基于ARM微處理器LPC2132的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)

1 引 言

隨著電動(dòng)機(jī)控制中心(MCC)技術(shù)的發(fā)展，模塊化的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器得到了越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也對電動(dòng)機(jī)保護(hù)提出了更高的要求。針對電氣監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化程度越來越高的發(fā)展趨勢，用低壓智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器作為發(fā)電廠低壓電動(dòng)機(jī)的保護(hù)和測控，是提高電氣監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)水平的重要手段。

目前傳統(tǒng)的8／16位的單片機(jī)仍然廣泛應(yīng)用于電氣保護(hù)中，但是他們僅僅具有基本的測量控制功能，在人機(jī)界面、數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)控處理能力比較有限，大部分缺少網(wǎng)絡(luò)通信功能。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線監(jiān)測領(lǐng)域中，ARM芯片在多目標(biāo)采集，多層次監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)化等方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。由于LPC2132屬于ARM7系列處理器，能對多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)測量，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。同時(shí)，保護(hù)器包括強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和動(dòng)作保護(hù)記錄功能，支持開放式的通訊協(xié)議，構(gòu)筑成有效的保護(hù)測控網(wǎng)絡(luò)。

2系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

智能保護(hù)器主要是以LPC2132微處理器為運(yùn)算核心，含有模擬數(shù)字量采集，繼電保護(hù)，界面顯示和按鍵控制等功能模塊。系統(tǒng)外接標(biāo)準(zhǔn)的：RS 485通信接口，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和聯(lián)系。LPC2132是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S核的微處理器，并帶64 kB的高速FLASH存儲器，4個(gè)通信接口，2個(gè)32位定時(shí)器，1個(gè)10位8路ADC，2個(gè)硬件鐵電接口47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。

除可以完成傳統(tǒng)測量控制保護(hù)的功能外，保護(hù)器在設(shè)計(jì)上主要具有以下特點(diǎn)：

針對繼電保護(hù)中常出現(xiàn)的誤動(dòng)情況，把采樣量測量突變瞬時(shí)啟動(dòng)和靜穩(wěn)檢測元件相結(jié)合，作為保護(hù)裝置的啟動(dòng)元件模式，從警告信號發(fā)出和保護(hù)動(dòng)作產(chǎn)生設(shè)計(jì)兩級閉鎖通道，從而保證啟動(dòng)元件的靈敏度和靜穩(wěn)狀態(tài)破壞時(shí)保護(hù)器不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)；

通過設(shè)置功能選擇菜單，用戶可以根據(jù)自己的需要去掉不必要的功能任務(wù)，減少計(jì)算量，提高系統(tǒng)運(yùn)算速度和精度；

利用ARM系列單片機(jī)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，增大數(shù)據(jù)的采樣通道數(shù)量，實(shí)時(shí)跟蹤顯示采樣量信息，有效解決了在分布式電氣監(jiān)測控制系統(tǒng)(ECS)中的信息傳輸延時(shí)問題。

3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3．1硬件總體結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。保護(hù)器主要分為6個(gè)部分：主處理器LPC2132、信號采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、界面顯示模塊、按鍵控制模塊和繼電保護(hù)模塊。

在裝置前端，輸入電路將采集的三相電流和電壓經(jīng)過互感器和運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)變成適合A／D轉(zhuǎn)換的直流信號。系統(tǒng)內(nèi)部集成了一個(gè)逐次逼近型的10位8路A／D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)400 kb／s采樣速度，完全滿足了系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求；另外在A／D轉(zhuǎn)換電路中增加了獨(dú)立的基準(zhǔn)電壓源，防止外壓的波動(dòng)，提高裝置轉(zhuǎn)換精度。由于微處理器LPC2132具有非常高的控制和處理能力，一般主頻工作速度可達(dá)60 MHz，可以同時(shí)處理多個(gè)開關(guān)量輸入和4路繼電量輸出。通過對采樣信號的邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信保護(hù)和控制功能。

系統(tǒng)裝置的功能輸出和保護(hù)動(dòng)作主要由芯片的引腳使能控制，但是外接電壓的抖動(dòng)，常常導(dǎo)致芯片的基準(zhǔn)電壓發(fā)生變化。在外部掉壓情況下，為使芯片迅速復(fù)位，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部加入了掉電檢測電路。檢測電路分為兩級檢測，前級預(yù)警，后級動(dòng)作。通過快速中斷復(fù)位防止FLASH內(nèi)容發(fā)生改變。另外在硬件電路設(shè)計(jì)中充分考慮了抗干擾設(shè)計(jì)，如在系統(tǒng)所有開入開出以及通訊部分都加入了光電耦合器進(jìn)行隔離，保證了系統(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用中良好的可靠性。

3．2部分外圍硬件電路

3．2．1 液晶顯示電路

圖2為液晶顯示控制電路，采用顯示器采用驅(qū)動(dòng)芯片HT1621，所有被測量參數(shù)、保護(hù)信息、故障信息通過HT1621傳輸控制在面板液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。LED指示燈顯示裝置所處狀態(tài)，如運(yùn)行、故障、通訊等。通過按鍵可以進(jìn)行面板菜單操作，查閱測量、保護(hù)、故障事件信息。

3．2．2 通信接口電路設(shè)計(jì)

LPC2132具有兩個(gè)符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通用異步收發(fā)器(UART)接口，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)，保護(hù)器和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通信，通訊地址設(shè)置為(1～250)，通訊速率(1 200～115 200 kb／s)可設(shè)，采用國際標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，根據(jù)所測量參數(shù)設(shè)置通信規(guī)約。為防止數(shù)據(jù)在通訊傳輸?shù)氖д娴那闆r，在接口電路中加入了光藕隔離。通信接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)主要采用嵌入式C語言，在ADS 1．2編譯環(huán)境中進(jìn)行，結(jié)構(gòu)清晰，方便升級和移植。程序框架以主程序?yàn)楹诵?，包括初始化程序、自檢、主程序、定時(shí)中斷程序和各個(gè)功能模塊子程序，各個(gè)子程序的功能在主程序中得到實(shí)現(xiàn)。

(1)初始化和自檢

初始化主要包括管腳配置初始化，A／D通道初始化，定時(shí)器頻率設(shè)定，以及系統(tǒng)參數(shù)初始化等。自檢主要檢查液晶背光顯示是否正常，F(xiàn)LASH參數(shù)是否正確和裝置與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊是否正確連接。如果自檢不通過，系統(tǒng)則處于靜止等待狀態(tài)，并將出錯(cuò)信息發(fā)給上位機(jī)和現(xiàn)場監(jiān)控人員。自檢通過則進(jìn)入主程序。

(2)主程序

裝置在進(jìn)行完有關(guān)系統(tǒng)初始化操作后執(zhí)行主程序。正常運(yùn)行時(shí)，主程序中完成采樣、計(jì)算、控制、通訊、保護(hù)動(dòng)作等功能，如有自檢故障發(fā)生將發(fā)出故障信號，并將故障信號傳送管理單元。正常運(yùn)行時(shí)還進(jìn)行判斷保護(hù)是否啟動(dòng)，保護(hù)啟動(dòng)則程序轉(zhuǎn)到保護(hù)處理子程序中去。在保護(hù)處理子程序中，完成保護(hù)數(shù)據(jù)計(jì)算，保護(hù)判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的出口操作。沒有故障時(shí)則返回主循環(huán)。

5 結(jié) 語

本文介紹的低壓智能電動(dòng)保護(hù)器，采用ARM嵌入式微處理器LPC2132為系統(tǒng)主控芯片，充分利用LPC2132的各種內(nèi)置功能，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有很高的性價(jià)比。該裝置功能強(qiáng)大，精度高，便于組網(wǎng)，提高了自動(dòng)化水平，具有良好的市場應(yīng)用價(jià)值。