智能断路器多参数测控系统设计方案

    1 引言
　　在低压电器领域，断路器是一种非常重要的器件。智能型低压断路器具有传统断路器所没有的自动化、智能化、模块化的优点，它以智能控制器为核心，是一种把微处理器技术、网络技术和信息技术集成在一起的高新技术产品。基于微处理器的智能控制器具有多种检测和通信功能，利用总线功能实现电力质量监控是一种经济有效的方案 [2]。文中给出的断路器测控系统采用的是Profibus-DP现场总线， Profibus-DP设计旨在用于现场一级的高速数据传输，在这一级中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信[3]。
　　　本文给出了一种基于Profibus-DP总线的智能断路器多参数测控系统设计。该设计采用Philips的LPC2114微处理器作为现场控制的核心，通过51单片机LPC932A1来实现Profibus总线通信。LPC2114内置的A/D转换器和单八路模拟开关CD4051相配合完成了多路信号的采集，采用的高精度实时时钟芯片SD2304FLP能够有效地实现温度检测和实时时钟。文章最后还给出了先进的测控软件算法及通信接口软件的设计。

　　2 控制电路硬件设计
　　　智能控制器主要由微处理器、信号采集电路、时钟温度检测电路、电源、键盘和液晶显示电路、执行机构以及Profibus-DP总线接口电路等部分组成，组成框图如图1所示。智能控制器系统能够实现温度采集、处理控制、现场通信等功能,能单独完成现场测量控制,也可与多个从站和主站一起构建一个大系统,完成整体的测量控制任务。
　　

　　2.1 微处理器选择
　　　本设计任务选用了Philips的LPC2114微处理器作为现场控制的核心。该处理器具有足够多的I/O接口和快速处理数据的能力，能够满足对多参数系统的实时监控和报警的要求。
　　　LPC2114有128K片内FLASH程序存储器，具有ISP和IAP功能，为系统的开发和维护带来了很大的灵活性;预取指令方法使得CPU的执行速度是普通FLASH最高速的4倍，指令的执行速度可达到18ns;4路10位A/D转换器，转换时间短至2.44μs;多串行口，多达46个通用I/O口，12个独立外部中断引脚。只要通过精心的软件设计就可以以最少的器件完成所要求的性能,提高可靠性。
　　2.2 温度检测和实时时钟电路
　　　传统的温度检测和实时时钟是由各自独立的芯片电路分别完成，这样分散处理往往降低了微处理器的处理效率而且也增加了电路的复杂性，所以本设计采用了高精度实时时钟SD2304FLP。SD2304FLP是一种具有内置晶振、两线式串行接口的高精度实时时钟芯片。该芯片可保证时钟精度为±5ppm（在-10ºC～50ºC下）;芯片内置始终精度调整功能，通过内置的数字温度传感器可设定适应温度变化的调整值，实现在宽温度范围内高精度的计时功能;内置2K串行E2PROM，用于存储各温度点的时钟精度补偿数据。正是由于内置了I2C总线的数字温度传感器，可以很方便地通过I2C接口读取温度数据。
　　　SD2304FLP的温度补偿是应用的关键。时钟精度随温度变化的补偿数据出厂前已经存储在2K容量的E2PROM里，因此只要读取片内温度传感器就可知当前温度值。根据温度值的高八位确定存储在E2PROM补偿数据地址，读出该补偿数据并写入时钟调整寄存器。需注意的是：I2C总线的上拉电压应确保在总线需要工作的时始终存在，并在系统中最先上电，最后掉电。
　　2.3 信号采集电路
　　　本设计采集的信号是四路相电流和三路相电压信号，电压和电流信号都是经过互感器形成的二次侧感应电压。经滤波隔离放大之后形成的适合A/D转换的电压范围，7路信号经处理后送到多路电子开关。由于LPC2114本身具有A/D转换器，所以只需通过LPC2114控制电子开关选通所需的各路信号，即可完成对多路信号的采集，本设计选用的是单八路模拟开关CD4051。
　　　CD4051的通道转换频率高达10MHz，而且控制简单，量程可达到10V，工作温度范围为-55ºC～ +125ºC，具有宽量程和信号采集实时性的特点。
　　　LPC2114的A/D转换频率最大可以达到4.5MHz，转换精度为2-10，完全能够满足实时采集和高精度要求。CD4051与LPC2114的A/D初始化和转换工作由主程序完成。设计采用定时中断方式，要求每1ms就在3路电压和4路电流信号上各采集一点，LPC2114将采集所转换的数据存储在ADDR（A/D数据存储器）中。
　　2.4 Profibus-DP总线接口模块
　　　在Profibus-DP总线通信过程中，主站循环地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。同时，数据的通信是通过主站和从站的监控功能进行监控的。
　　　本系统选用了51单片机LPC932A1专门来实现Profibus总线通信。由于单片机LPC932A1上安装有增强型UART，因此可以使用单片机通过软件来模拟Profibus现场总线协议。LPC932A1操作频率的速度是普通标准8 0 C 51器件的6倍，指令执行时间只需167 ns，增强型的UART波特率可以使数据在Profibus-DP总线传输中高达500Kb/s，它允许高速度周期性的数据通信，因此特别适用于对时间要求苛刻的场合。
　　　Profibus-DP接口模块见图2，电路主要由四部分组成：微控制器LPC2114﹑模拟总线协议处理微控制器LPC932A1﹑高速光电耦合器6N137和RS485收发器SP3485。在Profibus-DP接口
　　

　　 模块设计中只需占用LPC2114中4个引脚端口，大大节省了LPC2114的端口资源。为了增强Profibus-DP总线节点的抗干扰能力，LPC932A1的TXD和RXD并不是直接与RS-485收发器SP3485的TXD和RXD相连，而是通过高速光电耦合器6N137后与SP3485相连，这样能很好地实现总线上各Profibus-DP节点间的电气隔离。其中光耦部分电路所采用的2个电源VCC和VPP必须完全隔离，虽然增加了节点的复杂性，但是却提高了节点的稳定性和安全性。连接至SP3485上A引脚的上拉电阻和连接至B引脚的下拉电阻用于保证无连接时的SP3485芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS-485节点与网络的可靠性。

　　3 软件设计
　　3.1 测控软件的算法
　　　软件算法采用小电流接地系统中用作保护算法的积分法，其依据是正弦量的半周绝对值
　　　积分正比于幅值 m。算法表示为
　　

　　 式中M为每个周期内的采样数，S（j）为第j个采样值， K（α）是比例系数，与初始采样点S（0）的角度有关。
　　　此算法仅因初始采样点不同引起的误差较大，但个别采样值受干扰后对总值的影响较小，在半波积分过程中部分谐波相抵消。
　　　电压、电流和三相有功功率的算法公式为
　　

　　　式中U（l）、i（l） 为第 点的电压、电流采样值。由上述算法可分别算出UAB 、UCB和IA 、IC。其他量如cosφ 也可据此推算出。在普通算法中,Q 算式通常由P 算式导出, 而本设计中采用的算法中, Q 算式直接由电流、电压导出, 极大地提高了计算精度。
　　3.2 实时时钟与温度检测软件设计
　　　当测控系统运行时，每隔一段时间就要进行一次时钟校准和温度检测。主程序在自诊断模块部分读取温度检测值，判断环境温度是否异常。主站通过Profibus总线发送标准时间到各智能从站，然后由各从站对各自的时钟进行校准操作。当某个从站发生故障和报警时，此从站就对自己的D2304FLP进行读写操作，以得到发生故障或报警时的时钟和温度值。D2304PLP初始化程序如图3所示。
　　

　　 为了优化软件设计，兼顾开发效率和代码运行速度，对测控程序中一些实时性或运算能力要求很高的模块采用汇编语言编程，如参数实时控制、浮点数运算、数据采集、传感器校准、定时显示、EEPROM存取等，同时把这些嵌入到C程序中进行处理。针对一般参数测量仪校准操作繁琐的缺陷，采用AT24C02串行EEPROM，编制了参数校准模块，既可避免每次开机校准，又可按使用情况进行自动标定、校准，提高了仪器的测量精度和执行的准确性。
　　3.3通信接口软件设计
　　　Profibus-DP接口模块的软件设计主要包括3个部分：LPC932A1的SAPs缓存初始化、与主站通信的主程序（见图4）、LPC2114与LPC932A1的SPI通信。
　　

　　 LPC932A1嵌入了能模拟简单Profibus-DP现场总线协议的程序。LPC932A1的初始化包括：设置符合Profibus-DP通信协议要求的UART中断和传输的波特率，设置SPI通信，设置写入参数缓存区、诊断缓存区、地址缓存区以及交换数据缓存区。
　　　LPC932A1与Profibus-DP主站的通信发生在从站开始接收主站发送的报文前，通过响应UART中断来接收报文。然后判断所接收到的报文是否为发送给本站的报文，如果不是就结束中断，等待下一个报文。如果是，则判断是否要改变本站地址，如果不要改，就以SPI通信方式与LPC2114进行数据传输。最后把经过处理后的符合Profibus-DP协议报文发送给主站，发送成功后就等待下一个循环的到来。
　　　LPC932A1与LPC2114以SPI的方式进行通信。LPC2114响应SPI中断，并开始接收LPC932A1发送过来的经协议转换处理的报文。由于LPC2114所接收到的报文格式会相对简单，所以不需要占用LPC2114过多的资源。要注意的是，在SPI通信方式中，LPC932A1应设置为主，LPC2114设置为从。

　　4 结束语
　　　本文从开发的角度阐述了一种新型的智能断路器多参数采集系统设计。采用LPC932A1和LPC2114两块微处理芯片组成的具有Profibus-DP通信功能的智能低压断路器控制器，具有自身的优点，可以有效地改善控制实时性。在工业、建筑及基础项目的建设中，具有通讯功能的新一代断路器，在初始化参数、组态、诊断、测试、维护及能量管理方面打开了全新的应用空间。
　　　本文作者创新点：1.利用PROFIBUS-DP的总线网络来控制智能断路器，选用了51单片机LPC932A1来实现Profibus总线通信;2.智能断路器的微处理器采用的是具有ISP和IAP功能的LPC2114微处理器，它具有高速多接口的特点，只要用软件精心设计就可以以最少的器件完成所要求的性能;3.该测控系统采用了高精度、具有温度补偿功能的实时时钟芯片SD2304FLP来实现温度检测和实时时钟;4.采用先进的频率自适应同步快速交流采样算法。

　　参考文献
　　[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M]. 清华大学出版社，1998
　　[2] 金升福.万能式断路器智能控制器研究[J].华东船舶工业学院学报，2003，17（5）：75～79
　　[3] 张志峰，王坚.现场总线PROFIBUS-DP主从站通信探讨[J]. 微计算机信息，2004，20（7）：7～8，60
　　[4] 黄轶程.基于Profibus的智能从站的应用 [J].仪器仪表标准化与计量，2004，（4）：22～25
　　[5] 周侗.基于Profibus-DP从设备开发的协议分析与软件设计 [J]. 信息与控制，2005，31（1）：115～118