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基于d s p 的智能脱扣器设计 摘要 随着电力事业的发展，供电线路上的各种保护器件也应运而生。断路器是一种被广泛 应用的保护器件，主要用于接通、分断配电线路和在各种故障下对线路实施保护。脱扣器 作为断路器的核心器件，负责线路中的信号采集和控制断路器完成各种操作。 本文在深入研究了d s p 和智能脱扣器的基础上，完成了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为主控 单元的智能脱扣器的设计与制作。硬件设计中以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 丰富的片上资源和外 围接口为基础，完成了电源、s r a m 存储器、信号调理、l c d 显示、无线通信模块、键 盘和脱扣控制等电路的设计，然后完成智能脱扣器的p c b 板设计、元器件的焊接和电路 板的测试工作。同时编写完成了包括数据采集、三段保护、液晶显示、无线通信、键盘扫 描、串行通信和脱扣控制在内的软件程序。 测试结果表明，本文研制的智能脱扣器系统基本达到了预期的设计目标。 关键词：智能脱扣器；d s p ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；无线网络 d e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tr e l e a s eb a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，m a n yk i n d so fp r o t e c t o r so fp o w e rs u p p l yc i r c u i t s h a v eb e e np r o d u c e d c i r c u i tb r e a k e r , o n ek i n do fp r o t e c t o r , i sw i d e l yu s e df o rc l o s i n ga n d b r e a k i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，w h i c hp r o t e c t st h ec i r c u i tw h e ns o m ef a u l t so c c u r e l e c t r o n i c r e l e a s ei st h ec e n t r a lc o m p o n e n to fc i r c u i tb r e a k e r , r e s p o n s i b l ef o rs a m p l i n gt h es i g n a la n d c o n t r o l l i n gt h ec i r c u i tb r e a k e rd o e sv a r i o u so p e r a t i o n s b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ho nd s pa n di n t e l l i g e n tr e l e a s e ，t h ei n t e l l i g e n tr e l e a s eu s i n g t m s 3 2 0 f 2 812d s pa sm i c r o p r o c e s s o ri sd e v e l o p e d b a s e do nt h er e s o u r c e sa n dp e r i p h e r a l i n t e r f a c e so nc h i pt m s 3 2 0 f 2 812d s p , t h ed e s i g no fp o w e rc i r c u i t ，s r a mm e m o r yc i r c u i t ， s i g n a lm o d u l a t i o nc i r c u i t ，l c dd i s p l a yc i r c u i t ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，k e y b o a r d c i r c u i t ，a n do u t p u tc o n t r o lc i r c u i ta r ef i n i s h e d a f t e rt h a t ，t h ep c bd e s i g n ，w e l d i n go f c o m p o n e n t sa n dt e s t i n go ft h ei n t e l l i g e n tr e l e a s ea r ea l s oc o m p l e t e d m e a n w h i l e ，t h ed a t a s a m p l ep r o g r a m ，t h r e e - s e c t i o nc u r r e n tp r o t e c t i o np r o g r a m ，l c dd i s p l a yp r o g r a m ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，k e y b o a r ds c a np r o g r a m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n dr e l e a s e c o n t r o lp r o g r a ma r ed e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h e i n t e l l i g e n tr e l e a s eb a s i c a l l ya c h i e v ee x p e c t a n t p u r p o s e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tr e l e a s e ：d s p ：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；w i r e l e s sn e t w o r k i l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：劂删日期：力妙年胗膨日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 分或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以讲学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 他复试手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：铡别 导师签名： 韩调珲 ij 日 日 2 2 月 月 1 2 年 年 r j 、 汐 ，刎叩 期 飙 日 臣 北京服装学院硕士学位论文 第1 章绪论 随着社会的发展、技术的进步，电力在工农业生产与人民生活中发挥着越来越重要的 作用。如何保证电力系统高效、稳定运行，提高供电质量，保护用电设备及人身安全，一 直是电力系统设计中面临的重要问题。为了满足实际应用的需要，出现了用于电力线路接 通和分断控制的器件断路器。 断路器作为电力系统中一种重要的开关器件，广泛应用于各类电网的供配电系统，其核 心器件为脱扣器。脱扣器在断路器中负责信号的采集与控制执行元件完成线路接通和分断 操作，所以脱扣器的性能关系着断路器是否可以准确、高效的实现对线路的控制和保护作 用。 1 1 脱扣器的国内外发展现状 脱扣器的发展基本上经历了以下几代： 第一代脱扣器是电磁式过电流脱扣器，该种脱扣器功能简单，精度低，动作单元为热 继电器，靠双金属片受热弯曲变形发出脱扣信号，但在通过大电流或机械碰撞后双金属片 易产生永久变形，使脱扣器工作不稳定【1 1 。 第二代脱扣器即电子式脱扣器出现在7 0 年代，它利用阻容回路的充放电调整动作时 间，通过调整电位器来设定动作电流整定值【2 3 1 ，在很大程度上提高了断路器的保护性能， 但其动作时间的整定精度不高而且也不具备监控、显示和联网通信功能。 第三代脱扣器出现在8 0 年代后期到9 0 年代初期，它不仅具有第二代脱扣器的保护功 能，还增加了显示和网络通信功能，用户可以借助网络通信功能对脱扣器进行远程控制( 第 三代脱口器中的网络通信功能只能完成单一主机和单一脱扣器之间的通信，无法实现单一 主机与多个脱扣器之间的通信) 。同时由于微处理器在脱扣器中的应用，使脱扣器更加智 能化，脱扣器的功能也越来越强，它可以实时显示电路中的各种参数：可以监视、设定和 修改各种保护功能的动作参数；也可以保存电路动作时的故障值。具有代表性的第三代产 品包括国外梅兰日兰的m 系列、a b b 的f 2 系列、三菱的a e 系列和西门子的3 w n 系列 嗍等，我国上海电气科学研究所与其他厂商联合研制并自行设计的d w 4 5 和s 系列产品也 属于第三代脱扣器。 第四代脱扣器还处于发展的初期阶段。第四代脱扣器的一个显著特点就是网络化，可 第1 章绪论 实现单一主机与多个脱扣器的联网通信功能。国外对第四代脱扣器的研究起步较早，已有 第四代脱扣器产品应用于电力、石油和化工工业【5 - 刀。例如，a b b 公司的s a c ee m a x 系 列和s i m e n s 公司的3 w l 系列。国内也在致力于第四代脱扣器的研发，部分厂商已经推 出自己的第四代脱扣器产品。但是与国外产品相比，国内脱扣器的质量不高，运行的可靠 性较差。 1 2 课题研究的目的和意义 随着电力事业的迅猛发展，电网容量的增加，早期采用的1 0 k v 油开关已越来越不适 应现代电网的要求。因此，1 0 k v 高压油开关的更新换代已是势在必行的一项重要工作。 目前，各生产厂商都在探索一种新型、高性能的开关电器。真空断路器因其具有体积小、 重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，使真空断路器在配电网中的应用越来越 广泛。真空断路器的优势【8 】包括以下几个方面： 1 真空断路器维护简单，无爆炸危险，无污染，噪音低，检修费用低，故障率低。 2 灭弧后，灭弧介质恢复快，不需要冷却和更换，熄弧能量低，无损耗，触头压力小。 3 开断电流大，主回路接触电阻小，适用于频繁操作等比较苛刻的工作条件。 4 真空断路器使用寿命长，一般可达2 0 年左右，可靠性高。 本课题研究的脱扣器为1 0 k v 真空断路器的配套设备，配备4 8 v 的直流电机完成线路 的通断控制工作。针对脱扣器安装位置较高不方便操作和安装在高压环境中对操作人员的 安全构成很大威胁的问题，需要设计基于无线网络的智能脱扣器解决方案，使操作人员在 远离脱扣器的情况下即可完成对脱扣器的各种操作。 1 3 本课题要做的主要工作 根据1 0 k v 真空断路器对脱扣器的要求，以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 为处理单元，完成智 能脱扣器的硬件与软件设计。 在课题进行过程中要做工作包括以下几个方面： 1 根据d s p 工作的需要，完成d s p 的电源、存储器等外围电路设计。 2 设计脱扣器的应用电路，包括交流信号调理电路、l c d 显示电路、键盘控制电路、 无线通信模块、脱扣控制电路和遥控器等，并对设计完成的电路进行相应的测试工作。 3 绘制脱扣器的原理图。根据原理图完成印制电路板( p c b ) 的制作，并使其满足电磁 2 北京服装学院硕士学位论文 兼容的要求。 4 根据设计的电路和p c b 板的要求购买元器件，完成电路板的焊接工作。 5 编写脱扣器的应用程序，如a d 转换程序、三段保护程序、键盘扫描程序、脱扣控 制程序、l c d 显示程序、无线通信程序和遥控控制程序等。 6 在应用程序编写完成后，对脱扣器的硬件和软件的各个功能进行测试，分析完成的 脱扣器是否达到预期的目标。 1 4 论文的主要结构 本论文共分为5 个章节，各章节的主要内容如下： 第一章为绪论，简述了脱扣器的国内外发展现状、课题的研究目的和意义、本课题要 做的主要工作。 第二章为智能脱扣器的硬件系统设计，分别介绍了处理器、s r a m 存储器、信号调理 与a d 转换、显示控制、键盘控制、脱扣控制、串行通信和无线通信共八个部分的电路 设计方法。 第三章为智能脱扣器的软件设计。详细阐述了包括交流信号采集、键盘扫描、无线通 信、三段保护、脱扣控制和l c d 显示控制等功能的实现原理，并给出了详细的流程图。 第四章介绍了脱扣器系统的测试方法及其测试结果。 第五章总结论文的主要成果与不足，并对未来的改进工作提出了建议。 第2 章智能脱扣器的硬件系统设计 第2 章智能脱扣器的硬件系统设计 2 1 脱扣器系统组成 脱扣器系统由智能脱扣器和遥控器两部分组成。智能脱扣器通过检测线路中的电流， 并根据电流的大小对被保护线路进行通断控制，从而起到对线路的保护作用。它不仅具 有过载、短路、欠压和过压等保护功能，还具有负载监控、通信、脱扣控制和l c d 显示 等功能。遥控器以无线通信的方式控制智能脱扣器完成初始化工作，查看被检测线路的工 作状态和智能脱扣器保存的故障信息，控制智能脱扣器完成线路的断开或闭合操作。脱扣 器硬件系统组成如图1 所示。 图1 脱扣器硬件系统组成 在脱扣器系统中智能脱扣器和无线遥控器中的处理器、液晶显示电路、键盘控制电路 和无线通信电路的原理和实现方法相同，本章将以智能脱扣器为主，介绍脱扣器系统的硬 件实现方法。 2 2 智能脱扣器的处理器 智能脱扣器以处理器为核心，通过对采集到的电流信号的判断，完成电力的线路的通 断控制工作，还可以将故障信息显示在l c d 上和以无线通信的方式向遥控器发出故障信 4 北京服装学院硕士学位论文 息。 处理器选用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ，该d s p 具有1 5 0 m h z 的主频，并集成包 括a d 转换模块在内的大量外设，可以很方便地扩展智能脱扣器的应用电路。 2 2 1d s p 芯片简介 d s p 也叫数字信号处理器，是一种专门设计用来进行数字信号处理的片上计算机系 统。它除了利用大量的新技术、新结构来大幅度改善芯片性能外，还把内存、接口、外设、 事件管理器等集成在一个芯片上，成为一个功能强大的片上系统。由于d s p 是专门面向 复杂的大量数据处理而开发的，因此，在结构和控制原理上采取了如下许多的措施，来提 高其性能。 1 采用哈佛结构 对于老式的冯诺曼结构，程序和数据使用同一个存储空间，读指令和读数据分时进 行，这样完成整个操作会占用较多的机器周期。而d s p 芯片采用了哈佛结构，它设置有 程序存储空间和数据存储空间，并且使用专用的程序总线和地址总线对空间进行访问，使 c p u 可以同时访问程序和数据，大大提高了处理速度。 2 采用多总线结构 使用两类( 程序总线、数据总线) 六组总线。包括程序地址总线、程序读总线、数据 写地址总线、数据读地址总线、数据写总线、数据读总线。配合哈佛结构，大大提高了系 统速度。 3 指令执行的流水线作业 d s p 采取流水线作业方式，同时可以执行四条指令，比传统执行速度提高了四倍。 4 专用硬件乘法器 传统的乘法运算要通过软件实现，从而极大地影响运行速度。d s p 设置了1 个或多个 内部硬件乘法器，从而使系统的运算速度大大提高。 5 专用寻址单元 传统的计算机系统随着程序的复杂化，访问时伴随的地址运算使系统的运算速度越来 越慢。d s p 设置了专用的单周期操作地址产生器，可以和算术逻辑单元等同步工作，不 额外占用c p u 的时间。 6 强大的片内硬件配置 d s p 片上整合了f l a s h 存储器、快速的a d 转换器、增强的c a n 模块、事件管理器、 5 第2 章智能脱扣器的硬件系统设计 正交编码电路接口、多通道缓冲串口等外设。 2 2 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 处理器的主要特点 t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 系列d s p 数字信号处理器是基于t m s 3 2 0 f 2 4 x 内核的定点数字信号处 理器。器件上集成了多种外设，同时代码和指令与f 2 4 系列数字信号处理器完全兼容， 从而保证了项目或产品设计的可延续性。与f 2 4 x 系列数字信号处理器相比，f 2 8 1 x 系列 数字信号处理器提高了运算的精度( 3 2 位) 和系统的处理能力( 达到1 5 0 m i p s ) 。该系列数字 信号处理器还集成了1 2 8 k b 的f l a s h 存储器，4 k b 的引导r o m ，数学运算表以及2 k b 的o t p r o m ，从而大大改善了应用的灵活性。1 2 8 位的密码保护机制有效地保护了产品 的知识产权。两个事件管理器模块为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能。1 6 通 道高性能1 2 位a d 转换单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道同步采样【9 】。 归纳起来，t m s 3 2 d f 2 8 1 x 系列d s p 主要特点有以下几个方面： 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 系列d s p 采用高性能的静志c m o s 技术，主频达1 5 0 m h z ( 时钟周期 6 6 7 n s ) 。 2 采用c 2 8 x 内核的高性能3 2 位中央处理器： a 可实现1 6 位x 1 6 位和3 2 位x 3 2 位乘且累加操作； b 迅速的中断响应和处理； c 采用统一的寄存器编程模式； d 源代码与t m s 3 2 0 f 2 4 x l f 2 4 0 x 处理器的源代码兼容。 3 内嵌1 2 8 k x l 6 位的f l a s h 存储器和1 2 8 k x l 6 位的r o m 。 4 内嵌引导( b o o t ) r o m 。 5 带有软件启动模式。 6 内嵌看门狗定时模抉。 7 内嵌串口通信外设： a 串行外设接d ( s p i ) ； b 增强的e c a n2 0 b 接口模块。 8 具有1 2 位精度的模数转换模块。 9 有3 个外部中断。 l o 具有外部中断扩展模块，可支持9 6 个外部中断。 1 1 多达5 6 个可编程、多用途的i o 引脚。 1 2 具有低功耗模式。 6 北京服装学院硕士学位论文 2 2 1 2f 2 8 1 2 中断系统简介 f 2 8 1 2 的c p u 能够支持两个不可屏蔽中断n m i 和r e s e t , 1 6 个可屏蔽的中断 i n t l i n t l 4 、i 江o s i n t ( 实时操作系统中断) 和d l o g i n t ( 数据标志中断) 【l o l 。为了使c p u 能够及时有效地处理好各个外设的中断请求，f 2 8 1 2 设计了一个专门处理外设中断的扩展 模块一外设中断控制器p i e ，它能够对各种中断请求源( 来自于外设或者其他外部引脚的 请求) 做出判断以及采取相应的决策。p i e 支持9 6 个不同的中断，这些中断分为1 2 个组， 每个组有8 个中断，而且每个组都被反馈到c p u 内核的1 2 条中断线( i n t l i n t l 2 ) r 辛的某 一条上( i n t l 3 和i n t l 4 两个中断用于实时操作系统，不受p i e 中断控制器控制) 。 f 2 8 1 2 的中断是3 级中断机制，分别为外设级、p i e 级和c p u 级。对于某一个具体的 外设中断请求，任意一级( 外设级，p i e 级和c p u 级) 不许可，c p u 最终都不会执行该外 设中断。由于脱扣器系统中涉及的中断处理操作较多，且多为外设级和p i e 级中断，这里 简述一下f 2 8 1 2 对外设级和p i e 级中断的处理流程。f 2 8 1 2 对外设级和p i e 级的中断处理 流程如图2 所示。 i f r 0 2 ：i )i e r ( 1 2 ：t ) i n t m 开e i 匕r ) 【( 墨：”p i f - i f r 】c ( b ：i ) 图2 外设级与p i e 级中断处理流程 1 p i e 组内的任何外设或外部中断源发生中断。如果在外设模块内启用了这些中断， 则向p i e 模块发送中断请求。 2 p i e 的x 组内的y 号中断响应外部中断请求，然后锁定p i e 中断标志位。 3 使能p i e 的x 组内的y 号中断，允许该中断请求进入c p u 。 4 中断请求被发送到c p u 后，c p u 屏蔽p i ex 组内的其他中断请求，直到c p u 执行 完已响应中断的中断处理程序。 5 设置c p u 中断标志位( c p u i f r x = i ，c p u i f r x 为p i e 的组x 中断标志位) ，等待c p u 处理中断。 7 第2 章智能脱扣器的硬件系统设计 6 如果已启用该c p u 中断( c p u i e r x = i ，c p u i e r x 为p i e 的组x 中断允许标志位) 且 全局中断屏蔽已清除( i n t m = o ) ，则c p u 将为p i ex 组内的中断提供服务。 7 c p u 识别中断，自动保存各种环境变量，然后执行中断处理程序。 需要注意的是，c p u 级别和p i e 级别的中断标志是系统在进入中断处理程序后自动清 除的；而外设级别的中断标志则需要软件清除。在第三章中将详细介绍各中断处理程序。 2 2 1 3f 2 8 1 2 看门狗模块 看门狗的作用就是防止由于程序跑飞或者发生死循环使系统无法正常工作的情况发 生。看门狗，是一个定时器电路，一般由一个定时器、一个信号输入端和一个信号输出端构 成。程序正常运行时，每隔一段时间向看门狗的信号输入端( 密钥寄存器) 写入两字节数据， 使看门狗计数器复位为0 ，防止看门狗加法计数器溢出而复位d s p ；当程序跑飞或发生死 循环时，程序无法正常地向看门狗信号输入端( 密钥寄存器) 写入数据，看门狗加法计数器溢 出后产生d s p 复位信号。 2 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 12 的电源和控制引脚设计 2 2 2 1 电源设计 为了使d s p 更加稳定地工作，在电源设计中采用了t i 公司生产的t p s 7 0 1 5 1 双电压 输出芯片 i h 2 】。该芯片是t i 公司为d s p 应用而设计的，在不添加任何旁路滤波电容的情 况下输出噪声也很低，只需简单的外围电路即可输出稳定的1 8 v 和3 3 v 电压。电源电路 如图3 所示。 l p w r 图3f 2 8 1 2 电源电路 8 北京服装学院硕士学位论文 在图3 中，j 2 为5 v 直流电源的接口。芯片的m r l 和m r 2 引脚用于控制r e s e t 引脚 的输出电平，当两个引脚中任何一个引脚的输入电平变低时，r e s e t 引脚将输出低电平， 以重新启动d s p 和其他的外围设备。由于d s p 本身的需要，在电源设计过程中对数字电 源与模拟电源进行了分割处理，如图4 所示。 l 1 ，- y 一、，y ，、 1 c m l 3 2 2 51 3 x 1 0 0 k r 图4 模拟电源电路 在图4 中，a g n d 为模拟地；a v d d 3 3 为模拟3 3 v 电压；a v d d l 8 为模拟1 8 v 电压。 2 2 2 2f 2 8 1 2 启动模式控制 在f 2 8 1 2 芯片中，引脚x m p m c 用于设置芯片的工作模式，当该引脚为高电平时表 示是微处理器模式，为低电平时表示微计算机模式【1 3 】。当f 2 8 1 2 以微处理器模式工作时， f 2 8 1 2 内部的b o o tr o m ( 女i 图5 所示) 被禁止，通过x i n t fz o n e 7 从外部调用引导程序启 动。复位后的复位向量( 复位向量有固定的地址，为0 x 3 f f f c 0 ) 指向外部存储器内启动程序 的地址( x i n t fz o n e 7 的入1 2 地址) ，因此必须在x i n t fz o n e 7 内放置跳转指令跳转至应用 程序处运行( 或者在x i n t fz o n e 7 内放置应用程序) 。 当f 2 8 1 2 以微计算机模式工作时，在系统复位后，复位向量指向b o o tr o m 内的一个 地址( 0 x 3 f f c 0 0 ) ，该地址处存放有一条跳转指令，使程序跳转至i n i t b o o t 函数处执行 ( i m t b o o t 函数代码是t i 在d s p 出厂时固化在f l a s h 中的) 。i n i t b o o t 函数通过判断s p i c l k a 、 s p i s t e a 、s c i t x d a 和m d x a 几个引脚的电平来决定使用哪一种引导模式( 启动模式如 表l 所示) ，当s c i t x d a 引脚为高电平时表明是片内f l a s h 启动模式，那么i n i t b o o t 执行 完后跳转到0 x 3 f 7 f f 6 地址处( 该地址为内部f l a s h 入口地址) ，所以要在0 x 3 f 7 f f 6 地址处 放置跳转指令，跳转至应用程序处运行。 o 第2 章智能脱扣器的硬件系统设计 曩o c k 轴n a d d m 蜥o 嘲 l h o o o 日嘲o 枷 0 x 0 0 0 瑚 a d 0 枷0 嘲 伽i 0 0 2 蛳 妇o o 鑫o 囊枷7 o o 椭0 0 孽蝴 o 啪 o o 7 蛳 缸3 1 3 7 c 0 0 o c 3 d8 0 雠7 f f b i 困译8 蛳 铂漤a o l 嘲铲f o 蜮掰r c o 表1f 2 8 1 2 启动模式选择 s c i t x d am d x as p i s t e as p i c l k a 启动模式 1xxx f l a s h 启动 olxx s p i 启动 o0l1 s c i 启动 0o0o p a r a l l e l 启动 呐翱硼嘲翻煳踟妇翻黼p r o gl i p 端 。鼍r 谲丽茹i 酝溺嚣磊矛鬻黟铲?象荔荔荔黝 。缓 仁n a b l e d i f v m a p - o j 缓， s a r j o d do kx t 6 ) 衫钐勿衫黝 蝴s a w o kx 1 掰 射i p h 射嘲f r m , eo 缓衫衫鬈么彩钐黝 k 赫il澎鳓膨钐笏勿黝 么r 茹r v “参 缓泐芴嬲荔殇 x i n t fz o n e0 ( s k 1 9 。x , z c s o a n d l ) 0 n t fz o n o1 姒佑，x z c s o a n d t l ( p r o t e c t e d ) 形彩撅 p e r i p h e r a lf r a m et 缫绷彩 钐荔缄 p r o t - t e d ) 呐h e r 翻f r a m l2 ( p r o t e c t e d ) l 0 弘姒描 kx 诋s e c u r e b l o c 崎 l is a r a m ( 4 k 撼5 睇u 憎b l o c k 殇搿麟缫 爹戮藕绷麟糍 x l n t fz 4 n o2l o 绷 s x z c 5 2 i 攀钐兹髫钐 ) q n t fz o r m0 o 。s mx1 8 , x z c s g a n d 7 i 荔缄鳞缀缄缀形缓钐么黝 o t p ( o rr o m l t k 锚s 躲珥b l o c k 彩缓缓缓缀 爹勿矽9 多胁皓汹d i k ) 妒z 驴形6 。甓嘞姆基删f 郧! ! 气枷咿熟蜘 1 2 8 - b i tp m w w o r d h i ) s a r a m 8 k x1 6 ) 篱缓籍缀缀彰 b o o t r o 秘“k 1 6 ) z o n e7 ( 1 6 kx 蝉s r , a 】n 0 7 ) f n a b l e d 目m p ，m c ；o f n a b b d 并m p i m c _ 竹 嬲 甥黝既荔荔戮貔溯糍糍端嬲目黝一 唾 l b r o m v e c t o r r o m ( 3 2 x3 2 ) in t f v e c t m r a m ( 3 2 x 3 动 l l e n a b l e d 口v m a p 。t ，m p m c io e n i q e # 铆l ( e n d e d i f v m a p # 1 。m p ，m c 。e n p i e ，o 图5f 2 8 1 2 的内存映射 蚴舢 0 x 0 0 枷 蝴o 啪 囟一o 渊 蜊l 堋 蜉c o 因此，为了方便控制d s p 的启动模式，系统中添加了x l v i p m c 、s p i c l k a 、s p i s t e a 、 s c i d a 和m d x a 5 根跳线，如图6 所示。 l o 北京服装学院硕士学位论文 c 厕 l j ；2 3 ，q 蔓呈! 堡 彩 图6f 2 8 1 2 启动方式选择跳线 2 3 智能脱扣器的s r a m 存储器设计 由于智能脱扣器要保存电力线路的故障信息和设备初始化信息，需要在智能脱扣器中 扩展s r a m 存储器。同时，f 2 8 1 2 本身也预留了多个外部存储器控制引脚，可以方便地 实现外部存储器扩展。f 2 8 1 2 外扩存储器控制引脚与对应的存储空间地址如表2 所示。 表2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 外扩存储器控制引脚与地址段 存储区名称存储区地址段与大小控制( 使能) 引脚 x i n t fz o n e 00 x 0 0 2 0 0 0 - 0 x 0 0 4 0 0 0 ，8 kx z c s oa n d l x i n t fz o n e 20 x 0 8 0 0 0 0 0 x 1 0 0 0 0 0 。51 2 k x z c s 2 x 烈t fz o n e 6o x l 0 0 0 0 0 - o x l 8 0 0 0 0 ，5 1 2 k x z c s 6 a n d l x 1 n t fz o n e 7 ( b o o t r o m )o x 3 f c 0 0 0 0 x 3 f f f c o ，1 6 k x z c s 6 a n d 日。m p m c = 、 在智能脱扣器中，使用x z c s 6 a n d 7 引脚扩展外部存储器，由表2 可知，外扩存储器 的最大容量为5 1 2 k b y t e 。扩展存储器选用了i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 t 1 4 i s r a m ，该存储容量为 5 1 2 k x l 6 位，3 3 v 的供电电压，访问速度为1 2 n s 。当c p u 运行在1 5 0 m h z 的时候，地址 和数据的最小有效时间为3 个时钟周期即2 0 n s ，这样在不添加任何外围时序电路的情况 下，即可完成d s p 对s r a m 存储器的读写操作。外扩存储器的接口电路如图7 所示。 扣 一 一挚器 一舭勉一一眦瞄 铲器 第2 章智能脱扣器的硬件系统设计 3 3 煮 图7s r a m 存储器接口电路 在d s p 芯片外围电路设计中，为了防止电源对d s p 的运行产生干扰，在每个电源引 脚上添加了o 1 t f 的滤波电容。 2 4 智能脱扣器的信号调理电路和a d 转换电路 智能脱扣器通过对电力线路中a 相、b 相和c 相三相电流信号的采集与判断，来实 现对线路的保护功能，所以在脱扣器硬件系统中存在三路模拟信号输入通道。在交流电流 信号的采集过程中，多采用电流互感器来完成被测线路中的大电流信号到数据采集用小电 流信号的转换工作，然后再将小电流信号调理为可用于a d 转换的电压信号。本节将详 细介绍信号调理电路与a d 转换电路的实现方法。 2 4 1 电流互感器的工作原理与选择方法 1 电流互感器工作原理 电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳 体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数( n 1 ) 较少，直接串 联于电源线路中，一次负荷电流( i l ) 通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减 小的二次电流( i 2 ) ；二次绕组的匝数( n 2 ) 较多，与仪表、继电器、变送器等的电流线圈的 二次负荷( z ) 串联形成闭合回路，如图8 所示。 1 2 丁_-rj一 一7 6 5 一，= 塑一 舞 m一9 8一掩一mb他一一m d d d d一人一aaaaa一 硒粉舫如一m从从一m融一凇 m瞄耄一一吣一璩|塞肌灿舢一灿脚麟脚心肌舭川舢一互一 l l i 北京服装学院硕士学位论文 中h z 图8 电流互感器的结构原理 2 电流互感器的选择方法 电流互感器的选择一般遵循如下原则【1 5 】： a 应满足一次回路的额定电压、最大负荷电流的要求； b 应满足二次回路测量、自动装置的准确度要求和保护装置允许的误差要求： c 应满足保护装置对暂态特性要求； d 用于变压器差动时，各侧电流互感器的铁芯宜采用相同的铁芯型式。各互感器的特 性宜相同，以防止区外故障时，各互感器特性不一致产生差流，造成误动。 在电力系统中使用的电流互感器的标准输出为5 a ，需先将安培级的电流转为毫安级 的电流，然后再用于电流信号的采集。在智能脱扣器的信号调理电路中采用“b i n g z i 兵 字，t a l 0 1 5 系列的微型电流互感器【1 6 1 ，该系列互感器的额定输入电流为5 a ，额定输出电 流为2 5 5 m a ，可以满足脱扣器信号采集部分的要求。 2 4 2 信号调理电路 信号调理电路由两部分组成，一部分用于获取保护线路中的电流信号，并转换为交流 电压信号，主要的工作元件为电流互感器；另一部分用于将交流电压信号中的负电压抬高 到0 v 以上，主要工作元件为运算放大器。信号调理电路如图9 所示。 鼍r 图9 信号调理电路 1 3 第2 章智能脱扣器的硬件系统设计 在图9 中，u 9 ( 电流互感器) 的1 ，2 号脚构成交流电流信号输入端和输出端；v d d 一5 为5 v 电压输入；v d d 5 为+ 5 v 电压；v d d5 为5 v 电压；a d c i n a 0 为f 2 8 1 2 的a d 转 换输入引脚；r 3 9 、r 4 4 构成补偿电路，用于交流电压的补偿，使输出到a d c i n a o 端的 交流电压在0 v 以上。 信号调理电路跟加法电路的工作原理相同，输出到a d c i n a o 端口的电压，可通过公 式( 2 - 1 ) 求得 万u o = 一c 惫+ 惫， ， 蜀， 、b ，咫，7 、7 在式( 2 1 ) 中： u l = i lxr 3 i ，1 1 为电流互感器二次侧的输出电流 u ：v d d5 x 墨1 2 一 尺3 9 + 月4 4 实际测试时发现，虽然单电源供电的运放( l m 3 5 8 ) 可以将交流信号的负电压抬高到0 v 以上，但是需要将运放的地与交流电的地连接，而两者共地又可能会给智能脱扣器引入干 扰，影响智能脱扣器的稳定性。双电源供电的运放( o p 0 7 ) 在不与交流电共地的情况下，即 可将交流信号的负电压抬高到0 v 以上。 由于o p 0 7 运放的工作电压为+ 5 v f l7 1 ，系统中其他芯片的工作电压为+ 1 8 v 或+ 3 3 v 或 + 5 v ，因此系统中还需要添加产生5 v 电压的电路。在智能脱扣器中采用i c l 7 6 6 0 电平转 换芯片【1 8 】，将5 v 电压转换为5 v 电压。i c l 7 6 6 0 芯片的外围电路比较简单，具体电路如 图1 0 所示。 三u 1 5v d d 5 n cv +u c a p + o s c 7 3 n dl v 6 5 一 0 a p v o u t t d5 图1 0 5 v 电源电路 图1 1 为通过示波器显示的调理电路的输入信号和输出信号，在图中曲线a 为调理电 路的输出信号，曲线b 调理电路的输入信号。通过图示可以看出，调理电路已经将输入的 交流信号中的负电压抬高到0 v 以上。 1 4 北京服装学院硕十学位论文 2 4 3a d 转换电路 0 o 图1 1 电流互感器和调理电路的输出信号 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 集成1 2 位精度的数模转换模块i ”。2 0 1 ，该模块的分辨率达0 0 0 0 2 4 ， 完全可以满足脱扣器对数据采集精度的要求。 24 31f 2 8 1 2 的a d 转换模块 a d 转换模块具有1 6 个信道，并可配置为2 个独立的8 信道模块，或者将2 个独立 的8 信道模块级联成1 个1 6 信道模块。尽管f 2 8 1 2 的a d 转换模块有多个输入信道和2 个序列发生器但在a d 转换模块中只有一个转换器。f 2 8 1 2 的a ，d 转换模块如图1 2 所 币。 图1 2f 2 8 1 2 a d 转换模块 无论是将1 6 个信道作为2 个8 信道模块还是作为单个1 6 信道模块使用，a d 模块都 第2 章智能脱扣器的硬件系统设计 会自动对转换序列定序。一旦在每个序列发生器上完成转换，所选的信道值将存储在各自 的结果寄存器中。如果同一输入信道多次出现在自动转换序列中，可实现该信道的过采样。 a d 转换模块的主要功能包括： 1 具有内置双采样保持( s h ) 的1 2 位a d 转换内核( s i - i ) 2 两种采样模式选择：同步采样模式或顺序采样模式 3 自动定序功能在单次会话中可提供多达1 6 次“自动转换”，可将每次转换编程为选择 1 6 个输入信道中的任何一个，可方便地实现同一信道的过采样。 2 4 3 2 自动转换序列发生器的工作原理 a d 转换序列发生器由两个独立的8 状态序列发生器( s e q l 和s e q 2 ，“状态”代表序 列发生器执行的自动转换次数) 组成，也可以将这两个8 状态序列发生器级联成一个1 6 状 态序列发生器( s e q ) 。在这两种情况下，a d 模块都能对一系列转换进行自动定序。每当 a d 转换接收到转换开始请求时，它可以自动执行多次转换。对于每次转换，都可以选择 1 6 个可用输入信道中的任何一个。转换之后，所选信道的转换结果将存储在适当的结果 寄存器中( 第一个结果存储在a d c r e s u l t o 中，第二个结果存储在a d c r e s u l t l 中，依 此类推) 。 a d 转换有同步采样和顺序采样两种模式。在同步采样模式中，可以使用c o n v 0 0 - c o n v 0 7 来定义采样的序列，同时完成a d c i n a 0 a d c i n a 0 7 和a d c i n b 0 a d c i n a b 7 两个8 信道模块的采样工作。例如，设定c o n v 0 0 = i ，a d 转换模块将自动完成a d c i n a l 和a d c i n b l 两个信道的信号采集工作。在顺序采样模式中，使用c o n v 0 0 - - c o n v l 5 共定义要转换通道的序列，这样依次完成1 6 个信道的信号采集工作。例如，设定 c o n v 0 0 = i ，则只能完成a d c i n a l 信号的采集工作，如果还想对a d c i n b l 信道的进行 采集工作，还需要设定c o n v 0 1 = 9 。 2 4 3 3a d 转换参考电压选择 f 2 8 1 2 的a d 转换模块可通过两种途径获得参考电压：内部产生的电压和外部输入电 压。在脱扣器系统中，使用f 2 8 1 2 内部产生的电压作为参考电压，来完成a d 转换工作。 2 4 3 4a d 转换电路 由于脱扣器需要对三相交流电流信号进行采集，在系统中添加了另外两个信号调理电 路( 所有的信号调理电路请参阅附录中的图2 ) ，其输出分别与f 2 8 1 2 的a d c i n a l 引脚和 a d c i n a 2 引脚相连，这两个调理电路同与a d c i n a 0 引脚连接的调理电路一起，分别用 于b 相、c 相和a 相的电流信号调理工作。 1 6 北京服装学院硕士学位论文 2 5 智能脱扣器的液晶显示电路设计 为了方便对智能脱扣器的控制，增强智能脱扣器的人机交互能力，在智能脱扣器中添 加了液晶显示器。通过液晶显示器可以显示用户的键盘输入、线路的工作状态和脱扣器保 存的故障信息等。 液晶显示器选用了金鹏电子有限公司的o c m j l 2 2 3 2 c 系列液晶显示器，该系列的液 晶显示器内嵌s t 7 9 2 0 控制器【2 1 2 2 1 ，可以显示英文字符、汉字及图形，具有文字和画面混 合显示的功能。 2 5 10 c m j l2 2 3 2 c 系列液晶显示器简介 该系列液晶为1 2 8 x 3 2 的点阵液晶模块，可以显示2 行8 列汉字或2 行1 6 列的英文字 符。对液晶的操作也比较简便，主要的引脚包括，数据引脚d b 0 一d b 7 ，控制引脚r s 、e 和r w 。根据r s 、e 和r w 三根引脚的高低电平的不同组合，实现对液晶模块读写的控 制工作。液晶模块原理如图1 3 所示。 v d d v s