（农业电气化与自动化专业论文）一种新型微机继电保护实验装置的研制.pdf

摘要本文分析了微机继电保护的发展趋势和高校电力系统继电保护实验教学的需要，针对现有实验设备的改进需求，设计了一种适台于高校实验教学用的微机保护实验装置。该装置基本能实现继电保护教学涉及的各种保护原理能完成各种继电保护实b 鱼该装置硬件殴计以m o t o r o l a的1 6 位f l a s h 型m c u 为中心，外围电路功能完备，包括1 6 路交流模入，8 路直流模入，1 6路开入和8 路开出，并设有r s 2 3 2 和u s b 通信接口。为了提高精度，采州了1 2 传烈极性a d转换器件，并利用锁相环技术实现自适应采样，这样即使系统频率发生缓慢变化，采样频率也能进行自适应调整，保证算法的精度。同时该装置充分考虑了实验教学的需要留有足够的测试点，采用了简单灵活的j t a g 口作为调试接口，并专门设计了易于拆卸的整机结构。配有组态实验软件，人机界面友好，能方便进行各种继电保护原理实验和不同算法的比较。关键词：继电保护，微机保护，实验，自适应采样a b s t r a c tt h i sp a p e ra n a l y z e s t h ed e v e l o p m e n to f t h e m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o na n d t h ea c t u a l i t yo f p o w e rs y s t e mr e l a yp r o t e c t i o nt e a c h i n gi nc o l l e g eb a s e do nt h ed e m a n do ft h ee x p e r i m e n t si nc o l l e g e ，af um u l t i f u n c t i o n a lp r o t e c t i o nd e v i c ef o re x p e r i m e n t si ss t u d i e d t h i si n s t r u m e n tc a nb a s i c a l l ys a t i s f ya lt h et h e o r i e s ，w h i c ha r em e n t i o n e di nt h er e l a yp r o t e c t i o nt e x t b o o k ，s ot h es t u d e n t sc a nc a r r yo u tak i n d so fe x p e r i m e n t so ni tf u r t h e r m o r e ，t h e16 - b i ta d v a n c e df l a s ht y p em c up r o d u c e db ym o t o r o l ab r i n g sh i g hp e r f o r m a n c ef o rt h i si n s t r u m e n t a n dt h ec i r c u i t ss u r r o u n d e da r em u l t i f u n c t i o n a l ，i n c l u d i n g1 6c h a n n e l sf o ra n a l o gi n p u t ，1 6c h a n n e l sf o rs w i t c h i n gi n p u t ，8c h a n n e l sf o rs w i t c h i n go u t p u t ，a n dt h er s 一2 3 2a n du s bc o m m u n i c a t i n gi n t e r f a c e s i no r d e rt og e th i g hp r e c i s i o ni nt h ea n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t i n g ，t w o12 - b i t ，b i p o l a r i n p u t ，m u l t i p l e x e d i n p u ts u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o na n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r sa r eu s e di nt h ei n s t r u m e n ti na d d i t i o n ，ap l l( p h a s e l o c k e d l o o p ) c i r c u i ti su s e d ，i no r d e rt ou s ea d a p t i v es a m p l i n gt e c h n o l o g i ci na n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t i n gs ot h es a m p l i n gf r e q u e n c yw o u l dm a k ea d a p t i v ea d j u s t i n gi ft h ef r e q u e n c yo ft h ep o w e rs y s t e mc h a n g e sa n y t h i sc a r lk e e pt h eh i g hp r e c i s i o ni ns e r i o u sc a s e so t h e r w i s e ，t h i si n s t r u m e n tc o n t a i n se i i o u g it e s tp o i n t sf o re x p e r i m e n t s ，aj 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 ，a n daf l e x i b l es t r u c t u r ef o re a s yd i s a s s e m b l y w i t hac o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei np ca n df r i e n d l yi n t e r f a c ef o rb r o w s i n ga n ds e a i n g ，i ti se a s yt oa c c o m p l i s ha l lt h ee x p e r i m e n t sa n dd oac o m p a r i s o na m o n gt h e mk e y w o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n ，m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ，e x p e r i m e n t ，a d a p t i v es a m p l i n g独创性声明本入声孵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：毒佃叫州吼少于移月加同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。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：和1咖：西年；月必r导师签名时间：f 2 订年e 月h 日，1 。1 问题的提出第一章绪论随着计算机技术、电子技术和通信技术的高速发展，电力系统继电保护装置己从2 0 世纪5 0 年代以前的机电式保护发展到现在的微机型继电保护。微机保护具有巨大的计算、分析汞i 逻辑判断能力，有存储记忆功能，因而可以用以实现任何性能完善且复杂的保护原理。此外，微机保护可用同一硬什实现不同的保护原理，这使保护装置的制造人为简化，也容易实现保护装置的标准化。因此，避入2 0 时世纪9 0 年代以来，微机继电保护得到人耸的j 衄，成为继电保护装置的主要形式。可以说微机保护代表着电力系统继电保护的来米，将成为未来电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的统一计算机系统的组成部分。至今国内高校的继电保护实验大多还部使用传统的实验装置和实验仪器，没有专fj 的j 对r微机继电保护的实验装置。高校开设的“电力系统继电保护”课程的发展却相对滞后，就实验装置来说，基本上采用的还是机电式的装置，体积大而且笨重，动作慢，操作不方便，只能做原理性的验证实验。不能培养学生的创造能力。1 ，2 微机继电保护实验装置开发与应用现状目前国内外的继电保护实验装置不是很多，有些产品的速度不够快，功能不够全面，有些产品的规模过大，价格昂贵，不够灵活。下面简单介绍一下国内外的儿种继电保护实验装置的情况：( 1 ) 山东t 业大学电力学院，研制了一种微机保护实验系统【”i 。实验系统由p c 机、m c s 一9 6系列开发系统和微机保护实验装置三部分构成。介绍了微机保护的基本构成，该系统可_ l - 1 j 微机保护实验教学的三段方向过电流保护和距离保护实验。本装置可以通过p c 机系统汇编程序，下载到开发系统。仅限于三段方向过电流保护和距离保护实验，实验不够全面不能充分利用p c 机及硬件系统的资源。( 2 ) 吉林电气化高等专科学校自控系，研制了微机继电保护实验转置【2 3 】。微机继屯保护采用8 0 c 1 9 6 一k b 芯片作核心控制部件，可同时实现三相线路的电流速断保护，反时限过流保护，中国农业大学硕士学位论文绪论过负荷报警，自动重合闸，断路器故障预警，断相指示，l e 常i ：作时三相电流火小显示锋功能。各种保护动作电流值可通过键盘进行整定。本实验装蟹仅能进行电流保护的各种实验，无法进行其它方式的保护，采用的8 0 c 1 9 6 k b 芯片难以满足大量的数据运算，而且缺少上位机的支持，只能进行简单的实验验证，无法满足各种实验的要求。( 3 ) 华中理工大学电力自动化研究所开发的系列产品有微机线路保护屏、微机变压器保护教学实验台、电力系统综合自动化教学实验系统。每种装置都具有白己的特点和实验范同，不能完成综合的实验。( 4 ) 上海交通大学电气： 程系，开发了开放式微机保护试验平台 z a j 。本文介? “了开放式微机保护试验平台的方案及构成。该平台系统包括基于数据库的电力系统图彤界面管理，短路电流计算和保护定值计算，上位机与保护单元的通讯及整定值修改，e m t p 暂态仿真，以及d a转换等模块。该系统综合展示了，电力系统继电保护的工作原理及过群：包括系统网图，故障点位置设定，短路电流计算，保护的整定值的设定和修改，保护的动作情况。本试验平台实现了对实际电力系统中微机保护的整个过程的演示，模拟和仿真。本系统只是基丁图形界面的微机保护实验平台，即只是停留软件层面上的仿真，不能像硬件一样生动形象的模拟继电保护过程。( 5 ) 加拿大s a s k a t c h e w a n 大学，用丁教学和科研的电力系统微机保护实验室【”i 。实验室里的设备可分为4 类即设计设备，开发设备，执行设备及测试需。使用实验室设备可完成如下研究( 设计、开发、实现、试验) 项目：输电线路保护为输电线路保护设计并实现高速可靠的微机式继电器高速数字距离继电器的软件设计；数字距离继电器与方向继电器的计算机模型；数字距离继电器算法性能评价；多功能微机式方向过电流继电器的设计与实现- 故障分析与数字距离继电保护模态传输的应刷递归数字滤波器及多相距离继电器：数字阻抗继电器的波计；用于输电线路保护的人工神经网络故障方向鉴别器算法与分析电力系统保护继电器中卡尔曼数字滤波器的应用评价继电器算法的交互软件：评价电压信号幅值与频率误差的最小二乘算法；数字继电器的卡尔曼滤波器：数字继电器的计算机辅助设计与性能评价：过电流继电器计算机设计的特性及可行性建模。变压器保护用于保护三相变压器的微处理器系统的设计与实现；保护变压器的微机系统；数字变压器差动限制接地故障继电器。发电机保护同步发电机的定子绕组保护；计算机化的发电机差分保护。频率继电器估计电力系统电压频率的数字技术；频率继电器的数字频率累积变化速率。故障定位依据数字阻抗继电器测量值的输电线路故障定位估计：配电线路故障的定位估计。自适应继电器- 配电网微机自适应保护的设计与实现：用于高电阻接地故障检测与定位的臼适应距离继【乜保护筇法：- 配电网自适应接地故障保护。功能涵盖了继电保护的所有领域，但实验室规模庞大，它有3 个 j 作站和1 4 台p c 机。每个工作站通过以太网与大学计算机连接。每台微机都配有一个或多个高速数字信号处理( d s p )扳、用c 语言编写程序劳将其交叉编泽为d s p 板中汇编语言的设备。d s p 扳执行的每个继电器功能输出到端口，用丁二断路器跳闸。基于本实验装置的庞火结构，对1 i 一般的高校教学来讲难以承受。综合咀上几种实验设备各自存在的一些缺点和问题，本装置要在提高速度、完善功能、增加便捷性和降低成本等方面考虑，使该实验装置的功能更接近r 实j 装置。本装置的开发成功3中国农业大学硕l 学位论文绪论将进一步推进高校电力系统继电保护的教学水平，尤其是实验教学水平，真正能让学生针对各种保护原理进行创造性的实盘便于他们正确掌握各种保护原理同时培养了他们的创新精神，也让他们的的技能更好的适应日后工作的实际需要。1 ，3 本课题的任务和目的本课题的任务是借鉴国内外研制同类装置( 包括实州装簧) 的经验的适用于实验教：学的微机保护装置，解决继电保护实验教学的现有问题要。研制平开发一种先进以适戍教学的发展需一个完整的继电保护系统应包括信号源和保护装置两个部分，基丁实验的需要可能还要与计算机连接，如图1 1 所示。信号源主要是为系统提供一个外部信号，供系统测量平判断，是系统组成部分之一。保护实验装置的开发则是本课题的主要任务，要适丁各种保护方式和算法，而且可以和计算机连接，进行数据传送。r 、卜、信号源实验装置yh 、图11 系统框图该实验系统应遵循电力系统微机继电保护的基本原理，采用了计算速度和集成度较高的微处理器芯片和先进的微机继电保护装置相同的技术，为实现各种保护提供了足够的输入输出通道，可以通过不同的接线方式实现电力系统各种土要类型继电保护硬件架构。并且为了理解各种算法的优劣，可进行不同保护算法的比较。硬件测量维护容易，有助丁实验者迅速掌握微机继电保护系统的组成和微机保护的工作原理，实验者可以通过本装置的实验_ 解刮：( 1 ) 微机型继电保护实验装置的组成；( 2 ) 继电保护数据的采集过程；( 3 ) 继电保护算法的实现过程；( 4 ) 继电保护继电器动作的实现过程：( 5 ) 各种继电保护原理、保护算法之间的不同之处。本装置的研制主要针对高校继电保护教学的现状，特别是继电保护实验的落后状况提出的，同时参考实用微机继电保护装置的发展趋势，以使装置尽可能包括多种保护、测量、控制、通信等功能，适应实验教学的需要。1 4 本课题需解决的问题和难点针对以上继电保护实验装置的一些情况，本实验装置主要需解决以f 闽题：( 1 ) 保证运行速度。早期大多数电力系统继电保护装置的c p u 都采州m c s 一5 l 和8 0 c 一1 9 6系列等微控制器。因其具有较好的控制性能，对于大多数数据处理要求不多，时问要求不严格的控制系统中，采用上述m c u 已绰绰有余。但对于一些比较复袭的系统，特别是那些计算量大，数据处理多的系统，却因其计算耗时较长，无法满足复杂控制算法的需要。现在的电力系统继电保护装置又采用了d s p 芯片做处理器，本装置既然是实验装置，对实时性要求可以适当降低，但大数据量的计算利复杂算法的实现，决定了不能再使用m c s 5 l 和8 0 c 1 9 6 系列等微控制器。要选用速度更快的处理器是本课题的问题之一。( 2 ) 降低设备的成本。目前继电保护装置或继电保护实验系统的价格都比较高，不利于人规模的推广和使用。本装置充分从经济性角度出发，尽力降低设计的开发成本，使系统的价格能够更容易被使用者接收，得到大规模的推广，提高电力继电保护实验的效果。所以本装置应尽量使用性价比较高的器件，在不影响继电保护实验效果的同时，降低成本也是需要解决的问题。( 3 ) 设计全面的功能。在已有的继电保护实验装置中，都有些缺点：保护实验方式不够全面、价格过于昂贵或者通过软件仿真达不到对硬件的了解。其主要的缺点就是保护方式不够全丽，不能完成继电保护教材中涉及的各种保护方式。所以本装黄的主要任务就是完善保护方式，这就要求要采用灵活的接线方式、丰富的保护算法和全面的保护方式，来实现保护装置的全面性。( 4 ) 提高测量的精度。精度是电力系统继电保护的一个十分重要的环节，较高的精度可以保证装置误动作的发生，提供可靠性。所以选_ 钉什么型号的传感器、什么方式的放人屯路、以及a d 转换的位数都决定了本系统的测量精度。所以测量电路的精确度年i 】抗干扰性也是需解决的问题。( 5 ) 易磨损问题。由于本装置是实验装置所以不同于一般的继电保护设备。本装置要经中国农业大学硕士学位论文绪论常有人使用，从而难免有器件的损坏和磨损，所以本装置采用何种耐_ 【_ f j 的利易丁更换的器什，也是需解决的问题。( 6 ) 适当的通信方式。本实验装置要和上位机( 计算机) 通信，采用什么样的通信方式才能更有效，更方便，也是需要考虑的问题。基于目前使用较多的u s b 、r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 等通信方式，要选择适合的一种或几种进行数据传输。( 7 ) 突出实验装置的特点。本装置既然是一套实验装置，除要求能检测外部信号外，还要求能够人为的模拟外部的输入信号，这就要求在电路的设计过年旱中，加入能模拟外部输入的电路，来模拟外部电路的上作状态。加入何种元件，模拟何种外部输入状态也是本系统应考虑的问题。除此，还戍尽可能的设计有比较性的电路，对比之间的区别。6第二章系统总体电路设计与分析2 1 硬件电路总体设计随着电力系统的发展，电网结构的月益复杂，对其保护、控制、驯量、通信等功能的要求越来越高，而且由于新一代、高性能微控制器的出现，微机保护装置将逐步实现高集成度、全功能化。本装置着重考虑了保护的特殊性和实验的灵活性要求，采用了m o t o r o l a 新型的高性能f l a s h 型m c u ，从而使本装置既满足了继电保护的“四性”要求，义能灵活的适廊各种保护原理的需要。继电保护装置不仅要采集各种模拟量和开关量，还需要进行大量的数据计算、分析、处理和存储，并在显示屏上显示山来，本装置为各种保护提供了足够的输入输出通道，可以通过不同的接线方式实现电力系统继电保护教材上提及的各种主要类型的保护。本装置硬件核心采用美国m o t o r o l a 公司m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 芯片作为微制器，并配以适当的外围电路来完成各项功能。本系统的硬什结构主要包括：中央处理单元、数据采集单元( 模拟量和数字量) 、通信单元( r s 2 3 2 和u s b 通信) 、人机接口( 键盘与显示) 单元、时钟单元、模拟量和开关量输出单元，各部分如图21 所示。2 2 主要芯片和器件的选择图2 i 硬件电路总体结构图2 2 t 提高系统速度( 微控制器的选择)随着微电子工艺水平的提高，近十余年来单片微型计算机有了b 跃的发展。目前，大多数7装置的c p u 都采用m c s 一5 1 和8 0 c 1 9 6 系列等微控制器。因其具有较好的控制性能，对于大多数数据处理要求不多，时间要求不严格的控制系统中，采用上述m c u 已绰绰有余。但对于些比较复杂的系统特别是那些计算量大，数据处理多的系统，却因其计算耗时较k 无法满足复杂控制算法的需要。随着电力系统配电网结构的日益复杂以及现代自动化水平的提高，促使人们采取新的控制手段米迅速反应电网的变化，以人幅度提高电网的稳定运行水平。丁_ 是，在整个的控制系统中，要求处理的数据和采用的算法就越来越多。而传统的微控制器由于其不擅长数据的处理就无法满足需要。现在伴随着微电子技术的发展，一系列高性能的微控制器纷纷出现，m o t o r o l a 公司的6 8 h c l 2 系列单片机就是其中之。6 8 h c l 2 系列单片机是6 8 h c i i 单片机的更新换代产品。6 8 h c l l 单片机白8 0 年代后煳咀来，在诸多领域得到了广泛的应用，十余年来，已发展到十余个系列，儿十个品种，生产量上亿片j 在汽车电子、通f 言计算机外设、工业控制、消费类电子产品等方面有广泛地应_ l = | j 。6 8 h c l 2c p u 与6 8 h c l lc p u 的指令在源码级兼容。6 8 h c l 2 单片机比起6 8 h c l l 来，在总线速度上由23 m h z 提高到8 m h z 。增加了一些新的指令，特别是用于模糊逻辑运算与模糊控制的指令。6 8 h c l 2 的基本寻址空间仍为6 4 k b ，但可以采用自动分页的方式扩展应用程序到2 5 6 k b 甚至更多，这样做的好处是指令代码短，程序代码效率高。6 8 h c l 2 目前已有1 2 个系列2 5 个品种。r a m 从1 k b 到1 2 k b ，片内f l a s h ( 闪存) 从3 2 k b 到2 5 6 k b ，e e p r o m 从1 k b 到4 k b 。早期的片内f l a s h 只能保证反复擦写1 0 0 次，近期推出的型号中带a 的单片机擦写次数可达1 万次以上。中央处理器c p u l 2 由以下三部分组成：算术逻辑单元( a l u ) 、控制单元和寄存器组。c p u内部总线频率为8 m h z 。寻址方式有1 6 种，堆栈指针和变址寄存器均为1 6 位，它具有很强的高级语言支持功能。c p u l 2 的累加器a 和b 是1 6 位的，也可以组成3 2 位累加器d 。c p u l 2 的寄存器组包括如下5 个部分：- 1 6 位累加器a 、b 或3 2 位的累加器d ；1 6 位变址寄存器x 和y 是用来处理操作数的地址，可分别用于源地址、目的地址的指针型变量运算；堆栈指针( s p ) 是1 6 位寄存器：r中国农业大学硕士学位论文系统l 乜路设计。分析程序计数器( p c ) 是1 6 位寄存器，它表示下一条指令或r 一个操作数的地址- 条件码寄存器( c c r ) 。本装置使用的是m c 6 8 h c l 2 系列中的m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 单片机，它的内部框图如图22所示。1 2 8 kb y t e # a s he e p r o m删烈 渤a f d l 疆 洲懋l ：v v 0 8 s d a a- - ib y b k 啦幢r a m_ _ n0a n 0 0o一p a d 0 1a l j1一p d一p 0 0 2a n2盆_ 卜_ p a d+ _ p a d a n卜卜_ p a d4 i - - p d= 1 - - - p 加0 4a h匿lp a d一p a d一p d 0 5 ns一-一m n6a n 0 1_ 一- p d 0 7 n72 kh 一9e e p r o ma n 0 2a n 0 4a n 0 5c p u l 2a n 幛a n 0 7s i n g b - w i r ac o pv 蜥c h d o g1 0 c o_ p t 03 d _ b a c k g r o u n dl o c l- p t ld e b u gm o d u l ec l o c km o n i t o r黔酬麓壶卜_- p t 2- p r 3br 譬a k p o i n 扭口o- p t 5f c ，p l l 黼哺i d1 0 0 s口凸_ p t 6l l ，m o d u l e1 0 e 7刊- p t 7= l _ s c l o跚bp s 0 p s l札, - w -s c l l篙e。p s ；e t 憎皇_ -= =邺l t t e刚骥匿口。pp s 4臣- 5p s 6m m h m - p s 7f 巴器；1 - - 豢l 穗群“删驯陀_ j翌m山0n皇i ”。m o d 五*乱m o 口b*口*一一鬟r x t 醣手b 船醛薷il3 m u i d i e dm = 鬻删abuls：，i“。o o l a d d r e s s , d a t ab u si ii 1匿骚1l；cn0ll卜-陬can0；l “c n oc 删t x c a n 。0 d d r ai id d r bi ilp o r t ai ip o r tbi lc a n l 亡二窑燃臻掰篓糍掰嚣斟v h 8垂瞄黯臣匪矗蔗臣茬庄茬置置蛊罡置蛊蛊蛊 w h 5，h p h 5i l i i l 越滔i 溺i 州1 4 4一- - l 懋5 h 3k w h 2w w h lw i d el l l l | 鼗l | l 嚣i lh 0卜p h op o ri b ri n t g r u e lc俐ub u sl l l l l l 蚕m 7錾k - p j 7吉d o m x x 2 专p j 4i c n u 6k w j 5k y w 3辱譬p j p j ；p o w e m ri 船嘶nn a r r o wb u s ：k w j 2k 1 譬w p j j日m目22m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 内部框图9中国农业大学硕士学位论文系统叱路设计j 分析m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 的一些特点如f ：中央处理器c p u l 2 是m c 6 8 h c l 2 的中央处理器，为1 6 位c p u ，其指令系统在源码级与6 8 h c l l 兼容。存储器：( 1 ) 1 2 8 k bf l a s h 存储器；( 2 ) 8 k b r a m ：( 3 ) 2 k be e p r o m 。多元化总线。可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展存储空间和增加f r o 芯片，l作在扩展方式。地址总线1 6 位，数据线1 6 位或8 位。地址和数据总线l 用3 个或4 个8 位i o并行口，在单片方式f 这3 2 位可做普通i o 口用。两个8 路1 0 位a d 转换器。控制器局域网模块( c a n ) 。6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 内部有两个c a n 模块，每个c a n 具有2个接收缓冲区和3 个发送缓冲区。每个c a n 有r x 、t x 、出错、唤醒四个独立的中断通道。c a n 模块具有自检功能，有低通滤波唤醒功能。增强型捕捉定时器( 1 ) 1 6 位主计数器，7 位分频系数；( 2 ) 8 个输入捕捉通道或输出比较通道，其中四个输入捕捉通道带有缓存；( 3 ) 4 个8 位或2 个1 6 位脉宽计数器；( 4 ) 每个信号滤波器有4 个用户可选择的延迟计数器：脉宽调制模块( p w m ) 可设置成4 路8 位或者2 路1 6 位，逻辑时钟选择频率宽。串行接口( 1 ) 两个异步串行通信接口( s c i ) 模块：( 2 ) 一个1 2 c 总线接口：( 3 ) 一个同步串行外设接口s p i 。- 两个具有产生中断、唤醒c p u 功能的8 位并行口，也可以设为输出。时钟发生器：( 1 ) 具有锁相环频率合成器。这是时钟发生器中的重要电路。它的存在使外部3 2 m h z 晶振就可以产生8 m h z 的总线频率：( 2 ) 也可使用0 5 1 6 m h z 的低功耗晶振。1 0开发支持( 1 ) 支持单线背景调试模式( b d m ) ：( 2 ) 支持高级语言编程。由以上描述可以知道，m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 是一款性能优异、开发调试方便的单片机，它的单线背景调试模式( b d m ) 和1 2 8 k b 片内f l a s h 特别适合做实验时的反复调试币更改算法。2 2 2 系统通信方式( u s b 接口芯片的选择)u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的中文名叫“通用串行总线”，是近年米应川在p c 领域的新型接口技术，是一些p c 大厂商，如m i c r o s o f t 、i n t e l 等为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准，自1 9 9 5 年在c o m d e x 上亮相以米至今已广泛地为各p c 厂家所支持。现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 9 8 、n t 以及m a c o s 、l i n u x 、f r e e b s d 等流行操作系统都增加了对u s b 的支持。u s b 的主要优点：( 1 ) 使用方便。连接外设不必再打开机箱：允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。( 2 ) 速度快。u s b 接口的最高传输率可达1 2 m b s ：提供低速方式，速率为1 5m b s 。扣除用于总线状态控制和错误检测等数据传输，最大理论速度也能达到1 2 m b s 和9 6m b s 。( 3 ) 连接灵活。一个u s b 接口理论上可以连接1 2 7 个u s b 设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用集线器h u b ，把多个设备连接在一起，雨同p c 机的u s br 相接。( 4 ) 独立供电。u s b 接口提供了内置电源。正因为u s b 通信有阻上优点，本装置也配置有u s b 通信接口，以方便的与上位机( p c 机)通信。现在的u s b 生产厂商很多，儿乎所有的硬件厂商都有u s b 的产品。u s b 控制器一般有两种类型，一种是m c u 集成在芯片里面的，如i n t e l 的8 x 9 3 0 a x 、c y p r e s s 的e z u s b 、s i e m e n s 的c 5 4 1 u 以及m o t o r o l a 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r s 等公司的产品，另- - e e 就是纯粹的u s b 接口芯片，仅处理u s b 通信，如p h i l i p s 的p d i u s b d l l ( 1 2 c 接口) 、p d i u s b p l l a 、p d i u s b d l 2 ( 并行接口) ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的u s b n 9 6 0 2 、u s b n 9 6 0 3 、u s b n 9 6 0 4 等。前一种由_ 】二开发时需要单独的开发系统，冈此开发成本较高：而后一种只是个芯片与m c u 接口实现u s b 通信功能，因此成本较低，而且可靠性高。在本装置的u s b 通信接口电路中采用了p h i l i p s 公司的u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 。p d i u s b d l 2 是一个性能优化的u s b 器件，通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地d m a 传输。该器件采用模块化的方法实现一个u s b接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器允许使h 现存的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本是开发低成本且高效的u s b 外围设备解决方案的一种最快途径。p d i u s b d l 2 完全符合u s b l1 规范，也能适应人多数设备类规范的设计，如成像类、人容量存储类、通信类、打印类和人l 输入设备等，冈此，p d i u s b d l 2 非常适合做很多外围设备，如打印机、扫描仪、外部大奔量存储器( z i p 驱动器)和数码相机等。现在用s c s i 实现的很多设备如果用u s b 来实现可以直接降低成本。p d i u s b d l 2 挂起时的低功耗以及l a z y c l o c k 输山符台a c p i 、o n n o w 和u s b 电源管理设备的要求。低功耗工作允许实现总线供电的外围设备。p d i u s b d l 2 还集成了像s o f t c o n n e c t 、g o o d l i n k 、可编程时钟输出、低频品振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本，同时在外围设备上很容易实现更高级的u s b 功能。p d i u s b d l 2 的主要特性如下：符合u s b1 1 协议规范；集成了s 1 e 、f i f o 存储器、收发器和电压调整器的高性能u s b 接口芯片：适应大多数设备类规范的设计：与任何微控制器微处理器有高速( 2 m b s ) 的并行接口：完全自动d m a 操作；集成了3 2 0 b 的多配置f i f o 存储器：主端点有双缓存配置，增加吞吐量，容易实现实时数据传输：在块传输模式下有1 m b s 的数据传输率，在同步传输模式r 有1m b s 的数据传输率：具有总线供电能力，有非常好的e m i 性能；在挂起时有可控制的l a z y c l o c k 输山；可通过软件控制u s b 总线连接s o f l c o n n e c t ；在u s b 传输时有闪亮的u s b 连接指示灯g o o d l i n k ；时钟频率输出可编程；12符合a c p i 、o n n o w 和u s b 电源管理要求；具有内部上电复位和低电压复位电路：有s o l 8 和t s s o p 2 8 封装；能在- - 4 0 + 8 5 j 二业级工作：片内8 k v 静电保护：双电压工作：( 3 3 03 ) v 或扩大的5v 电压范围( 3 6 5 5v )多中断模式，方便块传输和同步传输p d i u s b d l 2 的内部框图如图2 3 所示。图23p d i u s b d l 2 的内部框图( 1 ) 模拟收发器。集成的收发器直接通过终端电阻与u s b 电缆接口。( 2 ) 电压调整器。片上集成的1 个3 3v 电压调整器为模拟收发器供电，也提供连接到外部15kq 上拉电阻的输出电压。作为选择，p d i u s b d l 2 提供集成15k f 2 上拉电阻的s o f l c o n n e c t 技术。( 3 ) p l l 。片上集成1 个6 4 8 v i h z 的倍频p l l ( 锁相环) ，允许使川j6m h z 的品振，e m i也由于使用低频晶振而减小。p l l 的工作不需要外部器件。( 4 ) 位时钟恢复。位时钟恢复电路用4 倍过采样原理从输入的u s b 数据流中恢复时钟，能跟踪u s b 规范中指出的信号抖动和频率漂移。( 5 ) p h i l i p s 串行接口引擎p s i e 。p h i l i p s 的s i e 完全实现u s b 协议层。考虑到速度，它是全硬件的，不需要固件( 微程序) 介入。这个模块的功能包括：同步模式识别、并串转换、位填充不填充、c r c 校验、p i d 确认、地址识别以及握手鉴定。( 6 ) s o f t c o n n e c t 。高速设备与u s b 的连接是靠把d + 通过1 个i5k q 的七拉电阻接剑高电平来建立的。在p d i u s b d l 2 中，这个上拉电阻是集成在芯片内的，缺省是没有连接到v d d ，这个连接是靠外部m c u 发一个命令来建立的。这使得系统微处理器可以在决定建立u s b 连接之前完成初始化。重新初始化u s b 总线连接也可以不用拔掉电缆米完成。( 7 ) g o o d l i n k 。g o o d l i n k 是靠一个引脚接发光二极管实现的。在u s b 设备枚举时l e d指示灯将立即闪亮；当p d i u s b d l 2 被成功枚举并配置时，l e d 指示灯将会始终亮：经过p d i u s b d l 2 的u s b 数据传输过程中，l e d 将一闪一闪，传输成功后l e d 熄灭：在挂起! t j jr 1 ，l e d 熄灭。这种特性l 可以使我们知道p d i u s b d l 2 的状态，方便电路调试。( 8 ) 存储器管理单元m m u 和集成r a m 。m m u 和集成r a m 能缓冲u s b ( i 作往1 2 m b s )数据传输和微控制器之间并行接口之间的速度差异，这允许微控制器咀自己的速度读写u s b包。( 9 ) 并行和d m a 接口。并行接口容易使用、速度快并且能直接与主微控制器接口。对于微控制器，p d i u s b d l 2 可以看成是一个有8 位数据总线和1 位地址线的存储设备。p d i u s b d l 2 支持多路复j = j 和非多路复用的地址和数据总线。在主端点( 端点2 ) 和局部共享存储器之间也可使用d m a ( 直接存储器存取) 传输。它支持单周期模式和块传送模式两种d m a传输。2 2 3 提高系统测量精度1 电量隔离传感器的选择传感器是实现测量和控制的首要环节，是测量系统的关键部件，如果没有传感器对原始信号进行准确可靠的采样和转换，那么一切的测量和控制都将是不可靠的。因此要求所选传感器有高的准确度和灵敏度，以保证装置的测量和控制的可信度。由于本装置用于各种电气参数的测量，提供测量用的p r 、c t 二次侧电压为1 0 0 v 、电流为5 a 。可是a d 转换芯片的模拟量输入要求电压为1 0 v ( 或4 - 5 v ) 标准电压，所以需要传感器将1 0 0 v 电压和5 a 电流变换到a d 转换芯片的标准输入范围内。并且在工程实践中，为了防止各类干扰( 强电或强电磁) 、电网电压对测量回路的损害，不影响系统的止常运行，需要根据具体情况，对系统中的信号输入通道采用必要的隔离，以保证系统的可靠远行。目前，隔离传感器中采用的耦台方式主要有两种：变乐器耦合和光电耦合。利州变压器耦台，通常具有较高的线性度和隔离性能，但是带宽一般在i k h z 以下。利用光电耦台方式，可4获得1 0 k h z 的带宽，但隔离性能不如变压器耦合。基于本装置用于变电站出线，测量频带不宽，现场干扰多等特点，因此选用隔离性能好的变压器耦合型电量隔离传感器。经过多家产品的比较，本装置选用了精度为01 级并带有电量隔离的传感器，以保证模拟量高压侧与低压侧彼此隔离，使之输入和输出之间没有直接的电气连接，聚j | 隔离州电凿传感器具有以下特点：( 1 ) 能保护系统元件不受高共模电压的损害，防j r 高压对低压系统的损上1 、：( 2 ) 泄漏电流低，对于测量传感器的输入端无须偏流返同电路：( 3 ) 共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。由于本装置为继电保护装置，因此选用了能承受1 0 0 a * 1 0 秒冲击的保护用1 u 流传感器。2 a d 转换芯片的选择a d 转换器与整个系统的测量范围和精度有关，考虑到其它元件( 如传感器的变换精度、信号预处理电路、a d 转换器电路的精度以及软件控制算法) 等的影响，因此，a d 转换器的位数至少要比总的精度要求的最低分辨率高一位。对于8 位的a d 转换器的分辨率能达到l 2 8 或满刻度的o3 9 2 ，显然不能满足本装置所要求的0 2 级( 0 2 ) 精度；而1 2 位的转换器能够达到的精度为o 0 2 4 5 ，能够满足本装置的精度要求，所以本装置采用1 2 位的a d 转换器用于数据的转换。a d 转换器从启动转换，到转换结束输出稳定的数字量，需要一定的时间。本装置对6 路模拟信号进行采样，每一路每周波采样3 2 点，即每一个周波要完成1 9 2 次转换，而每个周波为2 0 m s ，因此要求转换速率约为1 0 0 “s 。考虑到每个通道的采样时间由多路开关的开关时间、采样保持器的采样和建立时间、a d 转换器的转换时间以及测量传感器的建立时间等，决定选用转换时间较少的逐次比较型的a d 转换器。综合以上各因素，本装置中选用m a x i m 公司的m a x l 9 7 作为a d 转换芯片。m a x l 9 7具有以f 显著特点：( 1 ) 1 2 b i t s 的分辨率，单5 v 供电：( 2 ) 可动态改变的转换输入范围：1 0 v ，5 v o 1 0 v ，o 5 v ；( 3 ) 8 个模拟输入通道，6 “s 的转换时问；( 4 ) 内部或外部可选的参考电压和时钟。中国农业大学硕士学位论文系统电路设计与分析2 2 4 其它器件的选择与应用为了记录时间的需要，还用到了实时时钟芯片d s l 2 8 8 7 ，作为时间显示的基准羊保护动作时间的参照标准；按键采用单键式组合方式；显示部分采用液晶显示模块：此外还用到了2 5 6 k b的外部扩展r a m ，作为扩充的数据储存器。本装置人多采用的直插型芯片和便于更换的接线端子，便于设备的维护。没苴殴有多个测试点，可用万用表和示波器对实验过程中的各个量进行测量。2 3 外围电路的设计2 3 1m c u 与外围电路的连接方式m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 的工作方式非常灵活，可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展存储空间和增加i o 芯片，工作在扩展方式。地址总线1 6 位，数据线1 6 位或8 位，地址和数据总线占用3 个或4 个8 位i 0 并行口，在单片方式下这3 2 位可做普通i o1 5 1 州。这样tm c u与外围电路的连接方式也可以有两种选择：( 1 ) 采用总线扩展方式：( 2 ) 采用i 0 口模拟总线方式。经过分析比较，本设计采用后者，原因如下：( 1 ) 采用总线扩展方式，所有外围芯片都必须符合m c u 的总线时序。本设计采用的m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 是m o t o r o l a 公司的芯片，自然是m o t o r o l a 时序。但很多其他外围芯片如a d 转换芯片m a x l 9 7 、外部扩展3