jù)一位一位的轉(zhuǎn)移，走了不必要的彎路。另外在編寫及調(diào)試程序的過程中，我大量接觸到了結(jié)構(gòu)化程序的例子，最初我覺得沒有必要一個(gè)端口或者一個(gè)寄存器的初始化就用一個(gè)子程序，但是漸漸的我發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化編寫程序的好處，條理清晰，易于看懂，容易修改，不容易出錯(cuò)并且容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，和起我們以前編程時(shí)的一個(gè)main()函數(shù)到底的做法相比，雖然篇幅上可能多一些，但是絕對(duì)值得，而且在編寫大的程序是，由于子函數(shù)可以多次調(diào)用，還可以省去許多不必要的內(nèi)容，讓我下決心改掉以前的習(xí)慣，這次就開始嘗試了用結(jié)構(gòu)化的方法編寫，雖然還不是很熟練，但是我相信經(jīng)過一個(gè)過程，我會(huì)逐步掌握它的。在這次工作中，由于實(shí)際的電路是整個(gè)程序的基礎(chǔ)，所以在沒有最終電路圖的時(shí)候，最終沒有編寫出完整的程序，不能不說是一個(gè)遺憾。致謝畢業(yè)設(shè)計(jì)就要結(jié)束了，在這將近半年的時(shí)間里，從接受課題到接觸課題到課題的完成，大大增長我了實(shí)際工作的經(jīng)驗(yàn).在本次設(shè)計(jì)中，我得到了王仲東教授的詳細(xì)指導(dǎo)和熱情幫助，從課題的選定到器件的配置，從課題的展開到論文的完成，都凝聚著王老師的關(guān)心和熱情指導(dǎo)。另外，帶領(lǐng)我設(shè)計(jì)的研究生雷雨師姐也給與了我巨大的幫助，從一開始，他給我介紹整個(gè)設(shè)計(jì)的具體環(huán)節(jié)和步驟，到后來借給我多本參考資料，并指導(dǎo)我學(xué)習(xí)例程，在我不懂的時(shí)候極有耐心的幫我講解，再后來指導(dǎo)我在目標(biāo)板上進(jìn)行程序的調(diào)試，到最后對(duì)我論文的修改以及對(duì)我編寫的程序提出的諸多意見與建議，都給了我真正的幫助，在此表示衷心的感謝最后，我還要感謝和我同班的陳秀峰同學(xué)，雖然我們做的不是一個(gè)項(xiàng)目，但在最后寫論文的過程中，他對(duì)我論文格式以及一些要求都提出了中肯的建議，使我論文的完成少走了不少彎路，在此一并感謝附錄1.十二路ADC轉(zhuǎn)換子程序：#include<c8051f020.h>//SFRdeclarations#include<stdio.h>////由于c8051f020.h中只有定義八位的特殊寄存器地址，因此需要在此再定義一次以下16位的特殊寄存器地址//sfr16DP=0x82;sfr16TMR3RL=0x92;sfr16TMR3=0x94;sfr16ADC0=0xbe;sfr16ADC0GT=0xc4;sfr16ADC0LT=0xc6;sfr16RCAP2=0xca;sfr16T2=0xcc;sfr16RCAP4=0xe4;sfr16T4=0xf4;sfr16DAC0=0xd2;sfr16DAC1=0xd5;//全局定量//#defineSYSCLK22118400//系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為11.1184MHZ#defineBAUDRATE115200//UART的波特率#defineSAMPLERATE050000//ADC0的采樣頻率#defineNUM_SAMPLES12//定義采樣的路數(shù)#defineTRUE1#defineFALSE0sbitLED=P1^6;//LED='1'對(duì)應(yīng)P1第6位即LED//顯示sbitSW1=P3^7;//SW1=0表示轉(zhuǎn)換開關(guān)按下////函數(shù)定義//voidSYSCLK_Init(void);voidPORT_Init(void);voidUART0_Init(void);voidADC0_Init(void);voidTimer3_Init(intcounts);voidADC0_ISR(void);////全局變量GLOBAL_VARIABLES//xdataunsignedsamples[NUM_SAMPLES];//定義轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)的數(shù)組bitADC0_DONE;//為1的時(shí)候ADC0正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換////主程序MAINRoutine//voidmain(void){inti;WDTCN=0xde;//禁用看門口定時(shí)器WDTCN=0xad;SYSCLK_Init();//初始化系統(tǒng)時(shí)鐘UART0_Init();//初始化端口UART0Timer3_Init(SYSCLK/SAMPLERATE0);ADC0_Init();//初始化ADCEA=1;//Enable所有中斷while(1){//不斷循環(huán)ADC0_DONE=FALSE;LED=1;//當(dāng)ADC0處轉(zhuǎn)換過程中時(shí)，LED亮EIE2|=0x02;//enableADC0中斷while(ADC0_DONE==FALSE);//等待ADC0各路采樣全部完成LED=0;//全部采樣完后，LED滅for(i=0;i<NUM_SAMPLES;i++){printf("%u\n",samples[i]);}printf("\n");//顯示出所有的采樣值}}////系統(tǒng)時(shí)鐘函數(shù)初始化SYSCLK_Init////這個(gè)源程序給系統(tǒng)時(shí)鐘初始化為22.1184MHZ//voidSYSCLK_Init(void){inti;OSCXCN=0x67;//用22.1184MHZ晶振對(duì)外部震//蕩器啟動(dòng)for(i=0;i<256;i++);//等待振蕩器啟動(dòng)while(!(OSCXCN&0x80));OSCICN=0x88;//選擇外部震蕩作為時(shí)鐘源}////端口初始化////配置交叉開關(guān)和GPI0端口//voidPORT_Init(void){XBR0=0x04;//UART0使能XBR1=0x00;XBR2=0x40;//使能交叉開關(guān)和弱上拉P0MDOUT|=0x01;//使能TX0作為推拉輸出P1MDOUT|=0x40;//使能P1^6即LED為推拉輸出}////ADC0初始化ADC0_Init//////配置T3溢出為ADC0的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式,當(dāng)轉(zhuǎn)換完成使產(chǎn)生一個(gè)中斷,用左對(duì)齊//輸出模式.//voidADC0_Init(void){ADC0CN=0x05;//disableADC0;定時(shí)器3溢出//啟動(dòng)跟蹤AMX0SL=0x00;//選AIN0為單端輸入端口ADC0CF=(SYSCLK/2500000)<<3;//ADC轉(zhuǎn)換頻率小于2.5MHzADC0CF&=~0x07;//使增益為1EIE2&=~0x02;//disableADC0中斷AD0EN=1;//使能AD