電力變壓器直流電阻的快速測量方法----硬件設(shè)計(jì)

第五章電力變壓器直流電阻測試儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)

基于上一章所提出的助磁法結(jié)合恒流源的改進(jìn)方法，本論文利用單片機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)電力變壓器直流電阻的快速測量。

5.1電力變壓器直流電阻測試儀的硬件設(shè)計(jì)

5.1.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本裝置以80C196單片機(jī)為核心組成單片機(jī)控制單元，通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O口擴(kuò)展，完成測試與控制功能。本測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖5-1所示

電源部分是通過一個(gè)開關(guān)電源產(chǎn)生單片機(jī)工作電源+5V和±12V，其中，繼電器工作電源+12V由變壓器降壓，整流橋整流產(chǎn)生。鍵盤只有四個(gè)按鍵，通過按鍵來實(shí)現(xiàn)功能選擇，完成測試、存儲(chǔ)和打印功能。測試結(jié)果通過LCD顯示輸出。

單片機(jī)控制單元主要由80C196單片機(jī)為核心，外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器EPROM27128，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM6264和E2PROM2864，譯碼電路由兩片74LS138實(shí)現(xiàn)。地址鎖存由74LS373完成。I/O口擴(kuò)展由一片8255實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對打印機(jī)的控制，輸出繼電器的控制，鍵盤的輸入和液晶顯示的控制。

恒流源電路主要由恒流源的采樣電路、比較電路等，將交流電通過整流橋?qū)⒔涣麟娮優(yōu)橹绷麟?，?jīng)電流調(diào)整和電流反饋，最后實(shí)現(xiàn)0.1A~10A范圍的穩(wěn)流輸出。

測量回路主要由恒流源輸出穩(wěn)定電流直接通過電力變壓器繞組，不接入標(biāo)準(zhǔn)電阻（將串入電阻用繼電器短接），測量充電電流，當(dāng)充電電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)將繼電器斷開，將電阻串入測量回路中。為了保證單片機(jī)供電穩(wěn)定性，繼電器控制電源單獨(dú)供電。

由于繞組電感的存在，殘余電流對使用者和測試設(shè)備將構(gòu)成威脅，因此必須有電流放電回路，電流放電回路由放電電阻和一個(gè)反向二極管構(gòu)成，充電時(shí)二極管關(guān)斷，電源對繞組充電，斷電時(shí)二極管導(dǎo)通，繞組通過二極管和放電電阻放電。

5.1.2單片機(jī)控制單元電路

80C196單片機(jī)特別適用于各類自動(dòng)控制系統(tǒng)，如工業(yè)過程控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)等，還適用于一般的信號(hào)處理系統(tǒng)和高級智能儀器，以及高性能的計(jì)算機(jī)外部設(shè)備控制器和辦公自動(dòng)化設(shè)備控制器，和MCS-51系列相比，80C196單片機(jī)在以下幾個(gè)方面提高了性能：CPU中的算術(shù)邏輯單元不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)CPU的操作直接面向256字節(jié)的寄存器。消除了一般CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器的瓶頸效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。

256字節(jié)寄存器中24字節(jié)是專用寄存器。其余232字節(jié)均為通用寄存器，其通用寄存器的數(shù)量遠(yuǎn)比一般CPU的寄存器數(shù)量多。這樣就有可能為各中斷服務(wù)程序中的局部變量指定專門的寄存器，免除了中斷服務(wù)過程中保護(hù)寄存器現(xiàn)場和恢復(fù)寄存器現(xiàn)場所支付的軟件開銷，并大大方便了程序設(shè)計(jì)。

有一套效率更高，執(zhí)行速度更快的指令系統(tǒng)?？梢詫Х?hào)數(shù)和不帶符號(hào)數(shù)操作；16位乘16位指令的執(zhí)行時(shí)間為14個(gè)狀態(tài)周期，32位除16位指令的執(zhí)行時(shí)間為26個(gè)狀態(tài)周期；還有符號(hào)擴(kuò)展，數(shù)據(jù)規(guī)格化（用于浮點(diǎn)計(jì)算中）等指令。此外，三操作數(shù)指令大大提高了指令效率。

除上述幾點(diǎn)外80C196單片機(jī)還集成了更為豐富的外設(shè)裝置，如時(shí)鐘發(fā)生器，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出口，全雙工異步串行輸入/輸出口，監(jiān)視定時(shí)器（Watchdog），用于提高系統(tǒng)抗干擾能力，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，高速輸入/輸出器，脈寬調(diào)制輸出等。

5.1.2.1地址分配與譯碼電路

80C196具有一個(gè)邏輯上完全統(tǒng)一的寄存器空間，即把程序存儲(chǔ)器空間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間及I/O口統(tǒng)一編址，可尋址范圍為64KB.因此在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)全面考慮程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量，占用的地址，I/O端口及其地址，以及其它芯片的擴(kuò)展，并將它們合理進(jìn)行安排。本裝置所用芯片較多，因此用譯碼法進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，譯碼電路由兩片3/8譯碼器74LS138構(gòu)成，如圖5-2所示

5.1.2.2外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
80C196沒有片內(nèi)ROM，在進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行外部程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展，以便用來存放用戶程序等。考慮到應(yīng)用程序的大小，選用EPROM27128作為程序存儲(chǔ)器。在與80C196單片機(jī)的擴(kuò)展連接中，EPROM的連線主要由三類：地址線，數(shù)據(jù)線和控制線。如圖5-3所示

在80C196單片機(jī)中，P4口被用作地址總線，負(fù)責(zé)傳遞高8位地址碼，P3口作地址/數(shù)據(jù)總線，當(dāng)P3﹑P4共同指定地址后，P3還要成為數(shù)據(jù)總線。EPROM的控制線主要有：片選線﹑輸出允許線，片選線直接連接于Y1和Y2的相與輸出，地址為2000H—5FFFH，輸出允許線與讀選通信號(hào)直接相連。當(dāng)EPROM的片選線為低，該芯片被選通，在讀信號(hào)有效期間，EPROM輸出允許有效，數(shù)據(jù)總線上為指定某單元的程序代碼，在讀信號(hào)的上升沿出現(xiàn)時(shí)，CPU讀入這一數(shù)據(jù)。

80C196單片機(jī)內(nèi)部只有256字節(jié)的RAM，其中包括了24字節(jié)的SFR（專用寄存器），堆棧指針占用了2個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此需要進(jìn)行外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展。本裝置選用6264作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。6264數(shù)據(jù)線和地址線的連接與EPROM的連接方法相同，控制線有兩個(gè)片選端和讀寫信號(hào)線。兩個(gè)片選端其中一個(gè)CS2接正電源VCC，另一個(gè)接片選信號(hào)Y3.

E²PROM是電可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器，它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以自動(dòng)擦除并能在線改寫，且能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)，而不需要保護(hù)電源。本裝置選用2864作為E²PROM，它的連接方法與RAM的連接方法相同。

5.1.2.3 I/O擴(kuò)展電路

80C196單片機(jī)I/O口線不多，在本裝置中顯示器﹑鍵盤和繼電器的控制都需占用口地址，因此必須進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。8255在在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛采用，其內(nèi)部包含有三個(gè)端口，具有三種工作方式，由于它編程選擇，使用靈活方便，通用性強(qiáng)。在本裝置中選用一片8255進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。電路如圖5-4所示