【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2硬件總體結(jié)構(gòu) 微機(jī)保護(hù)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件平臺(tái)[10]如圖31所示。整個(gè)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(gè)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(chǔ)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(dòng)軟件程序、計(jì)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(jì)算處理后輸出開關(guān)量保護(hù)信號(hào)去驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)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(dòng)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(tái) CPU的選擇 本設(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器，用于程序存儲(chǔ)，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(gè)可編程16位定時(shí)器，一個(gè)可編程的全雙工串行通信：3口的第二功能；⑥具有6個(gè)中斷源，5個(gè)中斷矢量，兩級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)；⑦1個(gè)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(jí)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(chǔ)器的擴(kuò)展由于AT89C51只有一個(gè)256B RAM可能無法滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)程序存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，所以必須對(duì)AT89C51存儲(chǔ)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(gè)良好的電源對(duì)于系統(tǒng)的正常工作至關(guān)重要，其設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，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(gè)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(hào)，開關(guān)狀態(tài)等信號(hào)，由于開關(guān)信號(hào)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(dòng)作的可靠性至關(guān)重要，所以開關(guān)量的輸入輸出應(yīng)確?？煽浚⒕哂辛己玫目垢蓴_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(hào)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(shí)，光敏三極管關(guān)閉，輸出為高電平，對(duì)應(yīng)位為1，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，光敏三極管導(dǎo)通，輸出為低電平，對(duì)應(yīng)位為0。CPU可以通過軟件查詢，隨時(shí)知道外部開關(guān)量的狀態(tài)。開關(guān)量保護(hù)信號(hào)和閉鎖信號(hào)經(jīng)光電隔離后輸入單片機(jī)的高速輸入口，每個(gè)高速輸入口電平的跳變都可以產(chǎn)生中斷，這可以使CPU對(duì)保護(hù)信號(hào)和閉鎖信號(hào)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(hào)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(jí)光電隔離。只要光敏三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，從而產(chǎn)生輸出接點(diǎn)的動(dòng)作，同時(shí)要有效消除由于干擾問題而產(chǎn)生的誤動(dòng)作。此外，在動(dòng)作指令發(fā)出之后，CPU要監(jiān)測(cè)動(dòng)作的執(zhí)行情況，一方面是看動(dòng)作指令是否產(chǎn)生了相應(yīng)繼電器接點(diǎn)的動(dòng)作，另一方面是看控制對(duì)象（線路上的開關(guān)）是否正確動(dòng)作，如有異常情況立即閉鎖裝置并報(bào)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(duì)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(hào)，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(gè)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(hào)被采樣后不失真，采樣頻率必須不小于2倍的輸入信號(hào)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(duì)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(duì)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(hào)頻率分且限制在一定頻帶以內(nèi)，即限制輸入信號(hào)的最高頻率，以降低采樣頻率。這樣，只需要在采樣前用一個(gè)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(shí)間，在這段時(shí)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(shí)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(cè)量電路b 電壓測(cè)量電路圖3 8 電壓及電流測(cè)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(shí)，主要應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度，精度，價(jià)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(jì)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(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，逐次逼近寄存器清0，這時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓也為0，當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，轉(zhuǎn)換開始，同時(shí)，逐次逼近寄存器進(jìn)行計(jì)數(shù)。衡量一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)精度和相對(duì)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(shí)遙通過調(diào)理電路將輸入信號(hào)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(cè)，選擇使用的型號(hào)。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(guó)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?？刂贫?。 ③轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）?！?④單個(gè)+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(hào)，輸入，高電平有效。 START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。 EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)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(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)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(jì)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(dòng)方式，最大傳輸距離為1200米，最大傳輸速率為10Mbps,最大驅(qū)動(dòng)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(jì)采用看門狗復(fù)位電路[11]?？撮T狗電路是用來監(jiān)測(cè)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(huì)被觸發(fā)，那么看門狗電路的輸出端就可以產(chǎn)生一個(gè)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(gè)帶有具有清零功能的計(jì)數(shù)器。具體的原理是在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)是CPU復(fù)位計(jì)數(shù)器，即預(yù)先設(shè)定的時(shí)間要小于計(jì)數(shù)器的溢出時(shí)間，如計(jì)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(jì)數(shù)器溢出信號(hào)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于一些人工干預(yù)的計(jì)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(gè)人工可干預(yù)的計(jì)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(shí)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用以HT1621D為驅(qū)動(dòng)