（电力系统及其自动化专业论文）电网故障模拟量发生器的研制.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t o d ya n dd e v e l o p m e n to f t h ee x p e + i m t so f t e a c h i n gf o rd i g i 扭lr 酬y m g p f o t 枷o l lo na b r o a da n dh o m e b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fe x p e r i m e n t so ft e a c h i n gf o rd i g i t u l r e l a y i n gp r o t e c t i o n , g e n e r a t o rp r o d u c i n gf a u l t c u r r e n ta n dv o l t a g ea p p l i e dt o r e l a yp r o t e c t i o n e x p e r h n e n t si sd e v e l o p e d t h i sd e v i c ep r o v i d em m l o go u t p u tc o m b i n e dw i t h np e r i o d i ca n a t o gs i g n a l d e v i c ea n ds o , w a r ea r ei n c l u d e d t 1 1 砖p cs o f t w a r ei sc o n v e n i e n c e l yf o rb r o w s i n ga n ds e t t i n gw i 出- f r i e n d l yi n t e r f a c e i ti sc h i e f l yf o rp r o v i d i n gf a u l tv o l t a g ea n d w r e n tw i t ht h ed l g i u ag e n e r a t o rd w i t h r o u g hs e t t i n g - u pl i n ep a r a m e t e r s , f a u l tm o d e la n df a u l tp o i n t ，a n di sc o n v e n i e n c e l ys e t t i n gw i t h - f r i e n d l yi n t e r f a c e d 嘶i sm a d c 印o f m i o r o p r o c a s s o ra n dp e r i p h e r yc i l - e n i t s m s p 4 3 0 f 1 4 9m c u a c t s c mr o u td a n v e f t i o nm o d u l e , s w i t c hs t a t u sm o n i t o rm o d u l e , l e dd i s p l a yl n o d u ka n d c o m m x m i c a t i o nm o d u l ea i n c l u d e di np e m , h e f yc i n c u l t s r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o ni n t e f f a c a sa a v a i l a b l ei n 捌w h i c hm a k e sc o m m u n i c a t i o n 矗l s y t h es i n g l ec h i ps o t t w a r ec a 叭_ yo u ta n l o g o u t p u to ft h r e ep h a s e sv o l t a g ea n dt h r e ep h a s e sa m r e n t ss i m u l t a n e n u s l ya n dc o n n n o n i c a t i o nf u n “o n d c v i c o n t a i n saj t a gi n t e r f a c ef o rc o n v e n i e n c ed e b u g g i n g 脚af l e x i b l es u u c t u r ef o re a s y d i s a s s e m b l y e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ec o n f i g u r a t i o ns o t 陪w a r ec a nr e a c he x p e c t e d e f f e c t k e y w o r d $ ：d i g i t a lr e l a y i n gp r o t e c t i o n , s h o r tc i r c u i tf a u l ts i m u l a t i o n , f a u l tg n e n r a t o r , e x p e r i m e n t d e v i c e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意 研究生签名：溯追鹂 晌。叩刖咱 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容 t 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 时间： 时间： 年占月，d 日 月他日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究的意义与目的 第一章绪论 电力系统继电保护是电力系统中的一个重要方向，它是在电力系统发生故障或不正常运行状 态时迅速而有选择性地切除故障元件，从而保证电力系统其他非故障元件能够安全可靠运行”j 微机保护就是指以数字式计算机( 包括微型计算机) 为基础而构成的继电保护【2 1 近年来，计算机和通信技术取得了突飞猛进的发展电力行业的继电保护装置也已从8 0 年 代以分离元件为主发展成为以微机继电保护装置为主唧但在电力系统继电保护人才培养方面， 高校中的电力系统继电保护实验室设备却相对滞后，当前继电保护的应用现状和人才的培养要求 存在一定的差距，是目前各高校继电保护实验教学面临的主要f - - 题1 , 1 目前各高校也有继电护实验装置的研究，但是通过文献查阅，发现基于图形化平台为继电保 护实验装置提供故障电信号的装置的研究还是一个薄弱环节。而课题主要便是基于图形化电气接 线平台给继电保护实验装置提供实际短路的电压电流 目前，继电保护实验装置与电力系统接线图脱节，学生在做继电保护实验时，只是看到保护 装置是否动作而已，为了让学生不仅仅了解保护的动作过程，还为了要让学生结合实际，了解保 护动作的电气原因，即从电气接线图上形象地设置故障原因，观察保护装置动作，以此验证继电 保护的原理，开发与研制了电网故障模拟量发生器学生可自行设计实验方案，并动手实施和验 证这种方式可以充分发挥学生的主观能动性和参与性，动手能力和解决实际问题的能力都可以 得到锻炼同时，也对从理论到实践的过程有了深刻体会这是开发与研制电网故障模拟量发生 器的原因之一 微机继电保护测试装置是给继电保护实验装置或继电保护现场装置提供故障模拟量的装置。 而该装置一般是给出幅值稳定的稳态正弦波形，不考虑代表短路故障的非周期分量的叠加，则弱 化了电力系统故障的暂态电气性质在继电保护教学中，为了加强学生对短路发生瞬间的电气管 态特性的认识，开发与研制了电网故障模拟量发生器。 另外，实际微机继电保护装置的输入模拟量为带有非周期分量的故障量，为了使继电保护实 验装置更接近实际，为了验证微机保护算法在实际应用中的正确性，因此，开发与研制了电网故 障模拟量发生器。 基于以上三点，为解决继电保护教学的理论与实际相结合问题，开发典型回路的图形平台， 针对接近实际的典型回路、给定故障，实现简单电网各种短路故障过程的简单模拟，为继电保护 实验装置提供故障电信号，观察继电保护的动作情况。使学生更形象地理解继电保护基本原理 1 2 国内外微机保护用模拟输出装置的发展现状 1 2 1 微机保护用模拟输出装置的发展现状 目前，国外有较先进的微机保护实验室用于教学典型的是加拿大s a s k a t , 蛔a n 大学用于教 l 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 学和科研的电力系统微机保护实验室，可完成输电线路保护、算法与分析、变压器保护、发电机 保护、频率继电器、故障定位和自适应继电器的研究四该实验室虽然功能强大、全面，但全套 设备价格昂贵，无法普及到我国高校的实验教学中去 我国高校针对微机保护实验教学，研制开发的这类产品各具特色，功能也各有不同和侧重 目前高校典型的微机保护实验产品主要有： 国内华中理工大学电力自动化研究所研制的w l z b - i i 型微机线路保护教学实验台嗍该实验 台由三项调压器、滑线变阻器、系统电阻箱、三段式微机电流保护装置、三段式微机电压保护装 置、三段式阻抗保护装置等组成。可进行电流、电压保护实验和阻抗保护实验 该实验台各种装置都具有自己的特点和实验范围，但使用缺乏灵活性，而且占地面积大，不 利于携带和移动 国内外针对微机保护实验教学研制的同类产品繁多，功能各异也各有侧重但微机保护实验 装置与微机保护装置存在差别，即后者应用于现场，有现场真实的模拟量的输入 1 2 2 电网故障模拟量发生器的发展概况 本课题需要开发和研制的电网故障模拟量发生器在功能方面源于微机继电保护测试装置，均 为保护装置提供模拟量输入国外的微机继电保护测试装置发展已比较完善，以瑞士保加玛公司 的三相继电保护测试系统f r e j a 3 0 0 ”1 、单相继电保护测试仪6 5 0 “1 、继电保护测试仪7 5 0 ”；美国 m e g g e r a v o 公司的通用行继电测试仪s r - 9 8 ”、全自动继电保护测试仪器h p r t - 8 4 1 5 8 4 3 0 1 ； 新加坡信达仪器公司的v e n u s - 3 3 0 、v e n u s - 3 3 0 a ，v e n u s - 3 4 0 a 、v e n u s 一3 6 0 a 、v e n u s 一6 3 0 a “”为主 而国内发展起步比较晚，但发展比较快，生产厂家也比较广泛，如有四方华能的v d r f 2 0 0 0 多 功能继电保护测试装置“”、d r t s 系列继电保护测试仪1 ，s r t s - 9 0 8 继电保护测试仪“o ；华为电 气的i 弭j c - b 型继电保护测试仪；许继的i r t - s c 系列继电保护测试仪、m f t b - 3 多功能继电 保护测试装置；南瑞电气的i ) s f 系列继电保护测试仿真装置“”；豪迈电气的。继保之 星7 0 1 7 0 2 ，8 0 1 8 0 2 等等 通常微机保护测试装置通过数值设定来模拟故障短路电信号即可使继电保护装置作出判断。 因为测试装置的主要用途是检修现场继电保护装置，或是检修欲投入现场使用的保护装置动作的 正确性与可靠性，给现场保护装置提供的模拟量只是一个可调幅值的简单l e 弦波( 根据要求可以 适当调整幅值) 而本课题研制的电网故障模拟量发生器，实现的功能则不只是简单地给定一个正弦波，而是 通过一系列线路参数设定、短路模型设置等来模拟实际的短路电流电压短路电流电压的幅值只 能通过之前的参数设定，短路计算所得若要改变其幅值大小。只能改变短路故障前的参数设置， 开始模拟新的短路过程 此外，上述国内外测试仪的人机交互方面只是一些数据的传递与显示，基于学生实验的要求， 使学生的实验更丰富更形象。则提供可视化的简单电力系统接线图，使学生形成简单的电力系统 的概念，便于验证继电保护原理 2 中国农业大学硬士学位论文 第一章绪论 1 3 电网故障模拟量发生器的功能及特点 电网故障电流电压发生器是实现周期分量和非周期分量的混合量的模拟输出，为学生做微机 保护实验装置提供故障模拟量输入的装置本装置具有以下基本功能： 上位机部分： ( 1 )图形化显示电气接线图； ( 2 )参数可选 ( 3 ) 计算实际短路电压电流 ( 4 ) 故障波形图示化； ( 5 )串口通讯 下位机部分： ( 1 ) 用液晶显示系统短路故障8 个模拟量的幅值； ( 2 ) 用外部存储器作为模拟量离散值的缓存区； ( 3 ) d a 转换模拟输出； ( 4 ) 多种输出模式：输出通道自由选择；自动，手动输出可以任意选择； 其特点如下： ( 1 )为微机保护实验装置提供锥周期分量与周期分筮叠加的模拟量输入符合电力系统 故障的暂态电气特性。更接近实际情况； ( 2 ) 学生在实验中，可以自己设计选择线路模型、故障类型、短路位置产生不同的模拟 量输入来完成不同的微机保护实验； 所以，电网故障模拟量发生器便于操作，安全性好，便于管理，占地小，可以调动学生主动 参与性，提高实验兴趣，可以让继电保护实验达到应有的教学目的 1 4 本课题的主要研究内容及主要工作 1 4 1 本课题的主要研究内容 本课题的研究主要是针对继电保护课程实验教学的需要，研制开发电网故障电流电压发生 器。该装置能基本实现周期分量和非周期分量的混合量的模拟输出，为学生傲微机保护实验装置 提供小幅值的故障电信号。该装置由下位机发生装置和上位机嵌入式可视化软件组成。 1 4 2 本课题的主要工作 1 上位机实验软件 采用v c + 嘶o 为主要软件编写的工具，完成电气接线参数化操作、短路计算模块其中，电 气接线参数化操作主要有设定线路参数，选择短路模型，设置短路点等人机界面友好，方便进 行各种简单继电保护原理实验上位机负责模拟信号的数字离散化，即将计算所得的短路点处的 三相电压，电流及零序电压、电流幅值和相角按每周波1 2 8 点采样离散化，并将离散数据下传至 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 下位机装置 2 下位机( 1 ) 数字板硬件设计 以公司的1 6 位f l a s h 型m c i 卜- m s p 4 3 0 n 4 9 为处理器由p c 机与m s p 4 3 0 的通讯， 将离散数字量经d a 转换、低通滤波、功率放大后，即可作为继电保护实验的模拟输入量，接入 继电保护实验装置m a x i m 的8 路1 2 位d a 转换芯片实现三相电流、三相电压及零序电流电压8 路模拟量的同时输出装置具有按键、显示、通讯等辅助功能模块 3 下位机( 2 ) 模拟板的硬件设计 实现数字板输出电压、电流波形的放大 3 v 小电压放大至1 0 0 v 的电压；3 v 小电压经过压 流转换，再放大至5 a 的电流 4 中国农业大学硕士学位论文 第二章电同故障模拟量发生嚣的总体设计与分析 i 置量曼曼詈曼量量皇量曼蔓皇量皇皇曼鲁置皇曼曼曼曼量蔓邕皇量量量量| | 曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼i 第二章电网故障模拟量发生器的总体设计与分析 继电保护是保证电力系统安全运行的关键，是电力专业学生必修的一项重要的基础理论知 识虽然微机保护已在电力系统中得到了广泛的应用，各院校也相应开设了微机保护课程，但微 机保护的教学工作无论是在教材建设还是实验室建设方面都明显滞后于微机保护在现场的推广 应用工作，其基本理论逻辑性较强原理相对抽象，大部分高校缺乏实验环节的验证。这是目前各 高校继电保护教学面临的主要问题为了配合微机保护的教学工作，克服微机保护教学的抽象性， 使学生能够形象生动地了解微机保护的构成原理以及各部分功能，各类高校也相继开发了微机保 护实验系统 2 1 与微机保护实验装置的配合 虽然各类高校也相继开发了微机保护实验系统，但基本上为微机保护实验装置配微机保护测 试仪考虑到微机保护测试仪为微机保护实验装置提供的故障模拟量变化过于单一，只能单步增 减，与电气接线图脱节，灵活性差等不足，为保证微机保护实验整体完整性，做到功能齐全，实 验到位，则应将电网故障模拟量发生器代替微机保护测试仪，纳入整个实验系统中 整个实验系统如图2 - l 所示 图2 _ 系统结构圈 第一部分 第二部分 整个实验系统分成两部分第一部分为短路故障可视化软件与电网故障模拟量发生器，其上 位机通过通讯( 1 ) 向下位机传送d a 转换所需的数字量，再d a 转换输出相应的模拟量；第二部分 为微机保护组态软件与微机保护实验装置，通过上位机组态软件设置各个功能模块的参数和保护 实验所需的整定参数，通过通信( 2 ) 将参数下传到下位机第一部分装置为第二部分装置提供输 入本课题的任务便是开发和研制第一部分 5 中国农业大学硕士学位论文 第二章电网故障模拟量发生器的总体设计与分析 2 2 系统总体描述 微机继电保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其他变换器上采样 取得信息实际运行中，取得的信息通常为带有非周期分量的故障量，该信息作为微机继电保护 装置的模拟输入量，经过微机继电保护算法滤除衰减直流分量，从而得到故障量的幅值，与整定 值的大小比较决定继电器是否动作 为了配合微机保护的教学和科研工作针对继电保护课程教学的需要，开发人机交互界面友 好，易于操作和升级的上位机图形化软件和下位机硬件。通过上位机的电气接线图形化操作，经 过短路计算模块，由下位机输出仿真故障电流电压信号，使学生通过自己动手操作了解继电保护 的基本原理故障电网模拟量发生器的基本组成框图如图2 - 2 所示 围2 - - 2 故障电罔模拟量发生嚣的基本组成框啊 设计考虑系统应力求简单易撵作、经济可靠 2 3 本章小结 本章简要介绍了微机继电保护实验系统的两个重要组成部分，并讲述了电网故障模拟量发生 器在微机继电保护实验过程中的作用根据高校微机继电保护实验的需求，确立了电网故障模拟 量发生器的总体框架 6 中国农业大学硕t 学位论文第三章下位机( 1 ) 数字板总体电路设计与分析 第三章下位机( 1 ) 数字板总体电路设计与分析 1，： 3 1 硬件电路的总体设计 随着近几年电力系统的飞速发展，微机保护装置逐步向高集成度、高速、高可靠性发展本 装置考虑到实验的灵活性要求，采用了低功耗型的高性能f l a s h 型的m c u ，能有选择地为继电 保护实验装置提供各种模拟量输入。 本装置需要大量数据的通讯、存储、处理，并由数模转换器d a c 输出。本装置为微机保护 实验装置提供的输入模拟量涵盖电力系统继电保护教材中提及的各种主要基本短路故障类型 本装置硬件核心采用1 1 公司m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片作为微控制器，并配有适当的外围电路来完成 各项功能。本系统的硬件结构主要包括：中央处理单元，数据转换输出单元，存储器读写单元、 人机接口( 按键与显示) 单元、通信单元，各部分如图3 - 1 所示。 3 2 主要芯片和器件的选择 3 2 1 微处理器的选择 图3 _ l 硬件电路总体结构田 随着微电子技术的发展，一系列高性能的微摔制器纷纷出现，如何在实现装置功能摹础卜选 择性价比较高的单片机作为装置的核心是菲常关键的。现阶段对单片机进行选型，主要是考察单 片机的速度、存储量、i ( 3 口数量和内嵌的功能模块多少 m s p 4 3 0 系列是一个1 6 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1 9 9 6 年 问世，它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。目前m s p 4 3 0 系列有o p t 型、f l a s h 型和r o m 型三种类型的器件。这些器件的开发手段不同。对于o p t 型和r o m 型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片。因此，用户可以用用o t p 型( p ) 7 中国农业大学硕士学位论文 第三章下位机( 1 ) 数字板总体电路设计与分析 进行小批量生产；而r o m 型( c ) 则适应大批量生产 结合装置本身的功能要求，选择m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机比较合适，原因从表3 - 1 可以看出 寰纠单片机各参敦指标与装置功能要求对黑囊 1 1 公司在2 0 0 0 年7 月将f l a s h 技术引入m s p 4 3 0 系列中，推出f 1 3 x f 1 4 x 系列 m s p 4 3 0 系列的f l a s h 存储器，在系统设计，开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点器 件片内有j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h 存储器，因此采用先下载程序到f l a s h 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由j t a g 接口读取片内信息供设计者调试使用的方 法进行开发这种以f l a s h 技术与f e t 开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优 点这种方式只需要一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不需要仿真器和编程器。给用户提供 了一个较为理想的样机开发方式开发语言有汇编语言和c 语言。 m s p 4 3 0 单片机目前主要以f l a s h 型为主本课题选用f 1 3 x f 1 4 x 系列中m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机，其内部框图如图3 - 2 所示 其主要特点如下j ： 超低功耗 h s p 4 3 0 系列单片机的电源电压采用的是1 8 3 6 1 r 电压在l 姗z 的时钟条件下运行时， 芯片的电流会在2 0 0 4 0 0 u a 左右，时钟关断模式的最低功耗只有o - l u a 在m s p 4 3 0 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和d c o 数字振荡器时钟系统。 使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生c p u 和各功能所需的时钟，并且这些时钟可以在指 令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。 在系统中共有一种活动模式( a m ) 和五种低功耗模式( l p 啪l p v 4 ) 处理能力强 t 4 s p 4 3 0 系列单片机是一个1 6 位的单片机，采用了精简指令集( r i s c ) 结构，具有丰富 的寻址方式( 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) ，简洁的2 7 条内核指令以及大量的 模拟指令，大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理指令，有 较高的处理速度( 在i o m h z 晶体驱动下指令周期为1 0 0n s ) 。这些特点保证了可编制出高效率 的源程序 _ i s p 4 3 0 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电 的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6 u s 8 中国农业大学硕士学位论文 第三章下位机( 1 ) 数字板总体电路设计与分析 9 蔫螗1i协ox-鬻 中国农业大学硕士学位论文第三章下位机( 1 ) 数字板总体电路设计与分析 片上外围模块丰富 煅p 4 3 0f 1 3 x f 1 4 x 系列单片机集成了较丰富的片内外设m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机包含：基础 时钟模块( 1 个数控振荡器和2 个晶体振荡器) 、看门狗定时器( 可用作通用定时器) 、两个1 6 位定时器( 含有多个捕捉比较寄存器) 、2 个具有中断功能的8 位并行端口p l 、4 个8 位并行端 口p 3 p 4 、模拟比较器a 、1 2 位 d 转换器、2 个串行通信串口、硬件乘法器等k s p 4 3 0 系列单 片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便 开发方式方便 利用单片机本身具有的j t a g 接口或片内b o o tr 伽，可以在一台p c 及一个结构小巧的j t a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序调试。 由上述描述可以知道，m s p 4 3 0 f 1 4 9 是一款性能优异，开发调试方便的单片机，选择此类型的 单片机主要是因为： 1 片内集成1 6 位c p u ，6 0 kf l a s h 存储器，并具有丰富的片上外围模块，省去了为实现系 统功能而增加外部芯片，简化了系统的硬件设计，将低了开发成本另外，该芯片利用j t a g 接 口下载程序，方便调试，缩短系统的软件开发周期 2 在d a 输出时，低电源电压可以降低芯片功耗，增加使用寿命 3 采用了精简指令集( r i s c ) 结构，可以做到c 语言与汇编语言同样的编程效率由于c 语言可读性较汇编高，易于后期软件升级开发等 3 2 2 数模转换队芯片的选择 在为微机保护实验装置提供模拟输入量时，提供的输入量通道往往不只1 个，这在电网故障 模拟量发生器的研制中就需要设计多回路同时输出功能以往的测试仪常常每个回路采用一组d a 转换芯片，不仅无法确保输出的同时性，而且接口复杂，可靠性低。所以在电网故障模拟量发生 器的开发研制过程中，仅采用l 片性能优异的8 路串行d 转换器m a x 5 3 0 7 ，配合一片电压基准 芯片，成功地完成了8 个回路的同时输出。该设计不仅实时性好、接口简单，而且体积小、可靠 性高。 m a x 5 3 0 7 是1 2 位，8 通道低功耗电压输出d a c ，采用小型t s s o p l 6 引脚封装，十分节省空间； 供电电压+ 2 7 v + 5 5 v ；每个d a c 通道最多只需要2 1 5p a ，其软关断功能可将其消耗电流减 少到1p a ；输出稳定度达2n v s ，非常适合应用在要求快速响应的闭环数字控制系统中。 i n x 5 3 0 7 具有3 线s p i ( 串行外围接口) ，通信频率可达1 5 姗z ，可用软命令单独或同时更新 其输入和转换输出寄存器m a x 5 3 0 7 这些灵活的特性在多回路输出系统中得到了充分发挥 3 2 3 存储器s r 棚的选择 上位机数据处理中，会将三相电压电流及零序电压电流值每周波1 2 8 点采样。采样值再通过 通信下传至下位机。眈、址、l 、厶、t 、厶共8 个通道，每周波采样1 2 8 点， 每点用1 6 位存储，则8 通道一周波会生成1 2 8 8 2 个字节，即2 k b 。而m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部只 有2 k 的r a m ，只能放一个周波的数据，而且程序变量就没有存放的空间了。所以，将程序中的 1 0 中国农业大学硕士学位论文第三章下位机( 1 ) 数字板总体电路设计与分析 皇! ! ! ! ! e ! 目e | e ! ! ! ! ! ! e ! | 目! 皇目| 目| ! | 自! e ! ! | | | 目| ! 目目目! e 目! e ! ! 目! | e 目一i 其他变量放在4 3 0 的内部2 u m 里，而将采样值统一存入外扩的静态r a m 中 本装置的静态存储器芯片采用美国集成器件技术公司i d t ( h t e g r a t e dd e v i c e t e c h n o l o g y ) 公司 生产的i d t 7 1 v 2 5 6 s a ，其容量为3 2 k b y t e ，可以存储8 个通道1 6 个周波的数据目前，本实验 只考虑采样1 6 个周波的数据，即短路前1 2 个周波，短路后4 个周波考虑到本实验装置主要为 继电保护实验装置提供一段速断保护的短路电压电流，当需要实现二段保护时，则假定二段短路 电压电流即为短路电压电流趋于稳态之后的数值 i d t 7 1 v 2 5 6 s a 是一款3 2 k x8 b i t 高速静态存储器，采用i d t 高性能、高可靠性的c o m s 工 艺制造主要技术参数和性能如下： ( 1 )高性能处理器二级缓存 ( 2 )3 3 v ( i - 0 3v ) 单电源供电 ( 3 ) t 作温度：商业级( 0 0 c 到7 0 。c ) ；工业级( 4 0 6 到8 5 。) ( 4 )高速存储时间：商业级：1 0 1 2 1 5 2 0 n s ：工业级：1 5 n s ( 5 )等待状态电流低：最大2 m a ( 6 )输入输出i 兼容 3 2 4 液晶显示器l o d 的选择 本装置从电路设计简单、减小功耗、能显示多种字符的想法出发，采用了l c m l 2 2 3 2 z k 图形 点阵液晶显示模块，其液晶屏幕为1 2 2 3 2 ，可显示两行每行可显示7 个半汉字 中文液晶显示模块l c m x x z k 的字型r o m 内含8 1 9 2 个1 6 x1 6 点中文字型和1 2 8 个1 6 8 半宽的字母符号字型低功耗设计可满足产品的省电要求同时，与单片机等微控器的接口 界面灵活( - - 种模式并行：8 位4 位；串行，3 _ t y e 2 线) 。中文液晶显示模块可实现汉字a s c l l 码 点阵图形的同屏显示中文液晶显示模块具有上门：黼移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令， 具有光标显示闪烁控制命令及液晶睡唰唤醒关闭显示命令，预留多种控制线( 复位，串并选择亮 度调整) 供用户灵活使用 3 3m c u 与外围电路连接方式 m s p 4 3 0 与外围电路的连接方式采用f o 口模拟总线方式 m s p 4 3 0 系列其基本架构是1 6 位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8 位的总线， 再加上本身就是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8 位的功能模块， 还是1 6 位的功能模块，即使扩展模数转换或数模转换这类的功能模块也是很方便的 外围芯片时序不同，需解决芯片之间m o t o r o l a 时序与i n t e l 时序的矛盾，采用f o 口模拟总 线比较灵活，适应各种时序的操作 采用地址和数据总线复用的方式，以减少所需要的端口引脚数 中国农业大学硕士学位论文第三章下位机( 1 ) 数字板总体电路设计与分析 3 4 外部复位电路 复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后撤销复位信号为可 靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引 起的抖动而影响复位 3 5 外围电路的设计与连接 1 输出d a 单元 a x 5 3 0 7 是1 2 位、8 通道低功耗电压输出d a c 。采用小型t s s o p l 6 引脚封装，十分节省 空间；供电电压+ 互7 v 一+ 5 5 v m a x 5 3 0 7 与单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 采用3 线s i i ( 串行外围接口) 连接方式，通信频率可达 1 5m h z ，可用软命令单独或同时更新其输入和转换输出寄存器。 2 通讯r s 2 3 2 单元 本装置采用最常用的r s - 2 3 2 通信来完成与计算机之间的数据传输r s - 2 3 2 作为一种通信标 准，已经在微机串行通信接口中广泛应用其传输距离小于1 5 m ，远距离通信时一般要加调制解 调器；近距离通信时可不采用调制解调器，双方可以直接连接。本装置与上位机采用近距离通信， 只需3 根信号线( 发送线t x d 、接收线r x d 、信号地线s g ) 便可以实现全双工异步串行通信 因为m s p 4 3 0 f 1 4 9 供电电压为3 3 v ，则选用电源电压为3 3 v 的m a ) ( 3 2 3 2 来完成l 峪- 2 3 2 与t r l 电平的转换。如图3 - 3 为r s - 2 3 2 通信电路。 3 静态存储器读写单元 圈3 - 31 毽- 2 3 2 通信电路 1 2 中国农业大学硕士学位论文第三章下位机( 1 ) 数字板总体电路设计与分析 本装置使用k t c g m o e d d e v i c e t e c h n o l o g i e s 生产的i d t 7 i v 2 5 6 s a - 3 2 k x 8 位3 v s r a m 采用地 址和数据总线复用的方式以减少所需要的端口引脚数当传输数据时，低8 位地址保持在7 4 l s 5 7 3 锁存器中 这一多路复用的并行接口实现方案使用一般的l ，0 端口却达到了较高的数据传输率 4 液晶显示及按键单元 本装置采用l c m l 2 2 3 2 z k 图形点阵液晶显示模块。其液晶屏幕为1 2 2 x 3 2 。可显示两行，每 行可显示7 个半汉字与m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的连接采用8 位并行模式。 、 本装置设有4 个按键，分别为。o k 气“e s c ”用于显示层次的切换以及。t ”、。l ”用于模 拟量数值的切换显示 3 6 本章小结 本章根据电网故障模拟量发生器的总体框架，确立了下位机( 1 ) 数字板硬件电路的总体设 计方案依据硬件设计流程，依次介绍了主芯片与主要外围芯片( 数模转换d a 芯片、存储器 s r a m 、液晶显示器l ( = d ) 的选型，主芯片与外围电路连接方式的确定，外部复位电路的确定以 及主要外围功能模块电路的设计 1 3 中国农业大学硕士学位论文第四章下位机( 1 ) 数字板的单片机软件设计 第四章下位机( 1 ) 数字板的单片机软件设计 4 1 系统软件设计 系统的软件是根据系统的功能要求而设计的，主要完成验证性功能本装置采用1 1 公司的1 6 位单片机，每部分电路完成的功能各不相同，除要对每一部分进行软件设计之外，还要综合考虑 两部分如何实现数据传输及信息的传递。对于每一部分的程序都采用模块化设计，使系统的软件 结构清晰，易于理解，便于调试、连接、修改和移植。 单片机应用系统的软件设计和一般的程序设计不同，既有各种计算程序设计，还要结合具体 的硬件电路进行各种输入输出程序设计软件设计必须在硬件、软件功能划分基础上进行 4 1 1 模块化设计 软件产品可以被看作是由一系列具有特定功能的组件组成，作为一个完整的系统也可以被分 解成一系列功能模块。这些模块之间的相互作用就形成了系统的所有功能所谓模块是指可组 成系统的，具有某种确定独立功能的半自律性的子系统，可以通过标准的界面和其他同样的子系 统按照一定的规则相互联系而构成的更加复杂的系统每个模块的研发和改进都独立于其他模块 的研发和改进，每个模块所特有的信息处理过程都被包含在模块的内部，如同一个。黑箱”，但 是有一个或数个通用的标准界面与系统货其他模块相互连接。 软件模块是与实现某一相对独立子功能相关的若干数据说明与程序段的有名集合【2 2 】，典型 的模块可以是过程、函数、子程序、宏模块化就是将软件系统划分为若干个模块，每个模块完 成一个相对独立的予功能，把这些模块集成起来构成一个整体，就可以完成指定的功能满足相应 的要求【2 3 】 目前，模块化方法已为所有工程领域所接受。模块化设计有如下特点： ( 1 ) 各模块相对独立，功能单一，可混合编写，也可独立编写 ( 2 ) 可集体开发，缩短开发周期 ( 3 ) 模块可在不同的应用程序中多次使用，减少重复劳动，提高开发效率 ( 4 ) 测试、更新以模块为单位进行而不会影响其他模块 4 2 单片机软件设计 本课题单片机系统软件采用模块化设计方法，将软件分成各个功能模块，主要包括：通讯模 块、存储器读写模块，数模转换模块、就地显示模块。 1 4 中国农业大学硕士学位论文 第四章下位机( 1 ) 数字板的单片机软件设计 单片机软件主要采用c 语言设计进行编写编译环境为1 1 公司提供的适用于m s p 4 3 0 的l a b e m b e d d e dw o r k b e n c hf o rm s p 4 3 0v 3 1 0 a 此编译环境可以做到c 语言编程与汇编语言编程效率基 本相同，但考虑到代码的可读性、重复利用性，减少代码开发周期，则多采用c 语言编写程序 而小部分程序对执行时间或时序配合上有较高要求，则采用汇编语言编写故整个程序是c 语言 和汇编语言共同编写的混合体。单片机软件主要包括通信模块、s r a m 的读写模块、实时时钟模 块、d a 转换模块、就地显示模块等下位机软件程序总体框图如图4 - l 所示 4 2 1 时钟系统 否 圈4 - 1 下位机软件程序总体框图 从低功耗的角度看，需要较低的频率，但是在实时应用中为了快速响应外部事件又需要有比 较快的系统时钟。这就需要系统具有两个高低不同的频率，在需要的时候可以在两个频率之间进 行切换为了保证切换迅速、时间延迟少，又要求低q 疽振荡器。同时切换时往往造成时钟频率 的不稳定，这对于要求频率稳定的系统，如实时时钟r t c 而言又是不适合的设计一个完全达到 以上要求的时钟系统是很困难的，m s p 4 3 0 采用了一种折衷办法，即在c p u 外使用一个较低的频 率为3 27 6 8h z 的钟表晶体振荡器生成辅助时钟a c l k ，能够保证一些低频率应用场合的要求，对 1 5 中国农业大学硕士学位论文第四章下位机( 1 ) 数字板的单片机软件设计 于一些低频工作的外设而言可以直接作为信号源或时钟，而无需增加额外的分频电路；同时。在 c p u 内部使用结合数字控制振荡器d ( 的f l l 技术，将a c u 0 倍频升高，作为系统的主时钟 m c l k 它使得指令能够在较低晶振下获得高时钟时的运行速度。能够满足高速实时的要求低、 高频之问的切换只需6 p0 对于1 4 9 型号的芯片而言，更具有第三个频率s m c l l ( 可供外设使用， 它可外接二个晶振，当设置d c o r = 0 时s m c 【，k 使用d c o c l k ，当d c o r = i 时s m c 【x 使用第二个 外接晶振x 2 x 2 的频率一般t f , x l 要高。这样便又可以满足高速外设的要求 m s p 4 3 0 根据型号的不同最多可以选择使用3 个振荡器我们可以根据需要选择合适的振荡频 率。并可以在不需要时随时关闭振荡器。以节省功耗这3 个振荡器分别为： ( 1 ) d c o 数控r c 振荡器它在芯片内部。不用时可以关闭d c o 的振荡频率会受周围环 境温度和m s p 4 3 0 工作电压的影响，且同一型号的芯片所产生的频率也不相同但d ( 、o 的调节功 能可以改善它的性能，他的调节分为以下3 步：a ，选择b c s c f l i r s e i , x 确定时钟的标称频率；b ， 选择d c o c r l d c o x 在标称频率基础上分段粗调；c ，选择d c o c t l m o d x 的值进行细调 ( 2 ) l f x t i 接低频振荡器。典型为接3 2 7 6 8 h z 的时钟振荡器，此时振荡器不需要接负载电 容也可以接4 5 0 k h z s m 吆的标准晶体振荡器，此时需要接负载电容 ( 3 ) ) _ 2 接4 5 0 k h z 一8 m h z 的标准晶体振荡器此时需要接负载电容，不用时可以关闭 低频振荡器主要用来降低能量消耗，如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快 速反应或者供c p u 进行大量运算 m s p 4 3 0 的3 种时钟信号：m c l k 系统主时钟；s m c l k 系统子时钟；a c u 滞助时钟 ( 1 ) m c l k 系统主时钟除了c p u 运算使用此时钟以外，外围模块也可以使用m c ik 可以 选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行l 、2 、4 ，8 分频作为其信号源 ( 2 ) s m c l k 系统子时钟。供外围模块使用。并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频 s m c l k 可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行l ，2 、4 、8 分频作为其信号源 ( 3 ) a c l k 辅助时钟。供外围模块使用并在使用前可以通过各模块的寄存器实现分频。但 a c l k 只能由l f x t l 进行l 、2 、4 、8 分频作为信号源。 p u c 复位后，m c l k 和s m c l l ( 的信号源为d c o ，d c o 的振荡频率为8 0 0 k t i z a c l k 的信号 源为l f ) 盯1 m s p 4 3 0 内部含有晶体振荡器失效监测电路，监测l f x t ! ( 工作在高频模式) 和) n _ 2 输出的时 钟信号当时钟信号丢失5 0 u s 时，监测电路捕捉到振荡器失效如果m c l k 信号来f l f x t i 或者 x t 2 ，那么m s p 4 3 0 自动把m c l k 的信号切换为d c o ，这样可以保证程序继续运行但m s p 4 3 0 不 对工作在低频模式的l f x t i 进行监测。 4 2 2 通讯模块 通讯模块承担上位机故障采样离散信号的数据下传以及下位机的收到回应等重要任务，本装 置使用r s 2 3 2 串行通信方式r s 2 3 2 是晟通用的一种连接方法，支持数据传输速率最大为 l m v 2 0 l ( b ，s 为确保通讯成功，通讯双方必须在软件上有一系列的约定，通常称为软件。通讯协议在 该系统中采用的协议如下： 中国农业大学硕士学位论文第四章下位机( 1 ) 敦字板的单片机软件设计 m l 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼置曼曼量曼曼量量量曼置| 量| 置目量曼曼皇曼曼董蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅量蜀皇曼曼! 鼻量皇量! 皇量曼曼蔓曼曼曼奠 开始通讯时，上位机