1、引言

　　萬能式斷路器除了本身具有高分?jǐn)嗄芰Α⒏叨虝r(shí)耐受性能及良好的操作性能外,還必須裝配性能的控制器。基于微處理器的智能控制器具有多種檢測(cè)和通信功能,利用總線功能實(shí)現(xiàn)電力質(zhì)量監(jiān)控是一種經(jīng)濟(jì)有效的方案。由于基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行單元被大量開發(fā)和應(yīng)用,因此針對(duì)原有萬能式斷路器的控制器系統(tǒng)進(jìn)行改造,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn),保留原有系統(tǒng)的投資,設(shè)計(jì)了一種具有PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線接口的控制系統(tǒng)。

　　2、Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的構(gòu)成

　　Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)由主站和從站構(gòu)成,主站具有總線存取控制權(quán),從站是被動(dòng)的站,沒有總線存取權(quán)。主站分為一類、二類。一類主站包括PLC、PC等,完成循環(huán)的總線通訊控制和管理。二類主站指操作員工作站(如PC機(jī)加圖形監(jiān)控軟件)、編程器、組態(tài)設(shè)備,完成非循環(huán)數(shù)據(jù)的讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷、調(diào)試等。從站是進(jìn)行輸入輸出信息采集和發(fā)送的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、包括輸入輸出I/O設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器等。總線系統(tǒng)根據(jù)主站設(shè)置的個(gè)數(shù)可以分為多主站系統(tǒng)和單主站總線系統(tǒng)。

　　3、從站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　智能控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括:溫度采集、處理控制、現(xiàn)場(chǎng)通信等,能單獨(dú)完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制等功能,也可與多個(gè)從站和主站一起構(gòu)建一個(gè)大系統(tǒng),完成整體的測(cè)量控制任務(wù)。智能控制器由微處理器、信號(hào)采集電路、電源、鍵盤和液晶顯示電路、時(shí)鐘溫度檢測(cè)電路、執(zhí)行電路以及Profibus-DP總線接口電路等部分組成,組成框圖如圖1所示。

　　3.1  信號(hào)采集系統(tǒng)

　　本設(shè)計(jì)需要采集的信號(hào)是三路線電壓和四路相電流信號(hào),所需的電壓和電流信號(hào)都是經(jīng)過互感器形成的二次側(cè)感應(yīng)電壓,經(jīng)濾波隔離放大之后形成適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍在3V以內(nèi)。由于LPC2114本身具有A/D轉(zhuǎn)換器,所以只需要接入一個(gè)多路選擇開關(guān),即可完成對(duì)多路信號(hào)的采集,因此選用了單八路模擬開關(guān)CD4051。

　　CD4051的特點(diǎn)是通道轉(zhuǎn)換頻率可10MHz,而且控制簡(jiǎn)單,量程達(dá)到10V,工作溫度范圍-55°C~+125°C,很好的解決了量程的范圍和信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性。CD4051與LPC2114的接口連接見圖2所示。電壓電流互感器二次側(cè)感應(yīng)電壓信號(hào)經(jīng)分壓后分別送入CD4051的X0—X7引腳。CD4051的各通道選通的地址線引腳A、B、C分別與LPC2114的p0.21、p0.22、p0.23相連,開關(guān)接通彭磊:助理實(shí)驗(yàn)師在讀碩士哪一通道,由LPC2114控制輸入的3位地址碼來決定。LPC2114的A/D轉(zhuǎn)換頻率可以達(dá)到4.5MHz,轉(zhuǎn)換精度為2-10,能夠滿足實(shí)時(shí)采集和高精度要求。CD4051與LPC2114的A/D初始化和轉(zhuǎn)換工作由主程序完成。設(shè)計(jì)采用定時(shí)中斷方式要求大約每0.3ms就在3路電壓和4路電流信號(hào)上各采集一點(diǎn),LPC2114將采集所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ADDR(A/D數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)中。

　　3.2  溫度檢測(cè)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

　　傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘是由各自獨(dú)立的芯片電路分別完成,這樣分散處理往往降低了微處理器的處理效率而且也增加了電路的復(fù)雜性,所以本設(shè)計(jì)采用了SD2304FLP高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

　　SD2304FLP是一種具有內(nèi)置晶振、兩線式串行接口的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片可保證時(shí)鐘精度為±5ppm(在-10°C~50°C下),即年誤差小于2.5分鐘;該芯片內(nèi)置始終精度調(diào)整功能,通過內(nèi)置的數(shù)字溫度傳感器可設(shè)定適應(yīng)溫度變化的調(diào)整值,實(shí)現(xiàn)在寬溫度范圍內(nèi)高精度的計(jì)時(shí)功能;內(nèi)置2K串行E2PROM,用于存儲(chǔ)各溫度點(diǎn)的時(shí)鐘精度補(bǔ)償數(shù)據(jù)。正是由于內(nèi)置了I2C總線的數(shù)字溫度傳感器,所以可以很方便地通過I2C接口讀取溫度數(shù)據(jù)。SD2304FLP的溫度補(bǔ)償應(yīng)用是應(yīng)用的關(guān)鍵,由于時(shí)鐘精度隨溫度變化的補(bǔ)償數(shù)據(jù)在出廠前已經(jīng)存儲(chǔ)在2K容量的E2PROM里,所以只要通過讀取片內(nèi)數(shù)字溫度傳感器所檢測(cè)到溫度(TMP)的數(shù)值,確定當(dāng)前溫度值,根據(jù)溫度值的高八位確定存儲(chǔ)在E2PROM補(bǔ)償數(shù)據(jù)地址,讀出該補(bǔ)償數(shù)據(jù)并寫入時(shí)鐘調(diào)整寄存器。由于LPC2114本身具有高速I2C總線接口,硬件設(shè)計(jì)和程序編寫不需要很復(fù)雜。但需要注意的是I2C總線的上拉電壓應(yīng)在總線需要工作的時(shí)始終存在,并在系統(tǒng)中先上電,后掉電,所以根據(jù)實(shí)際情況,本電路設(shè)計(jì)的上拉電阻好為4.7K。