基于單片機(jī)的船用發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合船用發(fā)電機(jī)保護(hù)的功能需求，介紹一種基于單片機(jī)的船用發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)保護(hù)裝置。討論如何實(shí)時(shí)監(jiān)測多路信號并做出準(zhǔn)確延時(shí)，描述一種友好的樹形菜單結(jié)構(gòu)。該裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單，精度高，程序擴(kuò)展性好，易于維護(hù)。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；船用發(fā)電機(jī)保護(hù)；實(shí)時(shí)控制；樹形菜單

1 引言
    水路運(yùn)輸，特別是內(nèi)河中小型船舶運(yùn)輸在全國交通網(wǎng)中占有不可或缺的地位。船舶的安全航行，離不開船舶發(fā)電機(jī)連續(xù)可靠供電的保證。船用發(fā)電機(jī)保護(hù)的主要內(nèi)容有：短路保護(hù)、過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、逆功率保護(hù)。由于逆功率現(xiàn)象只在發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)形成，所以前3種保護(hù)組成了船用發(fā)電機(jī)保護(hù)的最小需求。短路故障發(fā)生時(shí)，需要在事件發(fā)生瞬間進(jìn)行保護(hù)；而針對過載和欠壓現(xiàn)象，則需要進(jìn)行一定延時(shí)確定事件確實(shí)發(fā)生，才進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的保護(hù)動(dòng)作。因此，如何針對船用發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測并進(jìn)行精準(zhǔn)延時(shí)的保護(hù)裝置，就成了解決問題的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    所研究的保護(hù)裝置要求能實(shí)時(shí)監(jiān)測三相三線制船用發(fā)電機(jī)，用戶透過液晶屏幕設(shè)置各項(xiàng)保護(hù)參數(shù)，設(shè)置的參數(shù)要求在掉電后不丟失。裝置可設(shè)置各種保護(hù)的報(bào)警、動(dòng)作情況，并記錄事件，記錄的日志同樣要求掉電不丟失。為了配合上位機(jī)的集中管理，裝置附帶RS485接口與上位PC機(jī)通訊，使得上位微機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行情況。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    傳感器采用了線性度和頻率響應(yīng)均較好的霍爾電壓傳感器(PT)和霍爾電流傳感器(CT)。因發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)性要求較高，而測量精度相對要求較低，裝置放棄了對信號測頻采樣的測量，轉(zhuǎn)而采用由均方根值轉(zhuǎn)直流(RMS2DC)器件直接計(jì)算電壓電流有效值的方式。電壓信號(額定380 V)和電流信號(額定5 A)經(jīng)過該器件以及后級的濾波、調(diào)理、限幅，送入MCU自帶的A/D轉(zhuǎn)換器中。裝置使用I2C總線與實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件(RTC)通信?？蓪?dāng)前時(shí)間直觀地顯示在監(jiān)控頁面，在事件發(fā)生時(shí)亦可將事件的時(shí)間記錄在日志中。報(bào)警和動(dòng)作輸出繼電器的帶負(fù)載能力為10 A。保證輸出的觸點(diǎn)信號可使斷路器分?jǐn)?。LED指示燈根據(jù)危險(xiǎn)的情況分為過載預(yù)報(bào)警、過載長延時(shí)、過載短延時(shí)和欠壓4種．危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)LED燈閃爍指示，啟動(dòng)保護(hù)后長亮指示。

3 事件檢出與處理
    參考船舶配電規(guī)范為裝置制定了如表1所示的保護(hù)方案憫。表1中，IP為發(fā)電機(jī)額定電流，Up為發(fā)電機(jī)額定電壓，當(dāng)前電壓U與當(dāng)前電流，觸發(fā)危險(xiǎn)的門限值由用戶設(shè)定。約定電壓電流達(dá)到門限稱為觸發(fā)危險(xiǎn)，危險(xiǎn)延時(shí)后進(jìn)行動(dòng)作稱為觸發(fā)事件。由于裝置需同時(shí)監(jiān)測多路信號的電平變化。并對各種危險(xiǎn)狀態(tài)做出不同的延時(shí)響應(yīng)，所觸發(fā)事件的組合情況就會(huì)變得異常復(fù)雜，為了保證事件不漏檢、不誤檢，需要對每路信號進(jìn)行“橫向”和“縱向”的對比。
    橫向?qū)Ρ仁侵该看窝h(huán)掃描需同時(shí)檢查電壓電流的6個(gè)通道。為此，在事件檢出處理子程序的設(shè)計(jì)中，需對本次檢查的6個(gè)通道的危險(xiǎn)情況進(jìn)行匯總，以確定危險(xiǎn)是否存在，如何閃爍指示燈，如何設(shè)置當(dāng)前的計(jì)時(shí)類型，確定在0.1 s計(jì)時(shí)中斷中哪些計(jì)時(shí)變量需要做自加，從而保證事件不漏檢?？v向?qū)Ρ龋该總€(gè)通道需要對比上次檢出和本次檢出的危險(xiǎn)情況。為此，在檢查每個(gè)通道時(shí)，需要對比本次危險(xiǎn)較之上次危險(xiǎn)是否發(fā)生改變，如果是由高門限的危險(xiǎn)轉(zhuǎn)向低門限的危險(xiǎn)，則需要清零高門限危險(xiǎn)對應(yīng)的計(jì)時(shí)變量，以確保延時(shí)準(zhǔn)確，從而保證事件不誤檢。事件檢出與處理流程如圖2所示。

    盡管是在每次循環(huán)最后才對當(dāng)前的危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)處理，但在單片機(jī)處理速度足夠快的情況下(裝置外接16MHz有源晶振性能可達(dá)16 MI／s)，這種時(shí)間誤差是可以忽略不計(jì)。同時(shí)，由于裝置為自己編寫實(shí)時(shí)控制應(yīng)用，并沒有移植任何操作系統(tǒng)，代碼的執(zhí)行效率也很高，實(shí)測裝置可以達(dá)到標(biāo)稱的0.2 s延時(shí)響應(yīng)精度。

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4 樹形菜單
    結(jié)合表1的設(shè)定內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，除短路保護(hù)外的其余4種保護(hù)類型，都需要設(shè)定延時(shí)時(shí)間和保護(hù)門限，另外還需要設(shè)置每種保護(hù)類型對應(yīng)的報(bào)警輸出和動(dòng)作輸出繼電器是否動(dòng)作，以及每種保護(hù)是否進(jìn)行日志記錄，這樣至少需要4×5=20個(gè)頁面進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。裝置其它輔助功能也需要額外的設(shè)定或查詢頁面，要求設(shè)計(jì)組織好這些頁面表現(xiàn)，以提升用戶體驗(yàn)的友好性。設(shè)計(jì)采用了樹形菜單組織這些頁面，如圖3所示。

    裝置采用了帶中文字庫128×64點(diǎn)陣的液晶顯示模塊，最多可以顯示4行，每行8個(gè)中文字符。針對這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)了如下的選單和菜單結(jié)構(gòu)體。

    以上的結(jié)構(gòu)體中，定義每個(gè)菜單最多有6個(gè)選項(xiàng)(0位置為菜單的標(biāo)題)，根據(jù)每個(gè)菜單的選項(xiàng)的實(shí)際個(gè)數(shù)設(shè)置菜單尾項(xiàng)。程序初始化時(shí)，將各個(gè)選單的字符串指針指向FLASH中定義的字符串常量，當(dāng)用戶按下上下方向按鍵時(shí)只需修改菜單結(jié)構(gòu)體中的selected成員，而后再將菜單的內(nèi)容填充到對應(yīng)的選單結(jié)構(gòu)體進(jìn)行刷新顯示，即可實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)選中條的操作效果。同樣，可根據(jù)當(dāng)前菜單中selected的值來判定要進(jìn)入哪一個(gè)功能頁或子菜單。實(shí)際操作的頁面顯示效果如圖4所示。

5 結(jié)語
    針對船用發(fā)電機(jī)保護(hù)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的船用發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)保護(hù)裝置。在事件檢出與處理模塊的設(shè)計(jì)時(shí)，既要綜合考慮多通道、多危險(xiǎn)類型的情況，又要考慮到保護(hù)類裝置對實(shí)時(shí)性的要求。采用先單路縱向比較再多路匯總統(tǒng)一處理的方法，很好地解決了多種危險(xiǎn)組合與快速準(zhǔn)確保護(hù)之間的矛盾。針對用戶設(shè)置頁面較多的情況，應(yīng)用了樹形菜單的顯示方案，并為方案設(shè)計(jì)了對應(yīng)抽象的菜單結(jié)構(gòu)體和對應(yīng)顯示屏的選單結(jié)構(gòu)體，提升了用戶操作的友好性。