智能脫扣器的軟硬件設(shè)計(jì)

首先介紹了智能脫扣器的硬、軟件設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)，接著提出了新的數(shù)據(jù)處理方法，最后總結(jié)出一些抗干擾的措施。

關(guān)鍵詞：智能脫扣器；采樣；快速傅立葉變換；小波變換；抗干擾

0    引言

    智能型斷路器是指采用了智能脫扣器的斷路器，智能脫扣器使斷路器實(shí)現(xiàn)了遙測、遙控、遙信和遙調(diào)等功能。現(xiàn)在智能脫扣器都采用單片機(jī)、DSP等微處理器作為邏輯處理的基礎(chǔ)，其發(fā)展趨勢一是功能越來越多，除了傳統(tǒng)的脫扣功能外，還有脫扣前報(bào)警功能、線路參數(shù)檢測功能以及試驗(yàn)功能；另外一種趨勢是采用現(xiàn)場總線技術(shù)，把設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化作為目標(biāo)。

    本文主要介紹在研制智能脫扣器的過程中，硬件、軟件方面需要注意的問題以及相應(yīng)的處理方法。

1    智能脫扣器的硬件設(shè)計(jì)

    根據(jù)智能脫扣器所要實(shí)現(xiàn)的功能，硬件可以分為中央處理單元（微處理器及其外圍電路）、采樣電路、按鍵顯示電路、通訊電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾個部分。

1．1    采樣電路

    采樣電路實(shí)現(xiàn)的功能是將外部的電流、電壓信號經(jīng)過互感器、濾波、幅值調(diào)整環(huán)節(jié)后送到微處理器A/D采樣通道口。在這些環(huán)節(jié)要注意以下幾個問題。

    1）互感器的選擇互感器的作用是將線路中幅值很大的電信號線性地轉(zhuǎn)換成可以處理的電信號，其轉(zhuǎn)換的線性和精度將直接影響關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可信度，這些數(shù)據(jù)是智能脫扣器工作的基礎(chǔ)。常用的電流互感器有鐵心和空心兩種，鐵心型互感器在處理小電流時線性度很好，但大電流時鐵心容易飽和，從而出現(xiàn)線性失真，測量范圍小；空心型在處理大電流時線性度好，測量范圍廣，但小電流時易受干擾，也會出現(xiàn)線性失真，測量誤差大。然而智能脫扣器電流測量范圍從幾百A到幾十kA，變化范圍很大，要想在整個測量范圍內(nèi)不失線性，最好采用兩種類型互感器相互結(jié)合的方法。

    2）幅值調(diào)整環(huán)節(jié)由于電流的測量范圍很大，而微處理器A/D轉(zhuǎn)換參考電壓一般很小，本項(xiàng)目采用CYGNAL公司的C8051芯片作為CPU芯片，其A/D轉(zhuǎn)換參考電壓范圍為0～3.3V，如果輸入電信號幅值超過3.3V一定的時間將會損壞C8051芯片。如果將所有的電信號幅值都降到3.3V以下，那么A/D轉(zhuǎn)換的精度將大大降低，為后面的數(shù)據(jù)處理帶來很大的麻煩。本設(shè)計(jì)中采用多量程轉(zhuǎn)換的方法，每一種量程中信號送到A/D轉(zhuǎn)換口的幅值最大值都稍小于3.3V，硬件上根據(jù)信號幅值大小采用不同的輸送通道，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)這個功能還要軟件上面的判斷。

1．2    中央處理單元

    本設(shè)計(jì)中的CPU芯片采用CYGNAL公司的C8051，這是一種新型高速集成芯片，拇指蓋大小的體積內(nèi)集成了8路A/D轉(zhuǎn)換通道、溫度傳感器、32K的FLASH存儲器，WATCHDOG監(jiān)視器、通訊接口和標(biāo)準(zhǔn)的JTAG程序燒寫口。這使控制系統(tǒng)的外圍元器件少、電路簡單，從而提高了穩(wěn)定性和抗干擾能力。

1．3    鍵盤顯示電路

    鍵盤顯示電路采用串行接口的7281芯片，該芯片通過外接移位寄存器74HC164，最多可以控制16位數(shù)碼管或128只獨(dú)立LED，其驅(qū)動輸出極性和輸出時序均為軟件可控，從而可以和各種驅(qū)動電路配合。同時，7281芯片不僅可以控制各顯示位閃爍屬性和閃爍頻率，而且可以最多連接64鍵的鍵盤矩陣，鍵盤為互鎖式，內(nèi)部具有消去抖動功能。此外，7281芯片采用高速二線接口與CPU通訊，只占用很少的I/O口和CPU時間。

1．4    執(zhí)行單元

    執(zhí)行單元采用永磁體的電磁鐵，正常工作時在永磁體作用下保持吸合狀態(tài)，當(dāng)執(zhí)行電路接收到CPU發(fā)出的脈沖控制信號時，觸發(fā)達(dá)林頓管使線圈通有電流而產(chǎn)生反向磁通，在反力彈簧的作用下鐵心打開，帶動斷路器分?jǐn)唷?/p>

1．5    硬件設(shè)備比較容易忽視的問題

    CYGNAL51芯片自帶內(nèi)部復(fù)位和簡單的外部復(fù)位電路，這部分復(fù)位電路是不容易被忽視的。但是在實(shí)際運(yùn)行中，由于鍵盤和顯示是由管理芯片7281所控制的，當(dāng)程序跑飛后，C8051芯片經(jīng)過外部或內(nèi)部復(fù)位電路可以重新復(fù)位運(yùn)行，但是C8051芯片的復(fù)位無法傳送到7281芯片，這時顯示板上的顯示不會刷新，因此要在C8051芯片復(fù)位的同時，讓7281芯片也進(jìn)行復(fù)位，可行的解決方法是讓C8051芯片和7281芯片共用相同的復(fù)位源，這樣一旦程序死掉，這兩種芯片會同時復(fù)位。

2    智能脫扣器的軟件設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)主要分為兩個部分，主程序和中斷程序。主程序包括故障處理、鍵盤處理、顯示處理、通信處理等子程序；中斷程序包括定時器中斷、鍵盤中斷、通訊中斷等。

    單片機(jī)對工頻電流信號進(jìn)行采樣，每一周波（20ms）可采集32個點(diǎn)，這樣系統(tǒng)采樣頻率采用6MHz就不會出現(xiàn)失真。由于延時保護(hù)要求精度高，因此要先計(jì)算電流的有效值。計(jì)算電流有效值的方法較多，下面介紹一種較可靠的算法。由于實(shí)際信號中疊加有高頻信號和非周期信號，為了真實(shí)有效地反映被測量信號的本質(zhì)，有人提出了用FFT算法從測量數(shù)據(jù)中計(jì)算出線路?號的基波參數(shù)和高次諧波參數(shù)，由于信號基波分量占到總信號的95％以上，所以，計(jì)算出來的數(shù)據(jù)可以作為各種保護(hù)算法的依據(jù)。電流保護(hù)的前提是能否及時正確判斷故障發(fā)生的時刻。FFT算法通過計(jì)算一個周波內(nèi)基波分量的有效值是否大于門檻值來確定故障情況，這樣做可以完成判斷任務(wù)，但是實(shí)時性不高。下面提出一種基于小波分析和FFT的改進(jìn)算法，小波算法在采樣過程中檢測到可疑信號點(diǎn)后，由FFT算法進(jìn)行有效值判斷，如果沒有超過門檻值，則可疑信號點(diǎn)無效，回到小波算法中繼續(xù)尋找采樣可疑點(diǎn)；如果有效值超過門檻值，則認(rèn)為可疑點(diǎn)有效，根據(jù)保護(hù)條件輸出相應(yīng)信號。其算法的流程圖如圖1所示。

圖1    數(shù)據(jù)處理流程圖

    瞬時保護(hù)是一種特殊的保護(hù)方式，它不需要對有效值進(jìn)行比較，而是采用即采即比的方式，一旦發(fā)現(xiàn)某個采樣點(diǎn)超過規(guī)定的門檻，立即讓單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出脫扣信號。但是，由于脫扣器工作條件不定，不可避免受到外界干擾源的影響，導(dǎo)致脫扣器誤動，為了減少誤動的可能性，可以采取判別連續(xù)幾個采樣點(diǎn)是否都超過門檻值，如果都超過則認(rèn)定故障發(fā)生，否則判別為外界干擾。采取這種方法提高了可靠性但是降低了時效性，至于連續(xù)判別幾個采樣點(diǎn)根據(jù)實(shí)際需要來定。

3    抗干擾的措施

    影響智能脫扣器的干擾源有用電設(shè)備的浪涌電流，對講機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)生的射頻輻射，智能脫扣器內(nèi)部的開關(guān)電源和斬波釋放電路等。這些干擾源的存在導(dǎo)致程序死掉，或電流電壓等參數(shù)顯示不準(zhǔn)確導(dǎo)致故障狀態(tài)判斷錯誤，進(jìn)而引起脫扣器誤動作。為了減少干擾的影響，需要在硬件和軟件上采取相應(yīng)措施。

3．1    硬件抗干擾

    采取的措施有：

    1）合理布線，使數(shù)字電路地和模擬電路地共點(diǎn)地為懸浮工作方式，即系統(tǒng)各回路的基準(zhǔn)電位互相連接在一起而不與大地相連，這樣系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力；

    2）模擬電路地和數(shù)字電路地分開接地，最后再匯合到一點(diǎn)，這是因?yàn)閿夭ㄐ狗烹娐吩趩庸ぷ骱?，出現(xiàn)很高的瞬態(tài)干擾，把邏輯地（主機(jī)）和模擬地（A/D）分開后，這一干擾就降到很低；

    3）線路板和元器件表面噴絕緣層，是防潮和絕緣的需要，對防電磁干擾也有很重要的作用；在機(jī)殼內(nèi)涂金屬屏蔽層，形成等電位屏蔽，對電磁干擾也有很大的屏蔽作用；

    4）在穩(wěn)壓電源、隔離變壓器后側(cè)安裝濾波電路，能使火線與零線中的干擾電流得到衰減；

    5）芯片的選擇上，盡可能采用體積小的芯片封裝，由于貼片封裝比直插封裝體積小、抗干擾能力強(qiáng)，因此選擇貼片封裝；

    6）盡量減少外圍電路，使電路板布線簡單；

    7）硬件電路應(yīng)采用多級跟隨器和高頻濾波電路，以保證信號不失真。

3．2    軟件抗干擾

    軟件上抗干擾的方法有以下幾種。

    1）為了防止裝置受到干擾進(jìn)入“死機(jī)”狀態(tài)，在程序中加入一些監(jiān)控措施利用看門狗（WATCHDOG）對程序進(jìn)行死鎖檢測，在必要的時候自動復(fù)位；在未使用的中斷向量區(qū)、空白程序區(qū)設(shè)置軟件陷阱，強(qiáng)迫程序跑飛以后能夠回到正常軌道上來；在必要的地方寫入冗余指令，以調(diào)整指令長度，防止程序混亂。

    2）對采樣信號進(jìn)行數(shù)字濾波首先對每一個采樣點(diǎn)進(jìn)行判別，讓其與相鄰值、前次值以及增值最大值比較，根據(jù)對稱檢測法、限幅檢測法來判斷是否為干擾信號；對最近采樣的點(diǎn)進(jìn)行FFT計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與前幾次的數(shù)據(jù)求平均值，舍去“異類”。

    3）軟件“WATCHDOG”技術(shù)系統(tǒng)運(yùn)行時受到外界干擾的時候，程序會偏離正常軌道從而引起一系列問題，出現(xiàn)死循環(huán)，系統(tǒng)無法回到正常狀態(tài)。軟件看門狗技術(shù)特點(diǎn)是：系統(tǒng)正常運(yùn)行程序中，每隔一段固定時間就要對“WATCHDOG”進(jìn)行“喂狗”操作，在規(guī)定時間內(nèi)如果檢測到“喂狗”操作，表明系統(tǒng)運(yùn)行正常，否則認(rèn)為系統(tǒng)出錯，自動發(fā)出復(fù)位信號。本項(xiàng)目采用的CYGNAL51芯片內(nèi)部自帶看門狗，這就減少了項(xiàng)目開發(fā)人員的工作量。

    此外，在數(shù)據(jù)處理的算法上進(jìn)行改進(jìn)，也能大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但是，這往往是以犧牲代碼長度為代價(jià)的，至于如何取舍看實(shí)際項(xiàng)目要求而定。

4    結(jié)語

    隨著高性能、低價(jià)格芯片的不斷涌現(xiàn)，在保留傳統(tǒng)設(shè)備優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，智能脫扣器在保護(hù)的多樣性、判斷準(zhǔn)確性和抗干擾性、自診斷保護(hù)、實(shí)時通訊和顯示等方面有較大的改進(jìn)，這大大方便了用戶，從而有廣闊的市場前景。