一種新型智能低壓斷路器控制器的設(shè)計(jì)

1、一種新型智能低壓斷路器控制器的設(shè)計(jì)一種新型智能低壓斷路器控制器的設(shè)計(jì)摘要：低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中起同段控制及保護(hù)等作用的重要元件。目前，國外的低壓斷路器正朝著高性能、小型化、智能化和模塊化方向發(fā)展，并且與現(xiàn)場總線系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。本文介紹一種新型智能低壓斷路器控制器的設(shè)計(jì)。1、引言低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中起同段控制及保護(hù)等作用的重要元件。目前，國外的低壓斷路器正朝著高性能、小型化、智能化和模塊化方向發(fā)展，并且與現(xiàn)場總線系統(tǒng)相連

2、，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。國內(nèi)一些廠家也曾開發(fā)國際種職能斷路器控制器，其主要缺點(diǎn)是采用大規(guī)模集成器件較少，故體積較大，易進(jìn)入干擾。本文介紹一種新型智能低壓斷路器控制器的設(shè)計(jì)。主要特點(diǎn)有：a注重模塊化設(shè)計(jì)，采用大規(guī)模集成器件。不僅縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品性能，而且減少了產(chǎn)品體積，降低了成本b在實(shí)現(xiàn)基本保護(hù)功能的同時(shí)，增加了預(yù)警功能c才參數(shù)測量上，除了電流、電壓等常規(guī)參數(shù)外，增加了功率因數(shù)及功率測量等，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行顯示d注重產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)e斷路

3、器帶通信接口，引入CAN現(xiàn)場總線技術(shù)。2、支能低壓斷路器控制器設(shè)計(jì)2.1總體方案簡介該斷路器控制器的主要包括微處理器、信號(hào)采集電路、鍵盤和現(xiàn)實(shí)電路、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、溫度檢測電路、輸出執(zhí)行電路和電源等。2.2微處理器的選擇智能斷路器控制器既要實(shí)現(xiàn)各種功能又要有較好的是實(shí)時(shí)性和電磁兼容性，本期設(shè)計(jì)用了Dallas公司的DS80C390微處理器。其主要特點(diǎn)有：向下兼容80C52，使用80C51的指令集高速的體系結(jié)構(gòu)，每個(gè)機(jī)器周期只有4個(gè)時(shí)鐘周期，

4、最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可達(dá)40Mhz，兼容80C52存儲(chǔ)模式，內(nèi)含4KB的SRAM，外部擴(kuò)展4MB的程序存儲(chǔ)器和4MB的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。內(nèi)含兩個(gè)CAN2.0B的控制口，集成度高。DS80C390有2個(gè)串行口、3個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器、7個(gè)附加中斷、1個(gè)可編程狗定時(shí)器、6個(gè)8bitO口(其中兩個(gè)與存儲(chǔ)器接口)，還有一個(gè)數(shù)據(jù)指針OPRT1。DS80C390有2種封裝形式：68腳的PLCC和64腳的LQFP，本設(shè)計(jì)選用前者。2.3信號(hào)采集電路常規(guī)信號(hào)輸入通

5、道的設(shè)計(jì)一般先濾波在隔離放大，然后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換等，但該設(shè)計(jì)方法難以滿足實(shí)時(shí)性要求。本設(shè)計(jì)要求采集3路線電壓和4路相電流信號(hào)，而且需要采集的信號(hào)范圍很寬，若采用常規(guī)設(shè)計(jì)則需要很多的AD轉(zhuǎn)換通道，故采用了CirrusLogic公司的電子是電能表芯片CS5460來設(shè)計(jì)信號(hào)輸入通道。(1)CS5460的特點(diǎn)。a高集成。內(nèi)部繼承了1個(gè)可編程的增益放大器，1個(gè)帶固定增益放大器的電壓通道，2個(gè)可選高通濾波器等b高精度。轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.1%c易接口。CS

6、5460是高速AD器件，缺省狀態(tài)下，瞬時(shí)AD變換頻率可達(dá)4kHz。其自帶可編程增益放大器可測量150mV獲30mV兩城范圍的信號(hào)，從而很好地解決了實(shí)時(shí)性、寬測量范圍及測量精度低等問題。(2)CS5460的硬件設(shè)計(jì)。電壓電流互感二次側(cè)感應(yīng)電壓值經(jīng)分壓后分別送入CS5460的UIN、UIN和IIN、IIN引腳。CS5460有4個(gè)串行口：SDI為串行數(shù)據(jù)輸入口，SDO為串行數(shù)據(jù)輸出口，SCLK為串行時(shí)鐘，CS是片選控制線。因?yàn)橐杉?路電流、

7、3路電壓值，故選用了4片CS5460芯片。并用引腳p4.0、p4.1、p4.2和p4.3輪流選通每片CS5460。當(dāng)CS=1時(shí)，SOD為高阻狀態(tài)，故4片CS5460的引腳可以直接連在一起。又DS80C390的IO口可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)門電路，故4片CS5460的SDI和SCLK引腳分別以線與的形式直接相連。(3)CS5460的軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中軟件設(shè)計(jì)的基本程序采用C51編寫。CS5460的初始化DS80C390本身沒有I2C通信接口，所以采用

8、軟件模擬的方法與具有I2C接口的PCF8563接口。程序中微處理器在發(fā)出第九個(gè)脈沖時(shí)，讀取SDA線上的狀態(tài)，如讀取狀態(tài)為0，則說明數(shù)據(jù)已成功寫入PCF8563如讀取狀態(tài)為1，則說明寫入操作不成功，程序轉(zhuǎn)入再次寫操作。每進(jìn)行一次操作，內(nèi)嵌的字地址寄存器就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。據(jù)此，可判斷出程序?qū)CF8563的讀寫操作是否完成。每隔一段時(shí)間，主機(jī)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間通過CAN總線傳入各職能節(jié)點(diǎn)，然后有個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)各自的時(shí)鐘進(jìn)行校時(shí)操作。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)

9、生故障或報(bào)警時(shí)，此節(jié)點(diǎn)就對(duì)自己的PCF8563進(jìn)行讀操作，已得到發(fā)生故障或報(bào)警時(shí)的時(shí)間值。2.7CAN總線接口電路CAN總線是現(xiàn)場總線領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛的一種通信技術(shù)，用CAN代替以往的RS—485將從根本上改善監(jiān)控系統(tǒng)的性能。DS80C390內(nèi)部集成了兩個(gè)全功能CAN2.0控制器，易與外部CAN總線接口。2.8鍵盤及顯示電路鍵盤設(shè)計(jì)時(shí)，將按鍵的一端與微處理器的口線直接相連，并加上阻容電路去抖動(dòng)。這樣既可簡化硬件電路的設(shè)計(jì)，還可減小體積。顯

10、示電路由發(fā)光二極管和液晶組成，液晶采用精電公司的MGLS12864T，可用圖形或文本方式顯示。3、智能控制器的可靠性設(shè)計(jì)本控制器模塊處于強(qiáng)磁場環(huán)境中，各種電磁干擾源頻率大致為：電磁20Hz~幾十Hz，開關(guān)電弧30~200Hz，磁鐵1.0~3.6MHz。本模塊還處于強(qiáng)電力線電廠中，該場以電磁感應(yīng)的方式將電磁能量施加與本控制器模塊。所有的電磁干擾都有電磁干擾源、耦合通道和敏感設(shè)備3個(gè)基本要素組成。(1)本設(shè)計(jì)選用了CS5460、PCF856

11、3等貼片封裝元器件，高集成度的DS80C390及可配置內(nèi)存器件PSD934F2和帶光電隔離的固態(tài)繼電器。這些控制器模塊本身就有很強(qiáng)的抗干擾能力。(2)電源是引入干擾的重要途徑，為減少從此引入的干擾，采取了如下措施：a采用高性能開關(guān)電源以抗尖脈沖干擾等b采用壓敏電阻或RC網(wǎng)絡(luò)等吸收浪涌電壓c電源進(jìn)線端加大容量電解電容和高頻陶瓷電容分別濾除低頻、高頻干擾d采用分散獨(dú)立的功能供電。e保證有適當(dāng)?shù)墓β试６取?3)過程通道上才取光電耦合隔離、固態(tài)

12、繼電器開關(guān)量輸出和對(duì)傳輸線進(jìn)行阻抗匹配的措施。(4)設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，采取合適的制版面積、雙板層、井字形布線，盡量減少環(huán)路面積和環(huán)路電流、并排走線間插入離散地線、重要信號(hào)線靠近地線等措施。本控制器模塊采用工作接地。采用待屏蔽的雙絞線以減小電流信號(hào)回路的電磁干擾，其屏蔽層接到斷路器外殼。接地線盡可能短，線徑盡可能粗。(5)采用較高導(dǎo)電性材料如銅進(jìn)行電場屏蔽，導(dǎo)磁材料進(jìn)行磁場屏蔽。在控制器殼內(nèi)噴涂銅制電鍍導(dǎo)電層。對(duì)開關(guān)電源加屏蔽層，對(duì)顯示窗

13、中使用屏蔽玻璃，采用電磁密封襯墊防殼體縫隙漏磁。(6)軟件設(shè)計(jì)中采用的抗干擾措施有：a設(shè)置看門狗定時(shí)器?？撮T狗的定時(shí)時(shí)間稍大于主程序正常運(yùn)行一個(gè)循環(huán)的時(shí)間，而在主程序運(yùn)行過程中執(zhí)行一次時(shí)間常數(shù)刷新操作。當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)，由于不能正常刷新定時(shí)器而導(dǎo)致定時(shí)中斷，將系統(tǒng)復(fù)位。b設(shè)置軟件陷阱。本設(shè)計(jì)中在非程序區(qū)反復(fù)用NOP，NOP，LJMP0000H填滿，作為程序亂飛的攔截措施。這樣，不論程序失控指向哪一字節(jié)，都能回到復(fù)位狀態(tài)c采用一階遞推數(shù)字濾波