【正文】 FADJ(2． 4 VVREF4． 18 V)；輸入通道的過(guò)壓保護(hù)為177。 5V． O～ 10V， O～ 5v； (3)8個(gè)模擬輸入通道， 6us的轉(zhuǎn)換時(shí)問(wèn)； (4)內(nèi)部或外部可選的參考電壓和時(shí)鐘。 MAXl97具有以下顯著特點(diǎn)： (1)，單 5V供電： (2)可動(dòng)態(tài)改變的轉(zhuǎn)換輸入范圍：177。全部邏輯輸入和輸出與 TTL/CMOS電平兼容。三態(tài)數(shù)據(jù) I／ O口用做 8位數(shù)據(jù)總線。 5 V， 0～ 10 V，0— 5 V)、 8通道、 12位高精度的 A／ D轉(zhuǎn)換器。 MAXl97芯片是美國(guó) MAXIM公司近年的新產(chǎn)品，是多量程 (177?？紤]到每個(gè)通道的采樣時(shí)間由多路開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間、采樣／保持器的采樣和建立時(shí)間、 A／ D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間以及測(cè)量傳感器的建立時(shí)間等，決定選用轉(zhuǎn)換時(shí)間較少的逐次比較型的 A／ D轉(zhuǎn)換器。 A／ D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時(shí)間。 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇 由于 A／ D轉(zhuǎn)換器與整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量范圍和精度有關(guān)．因此． A／ D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。 *開(kāi)發(fā)支持 (1)支持單線背景調(diào)試模式 (BDM)； (2)支持高級(jí)語(yǔ)言編程。這是時(shí)鐘發(fā)生器中的重要電路。 *兩個(gè)具有產(chǎn)生中斷、喚醒 CPU 功能的 8位并行口，也可以設(shè)為輸出 [18]。 *增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器 [16] (1)16位主計(jì)數(shù)器， 7位分頻系數(shù)； (2)8個(gè)輸入捕捉通道或輸出比較通道 ,其中四個(gè)輸入捕捉通道帶有緩存； (3)4個(gè) 8位或 2個(gè) 16位脈寬計(jì)數(shù)器； (4)每個(gè)信號(hào)濾波器有 4個(gè)用戶可選擇的延遲計(jì)數(shù)器； *脈寬調(diào)制模塊 (PWM)[17]可設(shè)置成 4路 8位或者 2路 16位，邏輯時(shí)鐘選擇頻率寬。每個(gè) CAN 有 RX、 TX、出錯(cuò)、喚醒四個(gè)獨(dú)立的中斷通道。地址總線 16位，數(shù)據(jù)線 16位或 8位，地址和數(shù)據(jù)總線占用 3個(gè)或4個(gè) 8位 I/O 并行口，在單片方式下這 32位可做普通 I/O口用。 *存儲(chǔ)器 (1) 128KB FLASH 存儲(chǔ)器； (2) 8KB RAM； (3) 2KB EEPROM?？煞謩e用于源地址，目的地址 的指針型變量運(yùn)算； (SP)是 16位寄存器； (PC)是 16位寄存器，它表示下一條指令或下一個(gè)操作數(shù)的地址； (CCR)。 尋址方式有 16種，堆棧指針和變址寄存器均為 16位，它具有很強(qiáng)的高級(jí) 語(yǔ)言支持功能， CPU12的累加器 A和 B是 16位的，也可以組成 32位累加器 D。 MC68HC912DG128A 單片機(jī)是一臺(tái) 16位單片機(jī)，其內(nèi)部框圖如圖 。 68HC12的基本尋址空間仍為 64，但可以采用自動(dòng)分頁(yè)的方式擴(kuò)展應(yīng)用程序到 256KB 甚至更多。 68HC12單片機(jī)比起 68HC11來(lái)，在總線速度上由 2～ 3MHz 提高到 8MHz。在汽車電子、通信、計(jì)算機(jī)外設(shè)、工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等方面有廣泛地應(yīng)用。 通信單元 數(shù)據(jù)采集單元 時(shí)鐘單元 中央處理單元（單片機(jī)） 人機(jī)接口（鍵盤與顯示單元） 模擬量和開(kāi)關(guān)量輸出單元 圖 MC68HC912DG128A 外部引腳圖 68HC12系列單片機(jī)是 68HC11單片機(jī)的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 圖 硬件電路總體結(jié)構(gòu)圖 2． 2 主要芯片和器件的選擇 微控制器的選擇 MC68HC912DG128A 單片機(jī)是一臺(tái) 16 位單片機(jī)，是 MC68HC12 系列單片機(jī)的一種 [10]。 本裝置硬件 核心采用美國(guó) MOTOROLA公司 MC68HC912DGl28A芯片作為微制器，并配以適當(dāng)?shù)耐鈬娐穪?lái)完成各項(xiàng)功能 [9]。 2 系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)與分析 2． 1 硬件電路總體設(shè)計(jì) 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，對(duì)其保護(hù)、控制、變量、通信等功能的要求越來(lái)越高，而且由于新一代、高性能微控制器的出現(xiàn)，微機(jī)保護(hù)裝置將逐步實(shí)現(xiàn)高集成度、全功能化。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。 概述 MODBUS 通訊協(xié)議的原理，以及其使用方法 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理與過(guò)程。主要介紹了國(guó)內(nèi)國(guó)外微機(jī)繼電保護(hù)的發(fā)展史、繼電保護(hù)的幾大特點(diǎn)、主要的理論技術(shù)和成果以及今后總的發(fā)展要求和趨勢(shì)。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外微機(jī)繼電保護(hù)發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上 ，跟蹤繼電保護(hù)相關(guān)高新技術(shù)，探討了新型微機(jī)繼電保護(hù)硬件方案的研制。 微機(jī)繼電保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì) 繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)向計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通 信一體化發(fā)展。微機(jī)保護(hù)裝置具有串行通信功能，與變電所微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的通信聯(lián)絡(luò)使微機(jī) 保護(hù)具有遠(yuǎn)方監(jiān)控特性。其維護(hù)調(diào)試也更方便，從而縮短維修時(shí)間；同時(shí)依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)軟件方法改變特性、結(jié)構(gòu)。體現(xiàn)在數(shù)字元件的特性不易受溫度變化、電源波動(dòng)、使用年限的影響，不易受元件更換的影響；且自檢和巡檢能力強(qiáng)，可用軟件方法檢測(cè)主要元件、部件的工況以及功能軟件本身。體現(xiàn)在硬件比較通用，制造容易統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；裝置體積小，減少了盤位數(shù)量；功耗低。如故障錄波、波形分析等，可以方便地附加低頻減載、自動(dòng)重合閘、故障錄波、故障測(cè) 距等功能。主要表現(xiàn)在能得到常規(guī)保護(hù)不易獲得的特性；其很強(qiáng)的記憶力能更好地實(shí)現(xiàn)故障分量保護(hù)；可引進(jìn)自動(dòng)控制、新的數(shù)學(xué)理論和技術(shù)如自適應(yīng)、狀態(tài)預(yù)測(cè)、模糊控制及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，其運(yùn)行正確率很高也已在運(yùn)行實(shí)踐中得到證明。隨著微機(jī)保護(hù)裝置的研究，在微機(jī)保護(hù)軟件、算法等方面也取得了很多理論成果，并且應(yīng)用于實(shí)際之中 [4]。至此，不同原理、不同機(jī)型的微機(jī)線路和主設(shè)備保護(hù)各具特色，為電力系統(tǒng)提供了 一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護(hù)裝置。南京電力自動(dòng)化研究院研制的微機(jī)線路保護(hù)裝置也于 1991 年通過(guò)鑒定。 1984 年原華北電力學(xué)院研制的輸電線路微機(jī)保護(hù)裝置首先通過(guò)鑒定，并在系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，揭開(kāi)了我國(guó)繼電保護(hù)發(fā)展史上的新一頁(yè)，為微機(jī)保護(hù)的推廣開(kāi)辟了道路 [3]。我國(guó)對(duì)計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)的研究過(guò)程中，高等院校和科研院所起著先導(dǎo)的作用。 我國(guó)的微機(jī)保護(hù)研究起步于 20世紀(jì) 70 年代末期、 80 年代初期，盡管起步晚，但是由于我國(guó)繼電 保護(hù)工作者的努力，進(jìn)展卻很快。 80 年代，微機(jī)保護(hù)在硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)方面日趨成熟，并已在一些國(guó)家推廣應(yīng)用。價(jià)格的大幅度下降，可靠性、運(yùn)算速度的大幅度提高，促使計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)的研究出現(xiàn)了高潮。 60 年代中期，有人提出用小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的設(shè)想，但是由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的價(jià)格昂貴，同時(shí)也無(wú)法滿足高速繼電保護(hù)的技術(shù)要求，因此沒(méi)有在保護(hù)方面取得實(shí)際應(yīng)用，但由此開(kāi)始了對(duì)計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)理論計(jì)算方法和程序結(jié)構(gòu)的大量研究，為后來(lái)的繼電保護(hù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。 1 引言 微機(jī)繼電保護(hù)概述 微機(jī)繼電保護(hù)的發(fā)展 微機(jī)繼電保護(hù)指的是以數(shù)字式計(jì)算機(jī)（包括微型機(jī)）為基礎(chǔ)而構(gòu)成的繼電保護(hù) [1]。它起源于 20世紀(jì) 60 年代中后期，是在英國(guó)、澳大利亞和美國(guó)的一些學(xué)者的倡導(dǎo)下開(kāi)始進(jìn)行研究的。計(jì)算機(jī)技術(shù)在 70 年代初期和 中期出現(xiàn)了重大突破，大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，使得微型處理器和微型計(jì)算機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段。在 70 年代后期，出現(xiàn)了比較完善的微機(jī)保護(hù)樣機(jī)，并投入到電力系統(tǒng)中試運(yùn)行。90年代，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展到了微機(jī)保護(hù)時(shí)代，它是繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展歷史過(guò)程中的第四代 [2]。經(jīng)過(guò) 10年左右的奮斗，到了 80年代末，計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)，特別是輸電線路微機(jī)保護(hù)已達(dá)到了大量實(shí)用的程度。從 70 年代開(kāi)始，華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力學(xué)院、西安交通大力自動(dòng)化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式的微機(jī)保護(hù)裝置。在主設(shè)備保護(hù)方面，東南大學(xué)和華中理工 大學(xué)研制的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)和發(fā)電機(jī)－變壓器組保護(hù)也相繼于 1989 年、 1994 年通過(guò)鑒定，投入運(yùn)行。天津大學(xué)與南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠合作研制的微機(jī)相電壓補(bǔ)償式方向高頻保護(hù)，西安交通大學(xué)與許昌繼電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護(hù)也相繼于 1993 年、 1996 年通過(guò)鑒定。因此到了 90 年代，我國(guó)繼電保護(hù)進(jìn)入了微機(jī)時(shí) 代。 微機(jī)繼電保護(hù)的 主要 特點(diǎn) [5] 改善和提高繼電保護(hù)的動(dòng)作特征和性能，動(dòng)作正確率高。 可以方便地?cái)U(kuò)充其他輔助功能。 3 、工藝結(jié)構(gòu)條件優(yōu)越。 可靠性容易提高。 使用靈活方便，人機(jī)界面越來(lái)越友好。 可以進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控。 微機(jī)繼電保護(hù)的優(yōu)點(diǎn) 與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)相比，微機(jī)繼電保護(hù)主要有以下的優(yōu)點(diǎn) [6]： （ 1）改善和提高繼電保護(hù)的動(dòng)作特性和性能； （ 2）可靠性大為提高； （ 3）內(nèi)部編程軟接線的方式大大降低了電氣二次線路的復(fù)雜性； （ 4）可以充分利用 CPU 的資源，實(shí)現(xiàn)其他測(cè)量、管理、通訊等功能； （ 5）微機(jī)特有的記憶存櫧功能能很好的實(shí)現(xiàn)故障追憶，提高運(yùn)行管理效率； （ 6）自檢能力強(qiáng)，可以省去每年花費(fèi)大量人力物力而必須去做的繼電保護(hù)預(yù)防性試驗(yàn)，可以保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及計(jì)算機(jī)在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用，新的控制原理和方法被不斷應(yīng)用于計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)中，以期取得更好的效果，從而使微機(jī)繼電保護(hù)的研究向更高的層次發(fā)展，出現(xiàn)了一些引人注目的新趨勢(shì) [ 8]. 本論文的主要工作 電力工業(yè)的發(fā)展和繼電保護(hù)相關(guān)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步都給微機(jī)繼電保護(hù)裝置的研制提出了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面 : 概述了微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)。 選擇芯片，采用 16 位或 32 位 CPU 提高保護(hù)系統(tǒng)的性能；采用 14~16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器提高微機(jī)保護(hù)的精度。包括 A/D 模塊、 D/A模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和時(shí)鐘模塊。 主要包括 A/D 模塊、 D/A 模塊的底層驅(qū)動(dòng)程序和 MODBUS 通訊協(xié)議。本裝置著重考慮了保護(hù)的特殊性和實(shí)驗(yàn)的靈活性要求，采用了MOTOROLA新型的高性能 FLASH型 MCU，從而使本裝置既滿足了繼電保護(hù)的“四性”要求，又能靈活的適應(yīng)各種保護(hù)原理的需要。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：中央處理單元、數(shù)據(jù)采集單元 (模擬量和數(shù)字量 )、通信單元 ( USB通信 )、人機(jī)接口 (鍵盤與顯示 )單元、時(shí)鐘單元、模擬量和開(kāi)關(guān)量輸出單元，各部分如圖 2 1所示。其引腳圖如圖 。 68HC11單片機(jī)自 80年代后期以來(lái)，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，十余年來(lái)，已發(fā)展到十余個(gè)系列，幾十個(gè)品種，生產(chǎn)量上億片。 68HC12CPU 與 68HC11CPU 的指令在源碼級(jí)兼容。增加了一些新的指令，特別是用 于模糊邏輯運(yùn)算與模糊控制的指令。這樣做的好處是指令代碼短，程序代碼效率高 [11]。 圖 MC68HC912DG128A單片機(jī)的內(nèi)部框圖 中央處理器 CPU12由以下三部分組成：算術(shù)邏輯單元 (ALU)、控制單元和寄存器組，CPU內(nèi)部總線頻率為 8MHz[12]。 CPU12的寄存器組包括如下 5個(gè)部分 [1 14]： A、 B 或 32位的累加器 D； X和 Y是用來(lái)處理操作數(shù)的地址。 中央處理器 CPU12是 M68HC12的中央處理器，為 16位 CPU，其指令系統(tǒng)在源碼級(jí)與68HC11兼容。 *多元化總線，可以工作在單片方式，也可以通過(guò)總線擴(kuò)展存儲(chǔ)空間和增加 I/O 芯片，工作在擴(kuò)展方式 [15]。 *兩個(gè) 8路 10位 A/D轉(zhuǎn)換器 *控制器局域網(wǎng)模塊 (CAN)， 68HC912DG128A 內(nèi)部有兩個(gè) CAN 模塊 ,每個(gè) CAN具有 2個(gè)接收緩沖區(qū)和 3個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)。CAN模塊具有自檢功能，有低通濾波喚醒功能。 *串行接口 (1)兩個(gè)異步串行通信接口 (SCI)模塊； (2)一個(gè) I2C總線接 口； (3)一個(gè)同步串行外設(shè)接口 SPI。 *時(shí)鐘發(fā)生器 (1)具有鎖相環(huán)頻率合成器。它的存在使外部 32MHz晶振就可以產(chǎn)生 8MHz 的總線頻率； (2)也可使用 ～ 16MHz 的低功耗晶振。 由上述資料可知： MC68HC912DG128A 單片機(jī)是一款性能優(yōu)異的單片機(jī)，能完成本課題的最佳選擇。 對(duì)于 8位的 A／ D轉(zhuǎn)換器的分辨率能達(dá)到 l／ 28或滿刻度的 ％，顯然不能滿足本裝置所要求的 (％ )精度；而 12位的轉(zhuǎn)換器能夠達(dá)到的精度為 ％，能夠滿足本裝置的精度要求，所以本裝置采用 12位的 A／ D轉(zhuǎn)換器用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 [19]。本裝置對(duì) 6路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，每一路每周波采樣 32點(diǎn)，即每 一個(gè)周波要完成 192次轉(zhuǎn)換，而每個(gè)周波為 20ms，因此要求轉(zhuǎn)換速率約為 100uS。綜合以上各因素，本裝置中選用 MAXIM公司的 MAXl97作為 A／ D轉(zhuǎn)換芯片 [20]。 10 V，177。它采用逐次逼近工作方