論文題目煤礦供電系統(tǒng)面保護技術(shù)的研究與實現(xiàn)專業(yè)電氣工程及其自動化摘要電力系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的重要組成部分。由于煤礦井下環(huán)境較為特殊，通過提高煤礦供電和系統(tǒng)運行的可靠性來保證煤礦生產(chǎn)的正常運行及安全。煤礦現(xiàn)有的繼電保護系統(tǒng)基本都是點保護，本次設(shè)計采用面保護技術(shù)，使設(shè)備能綜合自身及其它開關(guān)點信息來做出故障判斷和動作出口，它不需要靠延時來實現(xiàn)動作配合，這對煤礦供電繼電保護系統(tǒng)以及煤礦的安全正常生產(chǎn)具有重要的意義。本設(shè)計包括測控單元、通信單元和上位機監(jiān)控單元。測控單元采用DSPTMS320F2812及單片機STC89C52RC為處理器，通信方式采用CAN通信模式，上位機監(jiān)控采用力控61。關(guān)鍵詞面保護,測控單元,通信單元,上位機監(jiān)控SUBJECTRESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFTHESUPPLYSYSTEMABOUTAREAPROTECTIONTECHNOLOGYINUNDERGROUNDCOALMINESSPECIALTYELECTRICENGINEERINGANDITSAUTOMATIONABSTRACTELECTRICITYISTHEMAINENERGYPRODUCTIONOFCOALMININGENTERPRISESDUETOTHEUNDERGROUNDENVIRONMENTOFCOALMINEISSPECIAL,INORDERTOMINIMIZETHEPOWERSUPPLYPROBLEMSWHICHTHEDAMAGECAUSEDBYPERSONNELEQUIPMENTFORCOALMINEANDTHEINFLUENCEOFTHENORMAL,WENEEDSETOUTTOCOALMINEENTERPRISEPOWERSUPPLYANDPOWERSUPPLYCOALMINERELAYPROTECTIONSYSTEMTHROUGHTWOASPECTSTOENSURETHESAFETYOFCOALMINEPERSONNELEQUIPMENTANDNORMALPRODUCTIONACTIVITIESPRODUCTIONCOALMINEOFEXISTINGRELAYPROTECTIONSYSTEMISTHEBASICPOINTPROTECTIONTHATIS,ALLPROTECTIONEQUIPMENTONLYBASEONSWITCHPOINTSWHERETHEREISFAULTINFORMATIONTOCOMPLETETHEIRPROTECTIONTASKTHEPROTECTIONBASEDONCOMMUNICATIONMAKESTHEEQUIPMENTSYNTHESIZEOWNANDOTHERSWITCHPOINTSANDMAKEFAULTINFORMATIONJUDGMENTANDACTIONEXPORTSITDOESNOTNEEDTORELYONDELAYTOIMPLEMENTACTIONSTHEPOWERSUPPLYOFCOALMINERELAYPROTECTIONSYSTEMANDTHENORMALPRODUCTIONOFCOALMINESAFETYISOFGREATSIGNIFICANCETHISDESIGNINCLUDESENSUREANDCONTROLUNIT,COMMUNICATIONCELLANDPCMONITORINGUNITMEASUREMENTANDCONTROLUNITUSESTHEDIGITALSIGNALPROCESSORTMS320F2812ANDSINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHEPROCESSORSTC89C52RCCOMMUNICATIONMODE,ADOPTINGCANCOMMUNICATIONMODE,PCMONITORUNITSUSESFORCECONTROLWITH61ASTHEMAININTERFACE,ANDTHROUGHACERTAINWAYVALIDATINGTHESYSTEMWHICHHASSOMEOFTHEIMPLEMENTALKEYWORDSPROTECTIONBASEDONCOMMUNICATIONMEASUREMENT,CONTROLUNIT,CANCOMMUNICATIONMODE,PCMONITORUNITS目錄1緒論111煤礦供電系統(tǒng)面保護研究背景及研究現(xiàn)狀112煤礦供電系統(tǒng)面保護研究意義113本設(shè)計的主要依據(jù)214本課題的主要工作22本設(shè)計中對煤礦供電系統(tǒng)面保護的研究421煤礦供電面保護的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)4211煤礦供電面保護的一次主回路4212煤礦供電面保護的二次測控單元422煤礦供電面保護控制決策的制定5221控制方法與控制決策6222故障分類與控制決策6223設(shè)備分類與控制決策6224運行環(huán)境分類與控制決策73測控單元的設(shè)計831測控單元硬件電路的設(shè)計9311電源的設(shè)計93111本設(shè)計中電源的概述93112本設(shè)計中測控單元專用電源的器件選型10312CPU的選擇103121本設(shè)計中對TMS320F2812資源的配置113122本設(shè)計中對STC89C52RC資源的配置11313電網(wǎng)電壓電流信號的采集與處理113131電流采樣電路的設(shè)計123132電壓采樣電路的設(shè)計13314電網(wǎng)電壓頻率信號的采集與處理143141電網(wǎng)頻率信號檢測設(shè)計流程143142電網(wǎng)頻率信號檢測硬件的相關(guān)計算15315電網(wǎng)有功功率、無功功率的采集與處理163151電網(wǎng)有功功率、無功功率采集的硬件設(shè)計流程16316斷路器節(jié)點溫度的檢測183161溫度檢測的硬件流程183162溫度傳感器的選擇193163溫度傳感器LM35的信號調(diào)理電路19317雙CPU通信電路的設(shè)計203171雙CPU通信方式的選擇203172雙CPU并行通信的原理及流程213173雙CPU并行通信的硬件電路設(shè)計213174雙CPU并行通信的時序配合22318鍵盤電路的設(shè)計23319人機對話電路的設(shè)計24319112864液晶顯示的簡介及顯示基本原理24319212864液晶顯示的硬件設(shè)計253110分合閘信號出口執(zhí)行電路的設(shè)計2531101DSP的GPIO出口繼電器執(zhí)行電路的設(shè)計2531102GPIO出口繼電器與PLC及斷路器的連接原理2631103GPIO口與PLC及斷路器的接線263111開關(guān)節(jié)點開閉合時間的檢測273112測控單元其他功能的設(shè)計2832測控單元軟件設(shè)計29321系統(tǒng)初始化程序的設(shè)計293211CPU1初始化程序303212CPU2初始化程序30322AD采樣程序的設(shè)計313221交流采樣程序設(shè)計32323溫度采樣程序設(shè)計33324有功功率、無功功率檢測程序的設(shè)計343241CAP的工作原理343242關(guān)于CAP使用過程中的溢出問題353243有功功率、無功功率檢測的計算及程序設(shè)計36325頻率檢測程序的設(shè)計373251頻率檢測的相關(guān)計算373252頻率檢測的軟件設(shè)計39326保護判斷的程序設(shè)計39327鍵位掃描程序設(shè)計39328數(shù)據(jù)、命令的發(fā)送和接收程序的設(shè)計41329開關(guān)節(jié)點開閉合時間檢測程序設(shè)計423210液晶顯示程序的設(shè)計433211分合閘指示及故障跳閘警報程序設(shè)計流程圖434通信4541煤礦供電系統(tǒng)面保護通信方式的選擇4542CAN通信工作流程4543CAN通信電路的硬件設(shè)計4644CAN通信程序的設(shè)計465上位機監(jiān)控486結(jié)論497展望50致謝51參考文獻(xiàn)52附錄1TMS320F2812部分程序54附錄2STC89C52RC部分程序721緒論11煤礦供電系統(tǒng)面保護研究背景及研究現(xiàn)狀現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得開發(fā)一種具備對電力系統(tǒng)提供綜合優(yōu)化保護策略的系統(tǒng)成為可能，該系統(tǒng)具備綜合電力系統(tǒng)各個保護單元的信息，并對各個保護單元做出正確的、合理的、優(yōu)化的保護動作出口的功能。由于該系統(tǒng)綜合了電力系統(tǒng)各處的信息，它不再是一個只針對自身故障信息進行保護的保護單元，所以稱之為面保護。介于煤礦環(huán)境的特殊性，它對其自身供電系統(tǒng)的要求較其他行業(yè)更為嚴(yán)格，所以開發(fā)一種具備煤礦特色的面保護系統(tǒng)成為迫切需要。據(jù)查閱相關(guān)資料，目前煤礦供電的繼電保護系統(tǒng)基本不具備面保護的功能，而目前國內(nèi)的煤礦供電系統(tǒng)面保護也都正處于研發(fā)狀態(tài)。12煤礦供電系統(tǒng)面保護研究意義煤礦井下工作環(huán)境較特殊，空間狹窄，濕度大，存在很容易爆炸的瓦斯和煤塵，井下的電纜等易受砸、壓、磨等的機械損傷，電機有可能發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象等，此外如果煤礦通風(fēng)系統(tǒng)或排水系統(tǒng)停電就有可能釀成嚴(yán)重的后果，這就對煤礦的井下供電系統(tǒng)提出了特殊的要求。煤礦現(xiàn)有的繼電保護系統(tǒng)基本都是點的保護，即各個保護設(shè)備僅依據(jù)自身開關(guān)點處的故障信息來完成自己的保護任務(wù)，它并沒有綜合礦區(qū)電力系統(tǒng)的運行狀況及其他開關(guān)點處的故障信息來做出該故障點的保護決策，難以正確判斷系統(tǒng)的動態(tài)行為和故障原因，因而難以提高其動作正確率。具有面保護功能的保護設(shè)備不僅能利用自身的信息，還能綜合其他信息來做出故障判斷和動作出口，它不需要靠延時來實現(xiàn)動作配合，從而縮短了切除故障時間，延長設(shè)備的壽命和檢修周期，并大大提高了煤礦保護的正確率1。實現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)面保護的基礎(chǔ)之一是實現(xiàn)各測控單元的智能化。該智能化的特點包括投切時機的自行檢測，運行狀態(tài)檢測及自診斷功能，故障時的保護功能，通訊聯(lián)網(wǎng)功能。它可以實時地根據(jù)系統(tǒng)面保護控制規(guī)則的要求對其進行控制，實時地與中央控制計算機實現(xiàn)通信。煤礦供電繼電保護系統(tǒng)在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠迅速的隔離故障，并恢復(fù)非故障區(qū)域的供電，因此研究基于現(xiàn)場總線控制的面保護技術(shù)，能夠為煤礦的安全和正常生產(chǎn)提供更強大的保障。選擇本題目作為畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容，不僅可以使自己在大學(xué)所學(xué)的知識得到檢驗和展示，也希望能夠通過本課題的研究為煤礦的電力系統(tǒng)繼電保護做出一定的貢獻(xiàn)。13本設(shè)計的主要依據(jù)本次設(shè)計的煤礦供電面保護系統(tǒng)主要包括測控單元、通信單元和面保護單元等幾部分。設(shè)計的主要依據(jù)分別是煤礦安全規(guī)程、煤礦井下供電系統(tǒng)設(shè)計國家規(guī)范、煤礦供電繼電保護系統(tǒng)國家規(guī)范等。測控單元能夠通過交流采樣技術(shù)采集各開關(guān)點的基本信息并送入DSPF2812進行處理，并能夠?qū)崿F(xiàn)保護及手動分合閘操作，其主要依據(jù)為A/D轉(zhuǎn)換及采樣定理。通信單元能夠進行開關(guān)與上位機、開關(guān)與開關(guān)之間的通訊，其通訊方式采用現(xiàn)場CAN總線通訊方式。面保護單元主要是綜合各個開關(guān)點的信息按照一定的控制規(guī)則實現(xiàn)保護系統(tǒng)的面保護功能，其主要依據(jù)為繼電保護系統(tǒng)的四個要求，即選擇性、速動性、靈敏性及可靠性。14本課題的主要工作本課題研究的內(nèi)容包括四部分（1）開關(guān)點能夠執(zhí)行投切命令及實現(xiàn)保護功能每個測控單元能夠通過來自自身的和上位機的命令來控制斷路器的投與切，從而完成自饋電功能，能夠判斷該線路的故障，并且在該線路發(fā)生故障時實現(xiàn)對設(shè)備的保護功能。（2）開關(guān)點綜合信息的實時檢測開關(guān)點采用雙CPU結(jié)構(gòu)來實時監(jiān)測自身的運行狀態(tài)（投切與否、節(jié)點閉合時間、節(jié)點斷開時間、節(jié)點溫度）、運行參數(shù)（電壓、電流、有功功率、無功功率，電壓頻率）和故障信息（短路、過流、過壓、欠壓、缺相），并將以上運行參數(shù)做實時顯示。（3）實現(xiàn)開關(guān)之間及其與上位機的通訊通過CAN總線通信方式實現(xiàn)開關(guān)與開關(guān)之間、開關(guān)與上位機之間的通訊，從而實現(xiàn)信息共享，為實現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)面保護打下基礎(chǔ)。（4）實現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)的面保護上位機能夠綜合各測控單元的信息并通過一定的控制規(guī)則對整個面保護區(qū)域作出合理的保護決策，從而實現(xiàn)煤礦供電系統(tǒng)的面保護。小結(jié)本章主要從選題背景及研究的現(xiàn)狀方面闡述了本課題研究的意義所在，并概括地介紹了本設(shè)計的主要依據(jù)及基本工作。2本設(shè)計中對煤礦供電系統(tǒng)面保護的研究從相關(guān)的資料可以看到目前各研究機構(gòu)對實現(xiàn)面保護的必要條件規(guī)定為通信；CPU；并行處理2。通信技術(shù)作為面保護技術(shù)的必要條件之一是因為各個保護單元之間和各個保護單元與上位機之間均需要實現(xiàn)信息共享，而信息共享的基礎(chǔ)就是通信。CPU作為面保護技術(shù)的第二個必要條件是因為只有各個保護單元具備了CPU，才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、信息綜合、信息共享，并做出正確的動作出口。并行處理是指當(dāng)某一條線路出現(xiàn)故障時該線路上的各個保護單元的CPU需要同時啟動進行故障判斷，并以最快的速度將故障設(shè)備切除，這樣便在一定程度上滿足了繼電保護速動性的要求。本章節(jié)將重點討論面保護的基本保護策略與控制決策。21煤礦供電面保護的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)煤礦供電系統(tǒng)面保護的組成包括電氣一次主回路和電氣二次測控單元。電氣一次主回路是針對煤礦具體情況而設(shè)計的主饋電回路，它屬于煤礦的固有組成部分，能夠為煤礦提供基本的電力能源，保證煤礦生產(chǎn)的運作。二次測控單元是根據(jù)一次電氣主回路及其負(fù)荷情況而靈活設(shè)計的測控保護單元，它的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成需要根據(jù)一次電氣主回路的結(jié)構(gòu)方式來設(shè)計，其主要功能是實現(xiàn)對一次電氣主回路的保護。211煤礦供電面保護的一次主回路煤礦供電系統(tǒng)面保護一次主回路主要包括主變壓器、母線、饋線及各級負(fù)荷。如圖21，在該饋電線路中母線的入口及出口處、主變壓器的入口及出口處均裝設(shè)有測控單元。212煤礦供電面保護的二次測控單元煤礦供電系統(tǒng)面保護的二次測控單元主要包括測控單元和通信單元。測控單元能夠?qū)崟r地將當(dāng)前測控單元安裝處的信息上傳到通信網(wǎng)絡(luò)總線上以實現(xiàn)信息共享,其結(jié)構(gòu)如圖22所示。本設(shè)計的測控單元由DSPTMS320F2812和單片機STC89C52RC為處理器，其中DSPF2812主要用來進行信號處理和通信，STC89C52RC主要用來執(zhí)行相關(guān)信息的顯示和保護。測控單元與其他模塊的通信采用CAN通信方式來實現(xiàn)，各測控單元與上位機的通信采用CAN轉(zhuǎn)串口的通信方式來實現(xiàn)。圖21煤礦供電一次主回路圖22面保護測控通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖22煤礦供電面保護控制決策的制定煤礦井下供電系統(tǒng)復(fù)雜，線路短，存在3端線路，短路保護電流閾值難以整定，短路保護沒有選擇性，漏電保護準(zhǔn)確性不高，針對母線故障更是沒有相應(yīng)的保護，所以在煤礦井下極易出現(xiàn)越級跳閘，井下一旦發(fā)生越級跳閘，將會造成大面積停電，從而帶來不必要的損失。煤礦井下存在多級采區(qū)變電站級聯(lián)的情況，他們不能靠增加時間級差實現(xiàn)各級線路短路保護的整定配合，所以解決煤礦井下繼電保護系統(tǒng)越級跳閘的問題就成為難點。煤礦供電系統(tǒng)可能發(fā)生的故障種類比較多，如果所有的故障均按照一種方案來CAN轉(zhuǎn)串口模塊120歐姆120歐姆CAN收發(fā)器1測控單元1CAN驅(qū)動器C收發(fā)器2C驅(qū)動器測控單元2CAN收發(fā)器5CAN驅(qū)動器收發(fā)器6驅(qū)動器測控單元5測控單元6中央監(jiān)控計算機收發(fā)器4驅(qū)動器測控單元4AN收發(fā)器3AN驅(qū)動器測控單元310KV10KV測控單元1測控單元2測控單元3測控單元5測控單元6測控單元7測控單元8測控單元9測控單元4測控單元10處理，顯然是不夠合理的，所以我們有必要針對不同的故障類型采取相應(yīng)的最適合的保護策略。而目前煤礦的設(shè)備也按照重要等級的不同被分成了不同的種類，這些種類的保護策略也應(yīng)該是有所不同的。另外，這套保護系統(tǒng)也應(yīng)該具備走向不同行業(yè)的功能。221控制方法與控制決策系統(tǒng)面保護的控制采用下級保護閉鎖上級保護的控制方法，如圖23，當(dāng)B點發(fā)生故障后，需要保護2立即跳閘，但是如果發(fā)生越級跳閘，保護2不動作而保護4、5或6動作，則會造成出線A、C處停電，影響煤礦的正常生產(chǎn)甚至引發(fā)安全問題。采用下級保護閉鎖上級保護的控制策略將會避免越級跳閘的發(fā)生。如果A點發(fā)生故障，保護2將閉鎖保護4、5、6，如果保護2拒動，則解鎖保護4，使保護4動作，如果保護4也拒動，則解鎖保護5，依次類推便可以防止開關(guān)的誤動作。圖23面保護控制方法示意圖222故障分類與控制決策煤礦井下的供電系統(tǒng)可能發(fā)生的故障種類繁多，比如各種短路、缺相、漏電、三相不平衡、過壓、欠壓、過流、錯相等。在面保護里，各開關(guān)將信息傳至上位機后需要上位機決策哪一級保護動作，而這是需要時間的。如果一些大的故障類型，比如短路、缺相、相序錯亂等在瞬間就有可能造成事故，因此需要將發(fā)生這類故障的設(shè)備盡快切除，這時候可以不經(jīng)過上位機的授權(quán)直接跳閘，這樣就大大縮短了切除故障的時間，使損失大大降低。因此，我們將短路、缺相、相序錯亂規(guī)劃為一類故障，當(dāng)發(fā)生這類故障時，可以先直接跳閘再向上位機傳送故障信息。223設(shè)備分類與控制決策煤礦井下的設(shè)備一般被劃分為三個級別。一級負(fù)荷包括主風(fēng)扇、排水系統(tǒng)、提升設(shè)備；二級負(fù)荷包括運輸設(shè)備、照明設(shè)備、采掘機械；三級負(fù)荷主要指輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。各10KV10KV測控單元6測控單元5測控單元4測控單元1A測控單元2測控單元3BC級負(fù)荷在運行中均有可能發(fā)生上述一類或二類故障，對于一類故障，保護可以先動作再上傳故障信息，而二類故障均需要先上傳至上位機，再由上位機決定動作與否與動作的先后順序。如果多個設(shè)備同時發(fā)生二類故障，則會出現(xiàn)優(yōu)先保護誰的問題。所以，對于二類故障，我們可以由上位機決定優(yōu)先保護一級設(shè)備，然后保護二級設(shè)備，最后保護三級設(shè)備。224運行環(huán)境分類與控制決策運行環(huán)境涉及到各個行業(yè)及其相關(guān)規(guī)范，制定控制規(guī)則要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來進行，從而使面保護具有更強的針對性和環(huán)境適應(yīng)性。小結(jié)本章主要結(jié)合煤礦的具體情況介紹了煤礦供電系統(tǒng)面保護的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及控制策略，具有一定的創(chuàng)新性。3測控單元的設(shè)計煤礦供電面保護系統(tǒng)的可靠與否與硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計的合理與否息息相關(guān)。本設(shè)計在硬件方面主要包括單母分段仿真模型和測控單元，軟件主要包括與系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能相配套的軟件。單母分段仿真模型由7個斷路器組成，其中兩個為母線側(cè)斷路器，一個為母聯(lián)斷路器，四個為出口斷路器，有兩回進線，四回出線，其電壓等級為380V。測控單元的主要功能包括開關(guān)運行狀態(tài)（投切與否、節(jié)點閉合時間、節(jié)點斷開時間、節(jié)點溫度）的監(jiān)測功能；運行參數(shù)（電壓、電流、有功功率、無功功率，電壓頻率）的監(jiān)測功能；故障信息（短路、過流、過壓、欠壓、缺相）的監(jiān)測功能；分合閘命令的執(zhí)行功能；故障時的保護功能；開關(guān)運行狀態(tài)、運行參數(shù)、故障信息的現(xiàn)場顯示功能；分合閘狀態(tài)指示功能；故障跳閘的聲音警報功能。測控單元硬件部分主要包含的電路有電源CPU電流電壓采樣頻率檢測有功功率無功功率檢測開關(guān)節(jié)點溫度檢測雙CPU通信電路鍵盤人機對話分合閘出口執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)節(jié)點開閉合時間檢測其他功能。測控單元軟件主要包括的內(nèi)容有初始化程序AD采樣程序及算法選擇頻率檢測及計算方法程序有功功率檢測及計算方法程序開關(guān)節(jié)點開閉合時間檢測計算方法及及程序保護判斷程序鍵位掃描程序雙CPU通信程序分合閘指示及警報程序液晶顯示程序等。圖31單母分段仿真模型測控單元2測控單元3測控單元4測控單元5測控單元6測控單元1380V380V圖32測控單元結(jié)構(gòu)框圖31測控單元硬件電路的設(shè)計311電源的設(shè)計3111本設(shè)計中電源的概述本設(shè)計共有三套電源，其一為DSP專用電源，其二為繼電器執(zhí)行機構(gòu)專用電源，其三為測控單元專用電源。其中DSP專用電源由DSP開發(fā)板提供，繼電器執(zhí)行機構(gòu)專用電源為型號為T50B的直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓為5V,功率為70W。本次設(shè)計的電源為測控單元專用電源，其輸出功率為15W，輸出電壓為DC5V。設(shè)計本電源的依據(jù)為交流采樣電路能夠在DC5V單電源供電的情況下將交流正弦波偏置并放大至適合于DSP識別的0V至3V的直流信號；大部分芯片如STC89C52RC、74HC00、74HC04、74HC573等芯片的電源電壓典型值為DC5V；根據(jù)測控單元的功耗選擇電源功率為15W。本電源主要由變壓器、整流橋、三端穩(wěn)壓器、濾波電容構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)流程圖如圖33所示，其電路原理圖如圖34所示。降壓主要由變壓器完成，整流主要由1N4002完成，前級濾波主要由25V/330U電解電容和01U瓷片電容來完成，穩(wěn)壓主要由LM7805來完成。后級濾波主要由25V/220U電解電容和01U瓷片電容來完成。電流電壓電壓電壓AD信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路TMS320F81單片機STC8952數(shù)據(jù)總線控制總線12864顯示數(shù)據(jù)緩存器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線S/H頻率檢測有功功率檢測無功功率檢測開關(guān)閉合時間檢測開關(guān)斷開時間檢測GPIO鍵盤跳閘警報分合閘指示斷路器出口執(zhí)行ECANCAN收發(fā)器CAN總線EV上位機及其他測控通信單元圖33測控單元專用電源硬件結(jié)構(gòu)流程圖圖34測控單元專用電源硬件原理圖3112本設(shè)計中測控單元專用電源的器件選型本電源的核心器件為三端穩(wěn)壓器整流橋1N4002和LM7805。其主要電氣參數(shù)如下表名稱最大整流電流最大反向耐壓值1N40021A100V表3111N4001的主要電氣參數(shù)名稱輸出電壓最大輸出電流輸入電壓范圍LM78055V15A8至35V表312LM7805的主要電氣參數(shù)由表311可以看出整流二極管最大反向耐壓值為100V，最大輸出整流電流為1A。由表312可以知道芯片LM7805最大輸入電壓為35V，但是為了避免輸入電壓過高造成LM7805發(fā)熱嚴(yán)重，通常不能讓輸入電壓接近35V。所以在本設(shè)計中變壓器選擇220V/12V,變壓器輸出峰值電壓為，滿足整流二極管的電VUI97162氣參數(shù)，經(jīng)過整流和前級濾波以后，輸入到LM7805的電壓約為,滿足LM7805的輸入電壓條件。VUI97162312CPU的選擇在煤礦供電系統(tǒng)面保護里的測控單元，一般都需要使用雙CPU來保證保護的速動性和可靠性。根據(jù)實驗室現(xiàn)有的條件，我們選擇DSPTMS320F2812和單片機STC89C52RC作為處理器芯片，現(xiàn)對其各自的資源配置做如下介紹。降壓整流濾波穩(wěn)壓濾波DC5V輸出3121本設(shè)計中對TMS320F2812資源的配置EVA的16位GP1定時器用于AD采樣周期的控制，EVB的16位GP3定時器用于為捕獲單元CAP4和CAP5提供時鐘基準(zhǔn)，并用來檢測當(dāng)前電網(wǎng)電壓頻率、有功功率和無功功率。CPU定時器0用于定時向STC89C52RC發(fā)送數(shù)據(jù)，GPIO口主要用來進行雙CPU之間的通信和其他控制輸入和輸出。3122本設(shè)計中對STC89C52RC資源的配置P0口和P2口級聯(lián)為16位的數(shù)據(jù)總線供TMS320F2812向STC89C52RC傳遞命令和數(shù)據(jù)。P1口作為8位數(shù)據(jù)總線連接12864液晶顯示。P3口作為控制總線連接12864的控制端，并且P32和P33分別作為TMS320F2812向STC89C52RC傳遞命令和數(shù)據(jù)的外部請求控制端。313電網(wǎng)電壓電流信號的采集與處理電網(wǎng)電壓電流信號的采集與處理是煤礦供電系統(tǒng)面保護最重要的環(huán)節(jié)之一，它是保護啟動與否及某些故障類型的判斷的依據(jù)，是電流、電壓、有功功率、無功功率計量的基礎(chǔ)。交流采樣的采樣精度直接影響到了整個保護系統(tǒng)的精確性和可靠性。DSPF2812具有高實時性、高準(zhǔn)確性的特點，其內(nèi)部集成有兩個12位8路參考電壓范圍為03V的A/D轉(zhuǎn)換芯片，因此，進行交流采樣時將不需要外擴AD轉(zhuǎn)換模塊。在此，采用電流互感器、電壓互感器、運算放大器和DSPF2812對交流信號進行處理和采樣，交流采樣流程圖如圖37，其采樣具有實時性好、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點。圖37交流采樣流程圖交流采樣電路分為電流采樣電路和電壓采樣電路。無論是電流采樣電路還是電壓采樣電路，他們最終都是要將主回路的強電流或強電壓信號通過一定的算法和技術(shù)手段線性變換為DSP能夠識別的在0V至3V之間變化的弱電壓信號。本信號采集電路選擇的電流互感器為TA1704,電壓互感器為TV16E，信號調(diào)理核心偏置放大濾波跟隨S/HAD元件為運算放大器LM324。3131電流采樣電路的設(shè)計本次電流采樣電路選擇的電流互感器為TA1704，其變比為20A10MA，也即20001，本次設(shè)計的模擬負(fù)載是120W、380V、048A的三相異步電動機。圖38電流采樣電路即電流互感器一次側(cè)的電流大小為048A，二次側(cè)的電流大小為024MA。如圖38，在互感器二次側(cè)并一個22K的電阻即可將一次側(cè)的048A的強電流信號變換為二次側(cè)的弱電壓信號，其計算公式為（31）240/480/12MAAKI（32）58133VRU其峰值為（33）762P即電流互感器二次側(cè)輸出的電壓范圍為V至V，即一次回路里的220V的40工頻交流便被線性轉(zhuǎn)化為V至V。7460信號調(diào)理電路共有三級，第一級為偏置放大環(huán)節(jié)，它能夠?qū)⒔涣餍盘栒{(diào)理成DSP能準(zhǔn)確進行AD轉(zhuǎn)換的0V至33V的直流信號。第二級為有源濾波環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)能夠濾去信號調(diào)理電路里的高頻干擾信號。第三極為跟隨環(huán)節(jié)，其輸入高阻抗，輸出低阻抗，進一步增加了信號調(diào)理電路的抗干擾能力。對于第一級信號調(diào)理電路，假設(shè)正相端輸入電壓為，反向端輸入電壓為，輸1IU2IU出電壓為，則其輸入與輸出有如下的關(guān)系1OU（34）121IIFIOURU在此信號調(diào)理電路里，所以輸入信號與輸出信號之間滿足如下關(guān)系F2（35）21IIO由公式35可知，當(dāng)1V時，因為的取值范圍為V至V,所以的1IU2IU746071OU取值范圍為02533V至17467V，此信號能夠滿足DSP的采樣范圍（0V至3V）。對于第二級信號調(diào)理電路，它是有源濾波環(huán)節(jié)，該電路對地阻抗為（36）FCJRZ213在此信號調(diào)理電路里電容取10PF,則其對地阻抗為（37）FJ/0614根據(jù)公式37，該有源濾波電路對高頻干擾信號能夠被濾掉，對于50HZ的工頻，其阻抗非常大，故對采樣的信號幅值衰減和相位的影響都很小，可以忽略。假設(shè)同相輸入端信號電壓為，輸出電壓信號為，則其對工頻50HZ的傳遞函數(shù)近似為3IU2OU（38）3I對于第三極信號調(diào)理電路，它是一個跟隨器，其輸入等于輸出。假設(shè)同相輸入端信號電壓為，輸出電壓信號為，則其對工頻50HZ的傳遞函數(shù)近似為4IU3OU（39）4I由此，電流采樣電路便分析完畢，其輸入與輸出的關(guān)系為（310）121IIFIOURU所以220V的一次側(cè)強電流信號就被轉(zhuǎn)化02533V至17467V的直流信號。3132電壓采樣電路的設(shè)計電壓采樣電路與電流采樣電路的區(qū)別在于除信號調(diào)理電路以外的部分。電壓采樣電路如圖39所示。圖39電壓采樣電路本次電壓采樣電路選擇的電壓互感器為TV16E，其變比為20002000，本次設(shè)計采集的電壓信號為相電壓，即220V，在電壓互感器一次側(cè)串聯(lián)一個301K的電阻，再在二次側(cè)并聯(lián)一個的電阻即可得到所需的信號，其具體計算如下30一次側(cè)電流大小為（311）MARUI7301321由于該互感器為20002000，所以二次側(cè)的電流大小也為073MA，當(dāng)二次側(cè)并聯(lián)一個的電阻以后，其輸出電壓為30（312）VAIU21903722其峰值為有效值的倍，則二次側(cè)電壓信號峰值約為310MV,也即電壓互感器二次側(cè)輸出電壓的范圍為031V至031V。此信號再經(jīng)過與電流采樣相同的信號調(diào)理電路，如果運放正相端所加的直流電壓為1V，即可將工頻220V的交流信號變換為在069V至131V之間變化的直流信號。314電網(wǎng)電壓頻率信號的采集與處理在煤礦供電系統(tǒng)面保護里，電網(wǎng)頻率信號也是至關(guān)重要的一個方面。電網(wǎng)頻率信號檢測的基本原理是以電網(wǎng)電壓信號的過零點為標(biāo)志來計算兩個過零點之間的時間差，進而通過一定的算法就可以求出當(dāng)前電網(wǎng)的電壓頻率。3141電網(wǎng)頻率信號檢測設(shè)計流程電壓信號過零點可以通過一定的硬件電路將其檢測出來，其硬件結(jié)構(gòu)流程圖如圖310所示。參照交流采樣部分的原理適當(dāng)選擇電壓互感器二次側(cè)的并聯(lián)電阻，如圖311所示的硬件電路圖，將互感器輸出電壓信號配置為峰值在5V左右的正弦信號，如圖311的波形A，經(jīng)過整流橋之后正弦信號被變單相脈動的直流信號,如圖312的波形B，該信號與一定的直流信號在比較器中進行比較，即可將過零點信號用脈沖標(biāo)記出來,如圖312的波形C。兩次脈沖之間的時間差即為正弦波的半周期，該脈沖信號的頻率值即為正弦波頻率的二倍。求該頻率的具體算法將在本設(shè)計的軟件部分詳細(xì)介紹。圖310頻率檢測硬件電路流程圖圖311頻率檢測波形變換圖3142電網(wǎng)頻率信號檢測硬件的相關(guān)計算本次電壓采樣電路選擇的電壓互感器為TV16E，其變比為20002000，本次設(shè)計采集的電壓信號為相電壓，即220V，在電壓互感器一次側(cè)串聯(lián)一個301K的電阻，再在二次側(cè)并聯(lián)一個的電阻。其具體計算如下K74一次側(cè)電流大小為（311）MARUI7301321由于該互感器為20002000，所以二次側(cè)的電流大小也為073MA，當(dāng)二次側(cè)并聯(lián)一個的電阻以后，其輸出電壓為K74（312）VAIU431017430322其峰值為有效值的倍，則二次側(cè)電壓信號峰值約為48521V,也即電壓互感器二次側(cè)輸出電壓的范圍為48521V至48521V。互感器二次側(cè)輸出電壓經(jīng)過整流橋整流的整流之后其峰值電壓約為41521V，該信號被加在比較器的反相輸入端，同時在比較器的同相輸入端加約為1V的直流電壓信號，當(dāng)反相端電壓大于同相端電壓時比較器輸出低電平，當(dāng)反相端電壓小于同相端電壓時比UTTT43V5VABC整流比較分壓電壓互感器RCAP較器輸出高電平，由于比較器工作電源為5V，故其輸出高電平信號電壓為5V。為了避免干擾信號使比較器輸出端產(chǎn)生負(fù)電壓損害DSP，在比較器輸出端加一個二極管。由于DSP的CAP引腳能識別的高電平電壓為33V，所以需要將比較器輸出的高電平信號進行分壓，采用15K與30K的電阻進行分壓，當(dāng)比較器輸出5V高電平信號時，CAP引腳便可得到約為33V的高電平脈沖信號。圖311頻率檢測硬件結(jié)構(gòu)圖315電網(wǎng)有功功率、無功功率的采集與處理在煤礦供電系統(tǒng)面保護系統(tǒng)的測控單元及上位機監(jiān)控系統(tǒng)里，我們有必要知道測控單元安裝處的有功功率及無功功率。有功功率及無功功率檢測的基本原理是對電壓信號和電流信號過零點之間的時間差進行統(tǒng)計，并通過一定的算法求出電壓信號和電流信號之間的相位差，進而求出測控單元安裝處電網(wǎng)的有功功率和無功功率，具體的算法將在軟件部分詳細(xì)介紹。3151電網(wǎng)有功功率、無功功率采集的硬件設(shè)計流程電網(wǎng)有功功率和無功功率的采集主要是通過采集電流、電壓之間的相位差來實現(xiàn)的，而采集相位差的本質(zhì)是求的電流過零點和電壓過零點之間的時間差，該時間差可以用DSP的捕獲單元來完成，具體的工作過程及軟件算法將在軟件部分詳細(xì)敘述，硬件電路的主要工作是將電壓電流的過零信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號送至DSP捕獲單元的引腳上。該硬件電路的工作流程如圖312所示，電流互感器和電壓互感器分別將一次回路的強電流電壓信號變送到二次回路，整流和比較是為了將電流電壓的過零信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號（如圖313中波形A和B所示），經(jīng)過二與非門之后兩路脈沖信號被合成了一路（如圖313中波形Y所示），分壓是為了使過零點采樣電路和DSP捕獲單元達(dá)到電平匹配。圖312有功無功檢測硬件電路流程圖圖313有功無功檢測波形變換圖3152電網(wǎng)有功功率、無功功率采集的硬件計算電網(wǎng)有功功率無功功率的硬件計算主要包括電流信號變換的計算和電壓信號變換的計算。而有功無功檢測硬件計算中電壓信號變換的計算與頻率檢測硬件計算基本一致，因此本節(jié)將主要介紹有功無功檢測中電流信號變換的計算。本次電流采樣電路選擇的電流互感器為TA1704，其變比為20A10MA，也即20001，本次設(shè)計的模擬負(fù)載是120W、380V、048A的三相異步電動機。即電流互感器一次側(cè)的電流大小為048A，二次側(cè)的電流大小為024MA。如圖314，在互感器二次側(cè)并一個15K的電阻即可將一次側(cè)的048A的強電流信號變換為二次側(cè)的弱電壓信號，其計算公式為（31）240/480/12MAAKI（32）63153VRU整流比較分壓電壓互感器R整流比較RCAP電流互感器二與非門UA43VB5VCTTTT5VY/I其峰值為（33）0915632VUP即電流互感器二次側(cè)輸出的電壓范圍為V至V，即一次回路里的220V的工頻交流便被線性轉(zhuǎn)化為V至V，經(jīng)過整流橋之后其峰值電壓變?yōu)?391V。0915該信號被加在比較器的反相輸入端，同時在比較器的同相輸入端加約為1V的直流電壓信號，當(dāng)反相端電壓大于同相端電壓時比較器輸出低電平，當(dāng)反相端電壓小于同相端電壓時比較器輸出高電平，由于比較器工作電源為5V，故其輸出高電平信號電壓為5V。為了避免干擾信號使比較器輸出端產(chǎn)生負(fù)電壓損害DSP，在比較器輸出端加一個二極管。由于DSP的CAP引腳能識別的高電平電壓為33V，所以需要將比較器輸出的高電平信號進行分壓，采用15K與30K的電阻進行分壓，當(dāng)比較器輸出5V高電平信號時，CAP引腳便可得到約為33V的高電平脈沖信號。圖314有功無功檢測硬件結(jié)構(gòu)圖316斷路器節(jié)點溫度的檢測在煤礦供電系統(tǒng)面保護中，最終接通與斷開電路是靠斷路器來完成的，斷路器工作正?？煽颗c否與其本身的節(jié)點溫度有一定的關(guān)系，因此我們有必要對斷路器的節(jié)點溫度進行檢測。節(jié)點溫度檢測的主要原理是溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為微弱的模擬電信號，我們通過信號調(diào)理電路將該信號線性放大，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換之后再按照該溫度傳感器的轉(zhuǎn)換特性按照一定的算法即可知道當(dāng)前溫度傳感器安裝處的溫度。3161溫度檢測的硬件流程溫度檢測的基本流程基本上都是先將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，再對該電信號進行調(diào)理，最后將該調(diào)理后的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入CPU進行處理，再在軟件上進行一定的處理即可知道當(dāng)前溫度傳感器安裝處的溫度。其流程圖如圖315所示。圖315溫度檢測流程圖3162溫度傳感器的選擇溫度傳感器是溫度檢測的核心元件之一，其轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換周期直接影響溫度采集的精度和保護的可靠性。目前比較常用的溫度傳感器是人們所熟知的DS18B20，該溫度傳感器自帶AD功能，它能將溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果以數(shù)字信號的形式串行發(fā)送給CPU，然而，盡管其功能強大，但是它還是有不足之處的。首先它對CPU時序的要求極為嚴(yán)格，如果一個程序里的中斷使用太多，就有可能使其無法正常工作；其次它的轉(zhuǎn)換周期長，完成一次轉(zhuǎn)換大約需要九百多微妙的時間，在這期間CPU需要一直等待，在繼電保護中要求保護裝置具有速動性，而其程序量本身就比較大，中斷也用的比較多，因此使用DS18B20有可能造成系統(tǒng)不能正常運行或可靠性差。除了DS18B20之外還有一種溫度傳感器LM35，它是精密集成電路溫度傳感器，其輸出的電壓線性地與攝氏溫度成正比，其靈敏度為100MV/，精度在04至0855至150溫度范圍內(nèi)。對于DSP而言，它擁有一個16通道12位的AD轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間在納秒級別，因此LM35的優(yōu)越性可見一斑，所以本設(shè)計選擇LM35作為溫度傳感器。3163溫度傳感器LM35的信號調(diào)理電路LM35的輸出信號為直流信號，當(dāng)溫度范圍在0至150時，其變化率為10MV/,即當(dāng)溫度在150時其輸出電壓為15V，但是DSP的AD參考電壓為0至3V，所以為了使采樣后轉(zhuǎn)換的溫度分辨率增加一倍，需要將該電壓放大一倍。在此采用同相比例運算放大器即可完成，其電路圖如圖316所示，該調(diào)理電路共分為兩級，第一級為跟隨器，主要起隔離作用可以提高電路抗干擾能力。第二級為同相比例放大環(huán)節(jié)，能夠?qū)囟葌鞲衅鬏敵鲭妷盒盘柗糯笠槐?，其電路圖如圖316所示。該硬件電路的計算過程如下溫度信號電信號信號調(diào)理AD轉(zhuǎn)換CPU圖316溫度傳感器輸出電壓信號調(diào)理電路對于第一級跟隨器，其輸出電壓等于輸入電壓。對于第二級同相比例放大環(huán)節(jié)，假設(shè)其輸入電壓為，輸出電壓為，則它們有如下的關(guān)系IUO在本電路里有（35）KRF102所以有（36）IOU當(dāng)溫度傳感器輸出電壓為0V至15V變化時，本信號調(diào)理電路輸出電壓為0V至3V，因此將該信號放大了一倍，從而使其分辨率也提高了一倍。317雙CPU通信電路的設(shè)計在煤礦供電系統(tǒng)面保護的測控單元里，通常采用雙CPU來保證保護的速動性和可靠性，雙CPU的任務(wù)分別為CPU1用來對開關(guān)點處基本信息的采集處理及與上位機的通信，CPU2用來做保護和顯示，因此雙CPU之間的通信就顯得至關(guān)重要。3171雙CPU通信方式的選擇雙CPU之間的通信方式一般來說分為串口通信和并口通信。串口通信通常只需要兩根數(shù)據(jù)線和一根控制線即可完成，它非常節(jié)省數(shù)據(jù)線。對于并口通信而言，如果傳送的數(shù)據(jù)為16位，則需要16根數(shù)據(jù)線和1根控制線，相對于串口通信而言，該通信方式所使用的數(shù)據(jù)線較多，但是從時序上講，串行通信傳遞16位數(shù)據(jù)需要的時間為并行通信的16倍。然而，這兩塊CPU屬于同一個測控單元，他們之間的通信距離非常短，對硬件連線來說并不造成多少浪費。所以從信息傳遞的快速性上講，本設(shè)計雙CPU之間的通信將采用并行通信方式。IF433172雙CPU并行通信的原理及流程在設(shè)計本通信硬件電路之前查閱了大量相關(guān)資料，并做了大量的仿真實驗和實際操作實驗得出以下結(jié)論對于像DSP、單片機這樣的可編程控制器，其IO口上的高低電平相遇以后總是出現(xiàn)高電平被拉低而不是低電平被拉高的現(xiàn)象。以此為理論基礎(chǔ)，將兩個可編程控制器（分別標(biāo)記為CPU1和CPU2）的IO口高位和低位一一對應(yīng)連接，并設(shè)定CPU1為主機，CPU2為從機，其中主機為數(shù)據(jù)發(fā)送CPU，從機為數(shù)據(jù)接收CPU。初始化時將從機的數(shù)據(jù)IO口賦值為高電平，當(dāng)主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)寫在主機的數(shù)據(jù)IO口上，同時利用鎖存器將該數(shù)據(jù)緩存在數(shù)據(jù)總線上，在一定條件下命令從機讀取該數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)即可完成從CPU1向CPU2的數(shù)據(jù)傳輸。需要額外說明的是，本設(shè)計中的雙CPU并行通信為單向數(shù)據(jù)傳輸，即只能由主機發(fā)送數(shù)據(jù)給從機，而不能由從機發(fā)送數(shù)據(jù)給主機。當(dāng)然通過若干外圍電路和相應(yīng)芯片及相關(guān)技術(shù)的支持是可以實現(xiàn)雙CPU的并行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，這將在后續(xù)研究中具體討論。雙CPU并行通信大致流程為CPU1數(shù)據(jù)發(fā)送，然后將數(shù)據(jù)緩存在數(shù)據(jù)總線上，最后讓CPU2讀取該數(shù)據(jù)，如圖317所示。圖317雙CPU并行通信流程圖3173雙CPU并行通信的硬件電路設(shè)計根據(jù)DSPTMS320F2812及單片機STC89C52RC的自身特性及其各自的外部IO口資源和所需要傳送的數(shù)據(jù)量的大小，選擇使用16位數(shù)據(jù)總線。由于DSPTMS320F2812為16位控制器，單片機STC89C52為8位控制器，所以需要將單片機的兩組IO口級聯(lián)之后配置為16位數(shù)據(jù)IO口，如圖318。在本設(shè)計中，CPU1的系統(tǒng)時鐘被配置為150MHZ，而CPU2系統(tǒng)時鐘被配置為12MHZ，由于其指令執(zhí)行速率不同，所以需要在數(shù)據(jù)總線上加數(shù)據(jù)緩存器，此處的數(shù)據(jù)緩存器采用鎖存器74HC573。該芯片可以在LE端為高電平時讓數(shù)據(jù)通過，LE端為低電平時無論輸入端是什么狀態(tài)輸出端都會保持LE端由高電平到低電平跳變之前的狀態(tài)，從而完成數(shù)據(jù)緩存功能。CPU1CPU2數(shù)據(jù)緩存圖318雙CPU并行通信硬件原理圖另外，本設(shè)計中CPU1的高電平電壓為33V，而CPU2的高電平電壓為5V，它們之間還存在電平匹的配問題。對于數(shù)據(jù)總線電平匹配問題，在做本電路設(shè)計之前，曾對大量的74HC573做了測試，發(fā)現(xiàn)它們輸出端的電平跳變發(fā)生在輸入端電平在22V至24V之間，即當(dāng)輸入端的電平高于22V至24V時輸出為高電平，當(dāng)輸入端的電平低于22V至24V時而其輸出為低電平，而且其輸出電平電壓約為45V左右，符合單片機高電平的電壓值。對于控制線上的電平匹配，我們采用反相器74HC04實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，經(jīng)過若干該芯片的測試得知，該芯片在輸入電平電壓在25V以上時，輸出電平翻轉(zhuǎn)為低電平，輸入電平電壓在25V以下時，輸出電平翻轉(zhuǎn)為高電平。3174雙CPU并行通信的時序配合在本雙CPU并行通信中，當(dāng)主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，從機被設(shè)置為無條件接收，即從機的數(shù)據(jù)接收程序被設(shè)置在了其外部中斷子程序里，當(dāng)主機將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)緩存器里以后立即觸發(fā)從機的外部中斷使從機立即接收該數(shù)據(jù)。其時序配合如圖319所示。SYSCLKOUT為系統(tǒng)時鐘，GPIOA0至GPIOA15為數(shù)據(jù)IO口，SEND1和SEND2分別為數(shù)據(jù)緩存器LE控制端，因為74HC573數(shù)據(jù)緩存器為8位的，所以需要兩片來拓展成16位的數(shù)據(jù)緩存器，所以需要兩個控制端口。XINT0和XINT1為從機外部中斷觸發(fā)信號，其中XINT0對應(yīng)單片機的外部中斷0，XINT1對應(yīng)單片機外部中斷1。XINT0用于發(fā)送因按鍵按下而對液晶顯示進行的操作，XINT1用于定時發(fā)送CPU1對開關(guān)點信息的處理結(jié)果，在此發(fā)送按鍵對液晶顯示操作的優(yōu)先級要高于發(fā)送CPI1對開關(guān)點信息處理結(jié)果的優(yōu)先級。圖319雙CPU并行通信時序圖318鍵盤電路的設(shè)計鍵盤的主要功能是對人機對話界面進行切換以及對斷路器分合閘進行操作。其原理是，CPU初始化時將鍵盤引腳賦值為高電平，在程序中不停對該鍵位進行掃描，在按鍵按下時，該鍵位端口跳變?yōu)榈碗娖剑藭rCPU便認(rèn)為將有一個事件被執(zhí)行，該事件可以是程序開發(fā)者賦予的任何事件。在本電路中共有10個按鍵，如圖320所示，我們規(guī)定K1鍵的功能為人機對話界面的上一頁，K2鍵的功能為人機對話界面的下一頁，K3鍵的功能為人機對話界面的確認(rèn)，K4鍵的功能人機對話界面的取消，K5至K10鍵的功能分別為1至6號斷路器的分合閘手動控制鍵。由按鍵的工作原理可知在沒有按鍵按下的時候DSP的GPIO口應(yīng)為高電平，雖然GPIO口有一定的上拉能力，但是為了更加可靠，我們需要在GPIO口上加上拉電阻，上拉的電壓為GPIO口的高電平電壓即33V。本系統(tǒng)的工作電壓為5V，因此為了得到33V電壓就需要對5V進行分壓，在此，該33V僅僅是起上拉的作用，它并沒有帶太大的負(fù)載，所以我們選用的電阻與的電阻對5V電源進行分壓，如圖321，取K15K30電阻上的壓降即可，其計算公式為K30由此便可得到GPIO口上拉所需要的電壓。對于上拉電阻的選擇，需要根據(jù)GPIO口能承受的最大灌電流確定。對于DSP，其VRU315/2127SYCLKOUTGPIA015SEND1SE2XINT0IT1圖320鍵盤電路原理圖GPIO口的最大灌電流約為2MA,在此使用10K的上拉電阻，其灌電流約為它不超過GPIO口的最大灌電流。圖321上拉電壓的配置原理圖319人機對話電路的設(shè)計煤礦供電系統(tǒng)面保護的每一個測控單元的人機對話非常重要，我們能夠通過人機對話界面知道當(dāng)前開關(guān)點的綜合信息。人機對話電路的核心器件是12864液晶顯示屏，該液晶顯示屏能夠顯示字符和漢字。319112864液晶顯示的簡介及顯示基本原理12864的屏幕實際上是由128列64行的點陣組成，它顯示漢字的時候每個漢字占1616的點陣，因此一個屏幕一次最多可以顯示4832個漢字，當(dāng)其顯示字符時每個字符占168的點陣，因此一個屏幕最多可以顯示64個字符。本次設(shè)計選用的12864的型MAKVRUI301383號為TH1286410，其內(nèi)部控制器為T6963C，該液晶顯示屏內(nèi)部不帶字庫，因此所有的漢字、字符代碼需人為編寫。其基本原理是，對該屏幕上某一點賦值為1時，該點變成黑色，即為顯示，當(dāng)對該點寫0時，該點為背景色，即不顯示。319212864液晶顯示的硬件設(shè)計根據(jù)該12864的電氣特性及控制方式，本電路中該顯示器的電源電壓與背光電壓均選擇5V，其背光亮度調(diào)節(jié)電位器選擇，具體原理圖如圖322所示。K10圖322液晶顯示電路設(shè)計3110分合閘信號出口執(zhí)行電路的設(shè)計在煤礦供電系統(tǒng)面保護里的測控單元，無論斷路器是手動分合閘還是故障時的跳閘，其執(zhí)行電路是必不可少的，在本設(shè)計中，設(shè)計的理念是利用弱電來控制強電。在本次設(shè)計中由于時間關(guān)系，CAN通信程序沒有及時完成，我們改用PLC加上位組態(tài)監(jiān)控來模擬煤礦供電系統(tǒng)面保護，并且本次雙CPU并行通信也只是個驗證，我們還是將保護放在了CPU1也即DSP上，在后續(xù)研究中，我們將真正實現(xiàn)CAN通信，并且完成CPU1管理數(shù)據(jù)采集處理和通信，CPU2管理保護和顯示的功能。31101DS