一种新型智能低压断路器控制器的设计

关键词：微处理器 智能控制器 低压断路器

1、引言

　　低压断路器是低压配电系统中起同段控制及保护等作用的重要元件。目前，国外的低压断路器正朝着高性能、小型化、智能化和模块化方向发展，并且与现场总线系统相连，实现网络化。国内一些厂家也曾开发国际种职能断路器控制器，其主要缺点是采用大规模集成器件较少，故体积较大，易进入干扰。

　　本文介绍一种新型智能低压断路器控制器的设计。主要特点有：a注重模块化设计，采用大规模集成器件。不仅缩短了产品开发周期，提高了产品性能，而且减少了产品体积，降低了成本;b在实现基本保护功能的同时，增加了预警功能;c才参数测量上，除了电流、电压等常规参数外，增加了功率因数及功率测量等，并对参数进行显示;d注重产品的可靠性设计;e断路器带通信接口，引入CAN现场总线技术。

　　2、支能低压断路器控制器设计

　　2.1 总体方案简介

　　该断路器控制器的主要包括微处理器、信号采集电路、键盘和现实电路、外扩存储器、温度检测电路、输出执行电路和电源等。

　　2.2 微处理器的选择

　　智能断路器控制器既要实现各种功能又要有较好的是实时性和电磁兼容性，本期设计用了Dallas公司的DS80C390微处理器。其主要特点有：向下兼容80C52，使用80C51的指令集;高速的体系结构，每个机器周期只有4个时钟周期，最大系统时钟频率可达40Mhz，兼容80C52存储模式，内含4KB的SRAM，外部扩展4MB的程序存储器和4MB的用户数据存储器。内含两个CAN2.0B的控制口，集成度高。

　　DS80C390有2个串行口、3个定时器/计数器、7个附加中断、1个可编程狗定时器、6个8 bit /O口（其中两个与存储器接口），还有一个数据指针OPRT1。DS80C390有2种封装形式：68脚的PLCC和64脚的LQFP，本设计选用前者。

　　2.3 信号采集电路

　　常规信号输入通道的设计一般先滤波在隔离放大，然后经A/D转换等，但该设计方法难以满足实时性要求。本设计要求采集3路线电压和4路相电流信号，而且需要采集的信号范围很宽，若采用常规设计则需要很多的A/D转换通道，故采用了Cirrus Logic公司的电子是电能表芯片CS5460来设计信号输入通道。

　　（1）CS5460的特点。a高集成。内部继承了1个可编程的增益放大器，1个带固定增益放大器的电压通道，2个可选高通滤波器等;b高精度。转换精度可达0.1%;c易接口。CS5460是高速A/D器件，缺省状态下，瞬时A/D变换频率可达4kHz。其自带可编程增益放大器可测量150mV获 30mV两城范围的信号，从而很好地解决了实时性、宽测量范围及测量精度低等问题。

　　（2）CS5460的硬件设计。电压电流互感二次侧感应电压值经分压后分别送入CS5460的UIN+、UIN——和IIN+、IIN-引脚。 CS5460有4 个串行口：SDI为串行数据输入口，SDO为串行数据输出口，SCLK为串行时钟，CS是片选控制线。因为要采集4路电流、3路电压值，故选用了4片CS5460芯片。并用引脚p4.0、p4.1、p4.2和p4.3轮流选通每片CS5460。当CS=1时，SOD为高阻状态，故4片 CS5460的引脚可以直接连在一起。又DS80C390的I/O口可以驱动4个门电路，故4片CS5460的SDI和SCLK引脚分别以线与的形式直接相连。

　　（3）CS5460的软件设计。本设计中软件设计的基本程序采用C51编写。CS5460的初始化和启动转换工作由主程序完成。设计要求每 1.25ms在3路电压、4路电流上个采一点，采用软件定时中断方式。每1.25ms系统启动一次中断服务程序，完成对各路信号瞬时值的采集，每2s完成一次对各路信号有效值的采集。

　　DS80C390通过SDI、SDO、SCLK和CS信号线与CS5460接口。运用写操作对CS5460内部各寄存器进行设置;运用读操作，读出CS5460内部各状态寄存器和输出结果寄存器的值。

　　2.4 外扩存储器电路

　　传统单片机应用系统为一般以微处理器为核心外加必要的芯片组成。但所需外加零散芯片很多时，所得的系统结构将很复杂且不易与更新或修改。所以，本设计采用了PSD934F2芯片。

　　（1）PSD934F2的主要特点。美国WSI公司推出的PSD934F2芯片是专门为8bits微处理器设计的，实现了将多个外围芯片集成于一个芯片中。其主要特点有：可方便的使用复用和非复用的8bits微处理器接口;内置2MB的主FLASH存储器和256KB的第二FLASH存储器;具有 64KB的SRAM;有19个输出的通用PLD（GPLD）;有译码PLD（DPLD）;具有27个可单个配置的I/O引脚;等待电流可以降至50μA; 符合JTAG标准的串行口可对全芯片进行在系统编成;FLASH存储器的擦写次数至少可达100000次，PLD的擦写次数最少可达1 000次。

　　（2）PSD934F2与DS80C390的硬件电路。系统要求具有256KB的FLASH、125±8KB的SRAM和16KB的辅助FLASH，还要31路I/O输出及一些外设片选输出，故系统还扩展了一片128KB的SRAM。本设计中，DS80C390工作于22bits连续叶面寻址模式，配置为8bits的数据/地址复用方式。用程序选通允许信号PSEN访问PSD934F2的程序存储器，用WR、RD访问数据存储器。PSD934F2的 27个I/O引脚，分成4个口（PA、PB、PC和PD），每个引脚可单独配制成不同的功能。

　　（3）PSD934F2的软件开发。PSD934F2由PSDsoft软件支持。系统设计时，不需要用硬件描述语言（HDL）来定义PSD934F2 的引脚功能和分配存储器地址。PSD934F2支持FlashLINK器件编程器，对PSD934F2进行编程。首先用PSDsoft软件定义 PSD934F2的引脚功能及分配存储器地址，再通过PSDsoft将PSD934F2配置与用户HEX文件进行合并产生目标文件。HEX文件由用高级语言编写的植入PSD的应用程序经编译、链接产生，再将目标通过FLASHLINK写入PSD934F2即可。

　　2.5 温度检测电路

　　传统的温度检测电路采用热敏电阻等温度敏感元件，热敏电阻成本虽低，但需要后续信号处理电路，且测量通道的标定麻烦，温度测量的准确度也相对较低。所以，本设计采用Dallas公司生产的数字温度传感器DS1620。

　　（1）DS1620的特点。数字温度传感器DS1620是Dallas公司推出的新型温度敏感器件。他以数字量输出温度测量值，具有测量范围宽，传输距离远，可靠、稳定等特点。DS1620的测量范围为-55～125℃，分辨率为0.5℃。温度以9位数字输出，能够在1秒内完成被测温度的数值转换，可独立工作，也可方便的与PC或单片机以串行方式连接。

　　（2）DS1620的软硬件设计。DS1620通过高温系数振荡器控制低温系数振荡器的脉冲个数，实现被测温度的数字输出。温度计数器和寄存器预置-55℃的基准值，若温度寄存器与技术起在脉冲周期结束前为0，则温度寄存器增至被测温度值。

　　DS1620的引脚DQ位数据输入输出脚（3线通信），CLK/CONV三线通信时为时钟输出口，不用CPU时为启动转换脚，RST为复位输入脚。DS1620通过三线串行接口与微处理器相连，实现有关数据的写入、温度数据的读出。

　　2.6 实时时钟芯片

　　系统运行时，整个系统每隔一段时间就要进行一次始终校准。为此，本设计选用实时时钟/日历芯片PCF8563。PCF8563与DS80C390采用 I2C通信接口方式进行数据传送。由于DS80C390本身没有I2C通信接口，所以采用软件模拟的方法与具有I2C接口的PCF8563接口。

　　程序中微处理器在发出第九个脉冲时，读取SDA线上的状态，如读取状态为0，则说明数据已成功写入PCF8563;如读取状态为1，则说明写入操作不成功，程序转入再次写操作。每进行一次操作，内嵌的字地址寄存器就会自动产生增量。据此，可判断出程序对PCF8563的读写操作是否完成。每隔一段时间，主机发送标准时间，标准时间通过CAN总线传入各职能节点，然后有个节点对各自的时钟进行校时操作。当某节点发生故障或报警时，此节点就对自己的 PCF8563进行读操作，已得到发生故障或报警时的时间值。

　　2.7 CAN总线接口电路

　　CAN总线是现场总线领域应用很广泛的一种通信技术，用CAN代替以往的RS—485将从根本上改善监控系统的性能。DS80C390内部集成了两个全功能CAN2.0控制器，易与外部CAN总线接口。

　　2.8 键盘及显示电路

　　键盘设计时，将按键的一端与微处理器的口线直接相连，并加上阻容电路去抖动。这样既可简化硬件电路的设计，还可减小体积。显示电路由发光二极管和液晶组成，液晶采用精电公司的MGLS-12864T，可用图形或文本方式显示。

　　3、智能控制器的可靠性设计

　　本控制器模块处于强磁场环境中，各种电磁干扰源频率大致为：电磁20Hz～几十Hz，开关电弧30～200Hz，磁铁1.0～3.6MHz。本模块还处于强电力线电厂中，该场以电磁感应的方式将电磁能量施加与本控制器模块。所有的电磁干扰都有电磁干扰源、耦合通道和敏感设备3个基本要素组成。

　　（1）本设计选用了CS5460、PCF8563等贴片封装元器件，高集成度的DS80C390及可配置内存器件PSD934F2和带光电隔离的固态继电器。这些控制器模块本身就有很强的抗干扰能力。

　　（2）电源是引入干扰的重要途径，为减少从此引入的干扰，采取了如下措施：a采用高性能开关电源以抗尖脉冲干扰等;b采用压敏电阻或RC网络等吸收浪涌电压;c电源进线端加大容量电解电容和高频陶瓷电容分别滤除低频、高频干扰;d采用分散独立的功能供电。e保证有适当的功率裕度。

　　（3）过程通道上才取光电耦合隔离、固态继电器开关量输出和对传输线进行阻抗匹配的措施。

　　（4）设计印刷电路板时，采取合适的制版面积、双板层、井字形布线，尽量减少环路面积和环路电流、并排走线间插入离散地线、重要信号线靠近地线等措施。本控制器模块采用工作接地。采用待屏蔽的双绞线以减小电流信号回路的电磁干扰，其屏蔽层接到断路器外壳。接地线尽可能短，线径尽可能粗。

　　（5）采用较高导电性材料如铜进行电场屏蔽，导磁材料进行磁场屏蔽。在控制器壳内喷涂铜制电镀导电层。对开关电源加屏蔽层，对显示窗中使用屏蔽玻璃，采用电磁密封衬垫防壳体缝隙漏磁。

　　（6）软件设计中采用的抗干扰措施有：a设置看门狗定时器。看门狗的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，而在主程序运行过程中执行一次时间常数刷新操作。当程序出错时，由于不能正常刷新定时器而导致定时中断，将系统复位。b设置软件陷阱。本设计中在非程序区反复用 NOP，NOP，LJMP 0000H填满，作为程序乱飞的拦截措施。这样，不论程序失控指向哪一字节，都能回到复位状态;c 采用一阶递推数字滤波法实现软件的数字滤波，以消除传感器通道中的干扰信号;d 采用设置软件冗余、输出状态影像保存、数据存储冗余和初始化及自检程序等，应对控制的状态失常。

　　4、实验结果

　　（1）测量电流值。CPU读取CS5460电流有效值寄存器中的A/D转换值，再通过软件进行非线性补偿等方法，可得出对应的电流有效值。

　　（2）电压值的测量。电压互感器的次级串接140Ω电阻，可以得到0 ～ 150mV的电压。电压经CS5460的A/D转换后，存储在电压有效值寄存器中。CPU访问此寄存器可得到转换结果，在据原、副边变比关系，得到对应电压有效值。

　　（3）功率因数的测量。通过CS5460内一个电量寄存器积累电能。根据电能与功率的关系W=Pt，在1s内积累的电能数值上等于其有功功率P。在根据公式cosφ=P/UI算出功率因数值。

　　（4）动作相应时间验证。本设计要求，当线路中出现大电流时，断路器必须在20 ms内可靠分断，这其中包括线路出现大电流短路故障到微处理器判断出故障发出分断指令所需的时间、机械部分延迟时间和电弧熄灭时间。本设计在一个工频周期内对每路信号采集16个点，即每12.5ms采集一个点，再根据设定值判断是否发生故障。实验结果表明，本系统中，线路出现大电流短路故障到微处理器判断发出分断指令所需时间为6ms左右。可见，线路出现大电流短路后，断路器在20ms内能可靠分断。