变电综合自动化系统

1、教 案 用 纸班级 日期对无人值班变电所也设置必要的人机联系功能，以便当巡视或检修人员到现场时，能通过显示器观察到站各设备的运行情况。牵引变电所综合自动化系统第一节 综合自动化系统的功能及特点一、变电所综合自动化的基本概念1 变电所综合自动化：应用自动控制技术、计算机信息处理、通信与网络技术等，完成对变电所主要设备和输配电线路的监视、控制、测量、继电保护、远动控制以及调度通信等二次系统功能。2 变电所综合自动化系统：利用多台微型计算机、接口电路、通信网络等组成的自动化系统，通过收集所需的各种数据和信息，借助计算机的高速计算力和逻辑判断能力，实现对变电所各种设备的监视、控制或调整。二、变电所综合

2、自动化系统的基本功能：变电所综合自动化系统主要具有数据采集、人机接口、操作控制、继电保护、自动控制、测量、监视、通信、系统的自诊断等功能。1 数据采集功能该功能完成状态数据、模拟数据和脉冲数据的采集。 （l）状态量采集：需采集的状态量主要包括断路器和隔离开关的位置状态、一次设备的工作状态、综合自动化系统或保护测控装置本身的工作状态等信息。 （2）模拟量采集: 需采集的模拟量主要包括 110 kV 线路及母线、牵引变压器、 27 . 5 kV 母线、馈线、并联电容器组等一次设备的电流、电压。此外还对变压器油温，变电所室温等非电量进行采集。 （3）脉冲量采集: 脉冲量主要是脉冲电度表的输出脉冲，一

3、般采用光电隔离方式输入系统，实现电能测量。 2 人机联系功能人机联系功能是指操作人员或调度员通过 CRT （阴极射线管）显示器了解全所的运行工况和运行参数，通过鼠标、键盘等对全所的开关电器进行分、合闸操作。人机联系的主要内容有各类显示（如实时主接线画面、运行数据、各类信号）、输入数据、控制操作等。3 操作控制功能操作人员可利用鼠标或键盘在 CRT 显示器上对断路器、隔离开关进行分、合闸控制操作，还能接受遥控操作命令，进行远方操作控制。 4 继电保护功能（如电流、电压、有功功率、无功功率、频率、温度、短路阻抗等）如有越限，立即发出告警信号，同时记录和显示越限时间和越限值；若出现控制回路断线，则发

4、出报警信号。告警信号和报警信号以灯光、声音等形式发出。加上摇视就成了“五摇”（包括控制、保护、测量、信号、自动装置和远动装置）采用微机保护实现牵引变压器、牵引网、并联电容器组、自用电变压器等一次设备短路故障的保护。微机保护是综合自动化系统的关键环节。 5 自动控制功能馈线自动重合闸、备用电源自投、备用变压器自投等即是保证牵引供电系统连续可靠供电的重要措施。 6 测量与监视功能变电所综合自动化系统应能完成所内各电气设备运行量的数据采集，并能在 CRT 显示屏或自动化装置面板上显示，也可在当地监控主机上查询。变电所综合自动化系统应具有对运行状态的指示、告警、报警等监视功能。7 通信功能综合自动化系

5、统的通信功能包括系统内部的现场级间通信和自动化系统与上级调度或远方控制中心之间的通信两部分。现场级间通信主要解决综合自动化系统内部各子系统之间以及各子系统与监控主机之间的数据通信和信息交换问题，其通信范围是在变电所内部。对集中组屏的综合自动化系统，实际是主控室内部的通信，对于分散安装的自动化系统，其通信范围是主控室与子系统安装地点之间。综合自动化系统具有与上级调度或远方控制中心之间的通信功能，如将变电所采集到的运行量数据、开关状态信息以及事件顺序记录等实时传送至远方调度中心，同时，也接收调度端下达的各种操作、控制、修改定值等命令，即实现“四遥”（遥控、遥测、遥信、遥调）功能。 8 系统的自诊断

6、功能综合自动化系统具有自诊断功能，自诊断信息也像被采集的数据一样，周期性地送往监控主机和远方调度中心。三、变电所综合自动化系统的特点1 功能综合化按变电所自动化系统的运行要求，将二次系统设备及功能进行综合考虑、优化组合设计，以达到继电保护及监控系统的协调一致。 2 系统构成的数字化及模块化保护、控制、测量装置的数字化（即采用微机实现，并具有数字化通信能力），有利于把各功能模块通过通信网络连接起来，也便于接口功能模块的扩充及信息的共享。另外，系统构成的模块化，有利于实现系统结构的分层化和分布化，适应工程的集中式、分布分散式、分布式集中组屏的需要。 出示投影由前置机完成数据的输入输出、保护、控制及

7、监测等功能，而由后台机完成数据的处理、显示、制表打印及远方通信等功能。3 运行管理智能化一是可实现无人值班；二是能实现自动报警、自动报表、对运行状态的自动调节、事故判别与记录等自动化功能；三是能实现对事故的分析和恢复操作以及自动化系统本身故障的自诊断、自闭锁和自恢复等功能。 4 操作监视屏幕化无论变电所是否有人值班，操作人员均可在变电所或在调度室内，面对 CRT 屏幕或显示器对变电所的实时运行情况进行全方位的监视，对所有的开关设备进行控制。第二节 综合自动化系统的构成一、综合自动化系统的结构形式变电站（所）的综合自动化系统，根据设计思想和安装物理位置的不同，其硬件结构形式大致可分为集中式和分层

8、（级）分布式两种。 1 集中式系统结构变电站（所）综合自动化系统的集中式结构如图 2 1 所示。集中式结构的综合自动化系统，是指集中采集变电站（所）的模拟量、开关量和数字量等信息，集中进行运算和处理，分别完成微机监控、微机保护和自动控制等功能。集中式结构并不是由一台计算机完成所有的保护和监控功能，多数集中式结构的微机监控、微机保护和与调度等通信的功能是由不同的计算机完成的。投影显示站级层的监控主机，在无人值班的变电站主要负责与调度中心的通信；在有人值班的变电站，还负责人机联系。通信控制机专门负责与调度中心通信。2 分层分布式系统结构1）分层结构，是从综合自动化系统构成的纵向上进行的划分，可分为

9、站级层、网络层和间隔层。2）分布式结构，是将间隔层按被监控对象或系统功能划分成若干个单元（称为现场单元），并将这些现场单元连接到能共享资源的网络上，以实现分布式处理。各现场单元之间采用总线、网络技术等实现数据通信。采用分布式结构，可提高系统处理并行多发事件的能力，方便系统的扩展和维护，使局部故障不影响其他单元的正常工作。站级层包括全站性的监控主机、通信控制机等。该层设现场总线或局域网，供各主机之间和监控主机与间隔层之间交换信息。间隔层采用了分布式结构，即横向以站内一次设备（变压器、馈线、电容器等）为对象进行分布式配置，对每个对象均设置对应的保护测控单元。把所有的保护测控单元统称为间隔级单元，或

10、称现场单元。通常又把完成继电保护功能的装置称为保护单元，而把完成测量、控制、监视等功能的装置称为测控单元。这些独立的间隔级单元可通过通信管理单元或局域网、现场总线等与站级层（监控主机）联系。局域网（ LAN )：是一种网络系统，它把分布在数公里范围内的不同物理位置的计算机设备连在一起，实现相互通信和资源共享。以太网（ Ethernet ）是当前应用最普遍的一种计算机局域网组网技术，也是目前局域网采用的最通用的通信协议标准。所谓现场总线，是一种应用在微机保护测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的网络系统，实现多个微机保护测控设备之间的数据传输与信息交换。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，

11、又是一种全分布的控制系统。投影显示分布式系统结构的特点是将大量的数据采集和处理工作下放到间隔层，既减轻了站级层的工作，又提高了系统的数据采集处理能力、实时性和可靠性，维护和退出某一间隔层设备时对其他设备不产生影响。二、牵引变电所综合自动化系统的结构牵引变电所综合自动化系统一般都采用分层分布式结构。从图可见，站级层包括当地监控单元和远动系统；网络层可采用通信管理单元或总线、网络等构成；间隔层主要包括各监控对象的保护、测量、控制等单元，统称为当地保护测控单元。在现场实践中，常把站级层和网络层统称为当地监控系统。综上所述，当地监控单元、通信管理单元和当地保护测控单元是构成牵引变电所综合自动化系统的三

12、个主要功能单元。三、牵引变电所综合自动化系统的功能单元1 当地监控单元投影显示简要叙述其功能（ l ）构成当地监控单元由当地监控主机、网络接口设备、人机联系设备、实时及报表打印机等硬件设备构成，并在监控软件和系统维护软件的支持下完成当地监控功能。系统维护软件由画面编辑、数据编辑、系统数据库管理等模块组成。 （2 ）功能 通过画面编辑、数据编辑及人机对话可视化工具，可完成应用系统画面及数据库的建立与维护、系统运行参数的定义及修改等。 可对不同用户设置不同的管理权限，以确保系统的安全性。 可实时监视变电所内开关的运行状态。 实现牵引变电所内各开关的分、合闸控制操作。 实现保护装置和各类信号的复归操

13、作。 实现保护测控装置参数、保护定值等的整定、修改与查询。 可显示全所的测量信息、保护信息、故障录波、负荷录波及预告信息等。 具有报警信息窗口，根据不同的报警级别采用画面、语音、音响等报警方式。 可完成各种报表记录、曲线检索及显示、打印实时数据及报表等。 在当地监控与远方监控的功能关系上，正常情况下，调度端控制命令不需通过当地监控单元即可执行，这时，可通过当地监控的显示器监视变电所运行情况。当远方控制失效时，当地监控单元作为远方控制失效的后备手段在当地进行控制操作。 2 通信管理单元通信管理单元，亦称为通用通信装置或数字变电站管理系统。通信管理单元作为远方调度或当地监控与保护测控装置联系的枢纽

14、，主要完成调度（或当地监控）系统与保护测控装置之间信息的交换、管理和显示。 RS232 接口：数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据交换接口技术标准，即将外部串行变为并行，有25个针信号电平值较高、传输速率较低、抗噪声干扰性弱、传输距离有限。RS485接口：新的接口标准。具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等优点。( l ）功能通信管理单元主要具有通信和协议转换功能，能支持多种网络结构。另外，还具有设备自检、装置工作状态指示、系统设置、串口检测自适应及参数设置等功能。 ( 2 ）硬件结构通信管理单元通常由主板、网络通信模块、光纤收发器模块、开关电

15、源模块等组成。它一般采用 32 位微处理器进行功能开发，适用于具有 RS232 接口或 RS485 接口的设备接入综合自动化系统，实现通信功能。主板可采用 32 位 CPU 为核心的硬件平台，通过 RS232 和 RS485 接口与外设相连，通过双口 RAM 与网络通信模块相连，进行数据交换。网络通信模块采用插卡结构，可根据网络的具体要求选择适当的网络插件，实现与监控系统通信。光纤收发器模块完成光信号与数字信号的转换处理。 3 当地保护测控单元在牵引变电所综合自动化系统中，当地保护、测量与控制单元包括主变保护与测控装置、馈线保护测控装置、并联电容器组保护测控装置、动力变保护测控装置和通用测控装

16、置等。为提高保护测控装置的综合性能，把保护功能与其他功能分开，即按保护装置和测控装置独立设置。同时，还可以将主保护功能与后备保护功能分开，独立设置为主变主保护装置、主变后备保护装置和主变测控装置。 ( l ）基本功能 继电保护功能。能反映一次设备上发生的各类短路故障，一般采用主保护和后备保护的组合方式。 闭锁保护功能。用于防止某种原因可能引起的保护装置误动作，如电流互感器断线闭锁、电压互感器断线闭锁、二次谐波闭锁和高次谐波制动等。 自动装置功能。如变压器自投、馈线一次自动重合闸、接触网故障测距等。 电流、电压互感器断线告警功能。当保护用电流互感器、电压互感器断线时给出告警信号。 监控功能。具有

17、分、合断路器的遥控功能，具有测量电流、电压、频率等模拟量的遥测功能，具有采集断路器、隔离开关、远方、当地控制等位置信号以及其他开关量信号并实现遥信的功能。 投影显示了解DSP 具有故障录波、谐波分析等功能。 装置面板上具有运行、告警、跳闸、重合闸等指示信号，具有信息显示和键盘操作功能，可实现测量、跟踪监视、在线修改定值、投退保护等。 具有远方信息传送功能。可实现上传状态信息、运行数据及故障报告，可远方在线修改定值和投退保护等。 ( 2 ）硬件结构当地保护测控装置采用模块化设计，各种保护测控装置具有通用性。保护测控装置由交流变换插件、保护 CPU 插件、信号插件、出口插件、接口插件和电源插件组成

18、。 交流变换插件 该插件根据输入模拟量的路数，布置相应数量的模拟量输入变换器，将 TA 、 TV二次侧的交流信号（电压、电流）经隔离、变换为低电压信号，经调整后输入到模数（AD ）变换器。 保护插件 保护插件主要完成模拟数据采集、数据处理、定值存储、开关量输人输出、通信等功能。 DSP 称为数字信号处理器，其硬件具有保证系统在异常时能及时复位，其软硬件具有自检功能，能保证系统在运行时各种参数完好；采用具有多重写闭锁功能的存储器 E2PROM （电可擦写只读存储器）保存定值、系数和配置，确保这些参数不被误修改；有足够多的通道用于外部输入量的输入并进行模数转换；具有足够的开关量输入和输出回路； D

19、SP 通过 RS232 串行接口与显示面板通信，并通过总线通信与上位管理机交换数据。投影显示投影显示 接口插件及面板组件 接口插件通过串口与保护插件通信，实现装置内部数据交换，通过通信卡与监控机通信，实现保护装置的远方功能。接口插件与保护 CPU 的通信采用查询方式。接口插件及面板组件由32位CPU 、存储器、实时时钟等芯片组成。面板上设有指示灯，反映装置的当前运行状态。 出口插件 出口插件用于接收 DSP 下发的命令并完成控制命令的输出。该插件提供完整的断路器操作回路控制功能，具有独立的继电器出口，用于保护跳闸、重合闸、断路器的遥控合闸和遥控分闸。 信号插件 信号插件由若干信号继电器组成，实

20、现控制回路断线等告警信号及各种保护动作信号的输出。 电源插件 电源插件一般采用 110V 直流或 220V 交直流两用的开关电源，其输出一般应包括5V 、± 12V 、24V 等电压规格。其中，+ 5V 电源用于 DSP 系统，±12V 用于 A / D 转换部分， + 24V 用于开关量输入和输出。并联电容器组一般不单独设屏，可将其保护测控装置布置在主变保护测控屏或馈线保护测控屏上。四、当地保护测控单元的组屏与布置方式 1 组屏方式在牵引变电所中，一般把当地保护测控单元的设备（间隔层设备）按不同的功能或对象（如一条馈线或一台变压器）组装成多个屏，如主变压器保护测控屏、馈线

21、保护测控屏、主变计量屏等。主变保护测控屏上主要安装有主变主保护装置、主变后备保护装置、主变测控装置、断路器分合闸控制开关、隔离开关分合闸按钮、隔离开关位置指示灯、装置复归按钮及出口中间继电器等设备。馈线保护测控屏上主要安装有馈线保护测控装置、断路器分合闸控制开关、隔离开关分合闸按钮、保护测控装置复归按钮、隔离开关位置指示灯及出口中间继电器等设备。通信管理单元既可设于主变保护测控屏上，也可设于馈线保护测控屏上。 2 布置方式综合自动化系统间隔层设备可采用集中、分布分散、分散与集中相结合等三种布置方式。 （ l ）集中式布置。是指把当地保护测控单元的设备按不同的功能或对象组装成的多个屏，集中安装在

22、主控制室内，由监控主机集中对各屏进行管理，并通过调制解调器与调度中心联系。（ 2 ）分布分散式布置。是指间隔层在站（所）内按间隔分布式配置，各现场单元分散安装在一次设备的机柜内或采用就地就近组屏分散设置。各单元与监控主机之间通过局域网络或现场总线连接，既减少了大量的二次接线，也有利于实现无人值班。 （3 ）分散与集中相结合布置。若以一条线路、一台变压器、一组电容器等为对象，集测量、控制、保护于一体，设计在同一机箱中，并将这个一体化的保护测控单元分散安装在各个开关柜中，由监控主机通过光纤或电缆网络对它们进行管理和交换信息，这种布置方式称为分散式布置。若只是将某些对象（如线路、电容器）的保护和测控

23、单元分散安装在各个开关柜中，而变压器保护装置及备用电源自投等装置仍采用集中组屏的形式，安装在主控制室内，这种布置方式称为分散与集中相结合布置。重点硬件相同，软件不同看门狗：watchdog timer看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。第三节 模拟量偷入输出通道一、变电站综合自动化系统的微机系统结构在综合自动化系统各种对象的微机保护子系统和监控子系统均硬件结构大同小异，但对不同的子系统

24、，其软件及功能模块的组合方式与数量有所不同，即不同的功能用不同的软件来实现，不同的使用场合采用不同的功能模块组合方式。典型硬件结构主要包括模拟量输入/输出回路、微型机系统、开关量输入输出回路、人机对话回路、通信回路和电源等。1 模拟量输入/输出回路模拟量输入回路的作用是将模拟量信号（如电流信号。、电压等）转换成微机系统能处理的数字信号。模拟量输出回路的作用是把微型计算机输出的数字量转换成模拟量，去驱动执行或控制机构。 2 微型机系统微型机系统一般由 CPU 、存储器、定时器、计数器、看门狗等组成。 3 开关量输入/输出回路开关量输入输出回路一般由光电耦合电路、并行接口及有触点的中间继电器等组成

25、，以完成各种保护、测控所需的外部触点输入和实现出口跳合闸、信号、告警等功能。 4 人机对话回路人机对话回路主要包括显示、打印、键盘、信号灯、音响或语音告警等设备，完成诸如数字量和各类信息的显示、系统的调试、保护定值的整定、工作（或运行）方式的设定、动作行为记录等人机对话功能。 5 通信回路通信回路主要完成综合自动化系统中各子系统之间、各子系统与监控主机之间的通信，同时，还将各子系统的运行状态和工作情况远传给调度或控制中心。 6 电源供电电源回路提供整个系统工作所需要的直流电源，以保证整个系统的可靠供电。投影显示投影显示二、模拟量输入通道模拟量输入通道又称为数据采集系统，其作用是把来自电流互感器

26、和电压互感器的电流、电压模拟量变换成数字信号，从而实现对牵引变电所设备及运行状态的监视、测量和保护等功能。模拟量输入通道主要包括电压形成、模拟低通滤波（ ALF ）、采样保持（ S / H ）、多路转换 ( MPX）、模数（AD）转换等功能模块。整个转换过程是在应用软件（程序）控制下，通过外围控制电路实现。投影显示通常AD 转换器的输入有以下几种电压等级：双极性的为 0±2. 5V 、0±5V、O ±10V ；单极性为 05V 、 010V 、 020V 。f (t）为输入的模拟信号，（t）为采样脉冲信号 f ' ( t ）为 f (t）经采样后得到的离散

27、信号序列。1 电压形成回路电压形成回路又称为隔离转换电路，其作用是实现模拟输入信号的隔离与电平转换。1）既要把电流互感器输出的电流变换成电压量输出，还要对电压互感器输出的较高电压（ 0 l00V）进行降压。变换后的电压范围取决于所用的AD 转换器的电压等级。2）电压形成回路除进行电量变换外，另一个重要作用是将 TA、TV 的二次回路与AD 及微机系统完全隔离，提高系统的抗干扰能力。对交流电压的变换一般采用电压变换器。对交流电流的变换一般采用电流中间变换器，也可采用电抗变换器。 2 模拟低通滤波1）作用是阻止（滤除）频率高于某一数值的信号（高频分量或高次谐波）进入采样环节，即给输入信号频率一定的

28、带限（即通带），以满足采样的要求并减少谐波分量对某些算法的影响。2）类型：一类是由 R 、 C 等器件构成的无源滤波器，另一类是由集成运算放大器和 R 、 C 等器件构成的有源滤波器。模拟低通滤波器的通带为 0 一0，0为截止角频率，改变 R 、 C 参数即可改变0值。 3 采样保持电路 ( 1 ）采样 在微机保护、监控子系统中，由于微型机的存储器存储容量有限，运算速度也是有限的，因此不能对连续信号的每一时刻值进行数字计算，而需要选取（按一定要求）连续信号一个周期内的若干时刻的值来表达，这种方法称为对连续信号的离散化处理，或称采样处理。模拟信号的采样，是指按固定的时间间隔对连续信号取值而得到离

29、散信号序列，即在给定的若干时刻对连续信号进行测量。投影显示若采样频率fs1 000 Hz ，则采样周期 Ts = 1 ms ，即在一个工频周期内采样 20 次（点）。投影显示模拟信号的采样由采样电路（或称采样器）实现，采样器实际上是一个受CPU 和时钟脉冲控制的电子开关 S 。采样原理说明图如图所示。采样时，控制开关 S 每间隔 Ts 时间短时闭合一次（闭合时间为），模拟信号 f ( t ）通过采样器，得到输入信号的一个即时幅度，并把它存放在保持电路里，供AD 转换器使用，这就是一次采样过程。采样定理：对连续信号 f ( t ）的离散化处理，要求一个最低的采样频率 fs （采样周期 Ts =

30、1/fs ) , fs 必须大于输入连续信号中最高频率的 2 倍，即fs 2fc ，否则，将因频率的混叠致使采样离散信号f（ t ）不能准确表达原输人信号 f (t）。模拟低通滤波电路的作用就是滤除 f ( t ）中高于 fs / 2 频率的信号。( 2 ）采样方式对单一通道的采样，根据采样点的位置以及采样间隔时间与输入波形在时间上的对应关系，采样方式可分为异步采样和同步采样。同步采样又分为跟踪采样和定位采样，目前，微机保护主要采用跟踪采样。1）异步采样，也称定时采样，其采样频率 fs 不随模拟输入信号的基波频率变化而调整（即采样周期 Ts 保持固定不变），即认为模拟输入信号的基波频率关不变。

31、2）跟踪采样，其采样周期Ts不再恒定，而是使采样频率 fs 跟踪系统基频f1的变化，始终保持fs/f1= N 为不变的整数。这种采样方式通常是通过硬件或软件测取基频周期 T1的变化，然后动态调整采样周期 Ts 来实现。对多通道间的采样，按照对各通道信号采样的相互时间关系，采样方式可采用同时采样、顺序采样和分组同时采样三种方式。所谓同时采样，是指在每一个采样周期对各个通道的量在同一时刻一起采样。一般情况下，保持各个（或某些个）输入信号离散化的同时性对数字保护的计算才有意义。同时采样的实施方式有两种：一种是每一通道都设置AD 转换器，同时采样后同时进行A D 转换；另一种是全部通道合用一个AD 转

32、换器，同时采样，依次AD 转换。投影显示。投影显示了解所谓顺序采样，是指在每一个采样周期内，对上一个通道完成采样及AD 转换后，再开始对下一个通道进行采样。顺序采样方式如图 2 一 14 所示。顺序采样必然会给各通道采样值带来时间差，因此，目前采用采样器与AD 转换器的速度远大于系统基波变化速度来近似地满足同时性要求。顺序采样的优点是只需一个公用的采样保持器。所谓分组同时采样，是指将所有输人通道分成若干组，在组内各通道实行同时采样，而各组间人为地增加一时延，在完成同一组的模拟输人信号采样后，再对其他组的模拟输人信号进行采样。 投影显示。( 3 ）采样保持器考虑到采样速度与AD 转换速度的不一致

33、，为了保证AD 转换的正确性和精度，在AD 转换器对前一个采样信号进行模数转换时，需要将后一个采样信号准确地保持下来，这就是采样保持器的作用。采样保持器由保持电容器 Ch 、控制开关 S 和由输入输出缓冲放大器 Al 、 A2 构成的两个电压跟随器等组成。它有采样和保持两种工作模式，可由模式控制信号来选择。1）采样期间，模式控制信号使控制开关 S 闭合，输入的模拟信号 A 、经过Al 对保持电容 Ch 快速充电，并使 Ch 上迅速达到输入电压值。2)保持期间，模式控制信号使控制开关 S 断开。为了提高保持能力，采用了输入阻抗很高而输出阻抗很低的运算放大器 A2 。4 多路转换开关( 1 ）作用

34、在实际的数据采集模块中，被测量或被控制量可能是几路或几十路，这就需要采用多路转换开关，实现在某一时刻只接通其中的 1 路信号，即完成从多路信号输人到 1 路信号输出的转换。多路转换开关也可用于模拟量输出通道，实现从 1 路输入到多路输出的转换。 ( 2 ）类型和特点多路转换开关有两种类型：一类是机械式（触点式）的，如采用干簧继电器；另一类是电子式的，如采用集成电路。前者较适合于小信号中速度的采样单元使用，后者更适合于高速采样单元。采用集成电路的多路转换开关又具有多种类型，如 4 路选 1、8 路选 l、16 路选 1 等。 （ 3 ）结构和原理 4 路选 1 多路转换开关投影显示投影显示难点多

35、路转换开关由选择接通路数的二进制译码电路和由它控制的各路电子开关（So 一 S3 ）构成。电子开关受 2 个路数选择线（亦称二进制通道地址线） A0 、 Al 的状态和控制端 En 电平（高电平为 1 ，低电平为 0 ）的共同控制。由于有 2 位路数选择线，故可实现对 4 ( 22 ）个通道的选择。多路选择的原理：首先控制端 En 的电平置 l （或 0 ) ，多路转换开关工作， CPU 通过并行接口芯片或其他硬件电路给 AO 、 Al 赋以不同的二进制码，选通 s0 一 s3 中相应的 1 路电子开关闭合，将此路输人接通到输出端。 Ui0一 Ui4 为输入端，共 4 路， U0为输出端。5

36、模数（AD ）转换器 ( l ）类型AD 转换器，是一种能把输入模拟电压变成与它成正比的数字量（用 N 位二进制数表示）的电子器件。根据AD 转换器的转换原理，可分为计数式电压数字转换方式和比较式电压数字转换方式两类。其中，双积分式AD 转换器属于计数式电压数字转换方式，逐次逼近式（亦称逐位比较式）AD 转换器属于比较式电压数字转换方式。( 2 ）计数式AD 转换器计数式AD 转换方式有两种类型：第一种称为电压一时间变换型AD ，第二种称为电压一频率变换型AD 。投影显示设有一计数器，计数脉冲的频率为 f ，计数时间为 t ，则在 t 时间内进入计数器的脉冲数目 N 二 f t 。若是保持频率

37、 f 恒定，而用被转换模拟电压 U 去控制时间间隔 t ，使 t 正比于 U ，而在 t时间内对计数脉冲进行计数，则通过计数器的脉冲数目与电压 U 成正比。采用此种方法进行电压数字转换的A D 转换器称为电压一时间变换型AD ，简称U一 T 型AD 。若是保持时间间隔 t恒定，而用被转换电压 U 去控制计数脉冲的频率，使频率正比于 U ，而在 t 间隔内对计数脉冲进行计数，则通过计数器的脉冲数目与电压 U 成正比。采用此种方法进行电压数字转换的AD 转换器称为电压一频率变换型AD ，简称U一 F 型AD 。VFC 式数字采集系统原理框图如图所示。VFC 芯片是该系统的核心，其作用是把输入的模拟

38、信号认转换成重复频率正比于输人电压瞬时值的一串等幅脉冲，再由计数器记录在一个采样间隔内的脉冲个数，并根据比例关系算出输入电压U。对应的数字量，从而完成模数转换。由VFC 芯片构成的数字采集系统主要用于转换速度要求快、精度高且采样模拟量较多的场合，它与采用灯 D 芯片构成的灯 D 转换方式相比，无需复杂的接口电路，成本也较低。 ( 3 ）比较式AD 转换器下面以逐次逼近式AD 转换器为例，简要说明A D 转换的基本原理。投影显示。例：某AD 转换器的量程为10V，分辨率为12位，表示它能反映 1 / 212 满量程的模拟量输入电压，即对 2 . 44mv 的电压变化作出反应。1）组成：逐次逼近寄

39、存器 SAR （亦称数码设定器）、数模转换器 D / A 、比较器、时序及控制逻辑等部分构成。2）工作原理：逐次把设定在 SAR 寄存器中的数字量经 D / A 转换后得到的电压 Uc与待转换的电压 Ux进行比较。比较时，先从 SAR 的最高位开始，逐次确定各位的数码是“l ”还是“0”。转换器启动后，首先将最高位设为 1 ，其余各位均设为 0 ，若该数码 1000 (n位）经 D / A 转换器转换成的模拟电压 Uc 小于输入模拟电压 Ux ，则保留最高位为 l （反之，则最高位置 0 ）。接着又将第二高位设为 1 ，其余 n2 位均设为 0 ，若此时模拟电压 Uc仍小于输入模拟电压 Ux，

40、则该位保留 l （反之，则该位为0）。以下类推，直到最低位为止。最后， SAR 寄存器中保留的数码即为模拟电压 Ux 所转换成的数字量。比较式AD 转换器转换结果能否准确逼近模拟信号，主要取决于 SAR 的位数和 D / A 的位数。位数越多，越能准确逼近模拟量。 ( 4 ）AD 转换器的性能指标AD 转换器的性能指标包括分辨率、转换精度、转换速度、量程等。1）分辨率，指AD 转换器对输入模拟量最小变化的反应能力。AD 转换器的分辨率越高，表示其对输入量的微小变化的反应越灵敏。由于分辨率直接与转换器的位数有关，故常用数字量的位数（比特）来表示，如 12 位、 16 位分辨率等。例如，满量程为1

41、0V的12位AD芯片，若其绝对精度为±l / 2LSB，则其最小有效位的量化单位E =2.44 mv (103×1012 ) ，其绝对精度为 l /2 E1.22 mV，其相对精度为 1.22 / ( 10 x 103) = 0 . 0122 。例如，单极性量程有 0 5V 、0 10V 、0 20V 等，双极性量程有（ 2 . 5 2 . 5 ) V 、（5 5 ) V 、（10 10 ) V 等。投影显示2）转换精度，即准确度，由AD 转换器器件本身的质量和输出数字量的位数决定，即包含模拟误差和数字误差。转换精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。当AD 转换器位数固定以

42、后，并不是所有的模拟电压都能用数字量精确表示（由于二进制位数有限，不可避免地要舍去比最低位更小的数），常用以数字量的最小有效位（ LSB ）的分数值来表示绝对精度，如±1LSB 、±1 / 2 LSB 、±1 / 4 LSB 等。若在整个转换范围内，把任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示，即为相对精度。3）转换速度，是指完成一次AD 转换所需时间的倒数。AD 转换器型号不同，转换速度差别很大。通常， 8 位逐次逼近式AD 转换器的转换时间为 100s左右。4）量程，是指所育纷换的模拟输入电压的范围，分单极性和双极性两种类型

43、。三、模拟量输出通道模拟量输出通道一般由接口电路、数模（ D / A ）转换器、数据锁存器、多路转换器、放大驱动电路等组成。D / A 转换器的基本原理： D / A 转换器，简称 DAC ，是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件。 D / A 转换器输出的模拟量能随输入数字量成正比地变化，即有： u0 DUR（ 2 一 l ) 式中， UR 为常量，由参考电压决定； D 为二进制数字量。数字量 D 的位数由 D / A 转换器芯片型号决定，通常为 8 位、 12 位等。 D 为 n 位时的通式为：式中， B1为 D 的最高位， Bn 为 D 的最低位。 2 一 l 、 2 2 、 2 n 等

44、即为“权”。由式 2 一 2 可知， D / A 转换器的数模转换功能是采用“按权展开，然后相加”原理实现的，即 D / A 转换器要能把输入数字量中的每一位都按权值分别转换成模拟量，并通过运算放大器求和相加。因此， D / A 转换器内部要有一个解码网络，以实现按权分别进行 D / A 转换。投影显示了解其原理应用大规模集成电路技术， DAC 芯片已实现了将精密电阻、电子开关、数据锁存器、基准电源和运算放大器集成在同一芯片上，并可以直接与微型计算机接口。第四节 数字量的输入输出在变电综合自动化系统中，需要采集的信息很多，如模拟量、开关量、脉冲量等，无论何种类型的信息，在计算机内部都是以二进制

45、的形式（即数字形式）存放在存储器中。可见数字量的输入与输出时计算机的基本操作之一。模拟量经AD 变换后的数字量以及开关量、脉冲量等均需要经过数字量输入电路和输入接口芯片输入计算机；同理，计算机数字量的输出也要经过数字量输出电路和输出接口芯片实现 一、输入/输出（ IO ）接口 1 .IO 接口的作用 IO 接口主要有三个作用：一是实现信号的变换，二是实现 CPU 与不同外设的速度匹配，三是实现电平的转换。 模拟信号变为数字信号。串并行变换。（如二进制数的格式或 ASCII码标准）例如，要向打印机输出数据，必须了解打印机是否“忙”，打印纸是否准备好等。对于每一种二值的工作状态，都可用一位二进制数

46、表示，如输入字节的 D0 =1 表示打印机“忙” , D0 = 0 表示“不忙” ; DI = l 表示“纸已用完” , DI = 0表示“有纸”，只有在 D1D0= 00 , 即打印机不忙且有纸时，才可向打印机传送数据。( l ）实现信号的变换 一是实现信息性质的变换。二是实现传输方式的变换。 ( 2 ）实现 CPU 和不同外设的速度匹配不同外设的工作速度差别很大，且大多数外设的速度与微秒级的 CPU速度相比显得很慢，故在数据的传送过程中常常需要等待。这就要求在IO 接口电路中设置缓冲器，用以暂存数据。 ( 3 ）实现电平的转换通常情况下， CPU 输入输出的数据和控制信号是 TTL 电平（

47、规定电源为5V ，电压高于5V为高电平1 、低于5V为低电平0) ，而外设的信号电平类型较多。为实现 CPU 与外设间的信号传送， IO 接口电路应具备对信号电平的自动转换功能。2 .IO 接口电路 ( l ）基本结构 CPU 同外设间交换的信息有三类：数据信息、状态信息和控制信息。 IO接口必须能把外设送来的三种信息加以区分。因此，在 IO 接口内部，必须用不同的寄存器来分别存放信息，并赋以不同的地址（端口地址）。一个外设所对应的接口电路需要分配几个端口地址， CPU 寻址的对象为端口（数据端口、状态端口和控制端口），而不是笼统的外围设备。 ( 2 ）输入/ 输出信息的组成计算机与外界交换的

48、信息可分为数据信息、状态信息和控制信息三种。 数据信息。计算机与外界交换的数据信息主要包括：模拟量/数字量转换的结果，继电器触点、断路器和隔离开关的状态等。数据信息按一定的编码标准输入至计算机，每若干位（一般为 8 位、 16 位或32位）组合表示为一个数字或符号。 状态信息。状态信息反映外设的工作状态， CPU 在传送数据前必须先输入这些外设的状态信息，并逐位进行测试和判断其工作状态，只有在外设处于“准备好”的情况下，才能可靠地传送数据信号。 控制信息。控制信息用于控制外设的工作，如外设的“启动”和“停止”。在对外设的控制过程中，CPU 发出命令（一个输出字节的每一位可以定义为一个控制命令）

49、给输入/输出设备，例如，当某一位为 1 时控制设备启动，而当该位为0时表示不启动设备。 在综合自动化系统中，输入和输出的数字量、模拟量比较多，就需要扩展多块 IO 接口模板，这时在每个模板内部需要端口译码，在各模板间也存在板选译码问题。投影显示( 3 )IO接口常用芯片IO 接口常用芯片包括地址译码器、锁存器、三态缓冲器等。1）地址译码器的作用：是对 CPU 传送来（由地址总线 AB ）的地址信息进行译码，以确定要传送信息的端口（数据端口、状态端口、控制端口）。在实际应用中，当微处理器内部各功能部件不能满足应用系统的要求时，就需要增加相应的外围芯片，扩展微处理器的功能。2）锁存器的作用：接收和

50、保存来自数据总线的数据，亦即解决总线传送数据的速度与寄存器存取速度不一致的问题。因微机输出的数据在系统总线上只能存在很短的时间（即总线刷新快），通过锁存器可实现总线传送的数据与寄存器数据的一致性或同步性。3）三态缓冲器：亦称三态缓冲寄存器，其组成如图所示。由图可知，三态缓冲器用于寄存器与数据总线之间的数据传送。当寄存器输出端接至三态门，再由三态门输出端与总线连接起来，就构成三态输出的缓冲寄存器。在微机系统中，为减少信息传输线的数目，信息（含地址、数据和控制信息）的传输均采用总线形式（分为地址总线 AB 、数据总线 DB 和控制总线CB ) ，即传输的同类信息都走同一组传输线，且信息是分时传送的

51、。为防止信息的相互干扰，要求凡挂在总线上的寄存器或存储器等，其输出端不仅能呈现0、1 两个信息状态，而且还应能呈现第三种状态 高阻抗状态，即此时寄存器与总线相隔离而不能进行信息交换。另外，同一时间只允许一个寄存器占用总线，其余寄存器均应处于高阻抗状态。原理：三态门除具有输入输出端以外，还有一个控制端（ E ) ，当控制端 E = 1 时，输出=输入，此时总线由该器件驱动（占用），寄存器可与总线进行信息传送；当 E =0 时，输出端呈高阻抗状态，器件对总线不起作用，寄存器不能与总线进行信息传送。三态门还有单向和双向之分。例如 CPU和AD 或 D / A 间传送数据时， CPU 可在任何时候从A

52、D 芯片采集经模数转换后的数字量或把处理后的信息送到 D / A 芯片以控制被控对象。所谓单向三态门是指寄存器与总线间的数据传送是单向的，即只允许寄存器向总线传送数据或只允许总线向寄存器传送数据。而双向三态门可实现寄存器与总线间的双向数据传送。3 输入输出信息的传送方式 ( l ）串行传送方式 所谓串行传送方式，是将要传送的数据的字节（或字）拆开，然后以位（ bit ）为单位，一位一位地进行传送。优缺点：接口所需传输电缆少、硬件投资少，但传输速度相对并行传送要慢，更适合于远距离的数据传送。 ( 2 ）并行传送方式所谓并行传送方式，是以字节（或字）为单位同时进行传送。这种传送方式要求输人厂输出接

53、口的数据通道为 8 位（字节传送）或 16 位（字传送） , 各位数据同步收发。特点：传送速度快，但需要传输电缆数量多（因每一位信息需用一根导线来传送），硬件投资大，更适合于近距离的数据传送。二、 CPU 对输入输出数据的控制方式通常情况下， CPU 与外设之间交换数据可采用四种控制方式，即同步传送、异步传送、中断传送和 DMA 传送。1 同步传送方式同步传送方式也称为无条件程序控制方式。使用同步传送方式的条件是：必须确保执行输入指令时，外设一定是准备好的，执行输出操作时，外设一定是空的，即 CPU与外设间传送数据时必须保证同步。因此，常在以下两种情况下使用：（1）外设工作速度非常快当外设工作速度能和 CPU速度比拟时，常常采用同步传送方式。（2 ）外设工作速度非常慢当外设工作速度非常慢或变化速度是固定的，以至任何时候都被认为处于“准备好”状态时，也可采用同步传送方式。这类设备在作输入时，其数据保持时间相对于 CPU 的处理速度而言要长得多，因此可以认为其数