高压开关柜智能单元的设计毕业论文.doc

高压开关柜智能单元的设计毕业论文目 录摘 要Abstract 第1章 绪 论11.1智能电器与电器智能化 11.2智能电器的基本特点 11.3智能监控单元的功能 21.4电器智能化网络的现状与发展趋势 31.5 本课题的主要设计任务 3第2章 智能高压开关柜的硬件系统 42.1智能单元的硬件结构 42.2模拟量数据采集系统 5 2.2.1模拟量输入电路的概述 5 2.2.2数据采集系统的组成 5 2.2.3主要器件的介绍 6 2.2.4数据采集系统的工作原理112.3开关量输入输出电路 132.4串行通信接口 142.5人机接口 15 2.5.1人机接口框图 15 2.5.2硬件时钟电路15 2.5.3（看门狗）自复位电路 20 2.5.4键盘接口电路 23 2.5.5液晶显示模块 26 2.5.6打印机驱动电路 35第3章 高压开关柜智能单元软件设计 363.1高压开关柜智能单元的软件结构 363.2测量与保护算法 36 3.2.1测量算法 36 3.2.2保护算法 373.3电流保护 38 3.3.1电流保护类型的判别 39 3.3.2定时限电流保护 39 3.3.3瞬时电流保护 39 3.3.4报警系统 393.4主程序流程图及工作原理 40 3.4.1判断上电或复位 40 3.4.2系统初始化 40 3.4.3全面自检 41 3.4.4开放中断 42 3.4.5自检循环 42结束语 43参考文献 44致 谢 45附录1流程图 46附录2程序部分 51附录3电路图 65湖南工程学院毕业设计论文高压开关柜智能单元设计摘 要： 本课题探讨了串行通信技术、微机保护和状态监测、液晶显示技术在高压开关柜智能单元中的作用，分析了各种新技术的特点，展望了高压开关电器的智能化的发展趋势。本课题设计的是一种安装在高压开关柜仪表门上的智能单元。它以MCS-51单片机为核心，具有微机监测、微机保护等功能。可以测量电网电流、电压、有功、无功功率、功率因数等参数，并可记录、液晶显示、打印；可进行定值修改和故障记录；具有日历时钟和硬件“看门狗”功能，系统可靠性较高。关键词： 高压开关柜；智能电器；串行通信；微机保护；液晶显示Design of Intelligent Unit of The HighVoltage Switch CubicleAbstract：This topic inquiries into the functions of string correspond techniques, mircocomputer protection and the state monitor, the LCD display techniques in the high voltage switch cubicle intelligent unit, analyzes various new technical characteristics, prospects the development trend that the intelligence of the high voltage switch electric appliances.What this topic design is a kind of intelligent units which is installed on the door of the high voltage switch cubicle appearance .It take a computer of MCS-51 as the core, having the functions, such as mircocomputer monitor and mircocomputer protection.etc.It can measure the parameters,such as electrified wire netting and electric current,voltage,the meritorious power,the unmeritorious power and the factor of the power.etc, and it can record, the LCD display, print. ; It can modify the fixed values and record the hitchs;It has the calendar clock and the hardware watchdog functions, the credibility of the system is higher.Keyword：High voltage switch cubicle;Intelligence electric appliances;The string goes the correspondence;Tiny machine protection; the LCD display第1章 绪论随着人们生活水平的提高，对电力的需求越来越大，在传统开关电器中引入高新技术，对提升供配电系统的性能和可靠性具有重要意义。电器智能化是传统电器技术和现代电子技术、电力电子技术、微机控制技术、现代传感器技术、数字通信及计算机网络技术等多门类学科交叉和融合的结果。电器智能化是现代化社会生产和生活向开关电器领域提出的要求，也是电器学科的一个新的发展领域。1.1 智能电器与电器智能化 智能电器是指智能化了的开关电器元件或成套开关设备，是一种具体有形的产品。它是在传统的开关电器上安装一个以单片机或DSP为核心的智能单元。该单元集微机测量、微机保护、在线监测、通信等功能于一体。(1)微机测量 智能化电器应具有测量各种电力参数和电能计量功能，并通过LCD显示出来，完全取代传统的电力仪表。(2)微机保护 通过在一台计算机输入相应的程序来完成继电保护功能，达到代替传统的继电保护的目的。(3)在线监测 高、中压电器的状态监测项目较多，例如机械性能、温度、凝露、电气绝缘性能等，可通过选择合适的传感器来实现这项功能。(4)通信 这是智能化电器最重要的功能之一，也是全开放式电器智能化网络的基础。通信功能是保证控制中心远方运行现场的各类信息的自动交换，实现对整个系统中各现场设备的综合监控和管理。采用统一的通信协议或协议转换技术，可保证通信网络的开放性。电器智能化是以智能电器这种有形产品为基础建立的相关学科知识及应用技术的系统集成。它是一种理念，一种方法，是电器学科发展进步过程。1.2 智能电器的基本特点智能化电器具有维护调试方便，可靠性高，动作准确率高，通过软件改变处理算法来获得附加的功能，操作简单，使用灵活等特点。根据智能电器的工作原理和方式，可以归纳出智能电器的基本特点。(1)现场参量处理数字化这是智能电器区别其他采用集成电路实现控制功能的电器设备的最重要标志。由于采用微机处理和控制技术，电器设备运行现场的各种被测参量全部采用数字处理，不仅大大提高了测量和保护精度，减少产品保护特性的分散性，而且可以通过软件改变处理算法，不需修改硬件结构设计，就可以实现不同的保护功能。(2)电器设备的多功能化 采用微处理器或单片微机对电器设备运行现场的各种参量进行采样与处理，智能电器可以集成用户需要的各种功能。(3)电器设备的网络化 智能电器监控单元以微处理器为核心，实际上就是独立的计算机控制设备，可以把它们当做计算机通信网络中的通信节点，采用数字通信技术，组成电器智能化通信网络，完成信息的传输，实现网络化的管理、设备资源的共享。(4)真正实现分布式管理与控制 智能电器的监控单元能够完成对电器设备本身及其监管对象要求的全部监控和保护，使现场设备具有完善的、独立的处理事故和完成不同操作的能力，可以组建成完全不同于集中控制或集散控制系统的分布式控制系统。(5)可以组成真正的全开放式系统 采用计算机通信网络中的分层模型建立起来的电器智能化通信网络，可以把不同生产厂商、不同类型但具有相同通信协议的智能电器互连，实现资源共享，不同厂商产品可以呼唤，达到系统的最优组合。通过网络互连技术，还可以把不同地域、不同类型的电器智能化通信网络连接起来，实现全国乃至世界范围内的开放式系统。1.3 智能监控单元的功能智能监控单元是监测和控制智能电器完成各种功能的设备，它可以实现对电器元件的保护和分、合功能，全面完成对控制对象的实时监控，并将其运行状态和数据向系统控制中心上传，接受中心下发的各类操作命令、功能投递和参数设置等信息。它一般有都具有以下功能：(1)现场运行参量的监测(2)保护(3)故障诊断(4)就地/远方调控(5)被控开关运行状态监视及现场运行工况记录(6)通信(7)一次开关电器元件的监测1.4 电器智能化网络的现状与发展趋势电器智能化网络最普遍的结构形式是现场总线局域网和工业以太网。底层网络通过通信控制器和自己带有独立协议转换接口的现场智能设备，即可组成基于工业以太网的局域网。在现场总线局域网应用中，网络基本上采用的是主从方式。各现场设备控制单元作为下位机，作为从设备；底层小型变电站、配电室中的监控、管理计算机为上位机，在网络中作为主设备。现代电力系统综合自动化管理，要求对不同地区的电网、不同发电站的电能进行统一管理和调度，各地区电网的电能质量要进行集中监控。同时希望各地区电网的某些资源。随着计算机网络硬、软件技术的日臻完善，局域网不仅可以互连成覆盖范围很大的广域网，而且今年来已将网络互连技术引入电器智能化网络，不同类型的现场网络互连的问题也得到了根本解决。采用面向对象的软件设计模式来设计网络的系统软件，大大提高了网络的开放性、灵活性。1.5 本课题的主要设计任务本课题的主要设计的任务是设计智能单元的软硬件系统，完成其控制功能。这需要设计智能单元的数据采集系统、A/D转换、时钟电路、看门狗技术、串行通信技术，液晶显示和键盘接口技术。通过单片机编程实现微机保护的功能。智能单元软件分为数据采集与处理、通信软件、处理显示、自检、控制和保护及故障诊断与报警软件组成。要完成以上的功能，需要微机保护，通过单片机编程实现。智能单元硬件系统由五个部分组成，即信号输入电路，单片机微机保护系统，人机接口部分，输入输出回路和电源部分。第2章 智能高压开关柜的硬件系统2.1智能单元的硬件结构智能化开关柜是在常规开关柜上安装一个智能单元。该智能单元以MCS51单片机为核心，智能地实现保护功能的工业控制装置。高压开关柜智能单元通常由单片机系统、模拟量数据采集系统、开关量输入/输出、串行通信接口、人机对话以及电源等部分组成。其原理图如图2.1所示。 图2.1智能单元的硬件结构图（1） 单片机系统单片机系统是控制/保护智能单元的核心，它由CPU和RAM、EPROM、EPROM等扩展芯片构成。对于智能型开关柜，可采用8位或16位的单CPU结构，本课题中使用的MCS51单片机是8位单CPU结构。由于测量和保护的数值计算量大，并要记录故障发生前后的波形，所以外扩一片RAM6264。EPROM用于存放保护定值和装置运行控制字等信息，可就地或远方调整修改。（2） 模拟数据量采集系统智能单元要采集的信息包括交流模拟量和开关量。模拟信号来自电流互感器（TA）和电压互感器（TV），为了提高系统的抗干扰性能，对开关量信号进行了必要的整形、延时和光隔离处理。输入的电压和电流，是模拟量信号，要对它进行数字化处理，本系统采用12位的A/D转换芯片MAX197进行数模转换。（3） 开关量输入/输出开关量输入包括两类。一类是断路器等开关元件的辅助触点和继电器的节点，用来检测这些设备的工作状态；另一类是智能单元装置本身的一些接点。输出通道部分是控制断路器实现控制操作的出口通道。在出口通道里设有光隔离，以防止断路器对微机系统的反馈干扰。（4） 人机对话系统为了便于接受操作人员的干预，提高系统的智能化程度，本系统具有键盘、液晶显示、打印、时钟及信号灯、音响报警等装置，可进行整定值的输入，工作方式的变更，随时检查系统状态，显示、打印系统状态结果（5） 电源部分微机系统对电源的要求比较高，因此我们采用逆变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机系统所需要的直流电压。它把变电所的强电系统的直流电源与微机的弱电系统电源完全隔离开。通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰水平，对来自变电所中因断路器跳合闸等原因产生的强干扰可以完全消除掉。2.2模拟量数据采集系统2.2.1 模拟量输入电路概述模拟量包括电流和电压，模拟量输入电路是微机保护装置中很重要的电路，保护装置的动作速度和测量精度等性能都与该电路密切相关。模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与CPU接口，完成数据采集任务。2.2.2 数据采集系统的组成数据采集系统分为硬件部分和软件部分，硬件部分由互感器、放大器、滤波器（ALF）、采样保持器、A/D转换器组成，其结构图如图2.2所示。传感器的作用是把非电的物理量转变为模拟电量（如电压、电流或频率）。目前电力系统中应用最多的是铁心电磁式电压（电流）互感器，他们都是最主要的电压和电流测量用传感器。放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化，往往在几毫伏到几十毫伏之间；电阻应变片输出电压变化只有几个毫伏；人体生物电信号仅是微伏量级。因此，需要加以放大，以满足大多数A/D转换器的满量程输入510V的要求，此外，某些传感器的内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到了阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。 图2.2数据采集系统的原理图现场模拟参量在经过互感器和放大器转换成为相应的电压电流信号后，还必须经过滤波器，进行进一步的幅值调整和滤波处理。因为运行现场有各种干扰信号，如果不处理，就会直接影响中央处理模块的处理结果，造成测量不准确，甚至使开关电器误操作。在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现。模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前，还可实现对瞬时信号进行同时采样。2.2.3 主要器件的介绍2.2.3.1 MAX197简介MAX197是美国美信公司（MAXIM）推出的多通道、多输入范围12位模数转换器。它只需单电源+5V供电，通过软件编程选择8个输入通道的一个进行模数转换。每个输入通道的模拟信号电平范围为：+10V-10V、+5V-5V、010V、05V，使用户非常方便地与输出信号为标准420mA的非电量变送器或由+5V-5V和+12V-12V电源供电的传感器接口。芯片内带采样保持器，转换时间为6s，采样速率可达100ksps，可通过软件选择内部或外部时钟。该芯片提供数据读取并行接口方式，可与任何标准的微处理器简便联接，因此广泛应用于工业控制系统、机器人、数据采集系统、医疗仪器及电信系统中。（1）其主要特征如下：单电源供电：+5V；分辨率：12位，线性误差：1/2LSB；可以软件选择输入信号电平范围：+5V-5V、+10V-10V、05V、010V；8个模拟输入通道；转换时间：6s；采样速率：100kbps；内部或外部时钟；内部4.096V基准电压源或外部基准电压源；内部或外部采集控制；两种可编程的降低电源消耗的模式；（2）脚排列为28脚双列直插形式，如图2.3所示。CLK时钟输入端。在外部时钟模式，可选用TTL/CMOS电平兼容的时钟信号，在内部时钟模式，可在此引脚与地之间连接一电容来设置时钟频率，典型值为：选Cdk100Pf时，fclk1.56MHZ。 片选信号。低电平有效。图2.3 MAX197管脚示图当片选信号有效时，在内部控制获取方式下，的上升沿锁存控制字并启动一次转换，在外部转换控制方式下，的第一个上升沿使采用保持器开始采样，第二个上升沿（这时ACQMOD0）使采用保持器进入保持期并开始模数转换。当片选信号有效时，的下降沿将把转换结果放到数据总线上HBEN为高电平时，高4位转换结果放到数据总线上；为低电平时，低8位转换结果放到数据总线上。 关闭，低电平时芯片进入全掉电工作模式。D3/D11三态数字I/O口，D3输出（HBEN0）或D11输出（HBEN1）。D2/D10三态数字I/O口，D2输出（HBEN0）或D10输出（HBEN1）。D1/D9三态数字I/O口，D1输出（HBEN0）或D9输出（HBEN1）。D0/D8三态数字I/O口，D0输出（HBEN0）或D8输出（HBEN1）。D7D4三态数字I/O口。AGND模拟地。CH0CH7模拟信号输入通道。当A/D转换结束且输出数据以准备好时，为低电平。REFADJ参考电压源调整端。REF参考电压端。VDD正电源电压端。DGND数字地。（3）工作原理控制字格式表2.1 控制字格式D7D6D5D4D3D2D1D0PD1PD0ACQMODRNGRIPA2A1A0PD1、PD0用于选择时钟及掉电工作模式ACQMOD0表示内部获取模式，1表示外部获取模式RNG、BIP输入信号电平范围选择A2、A1、A0模/数转换通道选择详见表2.2、2.3、2.4输出数据格式单极性转换时，输入电压范围为：0VREF1.22或0VREF2.44，转换为二进制数为0000H0FFFH；双极性转换时，输入电压范围为：VREF1.22或VREF2.44，转换为二进制数为：0VREF1.22或VREF2.44对应0000H07FFH，-VREF1.22或-VREF2.440V对应0FFFH0800H。模拟信号采样保持及模数转换在内部控制获取模式时采样保持器在信号的上升沿开始采样外部信号，6个时钟周期后，采样结束进入保持期并开始进行模数转换。在外部控制获取方式时，采样保持器在信号的第一个上升沿（ACQMOD1）开始采样外部信号，这种状态一直维持到第二个上升沿（这是ACQMOD0）来临时进入保持期，并开始进行模数转换。若这时ACQMOD仍等于1，则开始另一次不定时的采样过程。掉电工作模式为节省功耗，可以在不使用该器件期间使它工作在低电流地关闭模式。关闭工作模式可由硬件或软件进行控制。硬件控制时，可使SHDN端为低电平，芯片便立即中止转换进入全掉电模式；软件控制时，可通过控制字的PD0、PD1两位编程选择是等待掉电模式还是全掉电模式。软件设置后，要等到本次转换结束后才进入相应的掉电模式，在所有掉电工作模式中，接口电路仍正常工作，转换结果也可以读出。器件在接下来的第一个WR信号的下降沿返回到正常工作模式。表2.2 时钟及掉电工作模式选择PD1PD0工作模式00正常操作/外部时钟模式01正常操作/内部时钟模式10等待掉电模式/时钟不影响11全掉电模式/时钟不影响表2.3 输入信号电平范围选择BIPRNG输入范围0005V01010V10+5V-5V11+10V-10V表2.4 通道选择A2A1A0CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH70000010100111001011101112.2.3.2 电压互感器GYV7（1）特点线性度优于0.1%，全树脂密封，隔离度高，耐冲击性强。小巧轻便，能直接焊接在印刷线路板上。（2）性能指标输入电压：1000V （外接限流电阻调节）输出电压：08V （外接标准电路调节）线性度：优于0.1%相 移：小于5 （经过补尝后）隔离耐压：2000V AC过载范围：二倍额定匝数比：1：1原边电阻：约100付边电阻：约100重量：1516克（3）使用方法GYV7是一种电流型电压互感器，典型应用电路如图2.4上图所示。输入电压经限流电阻R1，使经过GYV7电压互感器初级（原边）的额定电流为1mA（或某个用户自定的合理值），次极（副边）会产生一个相同的电流。通过运算放大器的作用，用户可以通过调节反馈电阻R的值在输出端得到所要求的电压输出。而电容C及可调电阻r是用来补偿相移的。不需补偿相移的场合，电容C及可调电阻可以不接。运算放大器的电源电压通常取12V或15V，也可根据情况自定。图中反馈电阻R和限流电阻R1要求度优于1%，温度系数优于50PPM。推荐使用状态是1mA/1mA。2.2.3.3 电流互感器GYA7（1）特点线性度优于0.1%，全树脂密封，隔离度高，耐冲击性强。小巧轻便，能直接焊接在印刷线路板上。（2）性能指标输入电流：060A 输出电流：060mA线性度：优于0.1%相 移：小于5（经过补尝后）隔离耐压：2000V AC过载范围：二倍额定匝数比：1：1000付边电阻：约100重量：1516克体积：262620（3）使用方法GYA7是一种精密电流互感器，典型应用电路如图2.4所示。输入额定电流为5A，副边会产生一个5mA的电流。用户可通过调节反馈电阻R的值在输出而电容C及可调电阻r用来补偿相移不需不需补偿相移的场合，电容C及可调电阻r可以不接。运算放大器的电源电压通常取12V或15V，也可根据具体情况自定。图中反馈电阻R要求精度优于1%，温度系数优于50PPM。2.2.4 数据采集系统工作原理本系统采用ADC式数据采集系统，采用MAX197A/D转换器将模拟量转换为数字量。由于MAX197转换器自带采样保持器S/H，并可通过软件编程控制模拟输入通道，所以本系统只需电压形成回路、放大器、模拟低通滤波器（ALF）、模数变换器（MAX197）三个部分。（1）电压形成回路（电路图如下）图2.4电压电流互感器应用电路图本系统采用交流采样，电压互感器二次侧的额定电压为100V，电流互感器二次侧额定电流范围为5A， 由于模数变换器MAX197的输入信号电压范围选择为：010V，所以主电路中电压或电流互感器二次侧的电压或电流量需经各种中间变换器来实现变换，以满足MAX197的要求。本系统采用电压互感器GYV7、电流互感器GYA7、运放电路将采样电压、电流转换成符合要求的模拟量信号。电压形成回路除起电量变换作用外还起到隔离作用。它使微机电路在电气上与强电系统相隔离，从而在较大程度上削减了来自高压系统的电磁干扰。本系统中，由微型电压互感器GYV-7与运算放大器组成的电路的额定输入电压为100V，输出电压为5V，由微型电流互感器GYA7与运算放大器组成电路的额定输入电流为5A，输出电压为5V，以满足MAX197对输入模拟信号的要求。要达到此目的，需确定电压形成回路的电路参数。对于由微型电压互感器GYV7与运算放大器组成的电路，选择初级额定电流为1mA，限流电阻R1100V/1mA100K，选R1100K，1/4W。此时实际初级额定电流I100V/100.1K0.999mA（0.1K为GYV7的初级电阻）。初级额定电流的选择并不要求很精确。反馈电阻R5V/0.999 mA 5.005K。为补偿相移，需确定补偿电阻r和补偿电容C的值。C选0.033F，GYV7上标的C为15/，此时 (2.1)对于由微型电流互感器GYA7与运算放大器组成的电路，反馈电阻R5V/5mA1。C选0.033F，GYA-7上标的C为15/，则。 (2.2)具体参数如图2.5所示。（2）低通滤波器（ALF）图2.5低通滤波器原理图经传感器转换和放大后的电信号，由于测量现场的电磁干扰，传感器本身以及放大电路等的影响，往往含有多种频率成分的干扰，而系统在故障的瞬态期间，电压和电流也含有较高的频率成分，本系统的微机保护原理是反映工频分量的，所以在采样之前应将最高信号频率分量限制在一定频带之内，即限制输入信号的最高频率，以降低采样频率fS，一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需的最高频率信号的采样不至于发生失真。本系统采用如图2.5所示的有源低通滤波器滤去fS/2以上的频率分量。电路参数的确定：令R1R2R，C1C2C，则有 (2.3) (2.4) (2.5)本系统要采样的信号是电压和电流的工频信号，即f050，每周期采样12次，即采样频率S1250600，所以ALF的截止频率 C300，设品质因素Q2，则： (2.6) (2.7)若选C0.1F，则R2650，（R3R4）/R32.5，可选取适宜的R3、R4值。具体参数如图2.5所示。（3）模数转换电路本系统采用MAX197完成模数转换，在本系统中，为节省功耗令其工作在等待掉电、内部获取模式，输入信号电平范围选择为010V，软件控制输入通道，所以其控制字为：90H97H，MAX197是12位ADC，能分辨出满刻度的1/212或满刻度的0.0245%。则本系统中MAX197能分辨输入电压变化的最小值VR2.44103V。MAX197的具体接线参见电路图。（4）数字滤波由于本设计的软件系统所采用的半周积分算法不能消除直流分量的干扰，所以还需在程序中进行数字滤波。数字滤波主要是数据采集误差的软件抗干扰措施，数字滤波实际上是一种程序滤波，即通过一定的计算程序，对采样信号进行平滑加工，减少干扰在有用信号的比重。本设计采用程序判断滤波法，根据经验判断两次采样允许的最大偏差Y（由用户整定），若先后两次采样值的差值大于Y，则表明输入信号是干扰信号，应该去掉，而将上次采样值作为本次采样值；若差值小于Y，则本次采样值有效。2.3 开关量输入输出电路输入的开关量包括两类：一类是断路器，隔离开关等设备的辅助触点和有关继电器的接点，以检测这些设备的工作状态（开还是合）；另一类是智能单元装置的一些接点，例如开关量输出电路的继电器接点和装置面板上的切换开关。输出的开关量包括断路器跳闸脉冲和信号。图2.6跳闸出口电路跳闸出口设计的关键是如何防止误动作。如图所示，并行输出端口8255A经过光电隔离控制有触点的继电器KCO。为了防止误动，在出口跳闸时，8255的两个并行口PB0和PB1安排不同的电平输出，PB0输出“0”；PB1输出“1”，使与非门输出“0”，驱动发光二极管。这样可以防止在拉合直流电源过程中继电器的短时误动。因为在拉合直流电源时，形同上电复位，PB0和PB1都是相同电平输出，不可能驱动发光二极管，从而防止了误动。2.4 串行通信接口控制/保护只能单元应有通信接口，可采用RS485接口标准。RS485标准采用平衡传输方式，使用双绞线，不用MODEM的情况下，在100Kbps的传输速率时，可传输的距离为1200米；当传输速率下降到9600bps则传输距离可达1500米。与其他接口标准相比，RS485的优点在于它是一种多发送器的标准，允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器组合单元。由于RS485能在一对平衡传输线上连接32个发送器接收器对，这使它在多点通信系统中得到广泛应用。此外，RS485还有抗干扰能力强的优点。按RS485接口标准进行串行通信时，数据可以在两个通信站点或更多通信站点之间进行相互交换，根据传输通道上数据流的传送方向可以将数据传送模式分为全双工和半双工。RS-485接口标准一般采用半双工工作方式。RS485一般采用终端匹配的总线型结构，不支持唤环型或星型网络。最好采用一条总线将各个环节串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。RS485接口由于采用差分方式传输信号，所以并不需要对相对于某个参照点来检测信号系统，只需检测两线之间的电位差就可以了。但收发器只有在共模电压不超出一定范围（7V12V）的条件下才能正常工作。当共模电压超出此范围时，就会影响通信的可靠性甚至损坏接口。RS485电气特性如下表所示：表2.5 RS485电气特性项目条件最小值最大值驱动器开路输出电压逻辑11.5V6V逻辑0-1.5V-6V驱动器带载输出电压=100，逻辑11.5V5V=100, 逻辑0-1.5V-5V驱动器输出短路电流每个输出对公共端250mA驱动器输出上升时间=54,=50pF总周期的30驱动器共模电压=543V接收器灵敏度-712V200mV接收器共模电压范围-7V+12V接收器输入电阻122.5 人机接口2.5.1 人机接口框架图此微机保护系统的人机接口是指键盘、显示器、及CPU插件电路。这部分的主要作用是操作人员通过键盘和显示器完成人机对话任务、时钟校对及与各CPU插件通信和巡检任务。为了减轻CPU的负担，由可编程键盘、液晶显示模块控制器T6963C来完成键盘、液晶显示器与CPU的接口任务，时钟校对由MC146818独立完成，如图2.7所示。2.5.2 硬件时钟电路接口插件设置了一个硬件时钟电路，该时钟电路以RTC芯片MC146818时钟芯片为核心，配有COMS RAM，是智能式硬件时钟。其内部由电子时钟和存储器两部分组成，可设年、月、日、时、分、秒、星期；能处理闰年闰月；可将当前时间实时存储，以便人机接口CPU随时读取。该接口电源正常时，由装置+5V电源供电，导通，截止，通过对电池充电。当直流消失时导通，自动由电池对MC146818供电，以保证硬件时钟图2.7 人机接口框图继续运行。MC146818是美国MOTOROLA公司的日历时钟芯片，具有接口和编程方便、性能价格比高的优点。它有完备的日时钟、闹钟及百年日历的功能，可编程的周期性中断及方波发生器输出，50字节低功耗带掉电保护的用户RAM，并且是可以带后备电池的低功耗高速CMOS器件。MC146818采用DIP封装形式，如图2.8所示。2.5.2.1 各引脚含义：OSC1、OSC2时基输入。外接晶体可为4.194304MHZ，1.048576MHZ或32.768MHZ。用外部振荡时钟时由OSC1接入。CKOUT时钟输出，其频率与CKFS有关。CKFS时钟输入频率选择。当CKFS接VDD时，CKOUT的频率与时基频率OSC1相同，当CKFS接VSS 时，CKOUT的频率为时基频率OCS1的四分之一。SQW 方波输出。有15个频率，由寄存器A的编程来选择。 AD0AD7 复用地址/双向数据线。DS 数据选通或读，输入信号。R/W 读/写控制，输入信号。AS 地址选通，输入信号。CE 片选允许，输入信号。IRQ 中断请求，输出信号。RESET 复位，输入信号。PS 电源检测，用于芯片上电时图2.8 MC146818管脚功能等电源稳定后其时钟及RAM内容才有效。2.5.2.2 MC146818芯片地址分配及各单元的编程从0009H10个单元为时钟、日历和闹钟单元，其内容可有程序写入或读出。其初始值在芯片初始化时有程序写入，其值可用BIN码（二进制数，编程时写作十六进制）或BCD码，这有寄存器B的DM位（b2）决定。时钟初始化时，寄存器B的SET位（b7）必须置1，采用每天12小时或24小时制由寄存器B的24/12位 （b1）决定。在12小时制时，时字节的最高位为表示下午。表2.6 MC146818的地址分配0000 秒 0013秒闹 01分 020D分闹 03140E时 04633F时闹 05星期 06日 07月 08年 09寄存器A 0A寄存器B 0B寄存器C 0C寄存器D 0D在各单元的内容写完之后，将军寄存器B的SET位清0，时钟即开始运行。这10个时钟日历单元的BIN或BCD格式如表2.7所示。在三个闹钟单元有两种分法：表2.7 时钟单元的格式地址单元功能十六进制数据格式十进制数据格式 0秒00H3BH00H59H 1秒闹00H3BH00H59H 2分00H3BH00H59H 3分闹 00H3BH00H59H 4时（12小时制）01H0CH（AM）81H8CH（PM）02H12H（AM）81H92H（PM）时（24小时制）00H17H00H23H 5时闹（12小时制）01H0CH（AM）81H8CH（PM）01H12H（AM）81H92H（PM） 时闹（24小时制）00H17H00H23H 6星期（星期日为1）01H07H01H07H 7 日01H1FH01H31H 8 月01H0CH01H12H 9 年00H63H00H99H 根据写入到三个闹钟单元的时分秒值，每天产生闹钟中断一次； 在各闹钟单元写入“自由（don，t care）”码C0HFFH，即最高两位为1时为“自由”状态。如时钟单元写入C0HFFH，则每小时闹一次，在闹钟和分闹两单元写入C0HFFH，则每分闹一次，在三个闹单元均写入C0HFFH，则每秒闹一次。2.5.2.3 部存储器MC146818时钟芯片有4个可编程的寄存器。（1）状态寄存器Ab7B6B5b4b3b2b1b0UIPDV2DV1DV0RS3RS2RS1RS0UIP（B7）-时间的更新正在进行位。UIP1，正在更新。UIP0，此时读出的时钟日历字节有效。DV2，DV1，DV0分频控制位，用于选择时基频率及在时钟初始化时使分频器复位。其功能见表2.8所示。表2.8 分频控制功能时基频率寄存器A的分频器位操作模式分频器复位DV2DV1DV04.194304MHZ 0 0 0是否1.048576MHZ 0 0 1是否 32.768KHZ 0 1 0是否 任意 1 1 0否是 任意 1 1 1否是注： 选择时基频率：4.194304MKZ，1.048576MHZ或32.768KHZ。 在时钟初始化时使分频器复位，以保证时间设置的正确性。RS3，RS2，RS1，RS0速率选择位。用于选择周期中断的速率和SQW输出的方波频率。如RS3RS0全为0，则禁止分频器输出。（2）状态寄存器BB7b6B5b4b3b2b1b0SETPIEAIEUIESQWEDM24/12DSESET设置位。SET1，时钟不更新。用于时钟初始化。SET0，时钟每秒更新一次。PIE周期中断允许位，使PIE0。AIE闹钟中断允许位，使AIE0。UIE 更新结束中断允许位，使UIE0。SQWE方波输出允许位，使SQWE0。DM数据模式位。DM1，时间用BIN值；DM0，时间用BCD码。24/1224/121，时间为24小时模式。24/120，时间为12小时模式。DSE夏令时制允许位。DSE1，自动执行夏令时制操作；在4月份的最后一个星期日时间从1：59：59AM增到3：00：00AM。在10月份的最后一个星期日当时间首次到1：59：59AM时，调回到1：00：00AM。表2.9 速率选择功能寄存器A选择位时基为4.194304MHz或1.048576MHz时基为32.768kHzRS3RS2RS1RS0周期中断速率方