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河北工业大学硕士学位论文 i 基于无线通讯技术的漏电保护技术的研究基于无线通讯技术的漏电保护技术的研究 摘摘 要要 电是现代经济的命脉， 它与工农业生产以及人们日常生活密切相关， 是一种便于传输、 使用方便、最为洁净的能源。随着我国经济建设规模的不断扩大，用电量迅速增长，安全 用电这一问题显得更为重要。 漏电保护器正是用来防止漏电火灾和人身触电事故的重要低 压电器产品，因此得到广泛应用。 随着漏电保护器的普及， 在使用中用户对漏电保护器又提出一些新的要求， 如漏电电 流的记忆、 显示以及通过监测漏电历史数据来分析漏电发生漏电的原因等， 这就需要漏电 保护器具有数据记忆和通讯功能。 而传统的漏电保护器一般不具备数据存储功能也不具有 通讯功能或仅具有数据存储功能。 并且传统的有线通讯方式在应用上也具有局限性， 而无 线通讯技术可以克服有线通讯的诸多缺点， 应用范围更加广泛。 因此研究基于无线通讯技 术的漏电保护技术十分必要。 本课题以基于无线通讯技术的漏电保护技术为研究对象， 通过对影响漏电保护器性能 的核心器件剩余电流互感器的仿真分析，对漏电保护器技术进行了研究；同时， 对无线通讯技术进行了研究，并选择 nrf 无线通讯技术作为漏电保护器无线通讯的解决 方案。最后，采用 pic 单片机进行了基于无线通讯技术的漏电保护器样机的软硬件设计， 实现了漏电电流的检测、记忆、显示和无线通讯等功能。 关键词：关键词：漏电保护器，无线通讯，单片机 河北工业大学硕士学位论文 ii the study on residual current protective technology based on wireless communication technique abstract eletricity, which is fast related with the agriculture, industry, is most important for todays economy. it is convenient for transfer and use, and it is the most clean energy source. accompany with the economys increase, the use of eletricity is growing quickly, and the safety is becoming more and more important. residual current device (rcd) is a kind of a low-voltage apparatus which is widely used to prevent from electric shock and fire hazard. many requirements for rcd have been proposed in application, such as residual current memory, residual current display, and anlysis of the residual current records used to determine the reason why rcd operated. to implement these functions, data memory and communication function are needed for the rcd. however, conventional rcd has neither of these fuctions or only has the data memory function. and there is some limit for the application of conventional wired communication methods. but the shortcomings of wired communication technique can be overcomed by wireless communication technique. so, it is necessary to study the residual current protective technology based on wireless communication technique. this paper is focus on the residual current protective technology based on wireless communication technique. the residual current protective technology is studied by analysis of the residual current transformer which is the key element of residual current device; meanwhile, wireless communication technology is studied and nrf technique is selected as the solution. and finally, the residual current device prototype based on wireless communication technique by using pic microcontroller is designed and the residual current detection, residual current memory, residual current display and wireless communication function are implemented. key words: residual current device, wireless communication, single-chip microcontroller 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 引言引言 电能对于我国国民经济和社会的持续、良好发展起着重要的作用。和其他能源相比，电能有诸多 优点但也存在着许多风险，人身触电事故和电气火灾时有发生。据统计，我国火灾事故中，电气火灾 占到了近三成，由此造成了大量的人身伤亡和巨大的经济损失。 在全面贯彻和落实科学发展观，构建社会主义和谐社会的今天，发电和用电量与日剧增，用电安 全也越来越受到人们的广泛关注和重视。国际电工委员会制定了严格的电气安装规范和其他有关漏电 保护的国际标准，我国也有相应的标准和规范，各类用电保护装置也被开发出来。而在这些产品中， rcd（residual current protective device, 剩余电流动作保护器，俗称漏电保护器）被公认为是保护人身 和财产安全的最为有效的措施，得到了广泛地应用1。 但是目前普遍采用的剩余电流动作的漏电保护 方法，存在漏电保护的误动作和拒动作问题，存在安全隐患。因此，需要研究新的漏电保护原理和算 法以适应不同情况下的保护要求。 另外，在应用现场，除了实现有效的漏电保护功能外，人们还希望漏电保护器具有多方面的功能， 例如欠压、过压保护以及过流保护等功能；同时，某些情况下为了更好地掌握线路的漏电情况，以便 及时做好人身触电和漏电火灾的预防工作，需要收集和统计线路的日常漏电数据，漏电保护器本身应 具有数据存储和通讯功能。目前，具有通讯功能的低压电器产品多采用有线通讯的方式，但在某些保 护场合，这种有线通讯的应用受到限制，例如，有些易燃易爆的工业环境禁止使用电缆，有些工业环 境必须将电缆完全屏蔽以防止外界干扰，还有一些工业设备在高速移动中无法通过电缆来传输数据信 息等。因此，在这些工业环境下的通讯要靠无线通讯技术来实现，研究具有无线通讯功能的漏电保护 器具有重要的实际意义，可以解决某些漏电保护装置安装位置较高而不宜读取数值和有线通讯无法实 现的问题2。 1-2 漏电保护技术的发展及现状漏电保护技术的发展及现状 1-2-1 国外漏电保护技术的发展及现状国外漏电保护技术的发展及现状 漏电保护技术是从二十世纪初在西欧国家发展起来的。漏电保护器的发展大约经历了三个阶段， 即初始阶段、发展阶段和成熟阶段。1921 年德国正式发明了电压动作型漏电保护器，主要保护设备外 壳漏电，自此，德国的 vde 规程及英国的 bs 规程均制定了有关电压动作型漏电保护器的标准。1930 年欧洲国家开始采用电压型保护器。电压型保护器有不可克服的缺点，只能保护单台用电设备，且过 电压容易损坏漏电保护器，现在已经被淘汰使用了。 根据 1928 年提出的专利， 法国人在 1940 年制成了世界上第一台灵敏度为 10ma， 切断时间为 0.1s 河北工业大学硕士学位论文 2 的电流型漏电保护器。但由于当时磁性材料的发展尚未达到一定的水平，并且制造灵敏的脱扣机构的 技术也不完善。因此在第二次世界大战之前，漏电保护器未能大批量生产并用于工程实际中去。 第二次世界大战以后，随着电气化进程的加快，电气设备用量日趋增加，触电及电气火灾的可能 性也与日俱增。因此，人们对漏电保护器寄予很大的希望。西德在 50 年代就开始批量生产漏电开关， 但是将漏电保护器真正作为触电保护手段用于实际工程， 则是在 60 年代以后的事情。 到二十世纪七十 年代各国开始制定规程强制在一些场所安装漏电保护器。 目前，欧洲剩余电流保护器的发展以家用剩余电流断路器为主，基本上都是电磁式剩余电流断路 器。欧洲不带过电流保护的剩余电流断路器近几年的发展趋势是把二极和四极分成两个壳体，使二极 剩余电流断路器的体积大为减小：二极宽度为 2 个模数（36mm） ，四极宽度为 4 个模数（72mm） 。代 表性的产品有 siemens 公司的 5sm1、 5sz3 系列； abb公司的 f360、 f370 系列， fg 公司的 nfin 系列等，其最大额定电流为 63a，采用标准导轨式安装方式，接线端子提供接线柱式接线和压板式接 线两种方式，适用于安装在配电箱中，可直接用标准母线排与其他电器连接。 带过电流保护的剩余电流断路器是近几年的发展趋势，由小型断路器（mcb）和剩余电流动作保 护附件组装成剩余电流动作断路器，组装方便灵活，尺寸模数化，标准导轨安装方式，便于在配电箱 内安装使用。代表性产品有 siemens 公司的 5su 系列，abb公司的 ds250s，fg 公司 fl7 系列， 施耐德公司 vigi c60，vigi nc100 系列等。 动作时间除原有的一般型和 s 型（选择性型）外，还增加了 10ms 的短延时特性。具有良好的 抗误动作能力，可防止闭合泄漏电流较大的负载（例如电容性负载）时引起剩余电流断路器误动作。 siemens 公司把这种特性标志为 k 型，f 工业级为- 40+85。 图3.12为芯片的引脚排列图，表描述了其引脚功能。 图 3.12 ds3231引脚配置图 fig 3.12 pin digram of ds3231 图3.13所示为ds3231s与pics18f65j10的接扩电路，采用i2c总线进行数据传输。ds3231 支持i2c 总线协议中定义的标准模式和快速模式，在总线上作为从设备工作，其设备地址为1101000。只要vcc 或vbat 处于有效电压范围，就可访问该接口。 由于pic18f86j10仅有两个同步串行接口，已被无线通讯模块和实时时钟模块所占用，因此考虑用 增强型通用pic18f65j10带有的同步/异步收发器（enhanced universal synchronous asynchronous receiver transmitter, eusart）rg1和rg2配置成半双工同步spi接口使用， 图 3.13 ds3231典型应用电路 fig 3.13 typical application of ds3231 表3.7 ds3231引脚说明 table 3.7 pin functions of ds3231 引脚 名称 功能 1 32khz 32khz输出。此漏极开路输引脚要求外接上拉电阻。如不使用，可保持开 路。 2 vcc 用于主电源的dc电源引脚。该引脚应使用0.1f至1.0f电容进行去耦。 河北工业大学硕士学位论文 40 引脚 名称 功能 3 int/sqw 低电平有效中断或方波输出。该漏极开路输出引脚要求外接上拉电阻。如 未使用，可保持开路。该多功能引脚的功能由控制寄存器(0eh) 的intcn 位决定。 当intcn设定为0 时， 引脚输出方波， 其频率由rs2和rs1位决定。 当intcn设定为1 时，计时寄存器与任一闹钟寄存器相匹配时都会触发 int/sqw引脚(如果使能闹钟功能)。由于首次上电时intcn位设定为1，因 此引脚缺省设置为中断输出并禁止闹钟。 4 rst 低电平有效复位引脚。该引脚为漏极开路输入/输出。引脚指示vcc相对于 vpf指标的状态。如果vcc下降至低于vpf，rst引脚被拉低。若vcc超 过vpf并持续trst时间，rst引脚驱动为高阻抗。低电平有效、漏极开路 输出还具有去抖的按钮输入功能。该引脚可由按钮复位请求来触发。引脚 内部通过标称值为50k 的上拉电阻连接至vcc。 无需外接上拉电阻。 如果 禁止晶体振荡器，trst延时会延长一个振荡器的启动时间。 5-12 n.c. 无连接。外部必须接地。 13 gnd 地 14 vbat 备用电源输入。该引脚应使用0.1f至1.0f的低泄漏电容进行去耦。 15 sda 串行数据输入/输出。该引脚为i2c串口的数据输入/输出。此漏极开路引脚 要求外接上拉电阻。 16 scl 串行时钟输入。该引脚为i2c串口的时钟输入，用于串口上同步数据传输。 3-2-6 eeprom 接口电路接口电路 1. eeprom 芯片选型 根据数据存数容量这里选择了 microchip 公司生产的 cmos 低功耗串行 eeprom 93c86a。 93c86a 支持 3 线式 microwire 总线，具有 2k8bit 存储容量，足以满足漏电历史信息的存储。其引脚 排列如图 3.14.1 所示，表 3.9 描述了其引脚功能。eeprom 的接口电路如图 3.14.2 所示。 图3.14.1 93c86a引脚配置图 图3.14.2 93c86a接口电路 图3.14 93c86a引脚配置及其接口电路 fig.3.14 pin diagram and schematic digram of 93c86a 表3.8 93c86a引脚说明 table 3.8 pin functions of 93c86a 河北工业大学硕士学位论文 41 引脚 名称 功能 1 do 串行数据输出 2 vss 地 3 di 串行数据输入 4 clk 串行数据时钟 5 cs 片选 6 vcc 电源输入 3-3 pcb 布局布局布线考虑布线考虑 本设计的电路既有模拟电路又有数字电路，同时射频电路的工作频率还很高，为了减少数字信号 和模拟信号信号间干扰，总体布局分成数字电路区和射频电路区（模拟电路区），分别布局布线，本 设计的微处理器 pic18f65j10 及其外围电路和数据电平转换电路都处在数字区， nrf2401 及其外围电 路处在射频电路区，两区之间分开一定间隔，分区接口之间大面积敷铜，防止相互之间的信号耦合。 分区后，同一功能的电路应尽量安排在一定的范围之内，从而减小信号环路面积；各部分电路的滤波 元件尽量靠近元件，减少路径干扰，提高电路的抗干扰能力。 pcb 布线时要注意：在密度许可情况下后，信号走线尽量粗细一致，有利于阻抗匹配；在正反两 面的信号线应尽量互相垂直，避免平行走线，避免造成信号传输线之间的交叉干扰；布线时在需要拐 角的地址方应以 135角为宜，避免拐直角；信号线应尽可能短，由于射频输出部分频率很高，减少 分布参数对电路的影响；尽量减少过孔数目，在过孔处由于阻抗变化容易引起信号反射和回波。除此 之外，在射频电路布线中，相当多的干扰源是通过地线噪声引起的，地线的正确布线显得尤其重要。 当多个电路共用一段地线时，就会形成公共阻抗耦合，从而产生所谓的地线噪声。因此，对射频电路 pcb 的地线处理时，通常采用大面积“铺地”原则，形成一个可靠的地线层减少耦合，一般正面走信 号线，反面全部“铺地”，另外将信号布线层的空余部分最好也用地线平面填充，减少线间耦合，这 些地线平面必须通过多个过孔与下地线层面连接。 河北工业大学硕士学位论文 42 第四章第四章 基于无线通讯基于无线通讯技术技术的的漏电保护器的软件设计漏电保护器的软件设计 4-1 软件软件设计要求设计要求 基于无线通讯的漏电保护器用来保护正弦交流漏电信号，属于ac型漏电保护器，同时还具有无线 通讯功能。以下就这两个方面功能的要求分别介绍。 4-1-1 漏电保护器的软件漏电保护器的软件设计要求设计要求 漏电保护器对软件有多方面的要求， 但最为核心的要求是漏电动作值和动作时间， 对于这两项指标 相关标准中都有明确的要求。本设计中采用了30ma、50ma、100ma、300ma、500ma共5个额定剩余 动作电流档位，档位切换采用电阻分压结合ad采样的方式。各档位的漏电电流脱扣动作值设定为该档 位电流的70%，考虑到电流采样误差、采样时间段的截取误差以及电流本身存在的不确定性，脱扣动作 值的精度应该满足在档位电流值的60%80%之间。这样的动作值精度能够充分符合gb14048.2附录b中 的相关规定，即ac型漏电保护器脱扣电流的范围为0.5-1in。 同时，为了便于级联应用，本设计还具有动作延时功能，本设计中采用了快速动作、0.1s、0.2s、 0.3s、0.5s和1s等六个时间档位。参照相关标准的规定，延时动作时间应符合表的规定。 表4.1 延时型漏电保护器极限不驱动时间 table 4.1 limiting non-actuating time of tme-delay rcd 极限不驱动时间 剩余电流 in 2 in 5 in 10 in 0.06 s 最大动作时间 0.5 s 0.2 s 0.15 s 0.15 s 极限不驱动时间 0.06 s 0.1 s 最大动作时间 0.8 s 0.3 s 0.3 s 0.3 s 极限不驱动时间 0.1 s 0.2 s 最大动作时间 1 s 0.4 s 0.4 s 0.4 s 极限不驱动时间 0.2 s 0.3 s 最大动作时间 1.5 s 0.5 s 0.5 s 0.5 s 极限不驱动时间 0.3 s 0.5 s 最大动作时间 3 s 1 s 1 s 1 s 极限不驱动时间 0.5 s 1 s 最大动作时间 5 s 2 s 2 s 2 s 极限不驱动时间 1 s 表4.1中仅对2in规定了极限不驱动时间，对其他剩余电流的极限不驱动时间并未做出规定，对此， 标准也不做考核。因此，对于这些剩余电流条件下的极限不驱动时间需要根据经验值来设定。 考虑到档位设置信息是通过a/d采样获得，各档位对应的电压值应该确定，档位设定过程中不能出 现模棱两可的不确定情况。同时为保证档位检测软件的容错性，在软件设计上应注意进行多次检测，并 进行数据正确性的判断。这里，需注意对快速动作时的处理，快速动作档位要求当系统判断漏电电流已 超过目前档位的动作条件时， 在排除干扰信号造成的情况下， 其脱扣器的动作时间不进行任何时间延时， 河北工业大学硕士学位论文 43 直接采取脱扣处理。 此外，还需注意的是：动作值或延时时间档位切换后，正常情况下单片机的响应时间不应超过30s， 而且档位改变不能影响当前正在进行的漏电检测结果。尤其系统正处于达到脱扣条件正进行延时动作 时，档位的改变不能影响本次脱扣的动作条件和延时时间条件。 4-1-2 无线通讯的软件无线通讯的软件设计要求设计要求 本设计的无线通讯模块采用nrf2401无线射频芯片搭建， 因此无线通讯对软件的要求取决于通信机 制以及nrf2401工作模式的选择和配置。nrf2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式 和关机模式。nrf2401的工作模式由pwr_up 、ce、tx_en和cs三个引脚决定，详见表4.2。 表4.2 nrf2401的工作模式 table 4.2 operating mode of nrf2401 工作模式 pwr_up ce cs 收发模式 1 1 0 配置模式 1 0 1 空闲模式 1 0 0 关机模式 0 nrf2401的收发模式有shockbursttm收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定。 1. shockbursttm收发模式 shockbursttm收发模式下， 使用片内的先入先出堆栈区， 数据低速从微控制器送入， 但高速(1mbps) 发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议 相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理 器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nrf2401的shockbursttm技术同时也 减小了整个系统的平均工作电流。 在shockbursttm收发模式下，nrf2401自动处理字头和crc校验码。在接收数据时，自动把字头和 crc校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和crc校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通 知微处理器数据发射完毕。 （1）shockbursttm发射流程 接口引脚为 ce，clk1，data。 1）当微控制器有数据要发送时，其把 ce 置高，使 nrf2401 工作； 2）把接收机的地址和要发送的数据按时序送入 nrf2401； 3）微控制器把 ce 置低，激发 nrf2401 进行 shockbursttm 发射； 4）nrf2401 的 shockbursttm发射 给射频前端供电； 射频数据打包(加字头、crc 校验码)； 河北工业大学硕士学位论文 44 高速发射数据包； 发射完成，nrf2401 进入空闲状态。 （2）shockbursttm接收流程 接口引脚 ce、dr1、clk1 和 data(接收通道 1)。 1）配置本机地址和要接收的数据包大小； 2）进入接收状态，把 ce 置高； 3）200 s 后，nrf2401 进入监视状态，等待数据包的到来； 4）当接收到正确的数据包(正确的地址和 crc 校验码)，nrf2401 自动把字头、地址和 crc 校验 位移去； 5）nrf2401 通过把 dr1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器； 6）微控制器把数据从 nrf2401 移出； 7）所有数据移完，nrf2401 把 dr1 置低，此时，如果 ce 为高，则等待下一个数据包，如果 ce 为低，开始其它工作流程。 2. 直接收发模式 在直接收发模式下，nrf2401 如传统的射频收发器一样工作。 （1）直接发送模式 接口引脚为 ce、data。 1）当微控制器有数据要发送时，把 ce 置高； 2）nrf2401 射频前端被激活； 3）所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址和 crc 校验码)。 （2）直接接收模式 接口引脚为 ce、clk1 和 data。 1）一旦 nrf2401 被配置为直接接收模式，data 引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化(由 于噪声的存在)； 2) clk1 引脚也开始工作； 3) 一旦接收到有效的字头，clk1 引脚和 data 引脚将协调工作，把射频数据包以其被发射时的 数据从 data 引脚送给微控制器； 4) 这头必须是 8 位； 5) dr 引脚没用上，所有的地址和 crc 校验必须在微控制器内部进行。 本设计选用了 shockbursttm收发模式，因为这种工作模式下，系统的程序编制会更加简单，并且 稳定型也会更高。 4-1-3 软件质量软件质量要求要求 1. 可扩展性 软件的可扩展性包括以下几点要求： 1）软件应采用高级语言进行开发； 河北工业大学硕士学位论文 45 2）程序结构应合理设计，应按功能划分进行模块化的程序编写，并为日后的程序扩展提供足够接 口。当功能要求进行修改或增加时，程序主体改动不应太大，且不能影响其他功能模块的正常工作。 3）系统的程序存储区应留用足够空间，以便于日后的程序功能扩展。 2. 兼容性 软件兼容性应包括以下几点要求： 1）软件应采用高级语言进行开发，程序中尽可能将单片机底层驱动部分隔离，减少整个程序对单 片机硬件的依赖，提高软件对不同mcu的兼容性。 2）软件设计中应采用目前单片机大多具备的资源和功能，以提高程序移植可能性。 3. 可靠性 软件可靠性应包括以下几点要求： 1）软件当中应使用程序看门狗，以防止外部电磁干扰造成程序“跑飞”。 2）软件中在保证功能实现和时效性的情况，尽可能多的进行数据有效性检查。对不合理的数据予 以抛弃，避免因数据不合理出现问题。 3）对于ad采样部分应该采取多次采样取平均值的方法，保证ad采样值的准确性。 4. 软件容错 软件容错机制应包括以下几点要求： 1）软件应具备全面的错误处理机制，对可能发生的错误和不确定的因素给出相应的处理，尽可能 降低这些问题对系统工作的影响。 2）程序应采取误动作保护机制，保证系统能够做到误动作不会造成危险。 4-2 软件的软件的设计设计 4-2-1 主程序设计主程序设计 整个程序由主程序 main()和中断服务程序 int_isr()组成。程序结构采取无限循环的的前后台式结 构，前台程序通过中断服务程序来处理事件，后台程序除了进行系统初始化外，主要负责电流档位判 断和延时档位判断。主程序流程图如图 4.1 所示。 河北工业大学硕士学位论文 46 开始 系统初始化 电流档位检测 延时档位检测 等待中断 图 4.1 主程序流程图 fig.4.1 flowchart of main program 系统的后台程序即 main()函数是一个无限循环函数。程序上电后，main()函数将对单片机端口、 中断、ad 等资源进行相关的初始化，再接下来的无限循环体内，程序一直等待中断发生，并通过前 台程序设置的检测标志位 f_detect 来进行档位的检测。正常的检测时间间隔为 10s。 4-2-2 系统初始化系统初始化 上电初始化模块主要完成上电后的初始化工作。其流程图如下所示： 初始化i/o端口 初始化定时器 初始化a/d模块 nrf2401 初始化配置 初始化中断服务寄存器 初始化参数 图 4.2 系统初始化流程图 fig.4.2 flowchart of system initialization 档位检测程序流程图如下图所示。 河北工业大学硕士学位论文 47 否 否 是 置档位检测 标志f_c 判断f_c=1？ 关中断，清f_c 电流档位检测 延时档位检测 判断t_up=1？ 检测次数 t_up+1 是 t_up清零 检测提升电压 切换采样通道 开中断 图 4.3 档位检测流程图 fig.4.3 flowchart of detection of parameter setting 4-2-3 中断服务模块中断服务模块 pic18f65j10 具有多个中断源，当中断发生后，单片机会在中断服务程序中判断具体的中断源来 做不同处理。 1. int0 上升沿中断 为保证周期的精确度，自动检测电网频率，并自动跟踪电网频率的变化，避免因电网频率改变而 使漏电动作特性改变。上电开始后，程序首先用 tmr1 对电流的第一个周波计时，得到漏电电流的准 确周期，用两个标志位 cycle_start，cycle_end 控制实现。并在第二个周波期间内计算出供 tmr2 定时 采样的时间间歇，并每隔一段时间进行一次频率校正。 河北工业大学硕士学位论文 48 int0中断？ y cycle_start=1? cycle_start=0 y no 清tmr1h， tmr1l 开tmr1， 开始计时 cycle_end=1 cycle_end=1? y 计数值存入 t1_count寄存器 计算tmr2 定时时间 n cycle_end=0 上升沿中断服务 n cycle_number+=1 退出中断 图4.4 int0上升沿中断流程图 fig. 4.4 flowchart of int0 interrupt routine 开tmr2 开启ad转换模块， 对an0进行第一次采 样 cycle_number+=1 置onedate(一次采样 标志位) cycle_number=100? y cycle_start=1 n 推出中断 图4.5 上升沿中断服务流程图 fig.4.5 flowchart of int interrupt subroutine 河北工业大学硕士学位论文 49 在每个电流周期即两个上升沿之间，我们采用 40 倍工频的频率定时对漏电电流进行采样和转换。 即将电流周期等分为 40 份，由 tmr2 定时产生中断，在每个 tmr2 中断周期内进行一次采样并作相 应的数据处理39 ，40。采样间歇也就是 tmr2 的定时中断时间（rp2+1）计算公式为 4.1： t= (t1_count)40.2s= (rp2+1)160.2s40 rp2+1t1_count / 160 （4.1） 其中各参数为： t电流周期值 t1_counttmr1 的计数值 rp2tmr2 定时值 4 tmr1 预分频 16tmr2 预分频 0.2s指令周期 40采样点数 tmr2 的中断程序流程图如下所示： 采样an0一次 是tmr2中断么？ 置onedate（一个样点）标志位 采样40个点了么？ 置onecycle(采样一周)标志位 清采样计数值关tmr2 关a/d转换 退出中断 yes yes yes no no no tmr2允许中断么？ 采样值平方累加 采样值计算 漏电判断模块 图4.6 tmr2中断程序流程图 fig.4.6 flowchart of tmr2 interrupt routine 河北工业大学硕士学位论文 50 漏电信号分析模块根据 a/d 转换的结果，计算出漏电电流的有效值。有效值计算可由多种方法实 现，下面我们就几种经常用到的方法做一个讨论，并从中得到计算误差最小的方法41。 （1）平均值法 软件实现的平均值法要求微处理器控制 a/d 在 1/2 周期或 1 周期的时间内对输入信号进行多次采 样，然后计算出电流平均值，再根据平均值计算出有效值。其依据的公式如下： i= p 1 1.11 1.11 | n n n ii n （4.2） 式中，ip为电流的平均值。 （2）方均根法 均方根值法也称为真有效值法，是根据交流有效值的定义提出的，其依据的计算公式如下： t 2 0 1 ii ( t ) d t t （4.3） 离散化后有： i= nn 22 kkk k 1k 1 11 iti tn （4.4） 式中 i 电流有效值； t 输入信号周期； n 每周期采样点数； n iin第n点的电流采样值； （3）峰值法 利用 a/d 在 1/2 周期时间内对输入信号进行多次采样，然后求出最大值，并认为该最大值就是输 入信号的峰值，然后依据正弦电流峰值 im和有效值 i 的关系 i = 0. 707im，计算出电流的有效值 i。 (4) 两点乘积法 两点乘积法是基于正弦函数模型的测量方法， 是根据相差/2 角度的两点互为正余弦的特点提的。 设每周期采样点数为 n，有相隔 /2 的两个采样时刻 n1和 n2，满足以下关系： 12 n nn 4 （4.5) 用 i1和 i2表示两个采样时刻的电流采样值，则有 1110 2 ( n ) =2 i s i n () n iin （4.6） 222010 22 (n )= 2isin()2icos() nn iinn （4.7） 式中， 0为初相角。将式 4.6、4.7 分别平方后相加，可得 22 2 12 2 ii i （4.8） 河北工业大学硕士学位论文 51 几种方法的比较： （1）输入信号为理想正弦波的情况。当输入信号为理想正弦波时，均方根值法与两点乘积法理论 上不存在误差，平均值法和峰值法的误差一般由n 值的大小决定。 （2）输入信号为非理想正弦波的情况。对于均方根值法来说，它对任何周期交变信号均适用。而 平均值法、峰值法、两点乘积法因其计算公式是以输入信号的正弦性为基础的，当输入信号波形畸变、 含有谐波分量时，计算得到的有效值会与真有效值存在理论上的误差。 综上，我们选用了方均根法，同时为了减小开方给单片机带来的压力，我们采用直接比较平方的 方法，这样可以大大减小系统开销。计算得到的数据由漏电判断模块判断是否应该动作，漏电判断模 块的流程图如图 4.7 所示。 一周期内的 漏电电流i0.5in2？ 读取剩余电流档位in， 计算in2 n y 读取时间设置档位t 一周期内的 漏电电流iin2？ 预报警led闪烁 y 是否快速动作？ n y 一周期内的 漏电电流i2in2？ y 一周期内的 漏电电流i5in2？ n n y 延时 脱扣，点亮led 退出中断 n=n+2 n n=n+4 nn_th? y n n=0 图4.7 漏电判断模块 fig.4.7 flowchart of discrimination of residual current 河北工业大学硕士学位论文 52 4-2-4 eeprom 读写程序读写程序 当漏电动作发生后，系统将漏电动作电流的大小和相应的时刻依次存入 eeprom 的数据单元中， 当存储空间满后，后续数据将依次覆盖前面的数据。当无线手持设备向漏电保护器发出请求时，存储 在 eeprom 中的数据依次被读出，经过无线通讯传输到接收设备上。eeprom 读写数据的程序流程 图如图 4.8、图 4.9 所示。 数据eeprom 地址有效？ 设置table指针到当 前页面的末尾 y 设置非法地址标志位 illegal_add 数据eeprom 地址相符？ n 整个页面地址 被访问完？ n table指针递减 n 返回 y y 设置地址未找到标志 位notfd_add 返回数据 eeprom数据 返回0xff 图4.8读eeprom fig.4.8 read eeprom 河北工业大学硕士学位论文 53 数据eeprom 地址有效？ 设置table指针到当 前页面的起始位置 y 设置非法地址标志位 illegal_wadd 数据eeprom 值改变？ y 页面满了？ n 写入并验证数据 eeprom地址和数据 n 返回 n y 设置packskipped 标志位 返回 返回 读当前数据eeprom 的值 在页面寻找 下一个提供的地址 数据验证？ 在页面寻找 下一个提供的地址 页面满了？ 返回 设置写错误 标志位 返回 n pack active page y y n 图4.9 写eeprom fig.4.9 write eeprom 4-2-5 对对 ds3231 实时时钟的编程实时时钟的编程 1. ds3231寄存器的地址、功能和定义 河北工业大学硕士学位论文 54 ds3231内部有19个长度为8位的寄存器，其地址空间是00h12h，根据功能的不同可将它们分为 五组。 (1) 时钟和日历 时钟和日历占用7个寄存器，分别用于秒、分、时、星期、日、月、年等数据的存放。可通过它来 获取实时时钟和日历信息， 也可通过它来设定或者初始化时钟和日历数据。 时钟和日历寄存器的地址范 围是：00h至06h，内容采用bcd格式。ds3231可以运行于12小时或者24小时模式，小时寄存器的第6 位是其选择位。月寄存器的第7位是世纪位，当年寄存器由99溢出至00时，该位会翻转。星期寄存器中 的值在午夜时递增，对应于星期的值由用户定义，但是该值必须连续。 (2) 闹钟 ds3231包含两个定时日期闹钟，可通过写入寄存器07h0dh 来设定告警时间和方式。每个 定时/日期闹钟寄存器的第7位是屏蔽位，当所有的屏蔽位都设置为“0”时，闹钟只有在计时寄存器中 的值与存储于定时/日期闹钟寄存器中的对应值相匹配时才会告警。闹钟也可以编程为每秒、分、时、 星期或日期重复告警。0ah寄存器的第6位用于控制存储于该寄存器第0至第5位的闹钟值是反映星期几 还是月份中的日期。 （3）控制和状态寄存器 ds3231含有1个控制寄存器和1个状态寄存器，它们的地址分别为0eh和0fh。编程这两个寄存器可 以对振荡器、闹钟和方波输出进行控制。状态寄存器还可以用来记录一些事件的发生情况。 （4）晶体老化补偿寄存器 晶体老化补偿寄存器的地址是10h，其内容用8位2的补码表示。在正常温度转换期间，如果温度与 前一次转换结果相比发生改变，或者用户设定控制寄存器的第5位强制温度转换时该寄存器中的数据将 加到电容阵列寄存器中。在不同的温度下，每个lsb对应的频率变化是不同的。频率-温度关系曲线会 根据这个寄存器中的值发生偏移。在+25下，一个lsb通常提供0.1ppm的频率修正。 （5）温度寄存器 温度寄存器的地址范围是11h12h。温度值采用10位2的补码表示，具有+0.25的分辨率。高8位 位于地址11h，低2位位于地址12h的高半字节。 2. ds3231寄存器的访问 寄存器的访问要通过i2c接口来实现， 所以系统微控制器对ds3231的控制程序必须严格按照i2c总线 协议的要求进行编写。除此以外还需要注意以下几点： (1) 在多字节访问过程中，当地址指针到达寄存器空间的末尾(12h)时，将会返回到地址00h。 (2) 任何时候写秒寄存器，计时链都会复位，一旦计时链复位，为避免翻转问题，必须在1秒钟之 内写完剩余的时间和日历寄存器。 (3) 时钟和日历数据的读取在用户缓冲区中进行。在i2c的start条件下或者地址指针递增至地址 00h 时，内部寄存器中的时钟和日历数据将会传输至用户缓冲区。 (4) 当ds3231作为从设备发送或接收数据时， 若遇到vcc掉电或由于其它因素而引发了系统微控制 器的复位，其结果将有可能会造成微控制器与ds3231的i2c通信不同步。这是因ds3231 的i2c接口在 vcc或vbat供电时都可处在活动状态的缘故。为了避免这种不同步状态影响该接口的正常使用，我们 河北工业大学硕士学位论文 55 可以在系统微控制器复位后的初始化程序段中增加一个对ds3231 i2c接口进行复位的子程序。 该子程序 的作用就是将微控制器与ds3231之间的i2c通信恢复到同步状态。 3. ds3231的数据交换及其格式 ds3231 在i2c总线上作为从器件。通过执行start命令并且在验证器件地址后才可以访问。然后 寄存器可以被访问直到执行一个stop命令为止。所有在i2c总线上传输的地址包长度均为9位，它包括7 个地址位，1个r/w控制位和1个应答位ack，如果r/w为1，则执行读操作；如果r/w为0，则执行写操 作。从机寻址后，必须在第9个scl(ack)周期通过拉低sda做出应答，若从机忙或者无法响应主机， 则应在ack周期内保持sda为高。然后主机发出stop状态或者rep start状态重新开始发送。地址包 包括从机地址和称为sla+r或者sla+w的read或者write位。地址字节的msb首先被发送。所有 1111xxxx的地址均保留, 以便将来使用。所有在i2c 总线上传送的数据包长度均为9位，它包括8个数据 位和1个应答位。在数据传送中，主机产生时钟及start与stop状态，而接收器响应接收。应答是由 ack在第9个scl周期拉低sda实现的。如果接收器拉高sda，则发送nack 信号。如果接收器由于某 种原因不能接收更多数据，应在最后一个数据字节后发出nack信号告诉发送器停止发送，首先发送数 据的msb。ds3231通过双向数据线sda和时钟线scl与外界进行数据交换，从其时序关系可看出， ds3231有两种操作方式： (1)写操作：把sda数据线上的数据按ram指定的首地址(word address)依次写入n个字节数据。主 器件首先传输从器件的地址字节， 紧跟着是一系列数据字节。 从器件每收到一个字节后返回一个应答位 ack。其格式如图4.10所示。 s11010000a xxxxxxxx a xxxxxxxx a xxxxxxxx a xxxxxxxx a p slave add r/w word add (n) data (n) data (n+1) data (n+x) 图4.10 写数据格式 fig.4.10 format of writng data (2)读操作：按ram 指定的首地址依次读取n个字节数据，主器件首先传送从器件地址。从器件返 回一个应答位。 随后是从器件传输的一系列数据字节， 主器件收到除最后一个字节外的所有字节后返回 一个应答位。在收到最后一个字节后 返回一个“非应答位”nack。其格式如图4.11所示。 s11010001a xxx