基于MC9S08AW32芯片的開關(guān)柜智能測控裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

0　 引言
　　開關(guān)柜一般有斷路器（負(fù)荷開關(guān)）、隔離刀閘、接地刀閘等一次開關(guān)設(shè)備。在運(yùn)行或調(diào)試中，監(jiān)測這些一次開關(guān)設(shè)備狀態(tài)是至關(guān)重要的。在傳統(tǒng)的開關(guān)柜上，一般使用信號燈來指示這些狀態(tài)的，這樣做顯示不直觀，且接線不方便。開關(guān)柜智能測控裝置將一次設(shè)備狀態(tài)顯示與開關(guān)柜的一次方案圖相結(jié)合，LED顯示器件置于一次方案圖中設(shè)備符號所處位置，電路狀態(tài)一目了然，生動(dòng)直觀，如圖1所示。

圖1　ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置產(chǎn)品示意圖

　　同時(shí)集成的高壓帶電顯示、自動(dòng)溫濕度控制、電參數(shù)測量功能使開關(guān)柜盤面簡潔大方，降低二次接線工作量。

1　 硬件設(shè)計(jì)方法
1.1 設(shè)計(jì)平臺(tái)
　　中央處理器采用Freescale公司的第一款基于高度節(jié)能型S08核的器件MC9S08AW32高性能單片機(jī)，該單片機(jī)片上資源豐富，支持BDM片上調(diào)試功能，片內(nèi)集成看門狗電路，抗干擾能力突出，具有業(yè)內(nèi)最佳的EMC性能。CPU總線頻率最高可達(dá)20MHz，最高運(yùn)行速率可達(dá)40MHz。豐富的片上資源：32KB在線可編程FLASH存儲(chǔ)器，內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，帶有2個(gè)可編程定時(shí)器，豐富的I/O口：雙SCI口，SPI、I2C等接口，極大的方便了硬件的擴(kuò)展。
　　電能計(jì)量芯片采用美國ADI公司的高精確度三相電能測量芯片ADE7758。該芯片的測量精度高，功能強(qiáng)大。該IC內(nèi)嵌高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和固定模式的數(shù)字處理信號處理器( DSP)，具有數(shù)字積分、數(shù)字濾波、實(shí)用電能監(jiān)測、計(jì)量功能。芯片帶有一個(gè)SPI串行口、有功電能脈沖輸出、無功電能脈沖輸出，可用于各種三相系統(tǒng)中有功功率、無功功率、電能、電壓電流有效值的測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差所必須的信號處理電路。
　　ADE7758為各相提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，包括有效值偏移校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)、功率校準(zhǔn)。
1.2 設(shè)計(jì)框圖
　　裝置硬件電路設(shè)計(jì)框圖如下，整個(gè)系統(tǒng)以MC9S08AW32為核心，按功能可劃分為中央處理單元、電源模塊、電壓電流采樣及運(yùn)算、開關(guān)量控制模塊、溫濕度采集模塊、人機(jī)交互模塊、通訊模塊等。

圖2　硬件電路設(shè)計(jì)框圖

1.3 部分電路
1.3.1 中央處理單元
　　中央處理單元電路圖如圖3所示，CPU對采樣信號進(jìn)行處理計(jì)算，根據(jù)測量得到的電流、電壓、溫濕度值與預(yù)先設(shè)定的各種保護(hù)數(shù)值進(jìn)行對比，由此來判斷開關(guān)柜的電壓電流是否正常、溫濕度狀況是否正常，若不正常則輸出相應(yīng)的告警信息。外部擴(kuò)展了鐵電存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)一些重要的參數(shù)，即使以后升級程序也不會(huì)丟失先前的重要數(shù)據(jù)。

圖3　中央處理單元電路圖

1.3.2 開關(guān)量控制模塊
　　開關(guān)量控制模塊包括開關(guān)量輸入和告警輸出，其電路圖如圖4所示。開關(guān)量輸入經(jīng)光電耦合接入CPU；告警由GPIO口經(jīng)光電耦合器連接到繼電器輸出。開關(guān)量輸入設(shè)有8路，依次對應(yīng)一次圖中的斷路器合、斷路器分、手車工作位置、手車試驗(yàn)位置、接地刀位置以及彈簧儲(chǔ)能指示，其余預(yù)留。開關(guān)量輸入對應(yīng)一次圖可編程設(shè)置。開關(guān)量輸出設(shè)有6路，依次輸出加熱器1、加熱器2、風(fēng)扇、告警、照明、閉鎖的狀態(tài)。

圖4　開關(guān)量控制模塊電路圖

1.3.3 人機(jī)交互單元
　　本裝置高端產(chǎn)品的人機(jī)交互界面采用LCD液晶顯示模塊。LCD采用128*128點(diǎn)陣顯示，初始界面為電參量顯示界面，通過按鍵輸入進(jìn)入菜單設(shè)置界面，菜單選項(xiàng)均采用中文顯示界面，使得操作直觀易懂。通過菜單選項(xiàng)可以設(shè)置諸如接線方式、電壓變比、電流變比、告警定值、通信地址波特率等參數(shù)。低端產(chǎn)品則采用雙排四位LED數(shù)碼管顯示來溫濕度信息及各種可編程信息。用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置各種告警定值參數(shù)、通信地址波特率等。
1.4 評述
　　本裝置采用的電源模塊為開關(guān)電源模塊。該電源模塊輸入電壓為AC90～285V或DC100～300V，輸入頻率45～60Hz，輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波＜1％，轉(zhuǎn)換效率≥75％。具有過壓、過流保護(hù)。該模塊經(jīng)實(shí)際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。
　　溫濕度傳感器采用SHT10，該系列產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。CPU與SHT10采用串行接口，在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優(yōu)化處理。
　　高壓帶電顯示模塊由高壓帶電傳感器輸入電信號，由此判斷此高壓柜是否帶電。由于母線電壓較高，所以高壓帶電顯示電路采用了各種過壓保護(hù)、隔離保護(hù)器件來確保裝置內(nèi)部電路的正常工作。
　　此外，本裝置還集成有操控功能、人體感應(yīng)功能、語音防誤提示功能等。

2　 軟件設(shè)計(jì)流程
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、通訊模塊2個(gè)部分。
　　主程序完成上電或復(fù)位初始化，電能芯片初始化，其他外設(shè)初始化，溫濕度測量，讀取電參數(shù)，電量計(jì)算，狀態(tài)顯示及報(bào)警處理，LCD顯示刷新及按鍵處理等功能，程序設(shè)計(jì)流程如圖5。
　　CPU初始化主要指對CPU的特殊狀態(tài)寄存器SFR進(jìn)行配置，設(shè)置I/O口的輸入輸出狀態(tài)及初始狀態(tài)，讀取鐵電寄存器數(shù)據(jù)等；電能芯片初始化主要指對ADE7758功能寄存器的配置；主程序其余部分則是對各項(xiàng)功能的完成，只有合理安排程序流程來完成這些功能，裝置才能可靠工作。
　　通訊模塊以中斷方式實(shí)現(xiàn)，主要完成接收數(shù)據(jù)，協(xié)議處理等功能。通訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU規(guī)約，便于上位機(jī)的通訊，與其他網(wǎng)絡(luò)儀表組網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)柜狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖5　程序設(shè)計(jì)流程圖

3　 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)及性能
　　ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置的技術(shù)指標(biāo)見表1。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)采用優(yōu)異的電磁干擾PCB設(shè)計(jì)技術(shù)，生產(chǎn)時(shí)經(jīng)過整機(jī)帶電老化與出廠檢驗(yàn)測試，確保了產(chǎn)品的長期工作的穩(wěn)定性和可靠性。

表1　ASD裝置技術(shù)指標(biāo)

4　 應(yīng)用案例

圖5　典型應(yīng)用接線圖

　　在某水泥廠高壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)中，全部采用了ASD系列開關(guān)柜智能測控裝置。應(yīng)用方案見圖5。圖中信號指示回路通過開關(guān)量輸入采集來實(shí)現(xiàn)一次原理圖指示；帶電顯示回路通過高壓傳感器輸入來指示母線是否帶電；溫濕度控制回路通過溫濕度傳感器輸入來實(shí)現(xiàn)溫濕度控制。并帶有Modbus通訊輸出, 供用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。一改以往每個(gè)開關(guān)柜需配備不同廠家的多種產(chǎn)品，既減少了工程量節(jié)約了成本，又提高了系統(tǒng)的可靠性。投入試用的開關(guān)柜智能測控裝置以其良好的穩(wěn)定性和可靠性能保證了對開關(guān)柜內(nèi)的一次設(shè)備的保護(hù)，并且保證了對于電壓、電流、功率等參數(shù)的準(zhǔn)確測量和對電能的準(zhǔn)確計(jì)量，同時(shí)方便了用戶對開關(guān)柜的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5　 結(jié)語
　　開關(guān)柜智能測控裝置針對電力開關(guān)柜的控制要求設(shè)計(jì)，適用于中置柜、手車柜、固定柜、環(huán)網(wǎng)柜等多種開關(guān)柜。該產(chǎn)品已經(jīng)系列化，集操作、顯示于一體，滿足多種客戶的需求，具有功能齊全、運(yùn)行可靠、抗干擾性能優(yōu)越等特點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。

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