智能脱扣器的软硬件设计

摘要：首先介绍了智能脱扣器的硬、软件设计及其关键技术，接着提出了新的数据处理方法，最后总结出一些抗干扰的措施。 关键词：智能脱扣器；采样；快速傅立叶变换；小波变换；抗干扰 引言 智能型断路器是指采用了智能脱扣器的断路器，智能脱扣器使断路器实现了遥测、遥控、遥信和遥调等功能。现在智能脱扣器都采用单片机、DSP等微处理器作为逻辑处理的基础，其发展趋势一是功能越来越多，除了传统的脱扣功能外，还有脱扣前报警功能、线路参数检测功能以及试验功能；另外一种趋势是采用现场总线技术，把设备的网络化作为目标。 本文主要介绍在研制智能脱扣器的过程中，硬件、软件方面需要注意的问题以及相应的处理方法。 1 智能脱扣器的硬件设计 根据智能脱扣器所要实现的功能，硬件可以分为中央处理单元（微处理器及其外围电路）、采样电路、按键显示电路、通讯电路、执行机构等几个部分。 1．1 采样电路 采样电路实现的功能是将外部的电流、电压信号经过互感器、滤波、幅值调整环节后送到微处理器A/D采样通道口。在这些环节要注意以下几个问题。 1）互感器的选择互感器的作用是将线路中幅值很大的电信号线性地转换成可以处理的电信号，其转换的线性和精度将直接影响关键数据的可信度，这些数据是智能脱扣器工作的基础。常用的电流互感器有铁心和空心两种，铁心型互感器在处理小电流时线性度很好，但大电流时铁心容易饱和，从而出现线性失真，测量范围小；空心型在处理大电流时线性度好，测量范围广，但小电流时易受干扰，也会出现线性失真，测量误差大。然而智能脱扣器电流测量范围从几百A到几十kA，变化范围很大，要想在整个测量范围内不失线性，最好采用两种类型互感器相互结合的方法。 2）幅值调整环节由于电流的测量范围很大，而微处理器A/D转换参考电压一般很小，本项目采用CYGNAL公司的C8051芯片作为CPU芯片，其A/D转换参考电压范围为0～3.3V，如果输入电信号幅值超过3.3V一定的时间将会损坏C8051芯片。如果将所有的电信号幅值都降到3.3V以下，那么A/D转换的精度将大大降低，为后面的数据处理带来很大的麻烦。本设计中采用多量程转换的方法，每一种量程中信号送到A/D转换口的幅值最大值都稍小于3.3V，硬件上根据信号幅值大小采用不同的输送通道，当然实现这个功能还要软件上面的判断。 1．2 中央处理单元 本设计中的CPU芯片采用CYGNAL公司的C8051，这是一种新型高速集成芯片，拇指盖大小的体积内集成了8路A/D转换通道、温度传感器、32K的FLASH存储器，WATCHDOG监视器、通讯接口和标准的JTAG程序烧写口。这使控制系统的外围元器件少、电路简单，从而提高了稳定性和抗干扰能力。 1．3 键盘显示电路 键盘显示电路采用串行接口的7281芯片，该芯片通过外接移位寄存器74HC164，最多可以控制16位数码管或128只独立LED，其驱动输出极性和输出时序均为软件可控，从而可以和各种驱动电路配合。同时，7281芯片不仅可以控制各显示位闪烁属性和闪烁频率，而且可以最多连接64键的键盘矩阵，键盘为互锁式，内部具有消去抖动功能。此外，7281芯片采用高速二线接口与CPU通讯，只占用很少的I/O口和CPU时间。 1．4 执行单元 执行单元采用永磁体的电磁铁，正常工作时在永磁体作用下保持吸合状态，当执行电路接收到CPU发出的脉冲控制信号时，触发达林顿管使线圈通有电流而产生反向磁通，在反力弹簧的作用下铁心打开，带动断路器分断。 1．5 硬件设备比较容易忽视的问题 CYGNAL51芯片自带内部复位和简单的外部复位电路，这部分复位电路是不容易被忽视的。但是在实际运行中，由于键盘和显示是由管理芯片7281所控制的，当程序跑飞后，C8051芯片经过外部或内部复位电路可以重新复位运行，但是C8051芯片的复位无法传送到7281芯片，这时显示板上的显示不会刷新，因此要在C8051芯片复位的同时，让7281芯片也进行复位，可行的解决方法是让C8051芯片和7281芯片共用相同的复位源，这样一旦程序死掉，这两种芯片会同时复位。 2 智能脱扣器的软件设计 软件设计主要分为两个部分，主程序和中断程序。主程序包括故障处理、键盘处理、显示处理、通信处理等子程序；中断程序包括定时器中断、键盘中断、通讯中断等。 单片机对工频电流信号进行采样，每一周波（20ms）可采集32个点，这样系统采样频率采用6MHz就不会出现失真。由于延时保护要求精度高，因此要先计算电流的有效值。计算电流有效值的方法较多，下面介绍一种较可靠的算法。由于实际信号中叠加有高频信号和非周期信号，为了真实有效地反映被测量信号的本质，有人提出了用FFT算法从测量数据中计算出线路?号的基波参数和高次谐波参数，由于信号基波分量占到总信号的95％以上，所以，计算出来的数据可以作为各种保护算法的依据。电流保护的前提是能否及时正确判断故障发生的时刻。FFT算法通过计算一个周波内基波分量的有效值是否大于门槛值来确定故障情况，这样做可以完成判断任务，但是实时性不高。下面提出一种基于小波分析和FFT的改进算法，小波算法在采样过程中检测到可疑信号点后，由FFT算法进行有效值判断，如果没有超过门槛值，则可疑信号点无效，回到小波算法中继续寻找采样可疑点；如果有效值超过门槛值，则认为可疑点有效，根据保护条件输出相应信号。其算法的流程图如图1所示。 瞬时保护是一种特殊的保护方式，它不需要对有效值进行比较，而是采用即采即比的方式，一旦发现某个采样点超过规定的门槛，立即让单片机系统发出脱扣信号。但是，由于脱扣器工作条件不定，不可避免受到外界干扰源的影响，导致脱扣器误动，为了减少误动的可能性，可以采取判别连续几个采样点是否都超过门槛值，如果都超过则认定故障发生，否则判别为外界干扰。采取这种方法提高了可靠性但是降低了时效性，至于连续判别几个采样点根据实际需要来定。 3 抗干扰的措施 影响智能脱扣器的干扰源有用电设备的浪涌电流，对讲机、手机等产生的射频辐射，智能脱扣器内部的开关电源和斩波释放电路等。这些干扰源的存在导致程序死掉，或电流电压等参数显示不准确导致故障状态判断错误，进而引起脱扣器误动作。为了减少干扰的影响，需要在硬件和软件上采取相应措施。 3．1 硬件抗干扰 采取的措施有： 1）合理布线，使数字电路地和模拟电路地共点地为悬浮工作方式，即系统各回路的基准电位互相连接在一起而不与大地相连，这样系统有较强的抗干扰能力； 2）模拟电路地和数字电路地分开接地，最后再汇合到一点，这是因为斩波泄放电路在启动工作后，出现很高的瞬态干扰，把逻辑地（主机）和模拟地（A/D）分开后，这一干扰就降到很低； 3）线路板和元器件表面喷绝缘层，是防潮和绝缘的需要，对防电磁干扰也有很重要的作用；在机壳内涂金属屏蔽层，形成等电位屏蔽，对电磁干扰也有很大的屏蔽作用； 4）在稳压电源、隔离变压器后侧安装滤波电路，能使火线与零线中的干扰电流得到衰减； 5）芯片的选择上，尽可能采用体积小的芯片封装，由于贴片封装比直插封装体积小、抗干扰能力强，因此选择贴片封装； 6）尽量减少外围电路，使电路板布线简单； 7）硬件电路应采用多级跟随器和高频滤波电路，以保证信号不失真。 3．2 软件抗干扰 软件上抗干扰的方法有以下几种。 1）为了防止装置受到干扰进入"死机"状态，在程序中加入一些监控措施利用看门狗（WATCHDOG）对程序进行死锁检测，在必要的时候自动复位；在未使用的中断向量区、空白程序区设置软件陷阱，强迫程序跑飞以后能够回到正常轨道上来；在必要的地方写入冗余指令，以调整指令长度，防止程序混乱。 2）对采样信号进行数字滤波首先对每一个采样点进行判别，让其与相邻值、前次值以及增值最大值比较，根据对称检测法、限幅检测法来判断是否为干扰信号；对最近采样的点进行FFT计算得到的数据与前几次的数据求平均值，舍去"异类"。 3）软件"WATCHDOG"技术系统运行时受到外界干扰的时候，程序会偏离正常轨道从而引起一系列问题，出现死循环，系统无法回到正常状态。软件看门狗技术特点是：系统正常运行程序中，每隔一段固定时间就要对"WATCHDOG"进行"喂狗"操作，在规定时间内如果检测到"喂狗"操作，表明系统运行正常，否则认为系统出错，自动发出复位信号。本项目采用的CYGNAL51芯片内部自带看门狗，这就减少了项目开发人员的工作量。 此外，在数据处理的算法上进行改进，也能大大提高系统的抗干扰能力，但是，这往往是以牺牲代码长度为代价的，至于如何取舍看实际项目要求而定。 4 结语 随着高性能、低价格芯片的不断涌现，在保留传统设备优点的基础上，智能脱扣器在保护的多样性、判断准确性和抗干扰性、自诊断保护、实时通讯和显示等方面有较大的改进，这大大方便了用户，从而有广阔的市场前景。