基于现场总线的万能式断路器通信从站设计

万能式断路器除了本身具有高分断能力、高短时耐受性能及良好的操作性能外,还必须装配性能优越的控制器。基于微处理器的智能控制器具有多种检测和通信功能, 利用总线功能实现电力质量监控是一种经济有效的方案。由于基于Profibus-DP现场总线的驱动和执行单元被大量开发和应用, 因此针对原有万能式断路器的控制器系统进行改造,结合现场总线的优点,保留原有系统的投资, 设计了一种具有PROFIBUS 现场总线接口的新型控制系统。

1 Profibus-DP 现场总线系统的构成

Profibus 现场总线系统由主站和从站构成,主站具有总线存取控制权,从站是被动的站,没有总线存取权。主站分为一类、二类。一类主站包括PLC、PC 等, 完成循环的总线通讯控制和管理。二类主站指操作员工作站(如PC 机加图形监控软件)、编程器、组态设备,完成非循环数据的读写、系统配置、故障诊断、调试等。从站是进行输入输出信息采集和发送的现场设备、包括输入输出I/O 设备、驱动器、执行器等。总线系统根据主站设置的个数可以分为多主站系统和单主站总线系统。

2从站总体结构设计

智能控制器系统实现的功能包括:温度采集、处理控制、现场通信等,能单独完成现场测量控制等功能,也可与多个从站和主站一起构建一个大系统,完成整体的测量控制任务。智能控制器由微处理器、信号采集电路、电源、键盘和液晶显示电路、时钟温度检测电路、执行电路以及Profibus-DP 总线接口电路等部分组成,组成框图如图1 所示。

2.1 信号采集系统

本设计需要采集的信号是三路线电压和四路相电流信号,所需的电压和电流信号都是经过互感器形成的二次侧感应电压, 经滤波隔离放大之后形成适合A/D 转换的电压范围在3V以内。由于LPC2114 本身具有A/D 转换器,所以只需要接入一个多路选择开关,即可完成对多路信号的采集,因此选用了单八路模拟开关CD4051。

CD4051 的特点是通道转换频率可10MHz, 而且控制简单,量程达到10V,工作温度范围-55°C~ +125°C,很好的解决了量程的范围和信号采集的实时性。CD4051 与LPC2114 的接口连接见图2 所示。电压电流互感器二次侧感应电压信号经分压后分别送入CD4051 的X0-X7引脚。CD4051 的各通道选通的地址线引脚A、B、C 分别与LPC2114 的p0.21、p0.22、p0.23相连,开关接通彭磊: 助理实验师在读硕士哪一通道,由LPC2114 控制输入的3 位地址码来决定。LPC2114的A/D 转换频率最大可以达到4.5MHz,转换精度为2-10,完全能够满足实时采集和高精度要求。CD4051 与LPC2114 的A/D初始化和转换工作由主程序完成。设计采用定时中断方式要求大约每0.3ms 就在3 路电压和4 路电流信号上各采集一点,LPC2114 将采集所转换的数据存储在ADDR (A/D 数据存储器)中。

2.2 温度检测与实时时钟电路

传统的温度检测和实时时钟是由各自独立的芯片电路分别完成, 这样分散处理往往降低了微处理器的处理效率而且也增加了电路的复杂性,所以本设计采用了SD2304FLP 高精度实时时钟。

SD2304FLP 是一种具有内置晶振、两线式串行接口的高精度实时时钟芯片。该芯片可保证时钟精度为±5ppm (在-10°C~50°C 下), 即年误差小于2.5 分钟; 该芯片内置始终精度调整功能,通过内置的数字温度传感器可设定适应温度变化的调整值,实现在宽温度范围内高精度的计时功能; 内置2K 串行E2PROM,用于存储各温度点的时钟精度补偿数据。正是由于内置了I2C 总线的数字温度传感器,所以可以很方便地通过I2C 接口读取温度数据。SD2304FLP 的温度补偿应用是应用的关键,由于时钟精度随温度变化的补偿数据在出厂前已经存储在2K 容量的E2PROM 里, 所以只要通过读取片内数字温度传感器所检测到温度(TMP)的数值,确定当前温度值,根据温度值的高八位确定存储在E2PROM 补偿数据地址, 读出该补偿数据并写入时钟调整寄存器。由于LPC2114 本身具有高速I2C 总线接口,硬件设计和程序编写不需要很复杂。但需要注意的是I2C 总线的上拉电压应确保在总线需要工作的时始终存在, 并在系统中最先上电,最后掉电,所以根据实际情况,本电路设计的上拉电阻最好为4.7K。