基于DSP和Modbus總線的智能斷路器控制器設(shè)計(jì)

智能控制器采用TI的高性能DSP芯片TMS320F2812，電路主要由電壓電流輸入信號(hào)的調(diào)理電路、自生電源和外部電源控制模塊、RS485通信模塊、顯示和按鍵模塊及外圍檢測(cè)信號(hào)輸入電路、脫扣控制電路等組成。電流互感器和電阻分壓前端分別檢測(cè)供電線路中的電流和電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路和DSP可處理的電平信號(hào)，經(jīng)過模擬信號(hào)調(diào)理電路(隔離、濾波、放大等)送入DSP，DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供DSP進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理。DSP將檢測(cè)到的電流信號(hào)與整定值相比較，判斷是否脫扣，從而實(shí)現(xiàn)三段保護(hù)功能。同時(shí)在系統(tǒng)中采用Modbus總線協(xié)議與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)智能控制器的“四遙”功能。
1.2 采樣與信號(hào)調(diào)理
采用空芯電流互感器檢測(cè)電流信號(hào)，以保證有較好的線性范圍。采用串聯(lián)的電阻分壓提供電壓信號(hào)。電流和電壓信號(hào)經(jīng)過RC濾波后，分2路進(jìn)行采樣，以解決量程變換問題。當(dāng)互感器輸出電壓比較小時(shí)，電壓經(jīng)過LM324放大，由A/D采樣；而當(dāng)互感器輸出電壓比較大時(shí)，LM324輸出出現(xiàn)飽和，則直接由A/D采樣。其中通道的選擇由軟件完成,以使采樣信號(hào)在閥值處能較好銜接起來。電流采樣電路如圖2。R11、R12、R21、R22將交流信號(hào)提升為A/D可識(shí)別的3.3 V直流信號(hào)，D1、D2、D7、D8構(gòu)成限幅保護(hù)電路。電壓通道除了電阻分壓不同，其他部分相似。

1.3 通信接口
采用SP485E芯片的通信接口如圖3。由于斷路器的分?jǐn)鄷?huì)對(duì)電路產(chǎn)生干擾，為保證可靠的通信，電路附加了一些保護(hù)。其中8.2 V的TVS管V1、V2、V3都是用來保護(hù)RS485總線的，以避免RS485總線在受外界干擾時(shí)(雷擊、浪涌)產(chǎn)生的高壓損壞RS485收發(fā)器。電路中的L1、L2、C7、C8元件，用于提高電路的EMI性能，并對(duì)SP485E芯片起到良好的保護(hù)效果。

2 智能控制器軟件設(shè)計(jì)
2.1 智能控制器軟件結(jié)構(gòu)
智能控制器軟件主要包括：采樣數(shù)據(jù)處理、通信處理、按鍵和顯示處理及能量記憶處理等模塊。主程序流程圖如圖4。在主程序中，智能控制器上電初始化后，查詢通信事件狀態(tài)，處理Modbus協(xié)議狀態(tài)機(jī)，并做相應(yīng)的通信處理。通過采樣獲取主線路的電流信號(hào)，每周期20 ms采樣40點(diǎn)，采用0.5 ms的定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)非失真采樣。而線路的三段保護(hù)，即電流速斷、限時(shí)電流速斷、定時(shí)過電流均依據(jù)一定的算法在這些采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。根據(jù)測(cè)得的電流信號(hào)進(jìn)行有效值計(jì)算（40個(gè)采樣點(diǎn)采用加權(quán)平滑濾波，取均值），進(jìn)行熱記憶能量累加或消退，先后比較是否達(dá)到或超過瞬時(shí)脫扣整定值Ii、短延時(shí)脫扣電流整定值Isd、過載長(zhǎng)延時(shí)脫扣電流整定值Ir，判斷是否大于整定的脫扣能量從而發(fā)出分?jǐn)嗝?，?dòng)作時(shí)間延時(shí)T根據(jù)斷路器控制器的電流－時(shí)間特性曲線決定(可參考斷路器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3])，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路中的過載、短路、接地等故障的保護(hù)。