摘 要：本文給出了一種基于Profibus-DP現場總線的智能斷路器多參數測控系統設計方案，闡述了電力信號和溫度檢測電路、Profibus-DP總線接口模塊的設計方法。該方案采用了先進的頻率自適應同步快速交流采樣算法對多參數測控軟件進行設計，為智能斷路器的數據采集和通信提供了一條有效的實現途徑。 關鍵詞：智能低壓斷路器;現場總線;智能控制器 1 引言 　　在低壓電器領域，斷路器是一種非常重要的器件。智能型低壓斷路器具有傳統斷路器所沒有的自動化、智能化、模塊化的優點，它以智能控制器為核心，是一種把微處理器技術、網絡技術和信息技術集成在一起的高新技術產品。基于微處理器的智能控制器具有多種檢測和通信功能，利用總線功能實現電力質量監控是一種經濟有效的方案 [2]。文中給出的斷路器測控系統采用的是Profibus-DP現場總線， Profibus-DP設計旨在用于現場一級的高速數據傳輸，在這一級中央控制器通過高速串行線同分散的現場設備進行通信[3]。 　　本文給出了一種基于Profibus-DP總線的智能斷路器多參數測控系統設計。該設計采用Philips的LPC2114微處理器作為現場控制的核心，通過51單片機LPC932A1來實現Profibus總線通信。LPC2114內置的A/D轉換器和單八路模擬開關CD4051相配合完成了多路信號的采集，采用的高精度實時時鐘芯片SD2304FLP能夠有效地實現溫度檢測和實時時鐘。文章最后還給出了先進的測控軟件算法及通信接口軟件的設計。 2 控制電路硬件設計 　　智能控制器主要由微處理器、信號采集電路、時鐘溫度檢測電路、電源、鍵盤和液晶顯示電路、執行機構以及Profibus-DP總線接口電路等部分組成，組成框圖如圖1所示。智能控制器系統能夠實現溫度采集、處理控制、現場通信等功能,能單獨完成現場測量控制,也可與多個從站和主站一起構建一個大系統,完成整體的測量控制任務。 [align=center] 圖1 智能控制器組成框圖[/align] 　　2.1 微處理器選擇 　　本設計任務選用了Philips的LPC2114微處理器作為現場控制的核心。該處理器具有足夠多的I/O接口和快速處理數據的能力，能夠滿足對多參數系統的實時監控和報警的要求。 　　LPC2114有128K片內FLASH程序存儲器，具有ISP和IAP功能，為系統的開發和維護帶來了很大的靈活性;預取指令方法使得CPU的執行速度是普通FLASH最高速的4倍，指令的執行速度可達到18ns;4路10位A/D轉換器，轉換時間短至2.44μs;多串行口，多達46個通用I/O口，12個獨立外部中斷引腳。只要通過精心的軟件設計就可以以最少的器件完成所要求的性能,提高可靠性。 　　2.2 溫度檢測和實時時鐘電路 　　傳統的溫度檢測和實時時鐘是由各自獨立的芯片電路分別完成，這樣分散處理往往降低了微處理器的處理效率而且也增加了電路的復雜性，所以本設計采用了高精度實時時鐘SD2304FLP。SD2304FLP是一種具有內置晶振、兩線式串行接口的高精度實時時鐘芯片。該芯片可保證時鐘精度為±5ppm（在-10ºC～50ºC下）;芯片內置始終精度調整功能，通過內置的數字溫度傳感器可設定適應溫度變化的調整值，實現在寬溫度范圍內高精度的計時功能;內置2K串行E2PROM，用于存儲各溫度點的時鐘精度補償數據。正是由于內置了I2C總線的數字溫度傳感器，可以很方便地通過I2C接口讀取溫度數據。 　　SD2304FLP的溫度補償是應用的關鍵。時鐘精度隨溫度變化的補償數據出廠前已經存儲在2K容量的E2PROM里，因此只要讀取片內溫度傳感器就可知當前溫度值。根據溫度值的高八位確定存儲在E2PROM補償數據地址，讀出該補償數據并寫入時鐘調整寄存器。需注意的是：I2C總線的上拉電壓應確保在總線需要工作的時始終存在，并在系統中最先上電，最后掉電。 　　2.3 信號采集電路 　　本設計采集的信號是四路相電流和三路相電壓信號，電壓和電流信號都是經過互感器形成的二次側感應電壓。經濾波隔離放大之后形成的適合A/D轉換的電壓范圍，7路信號經處理后送到多路電子開關。由于LPC2114本身具有A/D轉換器，所以只需通過LPC2114控制電子開關選通所需的各路信號，即可完成對多路信號的采集，本設計選用的是單八路模擬開關CD4051。 　　CD4051的通道轉換頻率高達10MHz，而且控制簡單，量程可達到10V，工作溫度范圍為-55ºC～ +125ºC，具有寬量程和信號采集實時性的特點。 　　LPC2114的A/D轉換頻率最大可以達到4.5MHz，轉換精度為2-10，完全能夠滿足實時采集和高精度要求。CD4051與LPC2114的A/D初始化和轉換工作由主程序完成。設計采用定時中斷方式，要求每1ms就在3路電壓和4路電流信號上各采集一點，LPC2114將采集所轉換的數據存儲在ADDR（A/D數據存儲器）中。 　　2.4 Profibus-DP總線接口模塊 　　在Profibus-DP總線通信過程中，主站循環地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。同時，數據的通信是通過主站和從站的監控功能進行監控的。 　　本系統選用了51單片機LPC932A1專門來實現Profibus總線通信。由于單片機LPC932A1上安裝有增強型UART，因此可以使用單片機通過軟件來模擬Profibus現場總線協議。LPC932A1操作頻率的速度是普通標準8 0 C 51器件的6倍，指令執行時間只需167 ns，增強型的UART波特率可以使數據在Profibus-DP總線傳輸中高達500Kb/s，它允許高速度周期性的數據通信，因此特別適用于對時間要求苛刻的場合。 　　Profibus-DP接口模塊見圖2，電路主要由四部分組成：微控制器LPC2114﹑模擬總線協議處理微控制器LPC932A1﹑高速光電耦合器6N137和RS485收發器SP3485。在Profibus-DP接口 [align=center] 圖2 Profibus接口硬件電路圖[/align] 　　模塊設計中只需占用LPC2114中4個引腳端口，大大節省了LPC2114的端口資源。為了增強Profibus-DP總線節點的抗干擾能力，LPC932A1的TXD和RXD并不是直接與RS-485收發器SP3485的TXD和RXD相連，而是通過高速光電耦合器6N137后與SP3485相連，這樣能很好地實現總線上各Profibus-DP節點間的電氣隔離。其中光耦部分電路所采用的2個電源VCC和VPP必須完全隔離，雖然增加了節點的復雜性，但是卻提高了節點的穩定性和安全性。連接至SP3485上A引腳的上拉電阻和連接至B引腳的下拉電阻用于保證無連接時的SP3485芯片處于空閑狀態，提供網絡失效保護，以提高RS-485節點與網絡的可靠性。 3 軟件設計 　　3.1 測控軟件的算法 　　軟件算法采用小電流接地系統中用作保護算法的積分法，其依據是正弦量的半周絕對值 　　積分正比于幅值Ѕ[sub]m[/sub]。算法表示為 　　 　　式中M為每個周期內的采樣數，S（j）為第j個采樣值， K（α）是比例系數，與初始采樣點S（0）的角度有關。 　　此算法僅因初始采樣點不同引起的誤差較大，但個別采樣值受干擾后對總值的影響較小，在半波積分過程中部分諧波相抵消。 　　電壓、電流和三相有功功率的算法公式為 　　 　　式中U（l）、i（l） 為第 點的電壓、電流采樣值。由上述算法可分別算出U[sub]AB[/sub] 、U[sub]CB[/sub]和I[sub]A[/sub] 、I[sub]C[/sub]。其他量如cosφ 也可據此推算出。在普通算法中,Q 算式通常由P 算式導出, 而本設計中采用的算法中, Q 算式直接由電流、電壓導出, 極大地提高了計算精度。 　　3.2 實時時鐘與溫度檢測軟件設計 　　當測控系統運行時，每隔一段時間就要進行一次時鐘校準和溫度檢測。主程序在自診斷模塊部分讀取溫度檢測值，判斷環境溫度是否異常。主站通過Profibus總線發送標準時間到各智能從站，然后由各從站對各自的時鐘進行校準操作。當某個從站發生故障和報警時，此從站就對自己的D2304FLP進行讀寫操作，以得到發生故障或報警時的時鐘和溫度值。D2304PLP初始化程序如圖3所示。 [align=center] 圖3 D2304FLP初始化程序流程圖[/align] 　　為了優化軟件設計，兼顧開發效率和代碼運行速度，對測控程序中一些實時性或運算能力要求很高的模塊采用匯編語言編程，如參數實時控制、浮點數運算、數據采集、傳感器校準、定時顯示、EEPROM存取等，同時把這些嵌入到C程序中進行處理。針對一般參數測量儀校準操作繁瑣的缺陷，采用AT24C02串行EEPROM，編制了參數校準模塊，既可避免每次開機校準，又可按使用情況進行自動標定、校準，提高了儀器的測量精度和執行的準確性。 　　3.3通信接口軟件設計 　　Profibus-DP接口模塊的軟件設計主要包括3個部分：LPC932A1的SAPs緩存初始化、與主站通信的主程序（見圖4）、LPC2114與LPC932A1的SPI通信。 [align=center] 圖4 與主站通信的主程序流程圖[/align] 　　LPC932A1嵌入了能模擬簡單Profibus-DP現場總線協議的程序。LPC932A1的初始化包括：設置符合Profibus-DP通信協議要求的UART中斷和傳輸的波特率，設置SPI通信，設置寫入參數緩存區、診斷緩存區、地址緩存區以及交換數據緩存區。 　　LPC932A1與Profibus-DP主站的通信發生在從站開始接收主站發送的報文前，通過響應UART中斷來接收報文。然后判斷所接收到的報文是否為發送給本站的報文，如果不是就結束中斷，等待下一個報文。如果是，則判斷是否要改變本站地址，如果不要改，就以SPI通信方式與LPC2114進行數據傳輸。最后把經過處理后的符合Profibus-DP協議報文發送給主站，發送成功后就等待下一個循環的到來。 　　LPC932A1與LPC2114以SPI的方式進行通信。LPC2114響應SPI中斷，并開始接收LPC932A1發送過來的經協議轉換處理的報文。由于LPC2114所接收到的報文格式會相對簡單，所以不需要占用LPC2114過多的資源。要注意的是，在SPI通信方式中，LPC932A1應設置為主，LPC2114設置為從。 4 結束語 　　本文從開發的角度闡述了一種新型的智能斷路器多參數采集系統設計。采用LPC932A1和LPC2114兩塊微處理芯片組成的具有Profibus-DP通信功能的智能低壓斷路器控制器，具有自身的優點，可以有效地改善控制實時性。在工業、建筑及基礎項目的建設中，具有通訊功能的新一代斷路器，在初始化參數、組態、診斷、測試、維護及能量管理方面打開了全新的應用空間。 　　本文作者創新點：1.利用PROFIBUS-DP的總線網絡來控制智能斷路器，選用了51單片機LPC932A1來實現Profibus總線通信;2.智能斷路器的微處理器采用的是具有ISP和IAP功能的LPC2114微處理器，它具有高速多接口的特點，只要用軟件精心設計就可以以最少的器件完成所要求的性能;3.該測控系統采用了高精度、具有溫度補償功能的實時時鐘芯片SD2304FLP來實現溫度檢測和實時時鐘;4.采用先進的頻率自適應同步快速交流采樣算法。 參考文獻 　　[1] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M]. 清華大學出版社，1998 　　[2] 金升福.萬能式斷路器智能控制器研究[J].華東船舶工業學院學報，2003，17（5）：75～79 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