基于DS80C320的主從逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了基于DS80C320的主從逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，從硬件結(jié)構(gòu)，軟件編制和抗干擾措施三方面進(jìn)行了詳細(xì)討論，并對(duì)單片機(jī)鎖相技術(shù)進(jìn)行了介紹。實(shí)際運(yùn)行表明，本監(jiān)控系統(tǒng)完全滿足實(shí)際需要，性能良好。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī)；逆變電源；鎖相；抗干擾

引言

本監(jiān)控系統(tǒng)是為鐵路用4kVA/25Hz主從熱備份逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。

4kVA/25Hz主從逆變電源是電氣化鐵路區(qū)段信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，有兩相輸出：110V/1.6kVA局部電壓（A相）；220V/2.4kVA軌道電壓（B相）；兩相均為25Hz，且要求A相恒超前B相90°。由于逆變器是給重要負(fù)載供電，且負(fù)載不允許斷電，故采用雙機(jī)熱備份系統(tǒng)，一旦主機(jī)發(fā)生故障，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)切換，因此，備份逆變器一直處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)。由于逆變器經(jīng)過(guò)了整流，逆變兩級(jí)能量變換，功率較大，且指標(biāo)要求較高，必須要采用先進(jìn)的控制技術(shù)；同時(shí)為了安全實(shí)現(xiàn)主從切換，也必須要有完善的監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相，保證整機(jī)的安全。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求

根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)主要完成以下功能：

1）主從切換功能主從控制之間實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)誤的切換，具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種功能，保證切換時(shí)電壓同頻率，同相位，同幅值；

2）鎖相功能主從機(jī)組局部電壓同頻同相，同一機(jī)組內(nèi)A相恒超前B相90°；

3）完善的保護(hù)功能具有軟起動(dòng)功能，以避免啟動(dòng)瞬間電壓過(guò)沖對(duì)逆變器及負(fù)載的沖擊，以及輸出過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，頻率、相位超差保護(hù)，橋臂直通保護(hù)，過(guò)熱保護(hù)等；

4）顯示功能實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行參數(shù)及工作狀態(tài)并具有聲光報(bào)警功能，以提示值班人員及時(shí)排除故障；

5）通信功能具有主從機(jī)組之間通信，與監(jiān)控中心（上位機(jī)）通信等功能；

6）抗干擾功能系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 DS80C320單片機(jī)簡(jiǎn)介

DS80C320是DALLAS公司的高速低功耗8位單片機(jī)。它與80C31/80C32兼容，使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集。與普通單片機(jī)相比有以下新特點(diǎn)：

1）為P1口定義了第二功能，從而共有13個(gè)中斷源（其中外部中斷6個(gè)），3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工硬串行口；

2）高速性能，4個(gè)時(shí)鐘周期/機(jī)器周期，最高振蕩頻率可達(dá)33MHz，雙數(shù)據(jù)指針DPTR；

3）內(nèi)置可編程看門狗定時(shí)器，掉電復(fù)位電路；

4）提供DIP，PLCC和TQFP三種封裝。

2.2 基于DS80C320的監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

按照上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，分為微處理器及外設(shè)模塊，模擬量采集模塊，開(kāi)關(guān)量采集模塊，頻率及相差測(cè)量模塊，控制量輸出模塊，人機(jī)接口模塊，同步信號(hào)模塊以及通信模塊。

1）微處理器及外設(shè)模塊微處理器采用DS80C320，非常適合于監(jiān)控。本系統(tǒng)充分利用前面已提及的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)與編程，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)需要擴(kuò)展了一片8255，一片E2PROM和一片8254。

2）模擬量采集模塊根據(jù)采集精度要求以及被采集量變化緩慢的特點(diǎn)，采用AD公司的高速12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A，其內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換時(shí)間25μs，并通過(guò)ADG508A擴(kuò)展模擬量輸入通道。

3）開(kāi)關(guān)量采集模塊首先經(jīng)光耦進(jìn)行隔離后，再通過(guò)與門送入單片機(jī)的外部中斷口，同時(shí)通過(guò)8255送入單片機(jī)，采取先中斷后查詢的方式。

4）頻率及相差測(cè)量模塊信號(hào)先經(jīng)過(guò)具有遲滯特性的過(guò)零比較器轉(zhuǎn)換為方波，然后通過(guò)雙四選一開(kāi)關(guān)4052送入單片機(jī)，通過(guò)定時(shí)器T0來(lái)計(jì)算頻率和相差。

5）控制量輸出模塊通過(guò)光耦控制輸出，實(shí)現(xiàn)可靠隔離。

6）人機(jī)接口模塊包括按鍵和顯示部分。通過(guò)簡(jiǎn)單的按鍵選擇，實(shí)現(xiàn)電流、電壓、頻率及相差的顯示。顯示部分采用8279驅(qū)動(dòng)8位七段LED顯示，同時(shí)通過(guò)發(fā)光二極管和蜂鳴器提示運(yùn)行狀態(tài)。

7）同步信號(hào)模塊本模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相。單片機(jī)控制8254產(chǎn)生局部同步脈沖和軌道同步脈沖，同步脈沖用來(lái)復(fù)位正弦基準(zhǔn)。通過(guò)軟件控制同步信號(hào)的頻率，可實(shí)現(xiàn)主從鎖相和局部及軌道的相位跟蹤。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程將在下文詳述。

8）通信模塊采用了RS232和RS485兩種通信方式。利用串口0采用RS232實(shí)現(xiàn)與另一機(jī)組監(jiān)控單元的雙機(jī)通信，獲取對(duì)方機(jī)組狀態(tài)信息；利用串口1采用RS485標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，完成傳輸數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件流程

主程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先對(duì)單片機(jī)，外圍芯片及控制狀態(tài)進(jìn)行初始化；然后讀取AC/DC模塊的工作狀態(tài)，若正常則啟動(dòng)DC/AC模塊，否則轉(zhuǎn)故障處理；開(kāi)啟DC/AC后，讀入其工作狀態(tài)并判斷輸出電壓是否滿足要求，有故障轉(zhuǎn)故障處理，正常則開(kāi)啟故障中斷；接下來(lái)進(jìn)行主從機(jī)組判斷和相位跟蹤，實(shí)現(xiàn)主從相位同步和局部及軌道電壓的鎖相；只有在實(shí)現(xiàn)鎖相后，才采用查詢方式處理鍵盤及測(cè)量顯示。在軟件編制中，鍵盤中斷是關(guān)閉的。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)人機(jī)交互通道采用這種查詢處理方法，完全可以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。開(kāi)關(guān)量的輸入采取先產(chǎn)生中斷，后查詢的方法，保證了響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和逆變系統(tǒng)的安全性。

3.2 系統(tǒng)采用的主要算法和技術(shù)

3.2.1 交流采樣算法

測(cè)量顯示大信號(hào)的交流量時(shí)，通過(guò)互感器得到適合A/D轉(zhuǎn)換的交流小信號(hào)，然后對(duì)小信號(hào)進(jìn)行采樣，最后對(duì)采樣數(shù)據(jù)采用一定的算法，得到正確的顯示值。均方根法是目前常用的算法，其基本思想是依據(jù)周期連續(xù)函數(shù)的有效值定義，將連續(xù)函數(shù)離散化，從而得出電壓的表達(dá)式

式中：n為每個(gè)周期均勻采樣的點(diǎn)數(shù)；

ui為第i點(diǎn)的電壓采樣值。

3.2.2 數(shù)字濾波算法

A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，被采樣的信號(hào)可能受到干擾，從采樣數(shù)據(jù)列中提取逼近真值數(shù)據(jù)時(shí)采用的軟件算法，稱為數(shù)字濾波算法。目前常用的方法有程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動(dòng)平均濾波等。根據(jù)本系統(tǒng)對(duì)采集精度有較高要求以及被采集的模擬量變化緩慢的特點(diǎn)，采用程序判斷濾波法和算術(shù)平均濾波法相結(jié)合的濾波方法，即進(jìn)行多周期采樣，取其算術(shù)平均值作為有效采樣值。每次采樣后和上次有效采樣值比較，如果變化幅度不超過(guò)一定幅值，采樣有效；否則視為無(wú)效放棄。

3.2.3 單片機(jī)鎖相技術(shù)

本監(jiān)控系統(tǒng)一個(gè)很重要的功能是實(shí)現(xiàn)相位同步，即保證主從機(jī)組的相位同步和機(jī)組內(nèi)局部電壓相位恒超前軌道電壓相位90°。本系統(tǒng)鎖相的基本原理是，對(duì)于頻率相同而相位不同步的兩路信號(hào)，比如A路和B路，若A路為基準(zhǔn)，B路超前（滯后）一定的相位，可以通過(guò)適當(dāng)降低（增大）B路信號(hào)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整進(jìn)而鎖相，最后再把B路頻率置為原頻率值。

本系統(tǒng)中，單片機(jī)控制8254產(chǎn)生25Hz同步脈沖，同步脈沖用來(lái)復(fù)位正弦基準(zhǔn)，使基準(zhǔn)正弦波重新從零值開(kāi)始?；鶞?zhǔn)正弦波與三角波比較產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)逆變得到與基準(zhǔn)正弦同頻的交流輸出，因此，通過(guò)調(diào)整同步脈沖的頻率可改變正弦基準(zhǔn)的頻率，進(jìn)而可改變被調(diào)整輸出電壓的相位。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的鎖相要求，需要從機(jī)組局部電壓跟蹤主機(jī)組的局部電壓，各機(jī)組軌道電壓跟蹤本機(jī)組的局部電壓。因此，要有主從局部鎖相和局部軌道相位跟蹤兩個(gè)子程序。

鎖相的流程圖如圖3及圖4所示。首先由多路開(kāi)關(guān)選擇要鎖相的兩路信號(hào)，由單片機(jī)測(cè)量相位差，并對(duì)所得相位差數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的運(yùn)算和處理后，判斷有無(wú)超差。倘若相位超差，則根據(jù)超差范圍確定同步脈沖的頻率值。如果是主從局部鎖相，則應(yīng)同時(shí)改變從機(jī)組局部和軌道的同步脈沖；否則，若為局部、軌道相位跟蹤，則只改變本機(jī)組軌道的同步脈沖。通過(guò)調(diào)整同步脈沖，可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整。實(shí)現(xiàn)鎖相后，同步脈沖的頻率置為25Hz返回。

4 抗干擾措施

由于該監(jiān)控系統(tǒng)工作于強(qiáng)電環(huán)境，很容易受到各種干擾的影響。干擾一旦串入系統(tǒng)，輕則會(huì)引起誤報(bào)，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，甚至造成重大事故。本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面采取了抗干擾措施，保證了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

4.1 硬件抗干擾措施

1）光電隔離在輸入和輸出通道上采用光耦合器件進(jìn)行信息傳輸，在電氣上將單片機(jī)與各種傳感器、開(kāi)關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔離開(kāi)來(lái)，可以較好地防止串模干擾。

2）加去耦電路在電源進(jìn)線端加去耦電容，削弱各類高頻干擾。

3）合理布置地線系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地分開(kāi)，最后在一點(diǎn)相連，避免了數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。

4）數(shù)字信號(hào)采用負(fù)邏輯傳輸騷擾源作用于高阻線路時(shí)易形成較大干擾，而在數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)中，輸出低電平時(shí)內(nèi)阻要小些，因此，定義低電平為有效（使能）信號(hào)，高電平為無(wú)效信號(hào)，可減少干擾引起的誤動(dòng)作，提高控制信號(hào)的可靠性。

4.2 軟件抗干擾措施

1）利用可編程硬邏輯看門狗將單片機(jī)從死循環(huán)和跑飛狀態(tài)中拉出，使單片機(jī)復(fù)位。而DS80C320提供了內(nèi)部可編程硬邏輯看門狗，不須外加電路，就能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的超時(shí)復(fù)位。同時(shí)，DS80C320還為一些重要的看門狗控制位提供了訪問(wèn)保護(hù)，防止單片機(jī)失控后對(duì)這些重要的控制位進(jìn)行非法操作，進(jìn)一步保證了程序的安全性。

2）對(duì)于數(shù)字信號(hào)采集，利用干擾信號(hào)多呈毛刺狀且作用時(shí)間短這一特點(diǎn)，多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上采集結(jié)果完全一致才認(rèn)為有效。數(shù)字信號(hào)輸出時(shí)，重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)，其重復(fù)周期盡可能短，使外部設(shè)備對(duì)干擾信號(hào)來(lái)不及作出有效反應(yīng)。

3）對(duì)模擬量的采樣和處理，采用數(shù)字濾波技術(shù)。

4）采用指令冗余和軟件陷阱，防止程序跑飛。

5 結(jié)語(yǔ)

本監(jiān)控系統(tǒng)已研制出生產(chǎn)樣機(jī)。實(shí)踐證明，系統(tǒng)性能優(yōu)良，完全滿足逆變系統(tǒng)要求，具有很好的抗干擾能力，保證了整機(jī)安全、可靠地運(yùn)行。