低压断路器控制器设计ega.doc

1、低压断路器控制器设计 ega.txt 骗子太多，傻子明显不够用了。我就是在路上斩棘杀龙游江过河攀上塔顶负责吻醒你的公主。by 小熊摘要：低压断路器是低压配电系统中起同段控制及保护等作用的重要元件。目前，国外的低压断路器正朝着高性能、小型化、智能化和模块化方向发展，并且与现场总线系统相连，实现网络化。本文介绍一种新型智能低压断路器控制器的设计。关键词：控制设计 配电系统 元件1、引言低压断路器是低压配电系统中起同段控制及保护等作用的重要元件。目前，国外的低压断路器正朝着高性能、小型化、智能化和模块化方向发展，并且与现场总线系统相连，实现网络化。国内一些厂家也曾开发国际种职能断路器控制器，其主要缺

2、点是采用大规模集成器件较少，故体积较大，易进入干扰。本文介绍一种新型智能低压断路器控制器的设计。主要特点有：a 注重模块化设计，采用大规模集成器件。不仅缩短了产品开发周期，提高了产品性能，而且减少了产品体积，降低了成本；b 在实现基本保护功能的同时，增加了预警功能；c 才参数测量上，除了电流、电压等常规参数外，增加了功率因数及功率测量等，并对参数进行显示；d 注重产品的可靠性设计；e 断路器带通信接口，引入 CAN 现场总线技术。2、支能低压断路器控制器设计2.1 总体方案简介该断路器控制器的主要包括微处理器、信号采集电路、键盘和现实电路、外扩存储器、温度检测电路、输出执行电路和电源等。2.2

3、 微处理器的选择智能断路器控制器既要实现各种功能又要有较好的是实时性和电磁兼容性，本期设计用了 Dallas 公司的 DS80C390 微处理器。其主要特点有：向下兼容 80C52，使用 80C51 的指令集；高速的体系结构，每个机器周期只有 4 个时钟周期，最大系统时钟频率可达 40Mhz，兼容 80C52 存储模式，内含 4KB 的 SRAM，外部扩展 4MB 的程序存储器和 4MB 的用户数据存储器。内含两个 CAN2.0B 的控制口，集成度高。DS80C390 有 2 个串行口、3 个定时器/计数器、7 个附加中断、1 个可编程狗定时器、6个 8 bit /O 口（其中两个与存储器接口

4、） ，还有一个数据指针 OPRT1。DS80C390 有 2 种封装形式：68 脚的 PLCC 和 64 脚的 LQFP，本设计选用前者。2.3 信号采集电路常规信号输入通道的设计一般先滤波在隔离放大，然后经 A/D 转换等，但该设计方法难以满足实时性要求。本设计要求采集 3 路线电压和 4 路相电流信号，而且需要采集的信号范围很宽，若采用常规设计则需要很多的 A/D 转换通道，故采用了 Cirrus Logic 公司的电子是电能表芯片 CS5460 来设计信号输入通道。（1）CS5460 的特点。a 高集成。内部继承了 1 个可编程的增益放大器，1 个带固定增益放大器的电压通道，2 个可选高

5、通滤波器等；b 高精度。转换精度可达 0.1%；c 易接口。CS5460 是高速 A/D 器件，缺省状态下，瞬时 A/D 变换频率可达 4kHz。其自带可编程增益放大器可测量 150mV 获 30mV 两城范围的信号，从而很好地解决了实时性、宽测量范围及测量精度低等问题。（2）CS5460 的硬件设计。电压电流互感二次侧感应电压值经分压后分别送入 CS5460的 UIN+、UIN-和 IIN+、IIN-引脚。CS5460 有 4 个串行口：SDI 为串行数据输入口，SDO 为串行数据输出口，SCLK 为串行时钟，CS 是片选控制线。因为要采集 4 路电流、3 路电压值，故选用了 4 片 CS5

6、460 芯片。并用引脚 p4.0、p4.1、p4.2 和 p4.3 轮流选通每片 CS5460。当CS=1 时，SOD 为高阻状态，故 4 片 CS5460 的引脚可以直接连在一起。又 DS80C390 的 I/O 口可以驱动 4 个门电路，故 4 片 CS5460 的 SDI 和 SCLK 引脚分别以线与的形式直接相连。（3）CS5460 的软件设计。本设计中软件设计的基本程序采用 C51 编写。CS5460 的初始化和启动转换工作由主程序完成。设计要求每 1.25ms 在 3 路电压、4 路电流上个采一点，采用软件定时中断方式。每 1.25ms 系统启动一次中断服务程序，完成对各路信号瞬时

7、值的采集，每 2s 完成一次对各路信号有效值的采集。DS80C390 通过 SDI、SDO、SCLK 和 CS 信号线与 CS5460 接口。运用写操作对 CS5460 内部各寄存器进行设置；运用读操作，读出 CS5460 内部各状态寄存器和输出结果寄存器的值。2.4 外扩存储器电路传统单片机应用系统为一般以微处理器为核心外加必要的芯片组成。但所需外加零散芯片很多时，所得的系统结构将很复杂且不易与更新或修改。所以，本设计采用了 PSD934F2芯片。（1）PSD934F2 的主要特点。美国 WSI 公司推出的 PSD934F2 芯片是专门为 8bits 微处理器设计的，实现了将多个外围芯片集成

8、于一个芯片中。其主要特点有：可方便的使用复用和非复用的 8bits 微处理器接口；内置 2MB 的主 FLASH 存储器和 256KB 的第二 FLASH 存储器；具有 64KB 的 SRAM；有 19 个输出的通用 PLD（GPLD）;有译码 PLD(DPLD)；具有 27 个可单个配置的 I/O 引脚；等待电流可以降至 50A；符合 JTAG 标准的串行口可对全芯片进行在系统编成；FLASH 存储器的擦写次数至少可达 100000 次，PLD 的擦写次数最少可达 1 000 次。（2）PSD934F2 与 DS80C390 的硬件电路。系统要求具有 256KB 的 FLASH、1258KB

9、 的SRAM 和 16KB 的辅助 FLASH，还要 31 路 I/O 输出及一些外设片选输出，故系统还扩展了一片128KB 的 SRAM。本设计中，DS80C390 工作于 22bits 连续叶面寻址模式，配置为 8bits 的数据/地址复用方式。用程序选通允许信号 PSEN 访问 PSD934F2 的程序存储器，用 WR、RD 访问数据存储器。PSD934F2 的 27 个 I/O 引脚，分成 4 个口（PA、PB、PC 和 PD） ，每个引脚可单独配制成不同的功能。（3）PSD934F2 的软件开发。PSD934F2 由 PSDsoft 软件支持。系统设计时，不需要用硬件描述语言（HDL

10、）来定义 PSD934F2 的引脚功能和分配存储器地址。PSD934F2 支持FlashLINK 器件编程器，对 PSD934F2 进行编程。首先用 PSDsoft 软件定义 PSD934F2 的引脚功能及分配存储器地址，再通过 PSDsoft 将 PSD934F2 配置与用户 HEX 文件进行合并产生目标文件。HEX 文件由用高级语言编写的植入 PSD 的应用程序经编译、链接产生，再将目标通过 FLASHLINK 写入 PSD934F2 即可。2.5 温度检测电路传统的温度检测电路采用热敏电阻等温度敏感元件，热敏电阻成本虽低，但需要后续信号处理电路，且测量通道的标定麻烦，温度测量的准确度也相

11、对较低。所以，本设计采用Dallas 公司生产的数字温度传感器 DS1620。（1）DS1620 的特点。数字温度传感器 DS1620 是 Dallas 公司推出的新型温度敏感器件。他以数字量输出温度测量值，具有测量范围宽，传输距离远，可靠、稳定等特点。DS1620的测量范围为-55125，分辨率为 0.5。温度以 9 位数字输出，能够在 1 秒内完成被测温度的数值转换，可独立工作，也可方便的与 PC 或单片机以串行方式连接。（2）DS1620 的软硬件设计。DS1620 通过高温系数振荡器控制低温系数振荡器的脉冲个数，实现被测温度的数字输出。温度计数器和寄存器预置-55的基准值，若温度寄存器

12、与技术起在脉冲周期结束前为 0，则温度寄存器增至被测温度值。DS1620 的引脚 DQ 位数据输入输出脚（3 线通信） ，CLK/CONV 三线通信时为时钟输出口，不用 CPU 时为启动转换脚，RST 为复位输入脚。DS1620 通过三线串行接口与微处理器相连，实现有关数据的写入、温度数据的读出。2.6 实时时钟芯片系统运行时，整个系统每隔一段时间就要进行一次始终校准。为此，本设计选用实时时钟/日历芯片 PCF8563。PCF8563 与 DS80C390 采用 I2C 通信接口方式进行数据传送。由于DS80C390 本身没有 I2C 通信接口，所以采用软件模拟的方法与具有 I2C 接口的 P

13、CF8563 接口。程序中微处理器在发出第九个脉冲时，读取 SDA 线上的状态，如读取状态为 0，则说明数据已成功写入 PCF8563；如读取状态为 1，则说明写入操作不成功，程序转入再次写操作。每进行一次操作，内嵌的字地址寄存器就会自动产生增量。据此，可判断出程序对 PCF8563的读写操作是否完成。每隔一段时间，主机发送标准时间，标准时间通过 CAN 总线传入各职能节点，然后有个节点对各自的时钟进行校时操作。当某节点发生故障或报警时，此节点就对自己的 PCF8563 进行读操作，已得到发生故障或报警时的时间值。2.7 CAN 总线接口电路CAN 总线是现场总线领域应用很广泛的一种通信技术，

14、用 CAN 代替以往的 RS485 将从根本上改善监控系统的性能。DS80C390 内部集成了两个全功能 CAN2.0 控制器，易与外部CAN 总线接口。2.8 键盘及显示电路键盘设计时，将按键的一端与微处理器的口线直接相连，并加上阻容电路去抖动。这样既可简化硬件电路的设计，还可减小体积。显示电路由发光二极管和液晶组成，液晶采用精电公司的 MGLS-12864T，可用图形或文本方式显示。3、智能控制器的可靠性设计本控制器模块处于强磁场环境中，各种电磁干扰源频率大致为：电磁 20Hz几十 Hz，开关电弧 30200Hz，磁铁 1.03.6MHz。本模块还处于强电力线电厂中，该场以电磁感应的方式将

15、电磁能量施加与本控制器模块。所有的电磁干扰都有电磁干扰源、耦合通道和敏感设备3 个基本要素组成。（1）本设计选用了 CS5460、PCF8563 等贴片封装元器件，高集成度的 DS80C390 及可配置内存器件 PSD934F2 和带光电隔离的固态继电器。这些控制器模块本身就有很强的抗干扰能力。（2）电源是引入干扰的重要途径，为减少从此引入的干扰，采取了如下措施：a 采用高性能开关电源以抗尖脉冲干扰等；b 采用压敏电阻或 RC 网络等吸收浪涌电压；c 电源进线端加大容量电解电容和高频陶瓷电容分别滤除低频、高频干扰；d 采用分散独立的功能供电。e 保证有适当的功率裕度。（3）过程通道上才取光电耦

16、合隔离、固态继电器开关量输出和对传输线进行阻抗匹配的措施。（4）设计印刷电路板时，采取合适的制版面积、双板层、井字形布线，尽量减少环路面积和环路电流、并排走线间插入离散地线、重要信号线靠近地线等措施。本控制器模块采用工作接地。采用待屏蔽的双绞线以减小电流信号回路的电磁干扰，其屏蔽层接到断路器外壳。接地线尽可能短，线径尽可能粗。（5）采用较高导电性材料如铜进行电场屏蔽，导磁材料进行磁场屏蔽。在控制器壳内喷涂铜制电镀导电层。对开关电源加屏蔽层，对显示窗中使用屏蔽玻璃，采用电磁密封衬垫防壳体缝隙漏磁。(6）软件设计中采用的抗干扰措施有：a 设置看门狗定时器。看门狗的定时时间稍大于主程序正常运行一个循

17、环的时间，而在主程序运行过程中执行一次时间常数刷新操作。当程序出错时，由于不能正常刷新定时器而导致定时中断，将系统复位。b 设置软件陷阱。本设计中在非程序区反复用 NOP，NOP，LJMP 0000H 填满，作为程序乱飞的拦截措施。这样，不论程序失控指向哪一字节，都能回到复位状态；c 采用一阶递推数字滤波法实现软件的数字滤波，以消除传感器通道中的干扰信号；d 采用设置软件冗余、输出状态影像保存、数据存储冗余和初始化及自检程序等，应对控制的状态失常。4、实验结果（1）测量电流值。CPU 读取 CS5460 电流有效值寄存器中的 A/D 转换值，再通过软件进行非线性补偿等方法，可得出对应的电流有效

18、值。（2）电压值的测量。电压互感器的次级串接 140 电阻，可以得到 0 150mV 的电压。电压经 CS5460 的 A/D 转换后，存储在电压有效值寄存器中。CPU 访问此寄存器可得到转换结果，在据原、副边变比关系，得到对应电压有效值。（3）功率因数的测量。通过 CS5460 内一个电量寄存器积累电能。根据电能与功率的关系 W=Pt，在 1s 内积累的电能数值上等于其有功功率 P。在根据公式 cos=P/UI 算出功率因数值。（4）动作相应时间验证。本设计要求，当线路中出现大电流时，断路器必须在 20 ms内可靠分断，这其中包括线路出现大电流短路故障到微处理器判断出故障发出分断指令所需的时间、机械部分延迟时间和电弧熄灭时间。本设计在一个工频周期内对每路信号采集 16个点，即每 12.5ms 采集一个点，再根据设定值判断是否发生故障。实验结果表明，本系统中，线路出现大电流短路故障到微处理器判断发出分断指令所需时间为 6ms 左右。可见，线路出现大电流短路后，断路器在 20ms 内能可靠分断。 by 小熊