基于紅外傳感器的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計說明

1、. . . . I / 46摘要斷路器在電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)控制和保護(hù)的重要任務(wù)，其運(yùn)行直接影響著整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。斷路器的在線監(jiān)測是斷路器狀態(tài)檢修的前提和關(guān)鍵。隨著傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，使得斷路器一些原本不容易在線監(jiān)測的狀態(tài)量的監(jiān)測得以實現(xiàn)。本文闡述了斷路器現(xiàn)有在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，介紹了斷路器狀態(tài)量的種類，在采納前人設(shè)計理念的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于無線通信的斷路器觸頭溫度、行程在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由溫度、行程測量模塊和上位機(jī)監(jiān)控模塊兩個部分組成。溫度、行程測量模塊采用紅外溫度傳感器和增量式光電編碼器，實現(xiàn)了非接觸式測量斷路器觸頭溫度、行程。上位機(jī)監(jiān)控模塊由監(jiān)控程序和通信單元組成，

2、監(jiān)控程序設(shè)定斷路器溫度測量周期，收集斷路器觸頭的溫度數(shù)據(jù)；并響應(yīng)斷路器分、合閘信號，收集動觸頭行程數(shù)據(jù)。另外上位機(jī)與測量模塊之問采用無線射頻方式傳輸數(shù)據(jù)，免去了溫度、行程測量模塊與上位機(jī)之間控制電纜的連接。本文所設(shè)計的斷路器觸頭溫度、行程在線監(jiān)測系統(tǒng)通過仿真實驗，能夠?qū)崿F(xiàn)斷路器觸頭溫度、行程的測量以與上位機(jī)與溫度、行程測量模塊之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。關(guān)鍵詞：斷路器,在線監(jiān)測,觸頭,溫度,行程,無線通信. . . . AbstractResponsible for circuit breakers in the power system control and protection of impor

3、tant tasks, which run directly affect the entire power system stability and reliability. Line circuit breaker circuit breaker status monitoring is a prerequisite and key maintenance. As the sensor technology and signal processing technology, makes some of the original circuit breaker is not easy to

4、state the amount of online monitoring of the monitoring can be achieved. In this paper, the existing circuit breaker line monitoring technology, introduces the state variable circuit breaker type, in the adoption on the basis of the previous design, the design of the circuit breaker based on wireles

5、s communication contact temperature, trip-line monitoring system, the system consists of temperature measurement module visit and PC monitor module composed of two parts. Temperature, the trip using infrared temperature sensor measurement module and incremental optical encoder, to achieve a non-cont

6、act temperature measurement circuit breaker contacts, trip. PC monitoring module by the control procedures and communication modules, monitor the temperature measurement period set the circuit breaker, breaker contact of the temperature data collected; and respond to the breaker points, closing sign

7、al, the moving contact travel data collection. Another measurement module of the PC and asked the use of radio frequency transmission of data, eliminating the need fortemperature and stroke measurements between the control module and PC cable connection. Contact breaker designed this temperature, tr

8、ip-line monitoring system simulation experiment, to achieve circuit breaker contact temperature measurement and PC stroke and temperature, stroke measurements of wireless data transmission between modules.Key Words：Circuit Breaker,on-line minitoriContactg,Tempurature,Travel,Wireless Commnunication.

9、. . . III / 46. . . . 目錄摘要 IABSTRACTII1 引言 12 高壓斷路器 22.1 高壓斷路器簡介 22.2 高壓斷路器用途 23 測量原理 33.1 溫度測量原理 33.2 紅外傳感器 43.2.1 紅外傳感器簡介 43.2.2 紅外傳感器工作原理 43.3 斷路器觸頭行程測量原理 44 硬件設(shè)計 64.1 主控部分設(shè)計 64.2 溫度測量部分設(shè)計 64.3 行程監(jiān)控部分設(shè)計 84.3.1CPLD 部電路設(shè)計 94.3.1.1 信號處理原理與電路設(shè)計 94.3.1.2CPLD 數(shù)據(jù)、地址鎖存與部總線電路設(shè)計 104.3.1.3 無線通信單元硬件設(shè)計 114.4

10、無線通信單元硬件設(shè)計 124.5 上位機(jī)通訊單元硬件設(shè)計 135 軟件設(shè)計 155.1 溫度、形成測量軟件設(shè)計 155.1.1 主程序設(shè)計 155.1.2 溫度測量軟件設(shè)計 155.1.3 行程監(jiān)控軟件設(shè)計 165.2 無線通訊軟件設(shè)計 195.3 上位機(jī)串行口通訊軟件設(shè)計 275.4 通訊單元軟件設(shè)計 29結(jié)論 36致 37參考文獻(xiàn) 38附錄 39A1.1 測量模塊原理圖 39A1.2 通訊模塊原理圖 40. . . . 1 / 461 引言我國從 50 年代開始，幾十年來一直根據(jù)電力設(shè)備預(yù)防性實驗規(guī)程的規(guī)定對電力設(shè)備進(jìn)行定期的停電實驗、檢修和維護(hù)。定期實驗存在一定的不足，不能與時發(fā)現(xiàn)設(shè)備部

11、的故障隱患，而且停電試驗施加于運(yùn)行電壓的試驗電壓，對某些反映也不夠靈敏。隨著電力系統(tǒng)朝著高電壓、大容量的方向發(fā)展，停電事故給生產(chǎn)和生活帶來的影響與損失越來越大，因此保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行越來越重要，而定期的停電實驗、檢修和維護(hù)已經(jīng)不能滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，迫切需要對電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時的在線監(jiān)測，根據(jù)其狀態(tài)量的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，與時反映斷路器各功能部件的可靠程度，以便預(yù)防措施，避免停電事故發(fā)生。進(jìn)入 80 年代以來，電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展很快，絕大多數(shù)變電站設(shè)備與發(fā)電機(jī)、電纜、線路絕緣子等都有在線監(jiān)測項目。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和傳感器技術(shù)、光纖技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)等的發(fā)展和向各領(lǐng)域

12、的滲透，系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)中廣泛應(yīng)用了這些先進(jìn)的科研成果，使在線監(jiān)測技術(shù)逐步走向?qū)嵱没A段。與預(yù)防性實驗相比，在線檢測系統(tǒng)采用更高靈敏度的傳感器以采集運(yùn)行中設(shè)備絕緣劣化的信息，信息量的處理和識別也依賴于有豐富軟件支持的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，不僅可以把某些預(yù)試項目在線化，而且還可以引進(jìn)一些新的更真實反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征量，從而實現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合診斷，促進(jìn)電力設(shè)備由定期實驗向狀態(tài)檢修過度進(jìn)程。在線監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)，推動了電力設(shè)備運(yùn)行維護(hù)水平的提高，減少了維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，對部分設(shè)備采用根據(jù)監(jiān)測結(jié)果確定停電檢修周期的方法，為從預(yù)防性實驗向狀態(tài)檢修方向過度積累了經(jīng)驗。另一方面，由于引進(jìn)了先進(jìn)的電子技術(shù)、信息處

13、理技術(shù)，使得在線檢測技術(shù)更具有先進(jìn)性、實用性，推進(jìn)了電力設(shè)備絕緣監(jiān)督方法的革新。在線監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，提高了運(yùn)行管理的智能化程度，加快了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息反饋，縮短了故障判斷和處理時間，提高了工作效率，減少了因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失，并為實現(xiàn)無人值班變電站創(chuàng)造了條件。斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，肩負(fù)著控制和保護(hù)的雙重任務(wù)，即能根據(jù)電網(wǎng)的需要進(jìn)行電力設(shè)備與線路的投切，以與當(dāng)電力設(shè)備或線路發(fā)生故障時，能將故障部分迅速從電網(wǎng)中切除，以保證電網(wǎng)無故障部分的可靠運(yùn)行。. . . . 2 高壓斷路器2.1 高壓斷路器簡介高壓斷路器(或稱高壓開關(guān))它不僅可以切斷或閉合高壓電路中的空載電流和負(fù)荷電流，

14、而且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時通過繼電器保護(hù)裝置的作用，切斷過負(fù)荷電流和短路電流，它具有相當(dāng)完善的滅弧結(jié)構(gòu)和足夠的斷流能力，可分為：油斷路器（多油斷路器、少油斷路器） 、六氟化硫斷路器（SF6 斷路器） 、真空斷路器、壓縮空氣斷路器等。附圖 斷路器典型結(jié)構(gòu)簡圖2.2 高壓斷路器用途高壓斷路器在高壓電路中起控制作用，是高壓電路中的重要電器元件之一。斷路器用于在正常運(yùn)行時接通或斷開電路，故障情況在繼電保護(hù)裝置的作用下迅速斷開電路，特殊情況（如自動重合到故障線路上時 )下可靠地接通短路電流。高壓斷路器是在正常或故障情況下接通或斷開高壓電路的專用電器。3 3 測測量量原原理理. . . . 3 / 463.1

15、溫度測量原理目前用于斷路器觸頭溫度在線測量的方法主要分為兩種：接觸式測量所用到的傳感器價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單，但是需要與斷路器觸頭附近的帶電部分接觸，會給測量裝置引入高電壓絕緣問題。而非接觸式測量可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量，不需要與測量點接觸。為了避免斷路器在線監(jiān)測裝置的高電壓絕緣問題，本文中采用非接觸式測量的方式實現(xiàn)斷路器觸頭的溫度測量。非接觸式溫度測量的傳感器主要有兩種：光纖溫度傳感器和紅外溫度傳感器。光纖溫度傳感器由光纖和感溫原件構(gòu)成，它的原理是利用感溫元件對光的吸收性隨溫度變化而變化的特性，將待測物體溫度變化轉(zhuǎn)化為光信號的變化，再通過光監(jiān)測電路與濾波電路輸出模擬電壓量。溫度測量通過光信號轉(zhuǎn)化為電信

16、號，但是采用光纖溫度傳感器需要在測溫點引出光纖電纜，而且光纖溫度傳感器的價格目前還是比較高，相對而言性價比較低。紅外溫度傳感器原理是通過接收測量物體的電磁輻射，將輻射波長的變化轉(zhuǎn)化成模擬電信號輸出，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單。綜合比較，采用紅外溫度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離測量，對斷路器本體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響，在斷路器觸頭溫度測量中可行性高。由于斷路器觸頭位于滅弧室中，外界不能直接觀察到，所以不能夠直接測量到斷路器觸頭的溫度。但是根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，導(dǎo)電體通過電流溫度升高，和它接觸的其它零件的溫度也會升高。斷路器觸頭與滅弧室端蓋或母線連接處之間的接觸可近似的看作平面接觸，利用平板的熱傳導(dǎo)公式：溫升；熱功率；物質(zhì)的導(dǎo)

17、熱率；R熱阻；A平板面積；平板厚度。由此可知當(dāng)斷路器觸頭的溫度升高，由觸頭向滅弧室端蓋或母線傳導(dǎo)的熱功率變大，滅弧室端蓋或母線的溫度線形升高，反之亦然。根據(jù)上述原理可知通過測量與斷路器觸頭相接觸的可見零部件的溫度，間接獲得斷路器觸頭的溫度是可行的。本文設(shè)計的斷路器觸頭溫度測量模塊就是通過測量滅弧室端蓋或觸頭與母線連接處的溫度間接反映觸頭的實際溫度。3.2 紅外傳感器/WKARKR. . . . 3.2.1 紅外傳感器簡介紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能可分成五類, 按探測機(jī)理可分成為光子探測器和熱探測器. 紅外傳感技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。3.2.

18、2 紅外傳感器工作原理待測目標(biāo):根據(jù)待側(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行 紅外系統(tǒng)的設(shè)定。大氣衰減:待測目標(biāo)的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以與各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。 光學(xué)接收器:它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。 輻射調(diào)制器:對來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并可濾除大面積的 干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。 紅外探測器:這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器

19、可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。 探測器制冷器 :由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短 響應(yīng)時間，提高探測靈敏度。信號處理系統(tǒng):將探測的信號進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。顯示設(shè)備:這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機(jī)理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的 原理。3.3 斷路

20、器觸頭行程測量原理斷路器動觸頭行程測量用的傳感器種類很多，籠統(tǒng)的可分為兩大類：一類是采用直線位移傳感器，一般安裝在斷路器直線運(yùn)動的部件上，可以直接測量動觸頭運(yùn)動信號波形；一類是采用旋轉(zhuǎn)位移傳感器，由于斷路器操動機(jī)構(gòu)主軸與斷路器動觸頭通過機(jī)構(gòu)相連，所以通過測量操動機(jī)構(gòu)主軸的旋轉(zhuǎn)角度間接得出斷路器動觸頭的行程。由于直線位移傳感器安裝所需要的空間比旋轉(zhuǎn)位移傳感器要大，對于體積較小真空斷路器而言，選用旋轉(zhuǎn)位移傳感器更方便。為了增強(qiáng)測量模塊的通用性，故本文所設(shè)計的測量模塊選用增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼傳感器實現(xiàn)斷路器動觸頭的行程測量。以真空斷路器為例：. . . . 5 / 46附圖 真空斷路器觸頭與操動機(jī)構(gòu)連

21、接圖旋轉(zhuǎn)光電編碼器是輸入軸角位移傳感器，利用光柵和光電斷續(xù)器的相對運(yùn)動，當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動時，編碼器輸出相、相兩路相位差。的正交光信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，得到、兩路方波信號。將、信號通過相應(yīng)的信號處理電路轉(zhuǎn)換成與行程特性有關(guān)數(shù)字信號，傳送給微處理器處理即完成了斷路器觸頭的行程測量。傳統(tǒng)的行測量需要一塊信號處理電路板來實現(xiàn)，電路板上包括觸發(fā)電路、計數(shù)電路來完成行程信號的計數(shù)輸出，現(xiàn)在可以選用一片復(fù)雜可編程邏輯器件完成信號處理、計數(shù)輸出，大大節(jié)省了行程測量模塊的體積。是可以由用戶在現(xiàn)場進(jìn)行編程實現(xiàn)所需邏輯功能的數(shù)字集成電路，利用其部的邏輯結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)任何布爾表達(dá)式或寄存器函數(shù)，它可以由用戶根據(jù)具體設(shè)計需要

22、進(jìn)行配置和修改。4 硬件設(shè)計. . . . 4.1 主控部分設(shè)計AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 A

23、T89C51 是一種高效微控制器 .AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形與引腳排列如圖所示 ：圖 4.1 AT89C51 管腳圖4.2 溫度測量部分設(shè)計該測量單元由溫度傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片組成。紅外溫度傳感器選用 IRBD300 紅外溫度探頭，其工作電壓為 5V，工作電源線、地線由模塊引出。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型 TLC1549，它采用兩個差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入和一個三態(tài)輸出構(gòu)成三線接口，其中三態(tài)輸出分別為片選（CS 低電平有效）、輸入輸出時鐘（I/OCLOCK）、數(shù)據(jù)輸出（DATAOUT）。TLC1549 能以串行方式把轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號

24、傳送給單片機(jī)。由于 TLC1549 采用 CMOS 工藝。部具有自動采樣保持、可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換圍、抗噪聲干擾功能，而且開關(guān)電容設(shè)計使在滿刻度時總誤差最大僅為1LSB（4.8MV）。TLC1549 為 10 位單通道輸入，能夠使溫度轉(zhuǎn)換精度達(dá)到 0.3 度。IRBD300 是一種集成紅外光學(xué)系統(tǒng)，專用信號處理電路與環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的一體化紅外測溫探頭，由工廠進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)。測溫圍為-20300 度，環(huán)境溫度為-25100 度，響應(yīng)時間為 150ms，距離系數(shù)為 8:1，工作電源為 DC5V，輸出信號 0.5V，共有 6 個引腳，分別是：目標(biāo)溫度輸出電壓信號；環(huán)境溫度輸出電壓信號；源輸入；接地輸

25、入；SCLK和 SDAT 為廠家標(biāo)定；其引腳排列如圖所示：. . . . 7 / 46圖4.2 IRBD300引腳排列TLC1494是一種單通道輸入、串行輸出的10位模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片，其引腳排列與功能結(jié)構(gòu)圖如圖所示：圖4.3 TLC1549引腳排列與功能結(jié)構(gòu)圖溫度測量單元傳感器輸出溫度電壓信號接TLC1494模擬信號輸入管腳，TLC1494的片選信號、數(shù)據(jù)輸出、輸入/輸出時鐘分別與單片機(jī)P2.5,P2.6，P2.7管腳相連。REF+、REF-管腳為參考電壓管腳，分別接電源、地。溫度測量單元電路圖如圖所示：. . . . 圖 4.4 溫度測量單元電路4.3 行程監(jiān)控部分設(shè)計圖 4.5 測量單元系統(tǒng)圖

26、該測量單元由旋轉(zhuǎn)光電編碼器、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD和外部存儲器RAM組成。旋轉(zhuǎn)光電編碼器輸出電纜為7芯，包括電源線、地線、屏蔽銅網(wǎng)以與3根信號線。編碼器電源、地線由模塊引出。信號線輸出為2路計數(shù)方波脈沖和1路基準(zhǔn)方波脈沖提供給信號處理電路，進(jìn)行行程測量。CPLD選用MAX3000A的EP3064，CMOS工藝，可用門數(shù)600個，64個宏單元，最大用戶I/O管腳34個，工作電壓為3.3V，TQFP封裝，共44個引腳。外部存儲器選用HM6116，2K字節(jié)8位RAM，11位地址，8位數(shù)據(jù)，3位讀寫與片選信號，共24個引腳。行程測量單元系統(tǒng)框圖如圖所示。4.3.1CPLD 部電路設(shè)計. . . .

27、 9 / 46采用一片 CPLD 可以在測量模塊上實現(xiàn)行程監(jiān)測計數(shù)并輸出最后結(jié)果。它除實現(xiàn)行程測量功能外，同時還可作為地址鎖存電路。CPLD 部電路完成的工作：一是處理光電編碼器輸入的 A、B 信號，得到計數(shù)結(jié)果；二是在對計數(shù)結(jié)果進(jìn)行采樣時，將采樣數(shù)據(jù)鎖存，保證采樣時間，輸出的采樣結(jié)果保持不變；三是實現(xiàn)地址鎖存，給外部 RAM 提供地址信號。CPLD 采用部總線機(jī)構(gòu)，8 位數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用。4.3.1.1 信號處理原理與電路設(shè)計本文過對 2 路辦波脈沖整形處理，提高計數(shù)脈沖個數(shù)，光電編碼器的測量精度不變，可以將計數(shù)脈沖個數(shù)提高 2 倍。由光電編碼器輸出的 A、B 信號，經(jīng)過取反得到A、B 信

28、號，通過 CPLD 部邏輯處理整形后得到 4 路窄脈沖信號，使得計數(shù)脈沖頻率變?yōu)樘幚砬暗?2 倍，得到的窄脈沖信號通過與原有 4 路寬脈沖信號邏輯運(yùn)算后，得到 2 路加減計數(shù)脈沖 P+、P-。由于 A、B 信號相位相差 90 度，假設(shè)斷路器操動機(jī)構(gòu)合閘操作時，輸出 A 信號超前 B 信號 90 度。 ， 則斷路器分閘操作時，光電編碼器反方向轉(zhuǎn)動，輸出 A 信號滯后B 信號 90 度。所以通過上述公式得到兩個斷路器操動機(jī)構(gòu)不同方向轉(zhuǎn)動的兩個計數(shù)脈沖 P+、P- 。對兩個脈沖分別計數(shù)，輸出 8 位計數(shù)結(jié)果，分別計為 RESU_C+、RESU_ C 。CPLD 部信號處理流程圖如圖所示：圖 4.6

29、CPLD 部信號處理流程根據(jù)信號處理的原理，設(shè)計相應(yīng)的數(shù)字電路。4 路窄脈沖信號的獲得，這是信號處理核心，其設(shè)計分析的邏輯原理圖如圖所示：. . . . 圖 4.7 信號處理邏輯原理圖4.3.1.2CPLD 數(shù)據(jù)、地址鎖存與部總線電路設(shè)計CPLD 采用 8 位部總線方式，數(shù)據(jù)地址信號共用部總線?？刂菩盘柟?4 個，分別為讀信號面、寫信號而、采樣時鐘、讀時鐘。當(dāng)讀信號有效時，總線上傳輸?shù)臑閿?shù)據(jù)信號；當(dāng)寫信號時，總線上傳輸?shù)臑榈刂沸盘枴Ｓ?CPLD 部計數(shù)電路對光電編碼器信號A、B 實時計數(shù)，按照采樣時鐘頻率對結(jié)果采樣，在采樣時鐘頻率的下降沿將采樣數(shù)RESU_C+、RESU_C-鎖存，以保證向部總

30、線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在讀取周期保持不變。設(shè)置讀取時鐘為周期與采樣時鐘周期一樣的矩形波，讀信號有效時，在一個采樣周期依次將采樣數(shù)據(jù) RESU_C+、RESU_C-。通過部總線送上與 CPLD 數(shù)據(jù) IO 口。CPLD 另外一個功能是給外部 RAM 提供地址信號，寫信號歷有效時，將與微處理器連接的 IO 口上的地址信號送上部總線，在地址鎖存信號下降沿，將部總線上的地址信號通過地址鎖存電路鎖存，鎖存電路輸出（AD0-AD7）接外部 RAM 地址信號。CPLD 數(shù)據(jù)、地址鎖存與部總線邏輯原理圖如圖所示：. . . . 11 / 46圖 4.8 CPLD 數(shù)據(jù)、地址鎖存與部總線邏輯原理圖4.3.1.3 無線通

31、信單元硬件設(shè)計 數(shù)據(jù)存儲器選用 HM6116，容量為 2K 字節(jié)的 SRAM，11 條地址線，8 位數(shù)據(jù)線，3 條控制線，雙列直插封裝，共 24 個引腳，其引腳排列圖如圖所示：圖 4.9 HM6116 引腳圖根據(jù) CPLD 部電路與其輸入輸出引腳，微處理器 AT89C51 單片機(jī)的 P0 端口（P00-P0.7）與 CPLD 定義的數(shù)據(jù)地址引腳相連，由微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和地址寫入；單片機(jī) P3.2 引腳與 CPLD 定義的中斷信號引腳相連，當(dāng)斷路器動作，光電編碼器有輸入時，微處理器響應(yīng)中斷，進(jìn)行行程計數(shù)；單片機(jī)的 P.24、P3.0、P3.1、P3.3引腳與 CPLD 定義的控制邏輯引腳相連

32、，由微處理器提供讀寫、采樣始終、數(shù)據(jù)讀取信號；單片機(jī)的 ALE 引腳與 CPLD 定義的地址鎖存引腳相連，由單片機(jī)提供地址鎖存信號，將 HM6116 的低 8 位地址信號鎖存輸出。HM6116 的片選引腳（西）與單片機(jī) P2.3 引腳. . . . 相連，由單片機(jī)提供片選信號；低 8 位地址引腳（A0A7）與CPLD 定義的地址輸出引腳相連，由 CPLD 提供低 8 位地址信號；高 3 位地址引腳（A8-A10）與單片機(jī)P2.0P2.2 引腳相連，由單片機(jī)提供高 3 位地址信號：數(shù)據(jù)引腳（D0D8）與單片機(jī)P0 端口連接，當(dāng)片選信號有效時實現(xiàn)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；讀寫引腳與單片機(jī)的讀寫引腳相連。

33、當(dāng)單片機(jī)讀信號有效時，由 RAM 單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)，當(dāng)單片機(jī)寫信號有效時，由單片機(jī)中存入數(shù)據(jù)。行程測量單元各元件接線電路圖如圖所示：圖 4.10 形成單元接線電路圖4.4 無線通信單元硬件設(shè)計無線通信單元由無線射頻芯片 NRF905 組成，其工作頻段為 433/868/15MHZ，CMSK調(diào)制，自動產(chǎn)生 CRC 和前導(dǎo)碼，抗干擾能力強(qiáng)；采用 DSS+PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；靈敏度高，達(dá)到-100DB；最大發(fā)射功率達(dá)+10DB；開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá) 1000 米；低功耗工作模式，并且建空閑模式和關(guān)機(jī)模式，易于實現(xiàn)節(jié)能；工作電壓圍為 1.9-3.6V，外圍元件少，調(diào)試簡單，QFN

34、封裝，共 32 個引腳。NRF905 使用 SP1 接口與微處理器通信，配置非常方便，其電路設(shè)計如圖所示：. . . . 13 / 46圖 4.11 無線通訊單元電路圖4.5 上位機(jī)通訊單元硬件設(shè)計監(jiān)控室上位機(jī)與溫度、行程測量模塊之間采用無線通信的方式，上位機(jī)本身不帶無線收發(fā)功能，故需要設(shè)計通信單元。該單元由微處理器、RS232 串行接口、無線射頻芯片組成，實現(xiàn)與斷路器觸頭溫度、行程測量模塊之間無線數(shù)據(jù)通信以與與上位機(jī)監(jiān)控程序之間的 RS232 串口通信。該通信單元選用 ATC89C4051 做微處理器，自帶 4K 字節(jié)程序存儲器，工作電壓3.3V，16 個 IO 口，共 20 個引腳，作為無

35、線通信單元的微處理器實現(xiàn)對 NRF905 的配置與控制其收發(fā)狀態(tài)，以與通過串行接口與上位機(jī)的 RS232 串行口連接，實現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。 無線射頻芯片與測量模塊無線通信單元一樣采用 NRF905，除了與微處理器接口驅(qū)動電路不同外，其它外部接線均一樣。ATC89C4051 與 RS232 之間串口通信信號的電平轉(zhuǎn)換選用 MAX3232 完成，MAX3232是一種 RS232 接口芯片，能夠完成 TTL 與 RS232 兩種電平之間的轉(zhuǎn)換，工作電壓為. . . . 33.5V，可完成兩路串行口的電平轉(zhuǎn)換，共 16 個引腳。無線通訊單元電路設(shè)計如圖所示：圖 4.12 無線通訊電路設(shè)計5 軟件設(shè)

36、計5.1 溫度、形成測量軟件設(shè)計. . . . 15 / 465.1.1 主程序設(shè)計測量模塊主程序接收到上位機(jī)溫度測量指令、行程數(shù)據(jù)傳輸指令，或查詢到行程采集中斷后，轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序處理。主程序中對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、無線射頻芯片以與CPLD 芯片初始化后，進(jìn)入查詢狀態(tài)，等待相應(yīng)指令信號。主程序流程圖如圖 5.1 所示：圖 5.1 主程序流程圖5.1.2 溫度測量軟件設(shè)計TCL1594 具有種串行接口時序模式，這些模式由 I/O CLOCK 周期和 CS 定義。圖4-2 所示為 I/O CLOCK 和 CS 共同定義的 TLC1594 時序圖，其工作過程可分為 3 個階段：模擬量采樣：上電時，CS 必

37、須是高電平，當(dāng)其變?yōu)榈碗娖胶螅?IO CLOCK 的作用下，TLC1594 開始工作。在第三個 IOCLOCK 下降沿，輸入模擬量開始采樣，采樣持續(xù) 7 個 I/OCLOCK 周期，采樣值在第 10 個 I/OCLOCK 下降沿鎖存；模擬量轉(zhuǎn)換：采樣值鎖存后，進(jìn)入轉(zhuǎn)換間隔，這時 CS 由低電平變?yōu)楦唠娖剑?I/OCLOCK禁止且模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出 DATAOUT 處于高阻狀態(tài)，TLC1594 的 CMOS 門限檢測器通過檢測一系列電容的充電電壓決定模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的每一位，整個轉(zhuǎn)換過程時間不大于 21us。數(shù)字量傳輸：當(dāng) CS 由高變?yōu)榈蜁r，CS 復(fù)位部時鐘，控制并使能 DATAOUT 和

38、I/OCLOCK，允許 I/OCLOCK 工作并使 DATAOUT 脫離高阻狀態(tài)并接收上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。首. . . . 先移出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應(yīng)的最高位，下一個 I/OCLOCK 的下降沿驅(qū)動 DATAOUT輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對應(yīng)的次高位，依次第 9 個 I/OCLOCK 的下降沿驅(qū)動DATAOUT 輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第 10 個 I/OCLOCK 的下降沿 DATAOUT 輸出一個低電平，以便串行接口傳輸超過 10 個時鐘。軟件程序如下：Sbit IOC=P27; /端口定義/Sbit DO=P26;Sbit CS=P25;int tem;Int DAT=0;Ad

39、cov()=0; /AD 轉(zhuǎn)換/Dat=adtrs(0,0,0); /數(shù)字量傳輸Int I;CS=1;Delay(10);For(i=0,i10,i+);IOC=1;Delay(10);Int datrs(int d,C,tem);/數(shù)字量傳輸Int I;For(i=0,i10,i+);Tem=0 x0000;IOC=1;Delay(10);IOC=0;C=D0;Tem=d1;D=tem|C;Return(d);5.1.3 行程監(jiān)控軟件設(shè)計行程監(jiān)測單元采用中斷方式測量斷路器動觸頭行程，外部中斷請求 INT0 而采用邊沿觸發(fā)方式，接信號處理電路的啟動信號（A邏輯或 B）輸出，即當(dāng) A，或 B有計

40、數(shù)脈沖輸入時，INT0 中斷標(biāo)志位被置 1，向 CPU 請求中斷（單片機(jī)初始化時需設(shè)定允許兩而中斷），轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，將光電編碼器的計數(shù)結(jié)果按照一定的頻率采樣，讀取采樣數(shù)據(jù)，并存入 RAM 中，其中斷服務(wù)程序流程圖如所示：. . . . 17 / 46圖 5.2 行程測量單元中斷服務(wù)程序流程圖其中斷服務(wù)程序如下：#include /頭文件#include#includesbit clk_s=P31; /I/O 口定義sbit clr_s=P30;sbit A8=P820;sbit A9=P21;sbit A10=P22;sbit CE=P23;void intrpt()interrupt 0

41、 using 1 /外部中斷 INPT0unsigned char i,temp1,temp2,dir,comp,dat;unsigned char pdata*dp;IE0 x00; /關(guān)中斷A8=0;. . . . A9=0;A10=0;dp=0 x00; /RAM 入口地址 0 x00clk_s=1;_nop_();clk_s=0;delay(1000);temp1=P0; /讀計數(shù)結(jié)果delay(1000);temp2=P0; if(temp1temp2) /判斷服務(wù)器動作狀態(tài)dir=1； /斷開elsedir=0; /閉合doclk_s=1;_nop_();clk_s=0;delay

42、(1000);temp1=P0; /delay(1000);temp2=P0;if(dir=1) /處理計數(shù)結(jié)果comp=temp1=temp2;elsecomp=temp2=temp1;dat=comp;CE=0; /RAM 被選中_nop_();*dp=dat; /向 RAM 寫入成立后的計算結(jié)果dp+; /向 RAM 寫入地址+1 while(datcomp!=0); /判斷是否讀取完所有采樣數(shù)據(jù) /如果全部讀完，跳出循環(huán)IE=0 x01；5.2 無線通訊軟件設(shè)計無線通信單元采取不主動發(fā)送數(shù)據(jù)，只響應(yīng)上位機(jī)對應(yīng)指令方式。要實現(xiàn)無線通信單元數(shù)據(jù)收發(fā)，首先通過微處理器對 NRF905 的寄存

43、器進(jìn)行初始化設(shè)置，NRF905 的所有設(shè)置都通過 SPI 口完成，通過 SPI 接口指令實現(xiàn)對 NRF905 寄存器的各類參數(shù)設(shè)置，. . . . 19 / 46確定其工作頻率、輸出功率等參數(shù)；待初始化完成后，由微處理器將 TRX_CE 拉至高電平、TXEN 拉至低電平 NRF905 進(jìn)入接收模式，當(dāng)檢測到接收頻率的載波時，CD 變?yōu)楦唠娖?；?dāng)接收到一個有效的地址，AM 變?yōu)楦唠娖?；對接收到的?shù)據(jù)包進(jìn)行 CRC 校驗，校驗正確，NRF905 將數(shù)據(jù)包除去報頭、地址，同時 DR 變?yōu)楦唠娖剑淮藭r微處理器把TRX_CE 拉至低電平，NRF905 進(jìn)入空閑模式，微處理器通過 SPI 口，按 SPI

44、時鐘把數(shù)據(jù)移入微處理器；當(dāng)所有的數(shù)據(jù)傳出后，NRF905 再次將 AM、DR 變?yōu)榈碗娖健o線通信單元響應(yīng)微處理器發(fā)送指令，先通過 SPI 口按 SPI 時鐘把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給 NRF905；然后微處理器將 TRX_CE 拉至高電平，使 NRF905 進(jìn)入發(fā)送模式，對數(shù)據(jù)打包（添加報頭、完成 CRC 校驗計算），完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送：發(fā)送完成后，DR 被設(shè)為高電平。在發(fā)送期間，無論 TRX_CE 發(fā)生怎樣的改變，NRF905 都能保證本次發(fā)送的完成。其接收模塊和發(fā)送模塊流程圖如圖 5.3、圖 5.4 所示圖 5.3 NRF905 接收數(shù)據(jù)模塊流程圖. . . . 圖 5.4NRF9

45、05 發(fā)送數(shù)據(jù)模塊流程圖NRF905 接收發(fā)送程序：#include #include #include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define BYTE_BIT0 0 x01#define BYTE_BIT1 0 x02#define BYTE_BIT2 0 x04#define BYTE_BIT3 0 x08#define BYTE_BIT4 0 x10#define BYTE_BIT5 0 x20#define BYTE_BIT6 0 x40#define BYTE_BIT7 0 x80bd

46、ata unsigned char DATA_BUF;#define DATA7 (DATA_BUF&BYTE_BIT7) != 0)#define DATA0 (DATA_BUF&BYTE_BIT0) != 0)sbitflag=DATA_BUF7;. . . . 21 / 46sbitflag1=DATA_BUF0; /發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)#define TxRxBuf_Len 4unsigned char TxRxBufTxRxBuf_Len=0 x29,0 x30,0 x31,0 x32,;sbitTXEN=P20;sbitTRX_CE=P32;sbitPWR=P21;sbi

47、tMISO=P26;sbitMOSI=P15;sbitSCK=P27;sbitCSN=P16;sbitAM=P24;sbitDR=P33;sbitCD=P22;sbitled3=P10;sbitled2=P11;sbitled1=P12;sbitled0=P13;sbitKEY0=P36;sbitKEY1=P37;sbitBELL=P23;uchar seg10=0 xC0,0 xCF,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90; #define WC0 x00#define RC0 x10#define WTP0 x20#define RT

48、P0 x21#define WTA0 x22#define RTA0 x23#define RRP0 x24unsigned char idata RFConf11=0 x00, /配置命令/0 x4c, /CH_NO,配置頻段在 430MHZ0 x0c, /輸出功率為 10db,不重發(fā)，節(jié)電為正常模式0 x44, /地址寬度設(shè)置，為 4 字節(jié)0 x04,0 x04, /接收發(fā)送有效數(shù)據(jù)長度為 32 字節(jié)0 xCC,0 xCC,0 xCC,0 xCC, /接收地址. . . . 0 x58 /CRC 充許，8 位 CRC 校驗，外部時鐘信號不使能，16M 晶振;code TxAddress4=

49、0 xcc,0 xcc,0 xcc,0 xcc;char tf;static void Delay(uchar n)uint i;while(n-)for(i=0;i80;i+);unsigned char SpiRead(void)unsigned char j;for (j=0;j8;j+)DATA_BUF=DATA_BUF1;SCK=1;if (MISO) /讀取最高位，保存至最末尾，通過左移位完成整個字節(jié)DATA_BUF|=BYTE_BIT0;elseDATA_BUF&=BYTE_BIT0;SCK=0;return DATA_BUF;void SpiWrite(unsigned

50、 char send)unsigned char i;DATA_BUF=send;for (i=0;i8;i+)if (DATA7) /總是發(fā)送最高位MOSI=1;. . . . 23 / 46elseMOSI=0;SCK=1;DATA_BUF=DATA_BUF1;SCK=0;void nRF905Init(void)CSN=1;/ Spi disableSCK=0;/ Spi clock line init lowDR=0;/ Init DR for inputAM=0;/ Init AM for inputCD=0;/ Init CD for inputPWR=1;/ nRF905 pow

51、er onTRX_CE=0;/ Set nRF905 in standby modeTXEN=0;/ set radio in Rx modevoid Config905(void)uchar i;CSN=0;/ Spi enable for write a spi command/SpiWrite(WC);/ Write config command 寫放配置命令for (i=0;i11;i+)/ Write configration words 寫放配置字SpiWrite(RFConfi);CSN=1;/ Disable Spivoid TxPacket(uchar *TxRxBuf)uc

52、har i;/Config905();CSN=0;SpiWrite(WTP);/ Write payload commandfor (i=0;i4;i+)SpiWrite(TxRxBufi);/ Write 32 bytes Tx data. . . . / Spi enable for write a spi commandCSN=1;Delay(1);/ Spi disableCSN=0;/ Spi enable for write a spi commandSpiWrite(WTA);/ Write address commandfor (i=0;i=650us)void SetRxMo

53、de(void)TXEN=0;TRX_CE=1;Delay(1); / delay for mode change(=650us)unsigned char CheckDR(void)/檢查是否有新數(shù)據(jù)傳入 Data ReadyDR=1;Delay(2);if ( DR=1 & TRX_CE=1 & TXEN=0)/ Delay(50) ;return 1;elsereturn 0;. . . . 25 / 46void RxPacket(void)uchar i;Delay(1);TRX_CE=0;/ Set nRF905 in standby modeDelay(100);

54、TRX_CE=0;CSN=0;/ Spi enable for write a spi commandDelay(1);SpiWrite(RRP);for (i = 0 ;i 4 ;i+) TxRxBufi=SpiRead();/ Read data and save to buffer CSN=1;Delay(10);TRX_CE=1;void RX(void)SetRxMode();/ Set nRF905 in Rx modeif(CheckDR()=1)Delay(10);RxPacket();if(TxRxBuf0=0 x29)P0= seg3;led0=0;led1=0;led2=

55、0;led3=0;if(TxRxBuf0=0 x30)P0= seg4;led0=0;led1=0;led2=0;led3=0;. . . . void main(void)nRF905Init();Config905();P0= seg0;led0=0;led1=0;led2=0;led3=0;while(1)RX();if(KEY0 =0 )tf = 1 ;TxRxBuf0=0 x29;TxRxBuf1=0 x30;TxRxBuf2=0 x31;TxRxBuf3=0 x32; P0= seg1;led0=0;led1=0;led2=0;led3=0;if(KEY1 =0 )tf = 1 ;

56、 TxRxBuf0=0 x30;TxRxBuf1=0 x31;TxRxBuf2=0 x32;TxRxBuf3=0 x29; P0= seg2;led0=0;led1=0;led2=0;led3=0;. . . . 27 / 46if (tf=1)SetTxMode();TxPacket(TxRxBuf);tf = 0;Delay(10);5.3 上位機(jī)串行口通訊軟件設(shè)計上位機(jī)串口通信程序查詢方式，模塊化設(shè)計完成與測量模塊的數(shù)據(jù)通信。其程序流程圖如圖 5.5 所示：圖 5.5 串口通信程序流程圖串口通信程序包括對串口的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收三個部分。其程序如下：#include #inclu

57、de unsigned char ch;bit read_flag= 0 ; void init_serialcom( void ) . . . . SCON = 0 x50 ; /SCON: serail mode 1, 8-bit UART, enable ucvr /UART 為模式 1，8 位數(shù)據(jù)，允許接收TMOD |= 0 x20 ; /TMOD: timer 1, mode 2, 8-bit reload /定時器 1 為模式 2,8 位自動重裝PCON |= 0 x80 ; /SMOD=1; TH1 = 0 xFD ; /Baud:19200 fosc=11.0592MHz IE

58、 |= 0 x90 ; /Enable Serial Interrupt TR1 = 1 ; / timer 1 run TI=1; /向串口發(fā)送一個字符 void send_char_( unsigned char ch) SBUF=ch; while (TI= 0); TI= 0 ; /串口接收中斷函數(shù) void serial () interrupt 4 using 3 if (RI) RI = 0 ; ch=SBUF; read_flag= 1 ; /就置位取數(shù)標(biāo)志 main() init_serialcom(); /初始化串口 while ( 1 ) if (read_flag) /

59、如果取數(shù)標(biāo)志已置位，就將讀到的數(shù)從串口發(fā)出 read_flag= 0 ; /取數(shù)標(biāo)志清 0 send_char_(ch); . . . . 29 / 46這個程序由四部分組成init_serialcom( void ) /初始化串口send_char_( unsigned char ch) /向串口發(fā)送字符serial () interrupt 4 using 3 /中斷串口接收字符main() /主函數(shù)5.4 通訊單元軟件設(shè)計通信單元將串口接收到的數(shù)據(jù)通過無線射頻芯片發(fā)送出去，也可將無線射頻芯片接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給上位機(jī)。其主程序流程圖如圖 5.6 所示：圖 5.6 通信單元主程序流程

60、圖數(shù)據(jù)接收部分:當(dāng)允許接收控制位 REN 被置 1，單片機(jī)就開始工作，由單片機(jī)以 9600BPS 的 16 倍速率對 RXD 引腳上的電平進(jìn)行采樣。當(dāng)采樣到從 1到 0 的負(fù)跳變時，啟動接收控制器開始接收數(shù)據(jù)。在接收移位脈沖的控制下依次把所接收到的數(shù)據(jù)移入移位寄存器。當(dāng)8 位數(shù)據(jù)機(jī)停止位全部移入后，接收控制器發(fā)出“裝載 SBUF信號，將移位寄存器中的 8 位數(shù)據(jù)裝入接收數(shù)據(jù)寄存器 SBUF，停止位裝入 RBD，并置位 RI，向 CPU 申請中斷，把數(shù)據(jù)從 SBUF 中取出。接收控制器繼續(xù)采樣 RXD 引腳，準(zhǔn)備接收下一幀數(shù)據(jù)。其軟件程序如下：#include . . . . #define uint unsigned int #defi