智能脫扣器的軟硬件設(shè)計

首先介紹了智能脫扣器的硬、軟件設(shè)計及其關(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現(xiàn)了遙測、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、DSP等微處理器作為邏輯處理的基礎(chǔ)，其發(fā)展趨勢一是功能越來越多，除了傳統(tǒng)的脫扣功能外，還有脫扣前報警功能、線路參數(shù)檢測功能以及試驗功能；另外一種趨勢是采用現(xiàn)場總線技術(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程中，硬件、軟件方面需要注意的問題以及相應(yīng)的處理方法。

1 智能脫扣器的硬件設(shè)計

根據(jù)智能脫扣器所要實現(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)行機構(gòu)等幾個部分。

1．1 采樣電路

采樣電路實現(xiàn)的功能是將外部的電流、電壓信號經(jīng)過互感器、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)要注意以下幾個問題。

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線性地轉(zhuǎn)換成可以處理的電信號，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線性度很好，但大電流時鐵心容易飽和，從而出現(xiàn)線性失真，測量范圍小；空心型在處理大電流時線性度好，測量范圍廣，但小電流時易受干擾，也會出現(xiàn)線性失真，測量誤差大。然而智能脫扣器電流測量范圍從幾百A到幾十kA，變化范圍很大，要想在整個測量范圍內(nèi)不失線性，最好采用兩種類型互感器相互結(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，如果輸入電信號幅值超過3.3V一定的時間將會損壞C8051芯片。如果將所有的電信號幅值都降到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)處理帶來很大的麻煩。本設(shè)計中采用多量程轉(zhuǎn)換的方法，每一種量程中信號送到A/D轉(zhuǎn)換口的幅值最大值都稍小于3.3V，硬件上根據(jù)信號幅值大小采用不同的輸送通道，當(dāng)然實現(xiàn)這個功能還要軟件上面的判斷。

1．2 中央處理單元

本設(shè)計中的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存儲器，WATCHDOG監(jiān)視器、通訊接口和標(biāo)準的JTAG程序燒寫口。這使控制系統(tǒng)的外圍元器件少、電路簡單，從而提高了穩(wěn)定性和抗干擾能力。

1．3 鍵盤顯示電路

鍵盤顯示電路采用串行接口的7281芯片，該芯片通過外接移位寄存器74HC164，最多可以控制16位數(shù)碼管或128只獨立LED，其驅(qū)動輸出極性和輸出時序均為軟件可控，從而可以和各種驅(qū)動電路配合。同時，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鍵的鍵盤矩陣，鍵盤為互鎖式，內(nèi)部具有消去抖動功能。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)出的脈沖控制信號時，觸發(fā)達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，帶動斷路器分斷。

1．5 硬件設(shè)備比較容易忽視的問題

CYGNAL51芯片自帶內(nèi)部復(fù)位和簡單的外部復(fù)位電路，這部分復(fù)位電路是不容易被忽視的。但是在實際運行中，由于鍵盤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)過外部或內(nèi)部復(fù)位電路可以重新復(fù)位運行，但是C8051芯片的復(fù)位無法傳送到7281芯片，這時顯示板上的顯示不會刷新，因此要在C8051芯片復(fù)位的同時，讓7281芯片也進行復(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，這兩種芯片會同時復(fù)位。

2 智能脫扣器的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要分為兩個部分，主程序和中斷程序。主程序包括故障處理、鍵盤處理、顯示處理、通信處理等子程序；中斷程序包括定時器中斷、鍵盤中斷、通訊中斷等。

單片機對工頻電流信號進行采樣，每一周波（20ms）可采集32個點，這樣系統(tǒng)采樣頻率采用6MHz就不會出現(xiàn)失真。由于延時保護要求精度高，因此要先計算電流的有效值。計算電流有效值的方法較多，下面介紹一種較可靠的算法。由于實際信號中疊加有高頻信號和非周期信號，為了真實有效地反映被測量信號的本質(zhì)，有人提出了用FFT算法從測量數(shù)據(jù)中計算出線路?號的基波參數(shù)和高次諧波參數(shù)，由于信號基波分量占到總信號的95％以上，所以，計算出來的數(shù)據(jù)可以作為各種保護算法的依據(jù)。電流保護的前提是能否及時正確判斷故障發(fā)生的時刻。FFT算法通過計算一個周波內(nèi)基波分量的有效值是否大于門檻值來確定故障情況，這樣做可以完成判斷任務(wù)，但是實時性不高。下面提出一種基于小波分析和FFT的改進算法，小波算法在采樣過程中檢測到可疑信號點后，由FFT算法進行有效值判斷，如果沒有超過門檻值，則可疑信號點無效，回到小波算法中繼續(xù)尋找采樣可疑點；如果有效值超過門檻值，則認為可疑點有效，根據(jù)保護條件輸出相應(yīng)信號。其算法的流程圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖