低壓斷路器控制器設計論文

　　摘要：低壓斷路器是低壓配電系統中起同段控制及保護等作用的重要元件。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展，并且與現場總線系統相連，實現網絡化。本文介紹一種新型智能低壓斷路器控制器的設計。

　　關鍵詞：控制設計 配電系統 元件

　　1、引言

　　低壓斷路器是低壓配電系統中起同段控制及保護等作用的重要元件。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展，并且與現場總線系統相連，實現網絡化。國內一些廠家也曾開發國際種職能斷路器控制器，其主要缺點是采用大規模集成器件較少，故體積較大，易進入干擾。

　　本文介紹一種新型智能低壓斷路器控制器的設計。主要特點有：a注重模塊化設計，采用大規模集成器件。不僅縮短了產品開發周期，提高了產品性能，而且減少了產品體積，降低了成本；b在實現基本保護功能的同時，增加了預警功能；c才參數測量上，除了電流、電壓等常規參數外，增加了功率因數及功率測量等，并對參數進行顯示；d注重產品的可靠性設計；e斷路器帶通信接口，引入CAN現場總線技術。

　　2、支能低壓斷路器控制器設計

　　2.1 總體方案簡介

　　該斷路器控制器的主要包括微處理器、信號采集電路、鍵盤和現實電路、外擴存儲器、溫度檢測電路、輸出執行電路和電源等。

　　2.2 微處理器的選擇

　　智能斷路器控制器既要實現各種功能又要有較好的是實時性和電磁兼容性，本期設計用了Dallas公司的DS80C390微處理器。其主要特點有：向下兼容80C52，使用80C51的指令集；高速的體系結構，每個機器周期只有4個時鐘周期，最大系統時鐘頻率可達40Mhz，兼容80C52存儲模式，內含4KB的SRAM，外部擴展4MB的程序存儲器和4MB的用戶數據存儲器。內含兩個CAN2.0B的控制口，集成度高。

　　DS80C390有2個串行口、3個定時器/計數器、7個附加中斷、1個可編程狗定時器、6個8 bit /O口（其中兩個與存儲器接口），還有一個數據指針OPRT1。DS80C390有2種封裝形式：68腳的PLCC和64腳的LQFP，本設計選用前者。

　　2.3 信號采集電路

　　常規信號輸入通道的設計一般先濾波在隔離放大，然后經A/D轉換等，但該設計方法難以滿足實時性要求。本設計要求采集3路線電壓和4路相電流信號，而且需要采集的信號范圍很寬，若采用常規設計則需要很多的A/D轉換通道，故采用了Cirrus Logic公司的電子是電能表芯片CS5460來設計信號輸入通道。

　　（1）CS5460的特點。a高集成。內部繼承了1個可編程的增益放大器，1個帶固定增益放大器的電壓通道，2個可選高通濾波器等；b高精度。轉換精度可達0.1%；c易接口。CS5460是高速A/D器件，缺省狀態下，瞬時A/D變換頻率可達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，從而很好地解決了實時性、寬測量范圍及測量精度低等問題。

　　（2）CS5460的硬件設計。電壓電流互感二次側感應電壓值經分壓后分別送入CS5460的UIN+、UIN--和IIN+、IIN-引腳。CS5460有4 個串行口：SDI為串行數據輸入口，SDO為串行數據輸出口，SCLK為串行時鐘，CS是片選控制線。因為要采集4路電流、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CS=1時，SOD為高阻狀態，故4片CS5460的引腳可以直接連在一起。又DS80C390的I/O口可以驅動4個門電路，故4片CS5460的SDI和SCLK引腳分別以線與的形式直接相連。

　　（3）CS5460的軟件設計。本設計中軟件設計的基本程序采用C51編寫。CS5460的初始化和啟動轉換工作由主程序完成。設計要求每1.25ms在3路電壓、4路電流上個采一點，采用軟件定時中斷方式。每1.25ms系統啟動一次中斷服務程序，完成對各路信號瞬時值的采集，每2s完成一次對各路信號有效值的采集。

　　DS80C390通過SDI、SDO、SCLK和CS信號線與CS5460接口。運用寫操作對CS5460內部各寄存器進行設置；運用讀操作，讀出CS5460內部各狀態寄存器和輸出結果寄存器的值。

　　2.4 外擴存儲器電路

　　傳統單片機應用系統為一般以微處理器為核心外加必要的芯片組成。但所需外加零散芯片很多時，所得的系統結構將很復雜且不易與更新或修改。所以，本設計采用了PSD934F2芯片。

　　（1）PSD934F2的主要特點。美國WSI公司推出的PSD934F2芯片是專門為8bits微處理器設計的，實現了將多個外圍芯片集成于一個芯片中。其主要特點有：可方便的使用復用和非復用的8bits微處理器接口；內置2MB的主FLASH存儲器和256KB的第二FLASH存儲器；具有64KB的SRAM；有19個輸出的通用PLD（GPLD）;有譯碼PLD(DPLD)；具有27個可單個配置的I/O引腳；等待電流可以降至50μA；符合JTAG標準的串行口可對全芯片進行在系統編成；FLASH存儲器的擦寫次數至少可達100000次，PLD的擦寫次數最少可達1 000次。

　　（2）PSD934F2與DS80C390的硬件電路。系統要求具有256KB的FLASH、125±8KB的SRAM和16KB的輔助FLASH，還要31路I/O輸出及一些外設片選輸出，故系統還擴展了一片128KB的SRAM。本設計中，DS80C390工作于22bits連續葉面尋址模式，配置為8bits的數據/地址復用方式。用程序選通允許信號PSEN訪問PSD934F2的程序存儲器，用WR、RD訪問數據存儲器。PSD934F2的27個I/O引腳，分成4個口（PA、PB、PC和PD），每個引腳可單獨配制成不同的功能。

　　（3）PSD934F2的軟件開發。PSD934F2由PSDsoft軟件支持。系統設計時，不需要用硬件描述語言（HDL）來定義PSD934F2的引腳功能和分配存儲器地址。PSD934F2支持FlashLINK器件編程器，對PSD934F2進行編程。首先用PSDsoft軟件定義PSD934F2的引腳功能及分配存儲器地址，再通過PSDsoft將PSD934F2配置與用戶HEX文件進行合并產生目標文件。HEX文件由用高級語言編寫的植入PSD的應用程序經編譯、鏈接產生，再將目標通過FLASHLINK寫入PSD934F2即可。

　　2.5 溫度檢測電路

　　傳統的溫度檢測電路采用熱敏電阻等溫度敏感元件，熱敏電阻成本雖低，但需要后續信號處理電路，且測量通道的標定麻煩，溫度測量的準確度也相對較低。所以，本設計采用Dallas公司生產的數字溫度傳感器DS1620。

　　（1）DS1620的特點。數字溫度傳感器DS1620是Dallas公司推出的新型溫度敏感器件。他以數字量輸出溫度測量值，具有測量范圍寬，傳輸距離遠，可靠、穩定等特點。DS1620的測量范圍為-55~125℃，分辨率為0.5℃。溫度以9位數字輸出，能夠在1秒內完成被測溫度的數值轉換，可獨立工作，也可方便的與PC或單片機以串行方式連接。

　　（2）DS1620的軟硬件設計。DS1620通過高溫系數振蕩器控制低溫系數振蕩器的脈沖個數，實現被測溫度的數字輸出。溫度計數器和寄存器預置-55℃的基準值，若溫度寄存器與技術起在脈沖周期結束前為0，則溫度寄存器增至被測溫度值。

　　DS1620的引腳DQ位數據輸入輸出腳（3線通信），CLK/CONV三線通信時為時鐘輸出口，不用CPU時為啟動轉換腳，RST為復位輸入腳。DS1620通過三線串行接口與微處理器相連，實現有關數據的寫入、溫度數據的讀出。 2.6 實時時鐘芯片

　　系統運行時，整個系統每隔一段時間就要進行一次始終校準。為此，本設計選用實時時鐘/日歷芯片PCF8563。PCF8563與DS80C390采用I2C通信接口方式進行數據傳送。由于DS80C390本身沒有I2C通信接口，所以采用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出第九個脈沖時，讀取SDA線上的狀態，如讀取狀態為0，則說明數據已成功寫入PCF8563；如讀取狀態為1，則說明寫入操作不成功，程序轉入再次寫操作。每進行一次操作，內嵌的字地址寄存器就會自動產生增量。據此，可判斷出程序對PCF8563的讀寫操作是否完成。每隔一段時間，主機發送標準時間，標準時間通過CAN總線傳入各職能節點，然后有個節點對各自的時鐘進行校時操作。當某節點發生故障或報警時，此節點就對自己的PCF8563進行讀操作，已得到發生故障或報警時的時間值。

　　2.7 CAN總線接口電路

　　CAN總線是現場總線領域應用很廣泛的一種通信技術，用CAN代替以往的RS—485將從根本上改善監控系統的性能。DS80C390內部集成了兩個全功能CAN2.0控制器，易與外部CAN總線接口。

　　2.8 鍵盤及顯示電路

　　鍵盤設計時，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。這樣既可簡化硬件電路的設計，還可減小體積。顯示電路由發光二極管和液晶組成，液晶采用精電公司的MGLS-12864T，可用圖形或文本方式顯示。

　　3、智能控制器的可靠性設計

　　本控制器模塊處于強磁場環境中，各種電磁干擾源頻率大致為：電磁20Hz~幾十Hz，開關電弧30~200Hz，磁鐵1.0~3.6MHz。本模塊還處于強電力線電廠中，該場以電磁感應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、耦合通道和敏感設備3個基本要素組成。

　　（1）本設計選用了CS5460、PCF8563等貼片封裝元器件，高集成度的DS80C390及可配置內存器件PSD934F2和帶光電隔離的固態繼電器。這些控制器模塊本身就有很強的抗干擾能力。

　　（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采用高性能開關電源以抗尖脈沖干擾等；b采用壓敏電阻或RC網絡等吸收浪涌電壓；c電源進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采用分散獨立的功能供電。e保證有適當的功率裕度。

　　（3）過程通道上才取光電耦合隔離、固態繼電器開關量輸出和對傳輸線進行阻抗匹配的措施。

　　（4）設計印刷電路板時，采取合適的制版面積、雙板層、井字形布線，盡量減少環路面積和環路電流、并排走線間插入離散地線、重要信號線靠近地線等措施。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）采用較高導電性材料如銅進行電場屏蔽，導磁材料進行磁場屏蔽。在控制器殼內噴涂銅制電鍍導電層。對開關電源加屏蔽層，對顯示窗中使用屏蔽玻璃，采用電磁密封襯墊防殼體縫隙漏磁。

　　(6）軟件設計中采用的抗干擾措施有：a設置看門狗定時器。看門狗的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環的時間，而在主程序運行過程中執行一次時間常數刷新操作。當程序出錯時，由于不能正常刷新定時器而導致定時中斷，將系統復位。b設置軟件陷阱。本設計中在非程序區反復用NOP，NOP，LJMP 0000H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，都能回到復位狀態；c 采用一階遞推數字濾波法實現軟件的數字濾波，以消除傳感器通道中的干擾信號；d 采用設置軟件冗余、輸出狀態影像保存、數據存儲冗余和初始化及自檢程序等，應對控制的狀態失常。

　　4、實驗結果

　　（1）測量電流值。CPU讀取CS5460電流有效值寄存器中的A/D轉換值，再通過軟件進行非線性補償等方法，可得出對應的電流有效值。

　　（2）電壓值的測量。電壓互感器的次級串接140Ω電阻，可以得到0 ~ 150mV的電壓。電壓經CS5460的A/D轉換后，存儲在電壓有效值寄存器中。CPU訪問此寄存器可得到轉換結果，在據原、副邊變比關系，得到對應電壓有效值。

　　（3）功率因數的測量。通過CS5460內一個電量寄存器積累電能。根據電能與功率的關系W=Pt，在1s內積累的電能數值上等于其有功功率P。在根據公式cosφ=P/UI算出功率因數值。

　　（4）動作相應時間驗證。本設計要求，當線路中出現大電流時，斷路器必須在20 ms內可靠分斷，這其中包括線路出現大電流短路故障到微處理器判斷出故障發出分斷指令所需的時間、機械部分延遲時間和電弧熄滅時間。本設計在一個工頻周期內對每路信號采集16個點，即每12.5ms采集一個點，再根據設定值判斷是否發生故障。實驗結果表明，本系統中，線路出現大電流短路故障到微處理器判斷發出分斷指令所需時間為6ms左右。可見，線路出現大電流短路后，斷路器在20ms內能可靠分斷。

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