电动机的微机保护设计.doc

芜 湖 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计题目 电动机的微机保护设计 _姓名 : 戚雅楠 学号: 70213204 _ _系: 电气工程系 年制 : 三年制 _ _专业: 机电一体化技术 班级 : 机电2班 _ _ 二0一0年四月芜 湖 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计 报 告 书题目： 电动机的微机保护设计 _ 电气工程 系 _机电一体化技术 专业_ 机电2 班 学生： 戚雅楠 _ _系主任：张学亮 指导老师： 张玉明_ _ 2010年4月芜 湖 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计 任 务 书20092010 学年电气工程 系 机电一体化技术 专业_ _编号 70213204 批准日期 2010.4学生 戚雅楠 系主任 张学亮设计题目：电动机的微机保护设计原始资料：单片机应用技术电动机的微机保护设计作 者 姓 名 戚雅楠 _ _学 位 类 型 70213204 _学科、专业 机电一体化技术 研 究 方 向 电动机继电保护与调度自动化_导师及职称 张玉明老师 _2010年4月基于ARM和的微机线路保护测控装置的研制摘 要目前运行的微机保护装置的CPU大多数还是采用16位单片机，由于其处理速度慢，不易实现更强的保护功能。软件上大多还是采用汇编语言编程，并且还是采用传统的线性程序流程，不便于软件的升级和维护。本文在充分分析和吸收当前微机保护装置的先进技术和经验后，设计了一种基于ARM和嵌入式实时操作系统的微机线路保护测控装置。本装置的硬件上采用ARM加MCU的双CPU结构，以Philips公司的ARM微处理器LPC2292为控制核心，实现保护、测量和通信功能，以P89C668H单片机实现人机接口功能。本装置的软件是基于嵌入式实时操作系统的。本文首先介绍了的一些基本概念之后，重点阐述了其在LPC2292上的移植。软件部分在介绍了装置的保护配置和采取的算法之后，详细介绍了基于平台的应用程序的任务划分和设计。本文所研制的微机保护测控装置在总体方案和设计思想上有新意，运行结果表明该方案是能够满足保护的基本要求的。关键词：微机保护、线路、ARM、任务Research and Development of the MicroprocessorLine Protection Device Based on ARM and AbstractThe CPU of most microprocessor-based protection device at present is 16 bit Single Chip Micyoco, because of the slow speed, it is hard for the Single Chip Micyoco to realize the more complex protection function. In addition, the software design is based on the assembly language and traditional linearity programme flow chart, which makes against hardware maintenance and upgrade , etc. After analyzing and absorbing the advanced experience and technology of current microprocessor protection device, the paper bring forward a kind of microprocessor line protection device based on ARM and embedded RTOS.The hardware adopts ARM and MCU as double CPU configuration. It uses the ARM processor LPC2292 made in Philips Company as control kernel to realize the protection, measure and communication function. Besides, using the P89C668H SCM to complete the man-machine interface. The software design is based on the embedded RTOS. After introducing some basal concept of , the paper emphasizes its naturalization to LPC2292. And then, the software part presents the protect configuration and arithmetic, moreover, it introduces the task partition and the design of the application in detail. The microprocessor protection device mentioned in this paper is novel from the angle of collectivity scheme and design idea. The result indicates the scheme satisfies the basal request of protection. Keywords：Microprocessor-based Protection，Line，ARM，Task致谢 在论文完成之际，首先感谢芜湖职业技术学院给我这个学习和提高的机会，并衷心地感谢导师张玉明老师在我学习和论文写作过程中给予的关怀和帮助。张老师渊博的学识、严谨的治学、开阔的视野、认真的态度使我受益匪浅。 在整个学习阶段，我的朋友给予了我无微不至的照顾，在此对他们表示诚挚的谢意和最深的感激！ 作者：戚雅楠 2010年4月目 录第一章 绪论11.1 引言11.2当前微机保护测控装置中存在的问题11.3 本论文研究的意义2第二章 硬件电路设计分析42.1 硬件电路总体设计方案42.2 CPU模块部分52.2.1 LPC2292简介62.2.2 电源电路62.2.3 系统时钟电路72.2.4 复位电路72.2.5 系统存储器电路82.3 模拟量输入模块部分92.3.1 交流变换电路设计92.3.2 信号调理电路设计102.3.3 AD转换电路设计102.4 电能测量模块部分122.5 开入开出模块部分152.5.1 开入回路部分152.5.2 开关量输出回路162.6 人机接口模块172.6.1 液晶显示部分182.6.2 键盘部分192.7 通讯电路设计202.7.1 以太网控制芯片RTL8019AS简介202.7.2以太网控制芯片RTL8019AS的内部结构202.7.3 内部RAM与I/O地址分配202.7.4 RTL8019AS与LPC2292接口电路212.8 硬件系统抗干扰设计22第三章 嵌入式实时操作系统的分析及其移植243.1 嵌入式操作系统简介243.2 在LPC2292上的移植263.2.1 的体系结构263.2.2 的移植对处理器的要求273.2.3 在LPC2292上的移植实现283.2.4 测试移植代码32第四章 系统的软件设计与分析344.1 保护算法344.2 保护判据364.3 基于的应用程序设计384.3.1 任务的划分384.3.2 各任务的设计39第五章 总结与展望435.1 工作总结435.2 工作展望44参考文献45插图清单图2-1 装置总体原理框图5图2-2 装置总体硬件结构图5图2-4 系统时钟电路7图2-5 系统复位电路8图2-6 存储器接口电路9图2-7 保护电流信号调理电路10图2-8AD转换接口电路12图2-9 ADE7758外围接口电路14图2-10开关量输入电路16图2-11开关量输出电路17图2-12LCD接口电路19图2-13键盘接口电路19图2-15以太网接口电路21图3-1 前后台系统24图3-2 的体系结构27图3-3 堆栈初始化示意图31图4-3软件总体结构框图38图4-4 定时采样中断流程图40图4-5 双倍数据存储缓冲区40图4-6 保护逻辑判断任务程序流程图41第一章 绪论1.1 引言 电动机是把电能转换成机械能的设备，它是利用电线圈在磁场中受力转动的现象制成，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机。电动机主要由定子和转子组成，通过导线在磁场中受力运动的方向跟力电流方向和磁感线方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受的作用，使电动机转动。通常电动机的做功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机，也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机提供的功率范围很大，从毫瓦级至万千瓦级。电动机的使用和控制非常寻常，具有自启动，加速，制动，反转等能力。能满足各种运动要求，电动机的工作效率高，有没有烟尘，气味。不污染环境，噪声也小。由于它的一系列优点，所以，在工农业生产，交通，运输，国防，商业及家用电器，医疗电器设备等各方面广泛应用。微机保护测控装置是电动机性能的关键环节前电动机性能负责保护、测量和控制的重要单元。因此，微机保护测控装置的技术水平直接影响着整个电动机性能的技术水平。电动机微机保护测控装置是反应电动机发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。因此，对电动机的微机保护测控装置的技术进行研究，为提高电动机性能具有现实意义。1.3 当前微机保护测控装置中存在的问题近几十年来，由于我国广大科技工作者的不懈努力，我国继电保护技术及装置应用水平有了很大的提高，但是目前国内正在运行使用的微机保护测控装置还存在几个需要改进的地方。主要表现在以下几个方面：1) 硬件系统资源及功能简单。作为处理器和控制器的CPU基本上还是采用传统的MCS-51和8096系列单片机。这些CPU多是基于八十年代的技术和工艺，受结构、速度和总线的限制，其指令功能有限、寻址空间小、运算能力弱。这些单片机虽然控制性能较好，但是不善于数字信号的处理，因此微机保护装置在算法的实现上存在一定的困难。另外，随着电动机性能的不断提高，微机保护装置除了要完成传统的保护功能外，还需要完成正常运行条件下的系统参数的测量，包括电压、电流、有功、无功等，这些都是传统微机保护装置难以实现的，不能满足微机保护装置的高实时性、高可靠性和可扩展性。2) 软件系统开发平台不完善，程序结构落后，不便于开发、移植和维护。相对于硬件的快速发展，软件方面的发展相对滞后。传统微机保护测控装置的软件设计通常采用主循环加中断的线性结构，可称为前后台系统。其传统的开发方式是：先画好程序流程图，然后按照流程图来编程，一般是一个无限循环，循环中调用相应的子程序来完成相应的操作，这被称为后台行为或任务级；用中断来处理各种随机事件，这被称为前台行为或中断级。这种程序简单直观，易于控制，但缺乏灵活性，不便于软件的维护和升级。随着电力系统自动化水平的不断发展，对微机保护测控装置的功能的要求也越来越多，不仅要完成继电保护功能，还要完成通信、自检和人机对话等功能。传统的线性程序结构会导致软件复杂度增高，增加了开发难度和时间。目前的微机保护在软件开发上普遍采用汇编语言编写的线性程序。这种设计方法虽然具有代码精炼，在某些关键操作上执行效率高等优点，但由于编程人员要全面规划内存安排、数据调度、资源分配等，造成了软件开发周期长、难度大等困难。另外，由于不同的编程人员具有不同的思维习惯和方式，导致软件难于交流、移植和维护。1.4 本论文研究的意义针对当前微机保护测控装置所存在的问题，同时参考微机保护装置的发展趋势，本论文从以下几个方面着手进行研制开发一种先进的微机保护测控装置，以解决同类装置上述的各种缺陷和问题。随着电动机性能对微机保护装置的性能要求越来越高，功能要求越来越完善，其保护原理和算法研究越来越深入，以及微机保护运行的环境越来越复杂，研制设计一种新型的、可靠的硬件平台系统越来越成为当务之急。硬件平台系统作为实现保护原理的载体和实现保护功能的基础，其研制和开发水平的提高对推动整个微机保护的水平起着重要作用。ARM嵌入式处理器在硬件设计中已被广泛应用。ARM嵌入式处理器是一种高性能、低功耗的RISC芯片。它由英国ARM公司设计，世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入ARM的相关技术。如TI，Motorola，Intel，NS，Philps，Altera，Agilent，Atmel，Hynix，Sharp，Triscend，NEC，CirrusLogic，SAMSUNG和LINKUP等公司都有自己相应的产品。ARM处理器目前有5个系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore。在所有的ARM处理器中，ARM7处理器系列应用最广，采用ARM7微处理器做内核生产芯片的公司最多。这其中具有代表性的产品有SAMSUNG公司的S3C44B0，Philps公司的LPC2292等。得益于ARM技术的快速发展，ARM技术和芯片已在电力系统中得到了应用。采用ARM芯片作为微机保护测控装置的核心CPU有以下一些优点：1) 处理速度快。微机保护装置的首要性能评价指标就是速度。ARM是RISC结构的处理器，而且ARM内部集成了多级流水线，大大增加了处理速度。2) 功耗低，价格低廉，降低了产品成本。3) 可利用的软件丰富。ARM公司一直致力于支持嵌入式系统在ARM处理器上的开发应用，目前几乎所有常见的嵌入式系统在ARM内核处理器上都有成熟的应用。随着微处理器芯片性能的高速发展、价格的下降和对软件的可重用性、可维护性的提高，采用实时操作系统（RTOS）已经是大势所趋。所谓实时系统，是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。“在确定的时间内”是这个定义的核心，也就是说，实时系统对响应时间有严格要求，并不是指系统的响应和处理速度要越快越好，而是指系统的响应要满足时间限制。微机保护测控装置就是一个实时系统。RTOS是实时系统中软硬件资源的总指挥部，它以尽量合理、有效的方式组织和管理系统中的软硬件资源，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。由于RTOS不可替代的优点，其发展速度很快，最近几十年涌现出了一大批优秀的RTOS，其中比较具有代表性的有Linux、VxWorks、WinCE等。在这中间，又以其源代码公开和免费、体积小和可裁减、性能和安全稳定性高等优点在世界范围内获得了广泛应用，包括诸多领域，如手机、路由器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制等。采用RTOS的微机保护测控装置相比传统的微机保护装置具有以下几个方面的优点：1) 可靠性更高。继电保护的一个重要要求是可靠性。采用基于RTOS的微机保护软件，在遇到很强干扰时，不会像传统的线性程序那样会引起死机，只会引起若干个任务中的一个被破坏，可以利用其他的进程对其进行修复。RTOS不仅可以将应用程序分解成若干个独立的任务，还可以另外启动一个监控任务，监视各任务的运行情况，从而大大提高了系统的可靠性。2) 开发难度降低，可扩展性增强。微机保护采用RTOS可以提高开发效率，缩短开发周期。采用基于RTOS的应用软件，通常将复杂的程序按功能划分为若干个相对独立的任务，简化了开发流程。目前，大多数的嵌入式系统都采用C/C+开发语言，灵活性好，可移植性强，方便了对软件的调试和升级。综上所述，在32位ARM处理器上构建以嵌入式实时操作系统为平台的开发应用近年来颇多，但在微机保护测控装置方面的应用还不多见，这些研究将为今后微机保护测控装置的研究具有一定的参考价值。第二章 硬件电路设计分析2.1 硬件电路总体设计方案硬件电路设计是整个微机保护测控装置工作的基础，其设计的好坏，不仅直接影响到微机保护装置功能的实现与否，而且对软件系统的设计也起着决定性的作用。一种好的硬件电路设计方案，可以说对整个装置的设计有着事半功倍的效果。现代微机保护保护测控装置的硬件通常都按照通用的标准来设计，不同的保护类型，主要的差异在于软件保护功能的配置。本微机保护测控装置采用模块化的设计方式，硬件电路由以下几部分组成：1) 交流变换及信号调理模块由于电力系统一次TV、TA传输过来的电压、电流信号不符合微机保护测控装置所能接受的范围，因此必须对其进行二次变换、隔离，并对这些模拟信号进行必要的低通滤波，滤出不需要的高频信号。2) 数据处理及保护逻辑判断模块本模块是微机保护装置的核心部分。从交流变换及信号调理模块输出的模拟信号，微机保护测控装置不能对其进行处理，必须首先进行AD转换，把模拟量转换成数字量，然后由CPU根据不同的保护原理的需要，完成不同的数据计算。最后，根据不同的保护配置，对这些数据作出相应的保护逻辑判断。同时，本模块还负责与人机接口模块和上位机的通信功能。3) 开关量输入输出模块本模块包括开入、开出两部分。开入部分用来负责采集电力系统中的各个断路器的位置、隔离开关的位置、本地/远方等各种状态量，作为保护逻辑判断的一个组成部分。开出部分用来执行保护逻辑判断模块发出的各种命令，驱动断路器跳闸、信号告警等。这两部分的信号都容易受到强的电磁干扰，因此，本模块还必须进行光电隔离等抗干扰处理。4) 人机接口模块本模块包括键盘和液晶显示两部分，通过串行总线来和其他模块进行通信，用来负责实时数据的显示、保护定值的查询和修改、动作信息的查询等。5) 电源模块电源模块是整个装置工作的前提和基础，负责提供装置中所有芯片的工作电源。电源模块输出电压有5V、12V、-12V、24V。由于装置中的一些芯片都是精密芯片，所以要求电源的输出电压尽可能保持稳定。本装置总体原理框图如图2-1所示。图2-1 装置总体原理框图整个硬件系统采用ARM+MCU结构，ARM选用Philips公司的LPC2292，MCU选用Philips公司的P89C668H。ARM主要负责数据的采集、处理、计算、存储、故障的判断、跳闸出口以及与上位机的通信等。MCU主要负责人机接口的键盘和显示部分。两者通过串行通信总线进行数据交换。装置采用插件式结构，分为面板、母板、模拟量输入插件、CPU插件、开入开出插件、电源插件。这种结构把整个硬件按照功能和电路特点划分为若干部分，每个部分做成一个独立的印制电路板，板上对外联系的引线通过插针引出。装置的总体硬件结构图如图2-2所示。图2-2 装置总体硬件结构图2.2 CPU模块部分CPU模块是本装置的核心部件，装置的主要功能都依赖于CPU来完成实现。本装置的CPU选用Philips公司生产的LPC2292 ARM芯片。CPU模块设计包括ARM芯片的选择及其外围电路的设计，其中外围电路的设计包括电源电路、系统时钟电路、复位电路、JTAG接口电路和系统存储器电路等。2.2.1 LPC2292简介LPC2292是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并带有256KB嵌入的高速片内Flash存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。对代码规格有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。LPC2292具有如下一些特性：l 16/32位144脚ARM7TDMI-S微控制器。l 16KB静态RAM。l 256KB片内Flash程序存储器。128位宽度接口/加速器实现高达60MHz的操作频率。l 外部8位、16位、32位总线。l 通过外部存储器接口可将存储器配置成4组，每组的容量高达16MB。l 片内Boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用中编程(IAP)。Flash编程时间为1ms，可编程512字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms。l 8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44us。l 2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)、实时时钟和看门狗。l 多个串行接口、包括2个16C550工业标准UART、高速IIC接口(400Kbps)和2个SPI接口。l 通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。l 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。l 多达112个通用I/O口(可承受5V电压)，12个独立外部中断引脚。l 晶振频率范围为130MHz，若使用PLL或ISP功能，则为1025Mhz。l 2个低功耗模式：空闲和掉电。l 可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。l 双电源：-CPU操作电压范围：1.651.95V；-I/O操作电压范围：3.03.6V。2.2.2 电源电路LPC2292微控制器需要使用两组电源，I/O口供电电源为3.3V，内核及片内外设供电电源为1.8V，所以系统设计为3.3V系统。电源模块输出5V电压，利用LDO芯片(低压差电源芯片)稳压输出3.3V及1.8V电压。LDO芯片选用SPX1117M3-1.8和SPX117M3-3.3，其特点是输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。系统电源电路如图2-3所示。图2-3 系统电源电路SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在1%以内，还具有电流限制和热保护功能，广泛应用于数字仪表和工业控制等领域。使用时，其输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。2.2.3 系统时钟电路LPC2292微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快。倘若不使用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率范围是130MHz，外部时钟频率范围是150MHz；若使用片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率范围是1025MHz，外部时钟频率范围是1025MHz。根据LPC2292的最高工作频率及PLL电路的工作方式，选用外部11.0592MHz的无源晶振，11.0592MHz的晶振频率经过LPC2292内部的PLL电路倍频后达到55.296MHz。片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所产生的高频噪声。系统晶振电路如图2-4所示。图2-4 系统时钟电路图中用1M的电阻并接到晶振的两端，使系统更容易起振。用11.0592MHz的晶振的原因是可以使串行口波特率更精确，同时能够支持LPC2292微控制器芯片内部的PLL功能和ISP功能。2.2.4 复位电路系统复位电路提供给LPC2292启动信号，是整个系统运行的开端。LPC2292有两个异步复位信号：和，如果它们为有效信号，系统复位将从内部产生。系统复位后，除了RTC和匹配寄存器外，所有的内部寄存器都将被恢复为默认值。由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限较低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。本CPU模块的复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片SP708S，以提高系统的可靠性。由于在进行JTAG调试时，nRST和TRST是可由JTAG仿真器控制复位的，所以使用了三态缓冲门74HC125进行驱动。系统复位电路如图2-5所示。图2-5 系统复位电路图中信号RST135连接到LPC2292芯片的复位脚，信号TRST43连接到LPC2292芯片内部JTAG接口电路的复位脚。当复位键按下时，SP708S立即输出复位信号，其引脚输出低电平导致74HC125A和74HC125B导通，信号RST135和TRST43将输出低电平使系统复位。平时SP708S的输出高电平，74HC125A和74HC125B截止，由上拉电阻将信号RST135和TRST43上拉为高电平，系统可正常运行或进行JTAG仿真调试。2.2.5 系统存储器电路由于LPC2292片内只有16KB的静态RAM，为了方便程序的调试和数据的存储，本CPU模块扩展了512KB的SRAM。由于系统是3.3V系统，所以选用了CYPRESS公司生产的3.3V工作电压256K16的静态RAM CY7C1041V33芯片。该RAM是一种高性能的CMOS 16位静态RAM，具有如下一些特点：l 高速性，最小存取时间为12ns。l 低功耗，最大功耗612mW。l 未被选通时自动进入掉电模式。l 输入输出与TTL电平兼容。存储器接口电路如图2-6所示。图2-6 存储器接口电路图中存储器连接使用了16位总线方式，数据总线使用了D0D15，地址总线使用了A1A18，对于16位的SRAM，BLS096和BLS197信号用于控制低字节和高字节的写操作。2.3 模拟量输入模块部分模拟量输入模块就是把电力系统中一次电流互感器和一次电压互感器的强电信号首先转换成微机保护测控装置所需的弱电信号，并对这些弱电信号进行滤波调理，变换成和A/D模数转换器相符的模拟信号，最后通过A/D转化变换为CPU模块可以识别的数字量，从而进行各种计算和判断。2.3.1 交流变换电路设计微机保护装置的模拟量输入是电力系统中一次TA和一次TV变换得出的大电流、高电压信号，电流的幅值往往可达数安培，电压的幅值也高达上百伏。这些强电信号不能直接送往A/D模数转换器进行处理，必须首先通过交流变换电路转换为低电压信号。另外，考虑到电磁兼容和抗干扰要求，模拟量输入回路和输出回路之间必须进行隔离。交流变换模件的主要部件就是二次电流互感器CT和二次电压互感器PT，它们将输入的电流和电压信号变换到本装置所需要的范围之内，同时也起到了电气隔离作用。本装置的交流变换模件设计为8个互感器，分别用于保护电流通道Ia、Ic，测量电流通道Ia、Ic，零序电流通道I0，保护、测量电压通道Ua、Ub、Uc。由于保护一次设备输出的电流和测量一次设备输出的电流范围是不一样的，在满足精度要求的基础上，采用保护、测量电压互感器共用，保护、测量电流互感器分开的做法，最大限度的合理使用器件。模件中测量用电流互感器采用高精度互感器，保护用电流互感器要求在100A电流以下范围内具有很好的线性度。电流和电压互感器选用南京五里电子仪表厂的产品。以下是几种型号互感器的特性描述。l 保护用电流互感器LH5/0.175，其额定输入电流5A，额定输出电压0.175V，线性范围50mA-125A，耐压2500V。l 测量用电流互感器LH5/3.5，其额定输入电流5A，额定输出电压3.5V，线性范围5mA-6A，耐压2500V。l 电压互感器TBE-TV114C，其额定输入电压100V，额定输出电压3.5V，线性范围0-150V，耐压2500V。l 零序电流互感器LH0.3/0.75，其额定输入电流0.3A，额定输出电压0.75V，线性范围2mA-6A，耐压2500V。2.3.2 信号调理电路设计由于电力系统在运行时存在大量高次谐波，尤其是发生故障时高次谐波的含量会大大增加，所以有必要采用低通滤波器对高次谐波进行滤除。滤波后的模拟信号是双极性的交流信号，而AD转换芯片所能接受的输入范围为单端输入0-5V，因此还需要对这些信号进行电平移位以满足AD转换器的要求。以保护电流通道Ia为例，其信号调理滤波电路如图2-7所示。图2-7 保护电流信号调理电路图中采用一阶RC无源滤波器，根据申农采样定理，为了防止出现频率混叠现象，选取R1=1K，C1=0.47uF，使得Fc250Hz，基本上可以滤除5次以上的谐波。滤波后的电压信号为双极性输入，通过选取合适的电阻值，将其转换成对应的单端输入。本电路选取R2=2K，R3=4K，R4=10K，R5=20K，使得5V的双极性输入对应于带2.5V内部基准电压的0-5V的单端输入。至此，模拟信号可以进入AD转换器进行模数转换，得出CPU模块需要的各种数字量了。2.3.3 AD转换电路设计LPC2292片内集成了8路10位的AD转换器，其最低转换时间为2.44us。对于传统的微机保护测控装置来说，可基本满足采样精度和速度的要求。AD转换器的转换精度与位数有关，位数越多，其转换精度越高。一般来说，AD转换器的转换误差为2位，即转换结果的低2位往往是误差数据，一个10位的AD转换器只有8位转换精度。随着微机保护装置的不断发展，装置对AD转换的精度和实时性要求越来越高，LPC2292内部的ADC模块的10位精度无法满足要求，因此，我们选用了外部AD转换芯片为iTI公司最新推出的高速、低功耗的模数转换器ADS7864。ADS7864是高速、低功耗、双12位的模数转换器，以+5V单电源供电。输入通道全差分，典型共模抑制比为80dB。该器件含有两个2us的逐次求近模数转换器，6个差分采样和保持放大器，一个带和脚的+2.5V内部电压基准以及一个高速并行接口。6个模拟输入通道分为3对(A、B、C)。每个A/D转换器都有三对输入端(A0/A1、B0/B1、C0/C1)，可以同时采样、转换，因此可以保持两个模拟输入信号的相对相位信息。每对通道都有一个保持信号(、)使6个通道上的采样操作可以同时进行。该器件接受以内部+2.5V基准电压为中心在-到+范围内的模拟输入电压。若在前端使用电平移位电路，该器件还可以接受双极性输入。通过将引脚拉低并保持至少15ns，可以在ADS7864中启动一次转换。保持低电平可以X通道的两个采样和保持放大器同时处于保持状态，并且在两个通道上都开始转换操作。输出端则变成低电平，而且在转换周期期间一直保持低电平状态。将和端都拉低，则在转换完成之后可以将数据从并行总线读出。若使用8MHz的外部时钟，则ADS7864的转换时间为1.75us，相应的数据采集时间为0.25us。为达到最高输出速率(500kHz)，可以在第二个转换周期开始时进行读操作。正常工作时，脚应该直接连接到脚，为ADS7864提供+2.5V的内部基准电压。ADS7864在相应的最大定标电压范围为2.4V到5.2V时，也可以采用1.2V到2.6V范围内的外部基准电压。ADS7864的3个保持信号同时有效就可以同时保持6路输入信号，转换的数据分别存放在6个寄存器中。ADS7864有3种不同的输出方式，由A0、A1和A2脚选择。地址/模式信号(A0、A1、A2)决定是选择单通道模式、循环模式还是先入先出(FIFO)模式。ADS7864与LPC2292的接口连接如图2-8所示。图2-8 AD转换接口电路ADS7864采用单端输入方式，利用LPC2292的输出口来控制ADS7864同时进行采样、保持、转换，使用循环方式读取每次转换结果。由于ADS7864是+5V工作电压，LPC2292是+3.3V系统，所以在ADS7864和LPC2292之间选用了Philps公司生产的电平转换芯片74ALVC164245来实现两者之间的电平转换。74ALVC164245是一种双电源的电平转换器，5V端用5V电源作为Vcc，3.3V端使用3.3V电源作为Vcc。74ALVC164245的电平移位在其内部进行。双电源能保证两边端口的输出摆幅都能达到满电源幅值，并且有很好的噪声抑制功能。另外，为了增强抗干扰能力，我们还在ADS7864和74ALVC164245的数据线之间串接了限流电阻。使用ADS7864还有几个需要注意的地方。第一，由于ADS7864是CMOS器件，CMOS器件的输入阻抗高，输出阻抗低，易受外界干扰的影响，所以ADS7864不用的输入端不能悬空。不用的输入端应该置为低电平。第二，在使用ADS7864的内部参考电压时，必须使用运放进行跟随，否则容易导致芯片发烫甚至烧毁。第三，ADS7864对静电非常敏感，因此在存放、焊接的时候都应该采取适当的保护措施。2.4 电能测量模块部分本微机保护装置在完成传统的继电保护功能之外，还设置了电能参数的采集、测量，包括各相电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率等。以往的电能参数测量有采用传统的模拟/数字变换方式，这种电路复杂、精度不太理想、稳定性差；有采用ADC+MCU的交流采样的方法，这种方法设计复杂、开发时间长、成本高、可靠性也不太令人满意；有的由单相电能测量芯片搭成，实现多功能需要很多硬件辅助电路，结构复杂。本装置选用了ADI公司2003年8月推出的三相计量ASIC：ADE7758。ADE7758是一种高精度的三相电能测量专用芯片，支持IEC60687、IEC61036、IEC61268、IEC62053-21、IEC62053-22及IEC62053-23，带有一个SPI串行口，两路脉冲输出。ADE7758片内集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等，有可用于有功功率、无功功率、视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系统误差(增益、相位和失调等)所必需的信号处理电路。该芯片适用于各种基波频率为50Hz或60Hz的三相电路(不论三线制或是四线制)中测量有功功率、无功功率、视在功率。来自电流传感器和电压互感器的电压信号经信号放大PGA1、PGA2和模数变换ADC转换为对应的数字信号，然后，电流信号经电流通道内的高通滤波器HPF滤出DC直流分量并数字积分后，与经相位校正的电压信号相乘，产生瞬时功率；此信号经低通滤波器LPF2产生瞬时有功功率信号；各项功率相加得到总的三相瞬时有功功率，经DOUT引脚输出。无功功率和视在功率的计算与此类似。ADE7758有六路模拟量输入，分成电流和电压两个通道。电流通道由三对差分电压输入，分别是IAP、IAN；IBP、IBN；ICP、ICN。这三个电流通道最大的信号电压变化范围为0.5V。电流通道内有一个可编程增益放大器PGA1，放大器增益为1，2或4。除了PGA功能外，用于A/D转换时，通道1还具有输入信号满刻度选择的功能。如前所述，最大输入电压变化范围是0.5V，利用增益寄存器的3、4位，可将电流通道的模拟输入设置为0.5V、0.25V、0.125V。这是通过调整ADC的基准参考来实现的。电压通道具有三路单端电压输入通道，分别为VAP、VBP和VCP。这些单端电压输入的最大输入电压变化范围为0.5V(相对于VN来说)。电流和电压通都有一个可编程增益放大器PGA，放大器增益可编程为1、2或4。一旦增益倍数编程确定，则所有的输入通道都具有相同的增益。ADE7758采用数字校准技术，可完成在1000：1范围内精度达到0.1%，片内集成高精度基准2.4V，30PPM。单电源5V工作方式，采用标准的SPI三线串行通信方式完成对芯片的设置、电量数据的传输、校准，外围只需要增加少量器件就能够完成ADE7758的正常工作。ADE7758外围电路设计如图2-9所示。图2-9 ADE7758外围接口电路整个电路包括以下几部分：(1) 信号输入部分，包括电压信号VA、VB、VC、VN和电流信号IAP、IAN、IBP、IBN、ICP、ICN。所有输入信号能接受的最大幅值范围为0.5V，这些信号来自于交流变换和信号调理模块部分,并已变换成ADE7758所能承受的电压信号。在这里我们使用两表法接线来测量功率。由电工原理可知，任何三相三线或三相四线电路的瞬时功率 (2-1)式中 、相电压瞬时值； 、相电流瞬时值。在三相三线电路中，由于没有中性线，各相零序电流没有通路，中性线电流为零，即 = + + = 0 (2-2)或 = -( + ) (2-3)将式(2-3)代入式(2-1)中，求得 = -(+)+ = (-)+(-) = + (2-4)在三相三线电路中，为节省一台电流互感器，常使用两表法接线。在实际电路中，IAP引脚接测量电流互感器送来的A相电流，ICP引脚接测量电流互感器送来的C相电流，VA引脚接接测量电压互感器送来的A相电压，VC引脚接接测量电压互感器送来的C相电压，VN引脚接接测量电压互感器送来的B相电压，这样ADE7758内部测得的VA实际上就是线电压，再通过内部模式的选择就可以测量功率了。(2) 外围电路部分，包括电源电路、内部基准电路和时钟电路。为了增强电路的抗干扰能力，在数字电源DVDD和模拟电源AVDD与相应的数字地DGND和模拟地AGND之间都并联了去藕电容，并且模拟地和数字地分开，最终只在一点接地。同样，在基准电压引脚上也并联了去藕电容。本系统选用了10MHz的有源晶振作为ADE7758的时钟源。(3) 数据接口部分，包括中断引脚、片选引脚和3线SPI接口SCLK、DIN、DOUT与微控制器LPC2292的连接。工作过程可以描述为，当ADE7758数据转换完成后中断申请IRQ(低电平)输出给MCU，MCU通过其I/O口的低电平片选ADE7758的CS，然后通过SPI总线的MOSI、MISO、SCLK和ASIC的DIN、DOUT、SCLK相连，完成数据操作。ADE7758内部集成多种数据存储器，这些寄存器分为读和写两种，通过访问这些寄存器可以完成对ADE7758的配置和数据采集。2.5 开入开出模块部分开入开出模块包括开关量输入回路和开关量输出回路，是微机保护装置的重要组成部分。它是连接外部强电和内部弱电的主要通道，其核心是状态信号的隔离输入回路和动作信号的隔离输出回路，主要完成外部开关量引入装置进行处理和将装置内发出的开关信号引到继电器插件，从而驱动相应的继电器跳闸或告警，达到保护的功能。在本装置中开入回路和开出回路是分开设计的，这样的设计具有可扩展性，灵活性较大。下面分别介绍开入和开出回路的设计。2.5.1 开入回路部分一直以来，对外部开关量的监测都是微机保护装置中的一个重要环节，对外部开关量状态反应的正确与否直接关系到保护装置能否对外部故障做出及时反应，这是因为保护逻辑程序的执行依赖于外部开关量状态字的状态。本装置开关量输入回路主要完成状态信号的输入，包括断路器和隔离开关的辅助触点和跳合闸位置继电器接点输入以及本地/远方的选择等。开关量信号首先经过滤波，然后经过隔离，进入CPU芯片的输入口，以反映出开关量的状态，并做出相应的逻辑运算或判断。对装置内外的开关量进行隔离是十分必要的，这是因为：(1) 隔离装置内外的电气连接。一般来说，断路器或者隔离开关的辅助触点等执行机构的操作电压都很高，远远超过了微机保护装置所能接受的范围，是不能直接进入微机保护装置内部的，所以必须进行隔离。(2) 增强装置的抗干扰能力，减小干扰造成的影响。开关量本身的干扰比较大，而且距离保护装置比较远，若不采取适当的抗干扰措施，容易造成装置的不稳定，使装置误动或拒动，影响继电保护的可靠性。隔离可以通过中间继电器或光电隔离器件实现，我们在本装置选用了四通道的光电耦合器TLP-521。光电耦合器具有很强的抗干扰能力、噪声抑制能力、高可靠性和快速响应能力。开关量输入回路电路如图2-10所示。图2-10 开关量输入电路图中为了去除干扰，开关量信号首先通过RC滤波电路滤波，然后经过光电耦合器，进入LPC2292的输入口。电路中的二极管是一个反向钳制电压二极管，主要作用是防止24V侧产生的反向电压把光电耦合器击穿，因为光电耦合器的反向耐压值是比较低的。对于一个常开接点，当外部接点断开时，光电耦合器的光敏二极管侧没有电流流过，则三极管不导通，集电极为高电平，同时CPU认为高电平代表开关量的常开状态。反之，当接点闭合时