【文章內(nèi)容簡介】 2硬件總體結(jié)構(gòu) 微機(jī)保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)的硬件平臺[10]如圖31所示。整個系統(tǒng)分為模擬量輸入電路、開關(guān)量輸入電路、開關(guān)量輸出電路、CPU主機(jī)系統(tǒng)和人機(jī)監(jiān)控電路等五個部分。模擬量變換模塊的功能是實(shí)現(xiàn)直流、交流強(qiáng)電與系統(tǒng)主模塊的電隔離，并使模擬輸出電平與主模塊中的采樣及A/D轉(zhuǎn)換的電平相一致；開關(guān)量輸入電路用于將各種外部開關(guān)的狀態(tài)(滅磁開關(guān)狀態(tài)、各種隔離開關(guān)狀態(tài)、斷路器狀態(tài)、分合閘回路狀態(tài)、彈簧操作機(jī)構(gòu)儲能狀態(tài)、副邊控制開關(guān)狀態(tài)等)經(jīng)光電隔離器輸入到微處理器中；主模塊中的微處理器啟動軟件程序、計算各電流電壓的大小以及監(jiān)視各種開關(guān)量的狀態(tài)，經(jīng)計算處理后輸出開關(guān)量保護(hù)信號去驅(qū)動繼電器動作；微處理器與人機(jī)監(jiān)控電路通過通信將各種數(shù)據(jù)和繼電器動作參數(shù)送LCD顯示，通過鍵盤可以查看各種數(shù)據(jù)和修改預(yù)設(shè)定值，并可與上位機(jī)通信。圖3 1微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件平臺 CPU的選擇 本設(shè)計采用單片機(jī)芯片AT89C51[11]。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)[12][13]。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51單片機(jī)采用的是8051單片機(jī)的內(nèi)核，即AT89C51單片機(jī)的內(nèi)部CPU技術(shù)與8051單片機(jī)相同，所以都具有一樣的指令系統(tǒng)。它與8051單片機(jī)的不同在于，AT89C51單片機(jī)比8051單片機(jī)在片內(nèi)存儲器空間和功能單元方面有所補(bǔ)充。4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器，增加了在線編程功能，使程序的修改和調(diào)試及其方便，而且編程和校驗(yàn)也更加方便。AT89C51單片機(jī)的主要工作特性如下：①8051CPU；②4KB的快速擦寫Flash存儲器，用于程序存儲，可擦寫次數(shù)為1000次；③256字節(jié)的RAM，其中高128字節(jié)地址被特殊功能寄存器SFR占用；④32根可編程I/O端口線：P0，P1，P2，P3；⑤2個可編程16位定時器，一個可編程的全雙工串行通信：3口的第二功能；⑥具有6個中斷源，5個中斷矢量，兩級優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)；⑦1個數(shù)據(jù)指針DPTR；⑧具有“空閑”和“掉電”兩種低功耗工作方式；⑨可編程的3級程序鎖定位；⑩工作電源的電壓為（5177。）；AT89C51芯片引腳圖如圖3 2 所示圖3 2 AT89C51 引腳排列圖 AT89C51存儲器的擴(kuò)展由于AT89C51只有一個256B RAM可能無法滿足整個系統(tǒng)對程序存儲、數(shù)據(jù)存儲的要求，所以必須對AT89C51存儲器擴(kuò)展。電路圖如圖3 3所示。圖3 3 AT89C51 擴(kuò)展電路圖 電源是系統(tǒng)必不可少的組成部分，一個良好的電源對于系統(tǒng)的正常工作至關(guān)重要，其設(shè)計的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和能否安全可靠的工作。如何保持電源的穩(wěn)定性、減少系統(tǒng)的功耗和外界的干擾往往成為工程師最為頭疼的問題。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分為兩種，一種是線性穩(wěn)壓電源，另一種是開關(guān)穩(wěn)壓電源。本設(shè)計采用開關(guān)穩(wěn)壓電源，從而可以減少系統(tǒng)的體積和降低功耗[14]。+5V開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理圖如圖3 4所示。在圖中，C1=220μF，C2=，C3=，C4=200μF。為了達(dá)到最佳的濾波效果，除了選擇合理的電路結(jié)構(gòu)以外，在安裝時，應(yīng)盡量將濾波器的輸入和輸出端遠(yuǎn)離開始端。經(jīng)驗(yàn)表明，電源的接地阻抗越小，負(fù)載間的耦合就越少。較為經(jīng)濟(jì)的做法是采用負(fù)載分離供電的方法。也就是說，如果是單純的最小系統(tǒng)，應(yīng)盡量減少電源接地阻抗，否則，就應(yīng)當(dāng)將其他負(fù)載與最小系統(tǒng)分離供電。圖 3 4 電源電路原理 開關(guān)量分為開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出兩個部分，在本系統(tǒng)中，開關(guān)量主要是斷路器，刀閘的合、分閘信號，開關(guān)狀態(tài)等信號，由于開關(guān)信號傳輸?shù)木嚯x比較遠(yuǎn)，容易受到外界的干擾，確保開關(guān)動作的可靠性至關(guān)重要，所以開關(guān)量的輸入輸出應(yīng)確?？煽?，并具有良好的抗干擾的能力，本系統(tǒng)通過采用電容濾波和光電隔離的方法來提高輸入輸出信號抗干擾能力[15]。開關(guān)量輸入原理如圖3 5 所示。 圖3 5 開關(guān)量輸入原理圖從控制器端子箱引入的開關(guān)量（常開）圖中的S表示，在輸入端接有電阻與二極管并聯(lián)的電路主要起保護(hù)作用，經(jīng)光電隔離進(jìn)入單片機(jī)的輸入接口，由CPU讀取，當(dāng)開關(guān)打開時，光敏三極管關(guān)閉，輸出為高電平，對應(yīng)位為1，當(dāng)開關(guān)閉合時，光敏三極管導(dǎo)通，輸出為低電平，對應(yīng)位為0。CPU可以通過軟件查詢，隨時知道外部開關(guān)量的狀態(tài)。開關(guān)量保護(hù)信號和閉鎖信號經(jīng)光電隔離后輸入單片機(jī)的高速輸入口，每個高速輸入口電平的跳變都可以產(chǎn)生中斷，這可以使CPU對保護(hù)信號和閉鎖信號做出快速反應(yīng)，最大限度地提高控制器的可靠性。開關(guān)量輸出原理如圖3 6所示。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等，一般都采用并行接口的輸出來控制有觸點(diǎn)繼電器（干簧或密封小中間繼電器）的方法，但為提高抗干擾能力，最好也經(jīng)過一級光電隔離。只要光敏三極管導(dǎo)通，驅(qū)動繼電器動作，從而產(chǎn)生輸出接點(diǎn)的動作，同時要有效消除由于干擾問題而產(chǎn)生的誤動作。此外，在動作指令發(fā)出之后，CPU要監(jiān)測動作的執(zhí)行情況，一方面是看動作指令是否產(chǎn)生了相應(yīng)繼電器接點(diǎn)的動作，另一方面是看控制對象（線路上的開關(guān)）是否正確動作，如有異常情況立即閉鎖裝置并報警。 圖3 6 開關(guān)量輸出原理圖 模擬量輸入電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3 7所示。主要包括電壓形成回路、低通濾波電路、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及A/D變換芯片五部分。下面分別敘述這五部分的工作原理及作用。圖3 7 模擬量輸入電流結(jié)構(gòu)框圖[16]系統(tǒng)要從電流互感器(TA)和電壓互感器(TV)取得信息，但這些互感器的二次側(cè)電流或電壓量不能適應(yīng)模／數(shù)變換器的輸入范圍要求，故需對它們進(jìn)行變換。電壓變換器將由電壓互感器二次側(cè)引來的電壓進(jìn)一步降低。電流變換器將電流互感器二次側(cè)的電流變換成電壓信號，并進(jìn)一步降低電壓。一般模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片要求輸入電壓5V或10V。由此可以決定上述電壓變換器、電流變換器的變比。 電壓形成電路除了起電量變換作用外，另一個重要作用是將一次設(shè)備的電流互感器TA、電壓互感器TV的二次回路與微機(jī)A／D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完全隔離，提高抗干擾能力。 低通濾波（ALF)[17] 為了使信號被采樣后不失真，采樣頻率必須不小于2倍的輸入信號的最高頻率，這是采樣定理的要求。電力系統(tǒng)在故障的暫態(tài)期間，電壓和電流含有較高的諧波成分。如果要對所有的高次諧波成分均不失真地采樣，那么其采樣率就要取得很高，這就對硬件速度提出很高要求，使成本增高，這是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)際上，大多數(shù)的模擬量輸入回路都在采集之前將最高信號頻率分且限制在一定頻帶以內(nèi)，即限制輸入信號的最高頻率，以降低采樣頻率。這樣，只需要在采樣前用一個模擬低通濾波器將高頻分量濾去即可。．采樣保持器(S／H)[18]采樣保持器(S／H)的基本原理：A／D轉(zhuǎn)換器完成一次完整的轉(zhuǎn)換需要一段時間，在這段時間里，模擬量不能變化，否則就不準(zhǔn)確了，必須引入采樣／保持電路，將瞬間采集的模擬量“樣本”凍結(jié)一段時間，以保證A／D轉(zhuǎn)換的精度。. 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 多路開關(guān)是一種受CPU控制的高速電子切換開關(guān)。由采樣保持器送來的多路模擬量公用一套A／D轉(zhuǎn)換器，只有被選中的一路才可以通過多路開關(guān)進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器，其余各量需等候下一次的選擇。電路連接圖如圖3 8所示：a 電流測量電路b 電壓測量電路圖3 8 電壓及電流測量電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 A/D轉(zhuǎn)換器是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的線性電路器件，已做成集成芯片。A/D變換器主要有以下幾種類型：積分型、逐次逼近型、并行比較型，∑—△型和流水線型等轉(zhuǎn)換器。在選用A/D變換器時，主要應(yīng)根據(jù)使用場合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度，精度，價格，功能以及接口條件等因素而決定選用哪種類型。本設(shè)計中采用逐次逼近型芯片ADC0809[11]。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是由逐次逼近寄存器，D/A轉(zhuǎn)換器，比較器，和緩沖寄存器等組成。當(dāng)啟動信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，逐次逼近寄存器清0，這時，D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓也為0，當(dāng)啟動信號變?yōu)楦唠娖綍r，轉(zhuǎn)換開始，同時，逐次逼近寄存器進(jìn)行計數(shù)。衡量一個A/D轉(zhuǎn)換器的性能的主要參數(shù)有： （1）分辨率 是指A/D轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，位數(shù)多分辨率也就越高。 （2）轉(zhuǎn)換時間 指模擬量輸入到完成轉(zhuǎn)換，輸出達(dá)到最終值并穩(wěn)定為止所需的時間。一般在幾ns到幾百ns之間。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為1至200μs。 （3）轉(zhuǎn)換精度 指A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差，有絕對精度和相對精度兩種表示法。 （4）量程量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。如5V或10V等，用戶在使用時遙通過調(diào)理電路將輸入信號調(diào)制到量程范圍以內(nèi)。 （5）工作溫度范圍較好的A/D轉(zhuǎn)換器的工作溫度為40到85176。C，較差的為0到70176。C。應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用要求去查器件手冊，選擇使用的型號。超過工作溫度范圍，將不能保證達(dá)到額定精度指標(biāo)。ADC0809是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。主要特性如下：①8路輸入通道。 ②具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 ③轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）?！?④單個+5V電源供電。⑤模擬輸入電壓范圍0～+5V， 不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 ⑥工作溫度范圍為40～+85攝氏度。 ⑦低功耗，約15mW。⑧輸出帶鎖存器。⑨邏輯電平與TTL兼容。⑩8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。ADC0809 引腳圖如圖3 9所示： 其主要功能如下： IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。 D0～D7：8位數(shù)字量輸出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路。 ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHz。 REF（+），REF（）：基準(zhǔn)電壓。VCC：電源，+5V。圖39 ADC0809引腳排列圖ADC0809與AT89C51連接如圖310所示：圖3 10 ADC0809 與AT89C51連接圖 通信電路 系統(tǒng)設(shè)計中采用RS485通信方式，RS485標(biāo)準(zhǔn)接口是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的一種串行總線之一。RS485操作方式為差動方式，最大傳輸距離為1200米，最大傳輸速率為10Mbps,最大驅(qū)動器數(shù)目為32，最大接收器數(shù)目為32。RS485接口可連接成半雙工和全雙工兩種通信方式。常見的半雙工通信芯片有MAX48MAX48MAX48MAX487等，全雙工通信芯片有MAX48MAX48MAX490、MAX491等。圖3 11為RS485通過MAX485與單片機(jī)的連接圖。 圖3 11 RS485 通信接口電路 復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其功能主要是使單片機(jī)內(nèi)邏輯電路回到起始點(diǎn)。本設(shè)計采用看門狗復(fù)位電路[11]?？撮T狗電路是用來監(jiān)測微處理器是否正常工作的，如果單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作不正常，程序飛掉，看門狗電路的輸入端就會被觸發(fā)，那么看門狗電路的輸出端就可以產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖使系統(tǒng)復(fù)位。一般看門狗電路的本質(zhì)是一個帶有具有清零功能的計數(shù)器。具體的原理是在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)是CPU復(fù)位計數(shù)器，即預(yù)先設(shè)定的時間要小于計數(shù)器的溢出時間，如計數(shù)器一旦溢出，即認(rèn)為CPU目前的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)問題，可用計數(shù)器溢出信號去復(fù)位CPU，使單片機(jī)系統(tǒng)重新工作，從而使系統(tǒng)納入正常的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖3 12所示。圖3 12 CD4060 構(gòu)成的看門狗電路 人機(jī)交互模塊鍵盤是計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分，對于一些人工干預(yù)的計算機(jī)控制系統(tǒng)來說，鍵盤就成為人機(jī)聯(lián)系的必要手段。因此，任何一個人工可干預(yù)的計算機(jī)開發(fā)或應(yīng)用系統(tǒng)必須配置鍵盤輸入設(shè)備。這樣就可以隨時將程序、數(shù)據(jù)、命令等輸入到單片機(jī)中。一般鍵盤接口有獨(dú)立式按鍵和矩陣式按鍵[11]。獨(dú)立式鍵盤就是各按鍵相互獨(dú)立，該方式的優(yōu)點(diǎn)是電路配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡單，適用于按鍵較少或速度要求高的鍵盤。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合，它與獨(dú)立式鍵盤相比要省很多的I/O口線。獨(dú)立式鍵盤連接圖如圖3 13 所示。圖313 鍵盤連接電路在人機(jī)界面當(dāng)中，LCD顯示技術(shù)由于其具有界面友好，成本較低等特點(diǎn)而在很多應(yīng)用場合得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計采用以HT1621D為驅(qū)動