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直流屏电源监控装置的研究与开发 摘要 本论文对直流屏电源监控装置的设计从系统方案确定、系统软件设计、系统 硬件设计、系统调试等各个方面进行了多层次、多角度的详细研究探讨，并给出 了切实可行的实现方案。具有很强的操作性。 论文首先就直流屏电源这一个复杂系统的定义、功能、应用场合等各方面进 行了系统地介绍，进而说明了本文所探讨的直流屏监控装置在直流屏电源系统中 所占有的核心地位与作用。 然后作者就目前国内外直流屏电源的发展现状，通过与国内外同类产品在价 格、性能、满足客户需求等方面进行了一系列的对比，揭示了目前开发该种直流 屏监控装置的可行性，即本文作者所做的研究开发工作具有非常重要的理论价值 和实际意义。 最后为了具体实现直流屏监控装置这一设备，作者分别从系统方案确定、算 法、工艺结合、系统软件设计、系统硬件设计、系统调试等各个方面进行了最细 致的讨论，并尽可能的对每细节均给出了切实可行的软硬件实现方案及调试环 境及手段。从而确定了直流屏电源监控装置以5 l 系列单片机为控制核心，以并 行总线工作方式与速度要求较高的液晶显示器及键盘等装置接口；而以串行总线 工作方式与速度要求相对较低的a d 、d a 、d i 、d o 等装置接口；全部的信号 包括a d 、d a 、d i 、d o 及串行口均带有光电隔离。从而保证了系统的安全可 靠。 关键词：直流屏电源；直流屏电源监控装量；5 1 单片机；光电隔离 r e s e a r c he n dd e v elo p m e n to fd ir e c tp o w e r s u p p ly m e a s u ri n ga n do o n t r o ii i n gd e v i c e a b s t ra c t t h et h e s i sr e s e a r c h e sa n dd i s c u s s e st h ed e s i g no fd i r e c tp o w e r s u p p l ym e a s u r i n g a n dc o n t r o l l i n gd e v i c ei nd e t a l l i ts t u d i e st h ed e v i c ef r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h e s e l e c t i o no ft h es c h e m eo f 也es y s t e m t h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f t h e s y s t e m ，t h ed e b u g g i n g o ft h es y s t e m t h et h e s i sg i v e sa p r a c t i c a ls y s t e ms c h e m e t h e s y s t e m i se a s yt oo p e r a t e f i r s to fa l l ，t h i st h e s i si n t r o d u c e ss y s t e m a t i c a l l yt h ed e f i n i t i o n ，t h ef u n c t i o na n d t h ea p p l yo c c a s i o no fd i r e c tp o w e r s u p p l ys y s t e m t h e ni t i l l u s t r a t e st h a tt h ed i r e c t p o w e rs u p p l ym e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c et h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n si so f c e n t r a l s t a t i o na n df u n c t i o ni nd i r e c tp o w e r s u p p l ys y s t e m t h e n , a c c o r d i n g t ot h ed e v e l o p i n ga c t u a l i t yo ft h ed i r e c tp o w e r s u p p l ya th o m e a n da b r o a da tp r e s e n t ，t h ea u t h o rc o m p a r e st h ed i r e c tp o w e rh ed e s i g n sw i t ho t h e r p r o d u c t sf r o mt h ea s p e c t so f p r i c e ，p e r f o r m a n c e ，a n dw h e t h e ri tc a l ls a d s l yt h en e e d s o ft h ec u s t o m e r s ，e t c ，w h i c hs h o w st h a ti ti so f p r a c t i c a lv a l u et od e v e l o pt h i sk i n do f d i r e c t p o w e rs u p p l ym e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c e s o t h er e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n gw o r k i so f t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a iv a l u e a n dt h el a s t , i no r d e rt or e a l i z et h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gd e v i c e , t h ea u t h o r d i $ c u s s e si nd e t a l la c c o r d i n gt ot h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h es e l a c t i o no ft h es c h e m eo f t h es y s t e m ，t h ea l g o r i t h m ，t h ea r t sa n dc l a t i s ，t h ed e s i g no f t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e o ft l l es y s t e ma n dt h ed e b u g g i n go ft h es y s t e m , e t c a n dt h ea u t h o rt r i t op r o v i d ea p r a c t i c a l h a r d w a r ea n ds o f t w a r e s c h e m e ，d e b u g g i n g e n v i r o n m e n ta n dm e t h o d c o n s e q u e n t l y , h ec h o o s e s5 1s i n g l ec h i pm a c h i n ea st h ec o n t r o l l i n gk e r n e lo f t h e d i r e c tp o w e r s u p p l ym e a s u r i n g a n dc o n t r o l l i n gd e v i c ea n d p a r a l l e lb u sa si n t e r f a c et o l c d k e y b o a r d ；a n ds e r i a lb u sa si n t e r f a c et o d ，d ，a ，d ia n dd ，0 ；a 1 lt h es i g n a l s i n c l u d i n ga ，d 。d ，a ，d ，i ，d ，o a n ds e r i a l p o r t s a r e p h o t o e l e c t r i c i s o l a t i o n c o n s e q u e n t l y , t h es y s t e m i ss a f ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：d i r e o tp o w e r s u p p i y ：d i r e o tp o w e r s u p p i ym e a s u r i n g a n d c o n t r o ii i n gd e v i c e ；5 1s i n g l ec h i pm a o h i n e ；p h o t o e i o o t r i c is o i a t i o n 直流屏电源监控装置的研究与开发 第1 章前言 1 1 直流屏项目建设的背景及条件 随着我国电子应用科学不断发展和无人值守变电所构想的形成，智能供电设 备越来越被广泛的关注，目前国家已正在加大力度对农业电网系统进行全面改 造。根据有关资料表明，目前我国每年需要该类型的供电设备约1 0 0 0 0 套，该设 备布局合理，使用安全、可靠，市场前景十分可观。目前，德国a e g 公司、美国 金属电气公司、法国阿尔斯通公司、瑞士l a n d i s g r r 公司都生产该种产品， 国际市场前景也十分可观。该系统虽然在国内刚刚起步但已吸引了大量厂家对其 进行投资。综观国内外产品，真正既能提供质量较高继电保护又能提供质量较高 的监控系统且价格合理的产品为数不多，现开发该种产品具有可观的市场契机。 1 2 直流屏简介 本文所论述的直流屏整体结构示意图如图卜1 所示。 直流屏是用于水力、火力发电厂、各类变电站和其它使用直流设备的用户 ( 如石化、矿山、铁路、医院等) ，为信号设备、继电保护、自动装置、事故照 明及断路部分、合闸操作提供直流电源，并在外部交流故障的情况下，保证由后 备电源一蓄电池继续提供直流电源的重要设备。直流屏的重要性不言而喻，它的 可靠性、安全性直接影响到电力系统供电的可靠性、安全性。 直流屏主要由以下三部分构成 蓄电池部分，其功能主要是在交流电源断电时能够实时地提供二次电路 所需的直流供电。 充电模块部分，其功能主要有两个：一是交流整流，即将交流电源转换 成稳定的直流电源：二是稳压稳流，即适时地给蓄电池充电，以确保蓄电池随时 处于可供电状态。 监控器部分，该部分是直流屏的控制核心，其主要负责监控交流及电池 状态等众多的物理量，并且控制充电模块部分智能的对电池进行充电。监控器性 能的优劣往往决定直流屏性能的好坏，是决定直流屏总体价格的最重要因素。 三椴流输 图卜i 直流屏整体结构示意图 对于图卜1 的工作原理做如下说明： 当交流有电的时候，三相电经过八个模块整流出直流电直接供给用户使 用。与此同时，监控器监视电池的容量，并根据电池容量按照其所对应的电 池充电曲线对电池进行充电，从而保证电池的备用满容量状态。旦交流失 电，电池放电回路开放，直流屏的后备电源功效可马上投入使用，给用户供 电。从而避免了由于交流掉电给用户所带来的破坏，减少了损失。事实上在 很多的场合，诸如工厂、油田、医院等的某些工艺环节根本不允许断电，掉 电给企业、国家所带来的损失是难以估计的。掉电后重新启动一次工艺的浪 费也是很大的。现在好了，直流屏的投入可在某种程度上减少这种损失。可 见有备无患是多么的重要。此处硅链的设置是根据工艺的要求，考虑到 有些用户也在控制母线上接一些负载。当控制母线电压在超出设定的某一区 2 一 直流屏电源监控装置的研究与开发 问值时，硅链快速动作，将电压稳在一定的范围内。 1 3 直流屏监控器简介 在使用直流屏的过程中，用户主要和直流屏监控器打交道，用户对于直流屏 的各种设置和操作也基本上全都是在监控器上来完成实现的，因此监控器的功能 非常的丰富。其主要有人机接口功能、监视报警功能、智能充电功能，即智能的 驱动充电模块拟合电池充电曲线，从而满足电池的最优维护保养要求( 根据电池 生产厂商提供的充电曲线) ，达到延长电池使用寿命的目的。 1 4 国内外产品概况 1 4 1 国内产品概况 下图卜2 为国内某厂家生产的比较有代表性的直流屏整体实图。其含蓄电 池、充电器、监控器于一体。 卜2 国内某厂家生产的直流屏实图 直流屏电源监控装置的研究与开发 该设备针对某些情况也可实现智能供电功效，即也能在线监测一些交直流参 数，并根据预先设计好的报警范围进行实时监测报警，令电池处于满容量状态。 直流屏的基本功能即备用电源功能也得到了体现。其在国民生产中也发挥了很大 的作用，且价格较国外同类产品要经济很多，是我国自主开发的比较有代表性的 一类直流屏产品。实践证明该类型设备工作正常，在直流屏领域内做出了比较大 的贡献。但是其缺点与不足也是显而易见的： 其监控部分电路烦琐，控制复杂，体积庞大，所用控制技术比较落后。 虽然具有浮充、均充、稳流等充电方式，但充电方式的转换自动化程度 不高，且充电时间控制难于方便准确的操作，监控性能低下。 其通用性不强，适应范围小。主要表现在其不能根据用户的要求实现在 线变更参数设置，如报警上下限等参数；也没有灵活的人机接口，只有 一些简单的按扭及指示灯，故而其性能在很大程度上大打折扣。当面对 不同要求的用户时，有时显的力不从心。究其原因是其监控器做的不够 通用灵活，从而影响了直流屏整体的价格及性能， 1 ，4 。2 国外产品概况 图卜3 是国外某厂家生产的直流屏实图。无论从性能还是外观上来看该产品 较前面提到的国内产品都要高一些，其所用的控制思想比较先进，所选用酌芯片 及电路技术也较国内领先。 卜3国外内某厂家生产的直流屏实图 直流屏电源监控装置的研究与开发 该产品性能方面虽然比较高，但是其价格太过昂贵，其当初的设计并没有专 门的考虑中国用户的特点，对中国用户来说，该产品使用及维护起来非常的不方 便，是以在我国难以推广。 由上可得出结论： _ 国内产品价格低廉的同时，所选用的控制思想需要提高。 - 国外产品性能虽高，但不能很好的满足用户的需求，且价格过于昂贵。 因此，开发一种高性能、低成本、充分满足中国本地用户的直流屏监控器是 本文的主要任务。 1 5 主要研究工作 1 5 1 直流屏监控器的总体方案确定 针对某些国内产品不能很好的满足用户的需求，而国外产品价格较高的情 况，紧跟用户需求设计一套智能化程度高、价格相对较低的高性能监控器。 1 5 2 直流屏监控器的硬件设计 监控器的硬件设计应本着高性能、低成本、易维修等原则来考虑。为此，我 们决定采用以5 l 系列8 位单片机为核心，配备1 2 8 6 4 大屏幕点阵液晶显示器， 八个输入键盘，r s 2 3 2 4 8 5 双串口及时钟芯片等构成了系统的主机板；考虑监控 器系统所涉及的输入输出信号太多，口线资源显的很紧张，而且系统的实时性要 求不是太高，串行控制方式采样或者输出控制已经足以满足系统要求，于是决定 用串行控制方式来进行系统的控制，包括各种模拟量的输入输出，数字量的输入 输出。采样控制部分单独构成了一个板，其接收主机板发送的指令进行采样或者 控制输出。另外，为了保证系统的安全，所有输入输出系统的信号均经过光电隔离 处理，从而增强了系统的安全性。 1 5 3 直流屏监控器的软件设计 因为软件系统的任务比较复杂，涉及到菜单键盘处理、充电曲线拟合、监视 报警等等功能，因此该系统的软件设计应本着可读性强、易改写、高效率等原则 来考虑，而c 语言正是符合以上所说的各种要求的一种开发语言。c 语言是一种 编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。 此外，c 语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植 性，并且可以直接实现对系统硬件的控制。c 语言还是一种结构化程序设计语言， 它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。更值得一提的 是，c 语言具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方 直流屏电灏监控装置的研究与开发 法提供了有力的保障。因此使用c 语言进行程序设计已经成为软件设计的个主 流。用c 语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的 可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。其所具有 的指针数组等特点大大简化了开发时间。提高了工作效率，而且其标准c 的语法 更是发展了很多年，可读性极强，在我国使用c 语言的人很多，现在其已经是非 常成熟、流行的开发工具。因此我选择了c 语言做单片机的开发。 i 5 4 直流屏监控器的调试及抗干扰措旋 单独把此部分列出来，是因为系统调试这一部分工作在该项目的开发过程中 占的时间也比较多，其重要性不言而喻。众所周知，任何一个芯片或者电路在使 用前一般都需要我们亲自去做单元电路实验来测试一下功能是否吻合我们的想 法，因此大量的单元电路实验绝对马虎不得。但是，在实验室阶段研制出来的样机 在与现场真正的设备连接时，不可避免的要出现一些问题，有大量的在实验室看 不到的干扰需要到现场进行排除，因此磨合调试即现场调试同样很重要。其实调 试部分的主要工作就是系统的抗干扰措施。 图1 - 4 系统调试流程图 直流屏电源监控装置的研究与开发 本章小结： 本章首先对发展智能供电设备的重要性作出论述，并简要回顾了国内外相关 技术的发展情况。接着从直流屏系统的有关概念和特性入手，给出了直流屏的概 念。更进一步的引出了直流屏监控器的基本概念，论述了直流屏监控器在直流屏 系统中的重要性。最后对本论文所作的工作进行了说明。 第2 章系统总体方案的设计 2 1 系统总体方案设计 本论文在上述系统的基础上，广泛吸收国内外同类系统的优点，同时结合最 新的嵌入式技术对该系统监控器部分进行了重新设计，设计完成后的装置外形与 此类似，但内部结构有了较大的改变，在性能上与国内系统相比也有了较大的提 高。 新设计的监控器比早期产品监控的内容要丰富得多，可监控电力直流系统各 单元的运行状态及运行参数，使其具有高程度的自动化处置能力，尤其重要的是 实现对电池的自动检测、维护。使电池保持满容量备用状态，既不欠充，又不过 充。在满足不同用户需求方面也作出了很大的改进，具体体现在： 该监控器的核心部件采取单片机形式，充分发挥嵌入式系统的优势。 采用大羼幕图形点阵波晶显示器及键盘输入，提供了良好的人机接 口；全中文汉字菜单提示，图形和数字两种显示方式，方便用户使 用。 数字方式在线设置各种监测量的相关参数，如报警值等。 光电隔离技术的应用提高了监控系统的安全性，保证了系统的正常 运转。 具有r s 2 3 2 4 8 5 串口通信功能，便于和上位机等设备组网，可以远 程监控。通信协议遵循m o o b u s 通信规约。 软硬件滤波技术及看门狗技术的使用保证了系统的正常运行。 本产品所选用的器件均为通用型，货源充足，从而降低了成本。 直流屏监控器可以实现三相交流电压、合闸母线电压、控制母线电压、正负 母线对地电压、电池总电压、十九节单体电池电压、总电流、电池电流、温度、 电流方向等一系列参数的循检测量，还能实时的对于以上各个量及需要报警的设 备如充电模块进行声光报警，并根据电池容量驱动充电模块拟合充电曲线对电池 进行充电，以保证电池在任何时候都处于满容量的备用状态- 所有参数的观测方 法及数据处理格式符合以下技术要求： 一g b 3 8 5 9 9 3【半导体电力变流器】 i e c 一1 4 6【半导体变流器】 直流屏电源监控装置的研究与开发 一z b k 4 6 0 0 4【蓄电池充电浮充电用晶闸管整流器】 g b 3 8 5 9 9 3【蓄电池充电特性曲线】 图2 - 1直流屏监控器的总体方案图 图2 1 便是作者考虑了众多因素后提出的监控器总体方案图。该监控器主要由两 块印刷电路板组成：主机板和串行接口板。 2 2 开发环境介绍 开发过程中一个方便有力的调试开发工具是非常必要的，本文所用的仿真器 是伟福公司的e 2 0 0 0 l 仿真器。伟福仿真器功能强，和国内外同类高档仿真器功 能相比，先进的特点如下： 1 主机+ 仿真头组合，通过更换仿真头，可以对各种c p u 进行仿真a 对待不同的应用场合，开发人员往往会选择不同的c p u ，从而需要更换 仿真器，伟福仿真软件w i n d o w s 版本支持多种仿真器。支持多类c p u 仿真。 仿真器则采用主机+ 仿真头组合，通过更换不同的仿真头，可对各种不同类型 的单片机进行仿真。为使用者提供了一种灵活的多c p u 仿真系统a 2 双平台d o s 版本，w i n d o w s 版本。 直流屏电源监控装置的研究与开发 其中w i n d o w s 版本功能强大。中文界面，英文界面可任选，用户源程序 的大小不再有任何限制，支持a s m ，c ，p l m 语言混合编程，具有项目管理功 能，为用户的资源共享、课题重组提供强有力的手段。支持点屏显示，用鼠 标左键点一下源程序中的某一变量。即可显示该变量的数值。有丰富的窗口 显示方式，多方位，动态地显示仿真的各种过程，使用极为便利。 3 a 软件模拟仿真( 不要仿真器也能模拟仿真) 。 b 硬件仿真。 4 双c p u 结构，1 0 0 不占用户资源。全空间硬件断点，不受任何条件限制， 支持地址、数据、外部信号、事件断点、支持实时断点计数、软件运行 时间统计。 5 双集成环境 编辑、编译、下载、调试全部集中在一个环境下。 2 3 系统硬件设计 2 3 1 主机板设计 图2 - 2 是主机板的具体框图。 图2 - g 主机板框图 由图可知，主机板主要作为主控板，其上含有一块单片机，是整个监控器的核 心。系统工作的时候。由主控c p u 发出指令给板上其它的设备或者串行接口板， 直流屏电源监控装置的研究与开发 从而系统能够正常的运行。此外，该主机板包含了一般所需要的各种功能部件 也可单独作为人机接口设备独立存在，增强了其通用性。其上主要有以下设备 2 3 1 1 单片机 本文所选用的单片机是w i n b o n d 公司的7 8 e 5 1 6 ，该单片机是一款8 位单片 机，其具有i s p ( 在系统编程) 功能。该单片机片上有程序存储器6 4 k ，数据存 储器5 1 2 b y t e 。大容量的r o m 和r a m 全部满足c 语言开发的要求。图2 3 是该芯 片d i p 封装的引脚图，从图可知，该芯片引脚与8 0 5 2 完全兼容。它们在完全保 留8 0 c 5 2 指令系统和硬件结构的大框架外，发生了多方面的加强、扩展、翻新和 创新。 静态c m o s 工艺设计，最大晶振最高可接至4 0 m h z 6 4 k 的i s p 程序下载空间 4 k 的i s p 辅助导引程序 5 1 2b y t e 的片上r a m 6 4 k 的程序寻址空间和6 4 k 的数据寻址空间 4 个8 位i 0 口 3 个1 6 位定时计数器 1 个全双工的串行口 6 个中断源，2 级中断级别 内部电源管理功能 代码保护功能 封装形式有d i p 4 0 p l c c 4 4 p q f p 4 4 多种形式 t 2 “o t 2 e x h p 1 2 p a p 5 p p 7 f t r x d 1 = 3 0 t x d p i n 下o 。p 3 。2 i h t p 3 a - o 1 畸4 t p 3 j w r p 3 6 r d t x t i 2 x t l v s b v p 0 - 0 m o i 1 ， d i 1 = 0 2 i ) 盘 p o 3 d 3 4 m 帅s d s p , q e d e i r 。 d r 卧 幢 p e ， 1 5 i 1 p 2 s a 1 3 u 1 2 m 3 a 1 1 p 2 盘二a 1 0 1 口 i 2 a l b 图2 - 37 8 e 5 1 6 管脚图 直流屏电源监控装置的研究与开发 2 3 1 2 看门狗定时器( w d t ) 由于直流屏系统的工作环境恶劣，现场存在大量的电磁干扰信号，监控器的 正常工作易受到干扰，为了系统的可靠工作，一般应给监控器部分加看门狗定时 器。本文所选用的看门狗定时器是x 2 5 0 4 5 。其作用是在系统程序指针失控的情 况下。w d t 能够恢复系统的正常运行。 x 2 5 0 4 5 把三种常用的功能：看门狗定时器，电压监视和e e p r o m 组合在单个 封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。 看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护电路，当系统出现故障时，在可 选的超时周期( t i m e o u ti n t e r v a l ) 之后，x 2 5 0 4 5 看门狗将以r e s e l 信号作出 响应，用户可从三个预置的值中选择此周期。 利用x 2 5 0 4 5 低v c c 检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响。 当v c c 降低到转换点以下时，系统复位。复位一直确保到v c c 返回且稳定为止。 x 2 5 0 4 5 的存储器部分是c m o s 的4 0 9 6 位串行e e p r o m ，它在内部按照5 1 2 8 来组织。x 2 5 0 4 5 的特点是具有允许简单的三线工作的串行口外设接口( s e r i a l p e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 和协议。 其特点总结如下： 可编程的看门狗定时器 低v c c 检测 直至v c c = i v 复位信号有效 l 棚z 时钟速率 5 1 2 8 位串行e e p r o m 一4 字节页方式 低功耗c m o s 1 0 ua 等待电流 3m r 工作电流 2 7 v 至5 5 v 电源电压 块锁定( b l o c kl o c 旷) 保护1 4 ，1 2 或整个e e p r o m 阵列 片内偶然性的写保护 上电掉电保护电路 写锁存 写保护引脚 高可靠性 可擦写次数：1 0 万次 直流屏电源监控装置的研究与开发 一数据保存期：1 0 0 年 e s d 保护：所有引脚2 0 0 0 v 。 多种封装形式 温度范围：民用、工业、军品级 c s s o w p v s s v e c r e s e t s c k s l 图2 - 4x 2 5 0 4 5 管脚图 x 2 5 0 4 5 应用电路如2 - 5 所示 管脚说明： c s：片选 s o ：串行输出 w p ：写保护输入 v s s：地 s i ：串行输入 s c k ：串行时钟输入 r e s e t ：复位输出 v c c ：电源( + 5 v ) 图2 - 5x 2 5 0 4 5 应用电路 对于上图需要做以下说明，其中r s t 引脚直接去接单片机的复位引脚。w l 按键的设置是在某些必要的时候手动控制单片机复位。以下就此芯片e e p r o m 功 能的一些最基本的驱动程序做一讨论。 ： d e f i n ep o r t p 1 # d e f i n e _ s io x 0 2 # d e f i n e s c ko x 0 4 # d e f i n e _ s oo x 0 8 * 2 5 0 4 5 的4 根i o 脚接在同一端口，本例为p i * 序数据写入，一s i 接在p 1 1 o x 0 2 = o o o o o o l o b 下同 a 时钟输入，p 1 2 * 十数据读出，p 1 3 * 直流屏电源监控装置的研究与开发 # d e f i n e c so x 0 1a ：片选，p 1 0 | | 一读一个字节，本例的意义在于说明串行工作的原理 c h a r r b y t e ( v o i d ) c h a ri ： 定义循环控制变量$ c h a rr e s u l t ；胁定义存储读出数据结果丰 r e s u l t = o ：胁结果初始化为零 f o r ( i = o ：i 8 ：i + 十) 1 8 个循环枣 ( n o p 2 0 ：h o p 2 ( ) ：a 空操作延时 p o r tl = s c k ； 序时钟设低 r e s u l t = r e s u l t 校验的顺序 进行操作。( 有关烧写器的具体使用此处不再赘述) u 1 0g a i ，1 6 v 8v c c a 1 5l 1 2 0 201 a 1 42 21 9 1 9c s 2 4 5 a 1 33 3 ， 1 8 1 8c s l 2 8 8 7 a - 1 2 4 41 7 1 7c s b m 5 1 r x r d y5 5 1 6 1 6 玎呵1 d i x r d y6 6 1 5 1 5c s l ，c d r d7 71 4 1 46 2 7 5 6 w r 8 8 1 3 1 3c s 5 7 3 a i 墓9 9 1 2 1 2 1 0 1 01 1 1 1r s t i 图2 1 4g a l 译码电路 下面是其程序的表示，这里只写出其具体的逻辑关系式，有关具体的语法请 参阅相关材料。当然，引脚分配部分以及和文件的注释部分此处全部略去 直流屏电源监控装置的研究与开发 6 2 2 5 6 。a 1 5 * a 1 4 * a 1 3 当输入a 1 5 、a 1 4 、a 1 3 全为低时，输出6 2 2 5 6 为低 c s 2 4 5 = a 1 5 幸a 1 4 母a 1 3 母a 1 2 掌r d c s l 2 8 8 7 = a 1 5 * a 1 4 * a 1 3 * a i 2 c s 8 2 5 1 = a 1 5 a 1 4 * a 1 3 * a 1 2 c s 5 7 3 = a 1 5 * a 1 4 * a 1 3 * a 1 2 * w r c s l c d = a 1 5 a 1 4 * a 1 3 a 1 2 w r + a 1 5 a 1 4 a 1 3 * a 1 2 * r d i n t o = r x r d y + t x r d y 、一， l i 2 口i i 1 9l i 1 8i i 7l l 1 6 i i 1 sl l 1 4i i 1 a l i 1 2l l 1 1 l i 图2 - 1 5g a l 的l s t 检查文件 在编译的同时可一起生成l s t 文件用于从图形角度直观的检查编程及引脚 分配是否正确。 2 3 1 9 串行口扩展 根据用户的要求，本监控器系统要有两个串行口。 本系统中的单片机的串行口是异步通信接口，且只有一个。其缺点是通信效 率低，如果要采用同步通信，或者要求一个以上的串行口时，可以扩展8 2 5 1 可编 程串行通信接口。 i n t e l8 2 5 1 是一神通用的同步异步接收发送器( u s a r t ) ，它的工作方式 可以通过编程设定。8 2 5 1 能够以同步或异步串行通信方式工作，能自动完成帧 格式。 在同步方式中，可以进行5 位、6 位、7 位或8 位字符操作，可以选择偶校 验、奇校验、或不校验。可以通过外部电路获得外同步，也可以通过检出字符( s y n ) 铀 阳 烈 针 呲 l 呈 鸭 。 一川。一， | 呈 m m 笔| 眦 晰 呻 岫 呲 呻 麟 w 一 一曼塑曼皇塑些丝茎兰塑塑塞兰茎垄 从内部获得同步。内同步字可由用户自己设定。 在异步方式中，同样可以进行5 位、6 位、7 位或8 位字符操作也可以选 择校验方式、传输波特率因子和停止位的位数。 8 2 5 1 具有独立的接收器和发送器。因此，它能够以单工、半双工或全双工 方式进行通信。并且提供一些基本控制信号，可以方便的和调制解调器连接。图 2 - 1 6 是芯片管脚图。 2 b f w n 阳s h od i p 图2 - 1 58 2 c 5 1 管脚图 管脚说明： d o - - d ? ：数据总线 r x d ：接收端 t x d ：发送端 c s ：片选 r x c ：接收时钟 t x c ：发逸时钟 r x r d y ：接收器准备好 t x t d y：发送器准备好 c d ：控制数据 r d ：读信号 瓢 ：写信号 r e s e t ：复位 v c c：电源( + 5 v ) g n d ：地 图2 1 78 2 c 5 1 接口图 一2 2 一 y 徊 籼丽矾砸研黼雠协一碾 直流屏电源监控装置的研究与开发 2 3 1 1 0 分频电路 因为需要给8 2 5 1 提供芯片时钟、发送时钟、接收时钟，因此一个分频器在 此处就显的非常的重要，本文所选用的分频器是7 4 h c 4 0 6 0 ，该芯片可对输入信 号进行1 4 级分频。其特点如下： 高速，f n x = 5 8 m h z 低电压消耗 高噪声抑制 高能力输出驱动可支持1 0 个l s t t l 均匀输出阻抗 宽范围的操作电压 屯c a o c u t 一 l 万 图2 - 1 84 0 6 0 管脚图 管脚说明： q 0 q 7 ：分频输出 q 1 3 q 1 5 ：分频输出 0 9：扩展电容连接 q i o：扩展寄存器连接 q 1 1：时钟输入 q 1 2：主芯片复位 q 8 ：g n d q 1 6 ：电源 u 6 图2 1 94 0 6 0 接口图 2 3 1 1 l 电平转换电路 在单片机应用相互通道接口中，主要是使用串行通信方式在设计串行通信 一2 3 - 哪 帆 m 钟 甜 u 直流屏电源监控装置的研究与开发 接口时，主要考虑的问题是串行标准通信接口、电平转换等问题。 本系统中主要是r s 2 3 2 和r s 4 8 5 与t t l 之间的转换。为此我们需要选用一些 电平转换芯片。 对于r s 2 3 2 和t t l ，我们选用的是i c l 2 3 2 ，i c l 2 3 2 是一个全双工发送接收 接口芯片。它可实现r s 2 3 2 与t t l 之间的电平转换。它只需要单一的+ 5 v 供电。 该芯片使用方便，只需接上合适的电容就可以工作了。 v d d 1 i c l 2 3 2 图2 - 2 0i c l 2 3 2 接口图 对于r s 4 8 5 和t t l ，我们选用的是m a x 4 8 5 ，m a x 4 8 5 是一个全双工发送接收 接口芯片。它可实现r s 4 8 5 与t t l 之间的电平转换。它只需要单一的+ 5 v 供电。 对于其方向控制线，我们选用非门电路，这样可大大的减化了设计，还省了一条 控制口线，对于末尾端接的电阻是起到匹配作用的。是经验接法。 图2 2 1m a x 4 8 5 接口图 2 3 1 1 2r a m e e p r o m 的扩展 由于本系统中有大量的中间数据需要处理，因此片上的5 1 2 字节就显得有些 紧张，于是扩展一个r 埘就显得很必要。此处选用与6 2 2 5 6 ( 3 2 k ) 管脚完全兼 容的一r a m ，其最大的优点是既可以做r a m 用，同时其芯片内部还有数据保护电 路，在系统掉电后，数据可保存，即e e p r o m 功能。在这里，e e p r o m 的主要功能 还是因为考虑了用户要求保存i 0 0 条的历史故障记录，而每一个记录占8 个字节， 这样就是8 0 0 个字节。而x 2 5 0 4 5 的空间又不够，故在此处非易失性r a m 就发挥 了作用。 由于数据存储器与程序存储器地址完全重叠，故两者的地址总线( 无论是片 内还是片选线) 和数据总线可完全并联使用。但数据存储器只使用w r 、r d 控制 线而不用p s e n 。 图2 2 2r a m 接口图 2 3 1 1 3 光电隔离电路的实现 光电耦合器件能可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态，如信号隔 离、隔离驱动、远距离传送等。在应用系统中经常会使用各种类型的光耦合器件。 光电隔离是由光电耦合器件来完成的。光电耦合器是7 0 年代发展起来的新 型电子元件，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置 发光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦合 器之后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开光量中的各种干扰脉冲都 被挡在输入回路的一恻。除此之外还能起到很好的安全保障作用，因为在光电耦 合器的输入回路和输出回路之间有很高的耐压值。由于光电耦合器不是将输入和 输出侧的电信号进行直接耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。 本系统中为了保证系统的安全性，在与外界发生联系的信号都经过了光电隔 离的处理。比如串行口、a d 、d a 、d z 、n l o 都加了光电隔离的处理，从而在 各个方向与角度都给系统加了一道安全与屏障。一旦故障发生，比如强电串入我 直流屏电源监控装置的研究与开发 的系统，那么它只能烧毁我光耦外侧的一少部分器件，而我的大量主要的核心器 件得到了保护。 本处使用的是高速光耦6 n 1 3 7 。其主要应用于在输入输出问需要高电压隔离 的场合。可应用的例子包括线形接收器、微处理器等计算机接口、可编程的电源、 马达等其它的控制系统中。其特点如下： 兼容t t l 与l s t t l 输入 比较低的转换启动输入电流 高输出电流 高电压隔离 高速( 7 5 n s ) 从方向上看，其分正向与反向传输，实际上其原理是一样的。下面分别给出具体 的电路连接图。 图2 - 2 3 正向光耦接口图 图2 2 4 反向光耦接口图 皇鎏曼皇塑些篓茎兰堕要塞皇墅苎 2 3 1 1 4d c d c 变换器 因为光耦两侧的电源是独立的，即需要隔离。为了配合光耦的工作，必须加 d c d c 变换器，即隔离电源。因为系统的隔离发生在我的数字部分，我用的是直 流电，所以我选用的变换器也是直流到直流的，考虑到系统的功率，我选用的型 号是+ 5 v + 5 v l o o m a 的。其能够满足使用的要求。 图2 2 5 隔离电源接口图 2 3 2 串行接口板设计 因为下面要介绍串行接口板上面的一些器件，那么串行接口板的结构有必要 在这里做下介绍。图2 - 2 6 是串行接口板的结构图。 来 自 主 机 板 叫删物a s 啭觚t s 时钟 jiji 获取外部数据 写芯片韵配置字 1 1 + 叫嘣入- 酪 ( 喘蝴 图2 2 6 串行接口板结构图 一一星翌堡皇坠丝茎曼竺堕塞皇墅垄 串行接口板接收从主机板来的控制信号进行采样输入或者控制输出。因为串 行接口板上面的器件全部都是串行方式工作的，所以这些芯片可以有公共的操作 线，比如时钟可以共用，芯片的配置数据端可以共用等等。事实上，本系统中共 用的部分有： a d 、d a 、d i 、d o 四个部分的时钟是共用的，8 个芯片共节省7 根 1 3 线。 a d 、d o 、d a 的数据输入端是共用的，6 个芯片共节省5 根口线。 7 4 h c 5 9 5 还为其它的a d 、d a 芯片提供片选，8 个芯片共节省4 根口 线。 2 3 2 1 a d 转换器 本系统中有大量的现场模拟信号需要采样输入，因此a d 转换器的选择很重 要。本系统中根据串行的特点及系统的需求选择的a d 是t l c 2 5 4 3 。下面对其做 下简要介绍。 t l c 2 5 4 3 是1 2 位开关电容逐次逼近模数转换器，每个器件有三个控制输入 端；片选( c s ) 、输入输出时钟( i oc l 0 c k ) 以及地址输入端( d a t ai n p u t ) 。 它还可以通过一个串行的3 态输出端( d a t ao u t ) 与主处理器或其它范围的串行 口通讯，输出转换结果。本器件可以从控制器高速传输数据。 除了高速的转换器和通用的控制能力外，本器件有一个片内的1 4 通道多路 器可以在1 1 个输入通道或3 个内部自测试( s e l f - t e s t ) 电压中任意选择一个。 采样一保持是自动的。在转换结束时，“转换结束”( e o c ) 输出端变商以指示转换 的完成。本器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比 率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。开关电容的设计 可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。 特点： 1 2 位分辨率a d 转换器 在温度范围内1 0 1 1s 转换时间 1 1 个模拟输入通道 3 路内置自测试方式 固有的采样与保持 线性误差_ + i l s b m a x 片内系统时钟 转换结束输出 单极性或双极性输出 直流屏电源监控装置的研究与开发 可编程的d s b 或l s b 前导 可编程的输出数据长度 i 帕c i 脒 d 盯 i n p u t a 盯 o u 下 曙 r e 冉 f i e f 砧m 口 劓a a d 转换器2 5 4 3 管脚图 管脚说明： 1 9 ，i i ，1 2 ：模拟输入端 1 5 ：片选端 1 7 ：串行数据输入端 1 6 ：a d 转换结果输出端 1 9 ：转换结束端 1 0：地 1 8 ：输入输出时钟端 2 0 ：电源 1 3 ：负基准电压端 1 4 ：正基准电压端 大于加到r e f + 端电压的模拟输入电压转换为全l ( 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ) ，小于加到 r e f - 端电压的模拟输入电压转换为全0 ( 0 0 0 0