1、引言

　　低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中起同段控制及保護等作用的重要元件。目前，國外的低壓斷路器正朝著高性能、小型化、智能化和模塊化方向發(fā)展，并且與現(xiàn)場總線系統(tǒng)相連，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。國內(nèi)一些廠家也曾開發(fā)國際種職能斷路器控制器，其主要缺點是采用大規(guī)模集成器件較少，故體積較大，易進入干擾。

　　本文介紹一種新型智能低壓斷路器控制器的設(shè)計。主要特點有：a注重模塊化設(shè)計，采用大規(guī)模集成器件。不僅縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品性能，而且減少了產(chǎn)品體積，降低了成本;b在實現(xiàn)基本保護功能的同時，增加了預(yù)警功能;c才參數(shù)測量上，除了電流、電壓等常規(guī)參數(shù)外，增加了功率因數(shù)及功率測量等，并對參數(shù)進行顯示;d注重產(chǎn)品的可靠性設(shè)計;e斷路器帶通信接口，引入CAN現(xiàn)場總線技術(shù)。

　　2、支能低壓斷路器控制器設(shè)計

　　2.1 總體方案簡介

　　該斷路器控制器的主要包括微處理器、信號采集電路、鍵盤和現(xiàn)實電路、外擴存儲器、溫度檢測電路、輸出執(zhí)行電路和電源等。

　　2.2 微處理器的選擇

　　智能斷路器控制器既要實現(xiàn)各種功能又要有較好的是實時性和電磁兼容性，本期設(shè)計用了Dallas公司的DS80C390微處理器。其主要特點有：向下兼容80C52，使用80C51的指令集;高速的體系結(jié)構(gòu)，每個機器周期只有4個時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率可達40Mhz，兼容80C52存儲模式，內(nèi)含4KB的SRAM，外部擴展4MB的程序存儲器和4MB的用戶數(shù)據(jù)存儲器。內(nèi)含兩個CAN2.0B的控制口，集成度高。

　　DS80C390有2個串行口、3個定時器/計數(shù)器、7個附加中斷、1個可編程狗定時器、6個8 bit /O口（其中兩個與存儲器接口），還有一個數(shù)據(jù)指針OPRT1。DS80C390有2種封裝形式：68腳的PLCC和64腳的LQFP，本設(shè)計選用前者。

　　2.3 信號采集電路

　　常規(guī)信號輸入通道的設(shè)計一般先濾波在隔離放大，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換等，但該設(shè)計方法難以滿足實時性要求。本設(shè)計要求采集3路線電壓和4路相電流信號，而且需要采集的信號范圍很寬，若采用常規(guī)設(shè)計則需要很多的A/D轉(zhuǎn)換通道，故采用了Cirrus Logic公司的電子是電能表芯片CS5460來設(shè)計信號輸入通道。

　　（1）CS5460的特點。a高集成。內(nèi)部繼承了1個可編程的增益放大器，1個帶固定增益放大器的電壓通道，2個可選高通濾波器等;b高精度。轉(zhuǎn)換精度可達0.1%;c易接口。CS5460是高速A/D器件，缺省狀態(tài)下，瞬時A/D變換頻率可達4kHz。其自帶可編程增益放大器可測量150mV獲 30mV兩城范圍的信號，從而很好地解決了實時性、寬測量范圍及測量精度低等問題。

　　（2）CS5460的硬件設(shè)計。電壓電流互感二次側(cè)感應(yīng)電壓值經(jīng)分壓后分別送入CS5460的UIN+、UIN——和IIN+、IIN-引腳。 CS5460有4 個串行口：SDI為串行數(shù)據(jù)輸入口，SDO為串行數(shù)據(jù)輸出口，SCLK為串行時鐘，CS是片選控制線。因為要采集4路電流、3路電壓值，故選用了4片CS5460芯片。并用引腳p4.0、p4.1、p4.2和p4.3輪流選通每片CS5460。當(dāng)CS=1時，SOD為高阻狀態(tài)，故4片 CS5460的引腳可以直接連在一起。又DS80C390的I/O口可以驅(qū)動4個門電路，故4片CS5460的SDI和SCLK引腳分別以線與的形式直接相連。

　　（3）CS5460的軟件設(shè)計。本設(shè)計中軟件設(shè)計的基本程序采用C51編寫。CS5460的初始化和啟動轉(zhuǎn)換工作由主程序完成。設(shè)計要求每 1.25ms在3路電壓、4路電流上個采一點，采用軟件定時中斷方式。每1.25ms系統(tǒng)啟動一次中斷服務(wù)程序，完成對各路信號瞬時值的采集，每2s完成一次對各路信號有效值的采集。

　　DS80C390通過SDI、SDO、SCLK和CS信號線與CS5460接口。運用寫操作對CS5460內(nèi)部各寄存器進行設(shè)置;運用讀操作，讀出CS5460內(nèi)部各狀態(tài)寄存器和輸出結(jié)果寄存器的值。

　　2.4 外擴存儲器電路

　　傳統(tǒng)單片機應(yīng)用系統(tǒng)為一般以微處理器為核心外加必要的芯片組成。但所需外加零散芯片很多時，所得的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將很復(fù)雜且不易與更新或修改。所以，本設(shè)計采用了PSD934F2芯片。

　　（1）PSD934F2的主要特點。美國WSI公司推出的PSD934F2芯片是專門為8bits微處理器設(shè)計的，實現(xiàn)了將多個外圍芯片集成于一個芯片中。其主要特點有：可方便的使用復(fù)用和非復(fù)用的8bits微處理器接口;內(nèi)置2MB的主FLASH存儲器和256KB的第二FLASH存儲器;具有 64KB的SRAM;有19個輸出的通用PLD（GPLD）;有譯碼PLD（DPLD）;具有27個可單個配置的I/O引腳;等待電流可以降至50μA; 符合JTAG標準的串行口可對全芯片進行在系統(tǒng)編成;FLASH存儲器的擦寫次數(shù)至少可達100000次，PLD的擦寫次數(shù)最少可達1 000次。

　　（2）PSD934F2與DS80C390的硬件電路。系統(tǒng)要求具有256KB的FLASH、125±8KB的SRAM和16KB的輔助FLASH，還要31路I/O輸出及一些外設(shè)片選輸出，故系統(tǒng)還擴展了一片128KB的SRAM。本設(shè)計中，DS80C390工作于22bits連續(xù)葉面尋址模式，配置為8bits的數(shù)據(jù)/地址復(fù)用方式。用程序選通允許信號PSEN訪問PSD934F2的程序存儲器，用WR、RD訪問數(shù)據(jù)存儲器。PSD934F2的 27個I/O引腳，分成4個口（PA、PB、PC和PD），每個引腳可單獨配制成不同的功能。

　　（3）PSD934F2的軟件開發(fā)。PSD934F2由PSDsoft軟件支持。系統(tǒng)設(shè)計時，不需要用硬件描述語言（HDL）來定義PSD934F2 的引腳功能和分配存儲器地址。PSD934F2支持FlashLINK器件編程器，對PSD934F2進行編程。首先用PSDsoft軟件定義 PSD934F2的引腳功能及分配存儲器地址，再通過PSDsoft將PSD934F2配置與用戶HEX文件進行合并產(chǎn)生目標文件。HEX文件由用高級語言編寫的植入PSD的應(yīng)用程序經(jīng)編譯、鏈接產(chǎn)生，再將目標通過FLASHLINK寫入PSD934F2即可。

　　2.5 溫度檢測電路

傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用熱敏電阻等溫度敏感元件，熱敏電阻成本雖低，但需要后續(xù)信號處理電路，且測量通道的標定麻煩，溫度測量的準確度也相對較低。所以，本設(shè)計采用Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS1620。

　　（1）DS1620的特點。數(shù)字溫度傳感器DS1620是Dallas公司推出的新型溫度敏感器件。他以數(shù)字量輸出溫度測量值，具有測量范圍寬，傳輸距離遠，可靠、穩(wěn)定等特點。DS1620的測量范圍為-55～125℃，分辨率為0.5℃。溫度以9位數(shù)字輸出，能夠在1秒內(nèi)完成被測溫度的數(shù)值轉(zhuǎn)換，可獨立工作，也可方便的與PC或單片機以串行方式連接。

　　（2）DS1620的軟硬件設(shè)計。DS1620通過高溫系數(shù)振蕩器控制低溫系數(shù)振蕩器的脈沖個數(shù)，實現(xiàn)被測溫度的數(shù)字輸出。溫度計數(shù)器和寄存器預(yù)置-55℃的基準值，若溫度寄存器與技術(shù)起在脈沖周期結(jié)束前為0，則溫度寄存器增至被測溫度值。

　　DS1620的引腳DQ位數(shù)據(jù)輸入輸出腳（3線通信），CLK/CONV三線通信時為時鐘輸出口，不用CPU時為啟動轉(zhuǎn)換腳，RST為復(fù)位輸入腳。DS1620通過三線串行接口與微處理器相連，實現(xiàn)有關(guān)數(shù)據(jù)的寫入、溫度數(shù)據(jù)的讀出。

　　2.6 實時時鐘芯片

　　系統(tǒng)運行時，整個系統(tǒng)每隔一段時間就要進行一次始終校準。為此，本設(shè)計選用實時時鐘/日歷芯片PCF8563。PCF8563與DS80C390采用 I2C通信接口方式進行數(shù)據(jù)傳送。由于DS80C390本身沒有I2C通信接口，所以采用軟件模擬的方法與具有I2C接口的PCF8563接口。

　　程序中微處理器在發(fā)出第九個脈沖時，讀取SDA線上的狀態(tài)，如讀取狀態(tài)為0，則說明數(shù)據(jù)已成功寫入PCF8563;如讀取狀態(tài)為1，則說明寫入操作不成功，程序轉(zhuǎn)入再次寫操作。每進行一次操作，內(nèi)嵌的字地址寄存器就會自動產(chǎn)生增量。據(jù)此，可判斷出程序?qū)CF8563的讀寫操作是否完成。每隔一段時間，主機發(fā)送標準時間，標準時間通過CAN總線傳入各職能節(jié)點，然后有個節(jié)點對各自的時鐘進行校時操作。當(dāng)某節(jié)點發(fā)生故障或報警時，此節(jié)點就對自己的 PCF8563進行讀操作，已得到發(fā)生故障或報警時的時間值。

　　2.7 CAN總線接口電路

　　CAN總線是現(xiàn)場總線領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛的一種通信技術(shù)，用CAN代替以往的RS—485將從根本上改善監(jiān)控系統(tǒng)的性能。DS80C390內(nèi)部集成了兩個全功能CAN2.0控制器，易與外部CAN總線接口。

　　2.8 鍵盤及顯示電路

鍵盤設(shè)計時，將按鍵的一端與微處理器的口線直接相連，并加上阻容電路去抖動。這樣既可簡化硬件電路的設(shè)計，還可減小體積。顯示電路由發(fā)光二極管和液晶組成，液晶采用精電公司的MGLS-12864T，可用圖形或文本方式顯示。

　　3、智能控制器的可靠性設(shè)計

　　本控制器模塊處于強磁場環(huán)境中，各種電磁干擾源頻率大致為：電磁20Hz～幾十Hz，開關(guān)電弧30～200Hz，磁鐵1.0～3.6MHz。本模塊還處于強電力線電廠中，該場以電磁感應(yīng)的方式將電磁能量施加與本控制器模塊。所有的電磁干擾都有電磁干擾源、耦合通道和敏感設(shè)備3個基本要素組成。

　　（1）本設(shè)計選用了CS5460、PCF8563等貼片封裝元器件，高集成度的DS80C390及可配置內(nèi)存器件PSD934F2和帶光電隔離的固態(tài)繼電器。這些控制器模塊本身就有很強的抗干擾能力。

　　（2）電源是引入干擾的重要途徑，為減少從此引入的干擾，采取了如下措施：a采用高性能開關(guān)電源以抗尖脈沖干擾等;b采用壓敏電阻或RC網(wǎng)絡(luò)等吸收浪涌電壓;c電源進線端加大容量電解電容和高頻陶瓷電容分別濾除低頻、高頻干擾;d采用分散獨立的功能供電。e保證有適當(dāng)?shù)墓β试６取?/FONT>