【正文】 高用電監(jiān)測及負(fù)荷管理水平，為加強(qiáng)電力需求側(cè)管理提供技術(shù)支持，首先討論了本設(shè)計(jì)的產(chǎn)生、應(yīng)用背景和設(shè)計(jì)要求，接著討論了電網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)測的集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，設(shè)計(jì)了一種基于 80C196KC 和 CPLD 的監(jiān)控裝置，來完成弱電對強(qiáng)電的控制。80C196KC 是整個系統(tǒng)的核心即 CPU 部分。之所以選擇它，是因?yàn)?80C196KC 特別擅長于進(jìn)行各種控制，而且它本身集成了許多的外設(shè)，這樣就節(jié)省了很多資源。由于可編程邏輯電路的實(shí)現(xiàn)簡單，修改方便，系統(tǒng)中的邏輯電路部分由 CPLD 來完成，這樣大大提高了系統(tǒng)的保密性 [1]。本文詳細(xì)分析了 80C196KC 的原理，闡述了利用 80C196KC 和各種外設(shè)芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、處理、顯示和通訊，接著討論了 CAN 總線，并分析了通過 SJA1000CAN 控制器實(shí)現(xiàn) CAN 通訊的原理、方式和過程。在文章的最后給出了在具體設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題。2 變壓器監(jiān)測終端的設(shè)計(jì)概述 變壓器監(jiān)測終端的技術(shù)指標(biāo)隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，供電質(zhì)量和供電可靠性越來越受到重視，電壓、電流、諧波、負(fù)荷電流水平和功率因數(shù)等參數(shù)是衡量電能質(zhì)量的重要參數(shù)。變壓器監(jiān)測終端通過采集這些參數(shù)，計(jì)算并且判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣，同時與監(jiān)測主站進(jìn)行通訊，接收主站下達(dá)的各種命令，傳送主站所需的各種參數(shù)，達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的目的。變壓器監(jiān)測終端的最主要功能是采集、存貯及通訊。根據(jù)變壓器監(jiān)測系統(tǒng)的工程要求，本次設(shè)計(jì)的要求如下：(1)采集三相交流輸入電壓、電流量，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、有功功率、無功功率的測量。其中電壓的輸入范圍是 0～260V，電流的輸入范圍是 0～5A，電壓及電流的采樣精度是177。％，有功、無功功率的采樣精度是177。％，要求能耐浪涌電壓 1200V。采集電能表脈沖或多功能電能表信息，實(shí)現(xiàn)有功電能量、無功電能量的測量。有功電量的精度是177。％。采集 2 路數(shù)字輸入量，控制 8 路輸出量，事件順序記錄的分辨率≤2ms。監(jiān)視變壓器油溫，記錄并上報(bào)異常信息。(2)接收上一級的校對命令，時鐘日走時誤差≤1s，終端自身時鐘的日走時誤差≤5s。當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)方設(shè)置整定值（電壓超時值，電流量警告值） ，設(shè)置 PT，CT 倍率和時段等參數(shù)。(3)當(dāng)電壓、電流連續(xù)超整定值時，記錄并上報(bào)其極限值、發(fā)生的起始時間和終止時間（時間記錄精確到分） ，至少記錄最近 5 次。統(tǒng)計(jì)電壓合格率，統(tǒng)計(jì)失電時間，記錄及上報(bào)失電的起始和終止時間（時間記錄精確到分） 。當(dāng)終端電源失電時，儲存的數(shù)據(jù)不能丟失。生成電流曲線和典型日的負(fù)荷曲線?？梢园慈?、月統(tǒng)計(jì)并保存數(shù)據(jù)，月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可連續(xù)保存 2 個月。按設(shè)定時段累積計(jì)算分時電能量，記錄月、年最大需要量及其出現(xiàn)時間。(4)能與上級站或主站控制終端通信，將采集和處理的信息向上發(fā)送并接受上級站或主站控制終端的命令。按 IEC6087C5101 的通訊規(guī)約進(jìn)行通訊。接受并執(zhí)行遙控指令及控制繼電器的開、合動作，并具有越限報(bào)警、過壓壓、欠、缺相、缺零、諧波越限、保護(hù)閉鎖及當(dāng)?shù)乜刂乒δ堋?5)終端有當(dāng)?shù)刈哉{(diào)試功能。具有自診斷功能，發(fā)現(xiàn)終端的內(nèi)存、時鐘、I/O 口等工作異常時應(yīng)記錄及保存。應(yīng)有上電及軟件自恢復(fù)功能。能防止負(fù)荷引起的瞬時電流過大和電壓過低、電容器投切時的瞬時浪涌電壓或電流且能防止將異常數(shù)據(jù)作為運(yùn)行參數(shù)的最高值和最低值存入記錄。 變壓器監(jiān)測終端的設(shè)計(jì)概述隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，供電質(zhì)量和供電可靠性越來越受到重視，電壓、電流、諧波、負(fù)荷電流水平和功率因數(shù)等參數(shù)是衡量電能質(zhì)量的重要參數(shù)。變壓器監(jiān)測終端通過采集這些參數(shù)，計(jì)算并判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣，同時與監(jiān)測主站進(jìn)行通訊，接收主站下達(dá)的各種命令，傳送主站所需的各種參數(shù)，達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的目的。變壓器監(jiān)測終端由兩大核心部分組成，一是高速數(shù)字信號處理器 TMS320F206，另一是 INTEL 的工業(yè)級 CPU 芯片 80C196KC。DSP 負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理，而80C196KC 負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存貯處理及通訊。兩部分通過雙口 RAM 進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和通訊。參見圖 1。圖 1 TTU 系統(tǒng)框圖變壓器監(jiān)測終端前端首先把經(jīng)過 CT、PT 三相電壓、電流，轉(zhuǎn)換為標(biāo)稱值為 100V和 5A 的電壓、電流，再把該信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為跟隨式的標(biāo)稱值為 5V 的電壓信號（此處采用西南自動化研究所的 WB 系列傳感器） 。信號經(jīng)過過零比較器生成頻率相同的方波，以利于測頻和實(shí)現(xiàn)缺相檢測。同時六路信號通過四階巴特渥斯低通濾波器和采樣保持器濾波采樣，由 DSP 控制多路切換開關(guān)來選擇六路信號分別進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器MAX120。DSP 同時控制 A/D 的采集，且把采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行公式計(jì)算和 FFT 運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)對各種參數(shù)的檢測，并把頻率、電壓、電流、有功功率、無功功率和諧波存入雙口RAM 并置位標(biāo)志位。SRAMEPROMDS1287遙 控 輸入 CAN雙 口RAMDSPA/D采樣遙 信 輸入 串 行 口 遙 測 輸入POWERLCD、鍵 盤變壓器監(jiān)測終端后端發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位后，從雙口 RAM 中讀出數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種判斷，并將需要的數(shù)據(jù)存貯于掉電保護(hù)的 SRAM 中，而程序存貯于 32K 的 EPROM 中。一旦上電，80C196KC 單片機(jī)將自動的從 EPROM 中讀取程序，進(jìn)行操作。系統(tǒng)時鐘由可編程萬年歷時鐘芯片 DS12887 提供，同時由控制中心精確對時。它的各項(xiàng)控制由可編程邏輯器件CPLD(XC95108)完成。如果判斷讀出的數(shù)據(jù)值越限，單片機(jī)就控制相應(yīng)的輸出繼電器動作，進(jìn)行外部電容器的投切及報(bào)警信息的發(fā)送。如果值沒有越限，繼續(xù)定時發(fā)出信號，控制 DSP 部分開始采集及進(jìn)行校驗(yàn)。終端與主站通過 RS23RS485 和 CAN 總線傳送信息，RS232 主要做為當(dāng)?shù)卣{(diào)試接口，RS485 和 CAN 用于遠(yuǎn)程通訊，它們都采用IEC6087C5101 通訊規(guī)約。終端響應(yīng)主站以 101 通訊規(guī)約發(fā)送的控制命令及各項(xiàng)設(shè)置命令，并按照一定的格式把主站需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給主站。系統(tǒng)配有鍵盤輸入和 LCD 顯示，調(diào)試人員可以在現(xiàn)場通過鍵盤輸入命令，直接進(jìn)行控制并從 LCD 讀出所需數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的電源部分采用開關(guān)電源模塊，使裝置能在較寬的電壓范圍內(nèi)正常工作。3 硬件實(shí)現(xiàn) 80C196KC 的體系結(jié)構(gòu)和硬件描述由于變壓器監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)存貯、處理及通訊都是由 80C196KC 來完成的，這里，首先來了解 80C196KC 的原理。繼 8051，8096BH 之后，Intel 公司又推出了一系列高性能的 CHMOS16 位單片機(jī)——8X196XX.。CHMOS 芯片耗電少，除正常工作外還可工作于 2 種節(jié)電方式：待機(jī)方式和掉電方式，進(jìn)一步減少了芯片的功耗。MCS－96 家族中的全部成員共享一套指令系統(tǒng)，有一個共同的 CPU 組織結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的應(yīng)用場合，在單片機(jī)的內(nèi)部“嵌入”了以往被認(rèn)為是“外部范圍”的各種電路，于是形成了各種不同型號的單片機(jī) [2]。Intel 的 CHMOS 16 位單片機(jī)有很多型號，集成在單片內(nèi)的“外圍設(shè)備”花樣繁多，80C196KC 就嵌入了時鐘發(fā)生器，I/O 口，A/D 轉(zhuǎn)換器，PWM，串行口，定時/計(jì)數(shù)器，監(jiān)視定時器，高速輸入/輸出器、還有外設(shè)事務(wù)服務(wù)器 PTS 等外設(shè)，系統(tǒng)框圖見圖 2。 16 位中央處理器 CPU 及系統(tǒng)總線MCS—96CPU 由寄存器算術(shù)邏輯單元 RALU 和寄存器陣列組成。該 CPU 在結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是：RALU 沒有采用習(xí)慣的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器－寄存器結(jié)構(gòu)，CPU 的操作直接面向 256 字節(jié)的寄存器空間（由 232 字節(jié)的寄存器陣列和 24 字節(jié)的專用寄存器構(gòu)成），消除了一般結(jié)構(gòu)中存在的累加器的“瓶頸”效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。同時，由于可通過專用的寄存器來直接控制 I/O 口，也就加速了輸入/輸出過程。在執(zhí)行過程中，MCS96 單片機(jī)的總線可以動態(tài)地改變，配置成標(biāo)準(zhǔn)的 16 位分時切換的地址/數(shù)據(jù)總線，或配置成最小方式型的 16 位地址/8 位數(shù)據(jù)總線，以便適應(yīng)對外部寄存器進(jìn)行字節(jié)操作或字操作的不同需求 [3]。而 MCS51 只有 8 位系統(tǒng)總線，不能直接進(jìn)行字操作。這些都由芯片配置寄存器 CCR (CHIP CONFIGURATION REGISTER)完成。總線寬度受 和引腳 BUSWIDTH 的控制 [4]。 圖 2 80C196KC 的基本方框圖80C196KC 能提供幾種類型總線信號。3 根雙功能控制線是：/BHE(/WRH),/WR/(/WRL)以及 ALE(/ADV)。這 3 根控制線所實(shí)現(xiàn)的功能由 和 決定。它提供 4 種總線控制方式：標(biāo)準(zhǔn)總線控制方式，寫選通方式，地址有效選通方式，地址有效且寫選通方式。器件內(nèi)部提供了 4 種就緒控制方式，這些方式取決于 和 的值，內(nèi)部就緒控制邏輯用來限制等待的狀態(tài)周期數(shù)，采用慢速器件時，可以把等待狀態(tài)插入到總線周期內(nèi)。當(dāng) READY 腳被拉低時，就開始把等待狀態(tài)插進(jìn)去，一直到 READY 變高，或者等待狀態(tài)已經(jīng)等于由 CCR 所規(guī)定的狀態(tài)數(shù)時為止，此時要看哪種情況發(fā)生在先。 和 決定采取哪種方式上鎖，提供對內(nèi)部 ROM/EPROM 的保護(hù)。 中斷系統(tǒng)80C196KC提供了28個中斷源，18個中斷向量。其中非屏蔽中斷NMI、軟件陷阱TRAP和非法操作碼中斷是3種特殊的中斷源，各用了1個專門的中斷向量，其余25個中斷源分享另外15個中斷向量。除了硬件中斷優(yōu)先級邏輯外，80C196KC也可以靠軟件來確定中斷的優(yōu)先級。 定時器80C196KC有2個16位定時器和4個軟件定時器，其中定時器1在系統(tǒng)中作實(shí)時時鐘用，系統(tǒng)運(yùn)行時不停地循環(huán)計(jì)數(shù)。定時器2根據(jù)外部引腳的觸發(fā)信號而計(jì)數(shù)，實(shí)際上是一個外部事件計(jì)數(shù)器。4個軟件定時器受高速輸出器控制，到達(dá)預(yù)定時間時，設(shè)置相應(yīng)的軟件定時器標(biāo)志，可以激活軟件定時器中斷。當(dāng)程序運(yùn)行時，可能會產(chǎn)生軟硬件故障，監(jiān)視定時器（俗稱看門狗）將使系統(tǒng)復(fù)位，監(jiān)視定時器WDT(WATCH DOG)是一個16位計(jì)數(shù)器，當(dāng)它啟動后，若在64K個狀態(tài)周期內(nèi)沒有指令清除它，則產(chǎn)生復(fù)位信號，將系統(tǒng)復(fù)位，重新初始化。這樣WDT就提供了一種使系統(tǒng)從瞬時故障中自動恢復(fù)的能力。 存貯器80C196KC具有一個邏輯上完全統(tǒng)一的寄存器空間，可尋址范圍為64KB，其中0000H～01FFH單元