【某直流电源接地故障分级定位系统硬件设计案例概述综述5100字】

某直流电源接地故障分级定位系统硬件设计案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u7736某直流电源接地故障分级定位系统硬件设计案例概述 1293691.1绝缘监测主机 2214831.1.1ARM9主处理器 2270421.1.2正负母线对地电压采集电路 2154321.1.3触摸屏及LCD显示 425321.1.4RAM存储 434811.1.5FLASH存储 5177471.1.6通信电路 6318141.2绝缘监测从机 822941.2.1单片机电路 8108761.2.2可编程外围并行接口8255 968131.2.3液晶显示电路 1025121.2.4报警电路 1111271.2.5键盘电路 12264311.2.6A/D转换电路 1313601.2.7信号采集电路 13235531.2.8接地电阻阻值判断 15硬件电路是整个系统的重要组成部分。绝缘监测主机用于监测直流母线（KM+、KM-）对地绝缘状况，绝缘监测从机用于监测直流馈线接地情况，绝缘漏电流CT用于检测支路对地绝缘下降时的漏电流，一个从机可以接入多个CT，多个从机则通过RS485总线向主机传送数据。当主机监测到直流母线存在绝缘下降时，让所有从机启动选线工作，若发现负载1所在的馈线支路存在接地的情况，但由于馈线比较长，则需要进一步定位故障点。若绝缘从机A有报警，而绝缘从机B没报警，则说明是在A、B之间出现了接地故障。因此对于很长的馈线电缆，就可以采取分段安装多个绝缘从机的方法，从而根据是哪两个相邻的从机报警情况来判断接地点的范围。具体情况如图1.1所示。图1.1直流电源接地故障分级定位系统示意图1.1绝缘监测主机绝缘监测主机由ARM9主处理器、正负母线对地电压采集电路、触摸屏、LCD显示屏、RAM及FLASH存储电路、通信电路等组成。1.1.1ARM9主处理器该处理器提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构，支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，支持32位的高速AMBA总线接口，全性能的MMU，支持WindowsCE，Linux，PalmOS等多种主流嵌入式操作系统，MPU支持实时操作系统。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力，大小都为16K。ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），这些寄存器包括：31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器。6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位。同时，ARM处理器又有7种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括15个通用寄存器（R0～R14）、一至二个状态寄存器和程序计数器。1.1.2正负母线对地电压采集电路正负母线对地电压采集电路用来判断故障，电路前安装了变压器，起隔离作用，保障作业的安全，中间加装低通滤波器，阻隔、减弱超过设定值的高频信号，最后将信号放大输出给ARM9采集。但由于电压有正负，ARM9不能识别负电压所以通过图1.3所示电路将负电压变正。具体电路如图1.1-1.3所示。图1.1正母线对地电压采集电路图1.2负母线对地电压采集电路图1.3负电压变正电路1.1.3触摸屏及LCD显示本设计采用TFT液晶屏，当电压采集电路将信号采集回来，通过LCD屏幕观察波形，发现其可能存在的问题，触摸屏可以将波形进行放大或缩小，也可以通过触摸屏切换模式。具体如图1.4所示。图1.4触摸屏及LCD显示电路1.1.4RAM存储随机存取存储器，也叫主存，是与CPU直接交换数据的内部存储器。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质。RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入或读出信息。帮助ARM9运行更快。图1.5RAM存储电路1.1.5FLASH存储FLASH存储器又称闪存，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程的性能，还可以快速读取数据，使数据不会因为断电而丢失。帮助ARM9存储更多东西。图1.6FLASH存储电路1.1.6通信电路485通信，常用的通信方式，使用RXD和TXD两个引脚与ARM9通信，通过这个电路将故障告诉作业人员。具体电路如图1.7。图1.7通信电路绝缘监测主机总体电路图如图1.8所示。图1.8绝缘监测主机总体电路图1.2绝缘监测从机绝缘监测从机由爱特梅尔AT89C51单片机电路、AD转换电路、液晶显示电路、报警电路、键盘电路、信号采集电路组成。1.2.1单片机电路本设计的核心部分是爱特梅尔AT89C51单片机。通过单片机控制信号采集、键盘扫描、液晶显示和报警，同时还对采集到的数据进行计算，根据计算结果判断出是否发生故障，若有故障则要产生报警。爱特梅尔AT89C51是与其它MCS-51系列单片机完全兼容的8位单片机，内部硬件资源比较丰富。具有4K字节的掩膜程序存储器(ROM)、128字节内部数据存储器(RAM)、2个16位定时器/计数器、1个全双工的异步串行口、5个中断源、2个中断优先级的中断控制器和时钟电路，时钟频丰在1.2MHZ到12MHZ之间。爱特梅尔AT89C51的引脚P0.0~P0.7、PI.0~P1.7、P2.0~P2.7、P3.0~P3.7为四个8位的并行输入输出口，其中P3口、PO口和P2口为双功能口，可以作为普通的输入输出口。PI口、P2口和P3口都有内部上拉电阻，称为准双向口，所以无须外加上拉电阻，PO口是开漏输出的，没有内部上拉电阻，是一个三态双向VO口，所以P0口必须外搂上拉电阻。RST为复位输入线，ALE、EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(————),PSEN)、EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),EA)为系统扩展控制线，XTALI和XTAL2为时钟电路输入输出线，Vcc、Vss为电源输入线，一般为+5V和地。由于单片机只有24个I/O口，其中P3口还需要应用于第二功能，P0口用于输出数据总线，P2口还用于输出高8位地址给扩展的存储器。所以我们可以应用的I/O口资源相当有限，为了解决这个问题我们采取了应用译码器、数据选择器和扩展I/O口的方法来实现多路信号的采集和控制。并且通过采用扩展数据存储器和程序存储器的方法来解决存储空间不足。具体电路如图1.9所示图1.9爱特梅尔AT89C51电路图1.2.2可编程外围并行接口82558255是一块可编程的I/O接口控制芯片，在很多电子产品的单片机硬件外围设备及工业自动控制板上均可以发现到它，主要是用来支持单片机系统的外围控制芯片。这种芯片具有40个引脚，其中EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——————),RESET)为复位输入端，高电平有效：EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),CS)为芯片选择信号输入端，低电平有效：EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),RD)为读取信号输入端，低电平有效，PA0~PA7(端口A)，PB0~PB7(端口B)为输入或输出端：PCO~PC7(端口C)为可分别设定为两组(PC0~PC3：PC4~PC7)4位的输入或输出端口：VCC(电源)为15V电源输入端：GND为接地端：A0，A(/O端口选择线)为芯片控制端，输入这二位信号用来选择8255内部4个控制端口寄存器，分别为端口A、端口B、端口C和命令控制寄存器。8255内部控制电路分为两组，A组为PA口和PC口高4位，B组为PB口和PC口低4位。在本设计中工作方式寄存器命令字为80H，也就是端口A定义为工作方式0，是信号输出端。其中低6位用于控制6个数据选择芯片AD7506的使能信号，高2位用于控制产生测量接地电阻信号，低电平有效。端口B定义为工作方式0，是信号输出端。其中低6位用F控制外围报警信号输出，高2位用于产生面板指示灯和蜂鸣器报警信号。定义端口C的高4位和低4位都为输出端，其中低4位用于控制AD7506芯片信号选择输入端，高4位用于控制电压信号的输入。因此说通过对8255的操作可以实现对数据采集信号的有序输入，和报警信号的准确输出。具体电路如图1.10所示。图1.108255电路图1.2.3液晶显示电路本设计采用了TL6963C液晶显示控制器，这种控制器多用于中小规模的液晶显示器件。它为整个系统提供了重要的人机界面，是系统的重要组成部分之一。TL6963C是点阵式液晶图形显示控制器，它的特点是可以直接和51系列单片机接口；字符字体可以由硬件设置，共有4种字体可以选择：内部有128字符的内部字符发生器(CGROM);可以管理64K显示缓冲器和字符发生器(CGRAM)；允许单片机随时访问显示缓冲区，甚至可以进行位操作。TL6963C是QFP封装共有67个引脚，现在简单介绍一下重要引脚功能。D0-D7是数据总线；EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),RD)，EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),WR)是读、写选通信号，低电平有效；EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),CE)是片选信号，低电平有效；C/D是通道选择信号，1为指令通道，0为数据通道；EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——————),RESET)是低电平有效的复位信号；DUAL=1为单屏结构，DUAL=0为双屏结构；SDSEL-0为一位串行数据传输方式，SDSEL=1为二位并行数据传输方式；MD2，MD3设置显示窗口长度；MDS，MDI，MD0设置显示窗口宽度；FSI，FSO是显示字符的字体选择端；XI，XO是振荡时钟引脚；ADO~ADI是输出信号地址总线；d0~d7是显示缓冲区数据总线；RW是输出，显示缓冲区读、写控制信号；EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),ce)显示缓冲区片选信号。如图1.11所示。图1.11TL6963C电路图1.2.4报警电路报警器件由红色指示灯和蜂鸣器组成，当接收到报警信息时，由单片机发出报警信号，这时通过红色指示灯闪烁和蜂鸣器发出鸣叫来提示用户已经检测出故障，请求处理。具体如图1.12所示。图1.12报警电路1.2.5键盘电路本设计采用定时扫描方式判断按键，通过译码器输出的EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),Y5)信号线选通锁存器为单片机提供数据。键盘电路中共设计了九个按键。按键1为翻页功能键，按键2为参数增加功能键，按键3为确认功能键，按键4为光标左移功能键，按键5为菜单功能键，按键6为光标右移功能键，按键7为消警功能键，按键8为参数减少功能键，按键9为复位功能键，这些按键为我们提供了快捷、直观的人机界面，可以方便的进行参数修改、功能设定和显示屏翻页。如图1.13所示.图1.13键盘电路1.2.6A/D转换电路A/D转换装置把采集到的母线电压信号和以电压形式输出的支路电流信号转换成单片机能够识别的数字信号。AD转换装置采用逐次逼近式A/D转换芯片，通过这种转换芯片会在很短的时间内把输入的模拟信号转换成数字信号，并且转换精度非常高。因此，它可以为单片机提供相当精确的采样信号，这些精确的信号可以保证测量值的高精确、低误差。正因为如此，这种转换芯片应用非常广泛。1.2.7信号采集电路信号采集电路就像我们的眼睛，它让我们取得了需要处理的信息，了解了设备现在运行的状态。只有采集到的这些信息准确，我们才有以后进行控制和处理的意义。信号采集电路主要包括电压信号采集电路和电流信号采集电路，它们分别为接地电阻计算提供电压和电流参数。本节将对电压与电流信号的采集和接地电阻的计算进行详细说明。母线电压是我们需要的重要参数。母线电压包括正负母线间电压、正母线对地电压和负母线对地电压。其中母线间电压和正母线对地电压我们通过DC-DC电压传感器得到相应的信号值，而负母线对地电压可以通过母线间电压减去正母线对地电压得到。而得到的电压信号值是模拟信号，所以必须转换成单片机能够直接识别的数字信号。在设计中采用了AD574A进行12位A/D转换，通过查询法完成转换控制，转换结果分为高8位和低4位两次输出。AD574A是快速型12位逐次逼近式A/D转换器。由单片机地址的低2位A0和A1分别控制AD574A的控制端(A0/SC)和读/启动转换控制端(R/C)。在启动时，若A0为0则作12位转换，为1时为8位转换。当作12位转换时，在A0为0时输出数据的高8位，为1时输出数据的低4位，A1为1时读启动，为0时写启动。由译码器输出的EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),Y3)作为片选信号EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),CS)，而单片机的EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),RD)和EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),WE)信号经过施密特与非门后作为使能信号EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),CE)。AD574A的状态输出端STATUS作为状态查询位，当输出为1时转换正在进行，为0时转换已经结束。此信号接在单片机的计数器TI端，当转换时查询此位，若此位为1则转换结束。由于AD574A只能进行一路模拟信号输入，因此不可能同时对4路信号进行摸数转换。所以为了能够转换4路信号，我们加入了双向控制开关4066。4066的输入和输出分别接到电压信号和AD574A的模拟信号输入端，控制端通过集电极开路反向驱动器7406接到8255的PC口高4位。因此通过8255控制实现了4路电压信号的分时转换。电压信号采集电路如图1.14所示。图1.14电压信号采集电路电流信号由漏电流传感器直接获得，而获得的电流信号也是模拟信号，所以电流信号同样需要进行A/D转换。由于本设计配置是64路，所以需要获得64路电流信号，因此需要进行64次A/D转换，并且需要分清转换的信号路数。当然我们不能通过使用64个A/D转换芯片来解决，因此我们采用了数字多路开关AD7506芯片。AD7506芯片通过一个使能端和4位通道选择端就可以依次选通16路信号，所以通过使用4片AD7506就可以让64路信号分时进行选通，并且通过使能和选通信号就可以判断出现在采集的是哪路信号。4片AD7506的使