智能脫扣器系統(tǒng)方案設(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(cè)、遙控、遙信和遙調(diào)等功能?，F(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(shì)一是功能越來(lái)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(cè)功能以及試驗(yàn)功能；另外一種趨勢(shì)是采用現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中，硬件、軟件方面需要注意的問(wèn)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(gè)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(hào)經(jīng)過(guò)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(gè)問(wèn)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(hào)線性地轉(zhuǎn)換成可以處理的電信號(hào)，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(shí)線性度很好，但大電流時(shí)鐵心容易飽和，從而出現(xiàn)線性失真，測(cè)量范圍小；空心型在處理大電流時(shí)線性度好，測(cè)量范圍廣，但小電流時(shí)易受干擾，也會(huì)出現(xiàn)線性失真，測(cè)量誤差大。然而智能脫扣器電流測(cè)量范圍從幾百A到幾十kA，變化范圍很大，要想在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)不失線性，最好采用兩種類(lèi)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(cè)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(hào)幅值超過(guò)3.3V一定的時(shí)間將會(huì)損壞C8051芯片。如果將所有的電信號(hào)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(lái)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(hào)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(hào)幅值大小采用不同的輸送通道，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(chǔ)器，WATCHDOG監(jiān)視器、通訊接口和標(biāo)準(zhǔn)的JTAG程序燒寫(xiě)口。這使控制系統(tǒng)的外圍元器件少、電路簡(jiǎn)單，從而提高了穩(wěn)定性和抗干擾能力。

1．3 鍵盤(pán)顯示電路

鍵盤(pán)顯示電路采用串行接口的7281芯片，該芯片通過(guò)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(dòng)輸出極性和輸出時(shí)序均為軟件可控，從而可以和各種驅(qū)動(dòng)電路配合。同時(shí)，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(pán)矩陣，鍵盤(pán)為互鎖式，內(nèi)部具有消去抖動(dòng)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(shí)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(shí)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(hào)時(shí)，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(kāi)，帶動(dòng)斷路器分?jǐn)唷?/span>

1．5 硬件設(shè)備比較容易忽視的問(wèn)題

CYGNAL51芯片自帶內(nèi)部復(fù)位和簡(jiǎn)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(pán)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(guò)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(wú)法傳送到7281芯片，這時(shí)顯示板上的顯示不會(huì)刷新，因此要在C8051芯片復(fù)位的同時(shí)，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(huì)同時(shí)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(gè)部分，主程序和中斷程序。主程序包括故障處理、鍵盤(pán)處理、顯示處理、通信處理等子程序；中斷程序包括定時(shí)器中斷、鍵盤(pán)中斷、通訊中斷等。

單片機(jī)對(duì)工頻電流信號(hào)進(jìn)行采樣，每一周波（20ms）可采集32個(gè)點(diǎn)，這樣系統(tǒng)采樣頻率采用6MHz就不會(huì)出現(xiàn)失真。由于延時(shí)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(hào)中疊加有高頻信號(hào)和非周期信號(hào)，為了真實(shí)有效地反映被測(cè)量信號(hào)的本質(zhì)，有人提出了用FFT算法從測(cè)量數(shù)據(jù)中計(jì)算出線路?號(hào)的基波參數(shù)和高次諧波參數(shù)，由于信號(hào)基波分量占到總信號(hào)的95％以上，所以，計(jì)算出來(lái)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(shí)正確判斷故障發(fā)生的時(shí)刻。FFT算法通過(guò)計(jì)算一個(gè)周波內(nèi)基波分量的有效值是否大于門(mén)檻值來(lái)確定故障情況，這樣做可以完成判斷任務(wù)，但是實(shí)時(shí)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(guò)程中檢測(cè)到可疑信號(hào)點(diǎn)后，由FFT算法進(jìn)行有效值判斷，如果沒(méi)有超過(guò)門(mén)檻值，則可疑信號(hào)點(diǎn)無(wú)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(guò)門(mén)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(hào)。其算法的流程圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖