基于現場(chǎng)總線(xiàn)的萬(wàn)能式斷路器通信從站設計

　　1引言

　　萬(wàn)能式斷路器除了本身具有高分斷能力、高短時(shí)耐受性能及良好的操作性能外,還必須裝配性能優(yōu)越的控制器。基于微處理器的智能控制器具有多種檢測和通信功能,利用總線(xiàn)功能實(shí)現電力質(zhì)量監控是一種經(jīng)濟有效的方案。由于基于Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)的驅動(dòng)和執行單元被大量開(kāi)發(fā)和應用,因此針對原有萬(wàn)能式斷路器的控制器系統進(jìn)行改造,結合現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),保留原有系統的投資,設計了一種具有PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)接口的新型控制系統。

　　2Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)系統的構成

　　Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)系統由主站和從站構成,主站具有總線(xiàn)存取控制權,從站是被動(dòng)的站,沒(méi)有總線(xiàn)存取權。主站分為一類(lèi)、二類(lèi)。一類(lèi)主站包括PLC、PC等,完成循環(huán)的總線(xiàn)通訊控制和管理。二類(lèi)主站指操作員工作站(如PC機加圖形監控軟件)、編程器、組態(tài)設備,完成非循環(huán)數據的讀寫(xiě)、系統配置、故障診斷、調試等。從站是進(jìn)行輸入輸出信息采集和發(fā)送的現場(chǎng)設備、包括輸入輸出I/O設備、驅動(dòng)器、執行器等?？偩€(xiàn)系統根據主站設置的個(gè)數可以分為多主站系統和單主站總線(xiàn)系統。

　　3從站總體結構設計

　　智能控制器系統實(shí)現的功能包括:溫度采集、處理控制、現場(chǎng)通信等,能單獨完成現場(chǎng)測量控制等功能,也可與多個(gè)從站和主站一起構建一個(gè)大系統,完成整體的測量控制任務(wù)。智能控制器由微處理器、信號采集電路、電源、鍵盤(pán)和液晶顯示電路、時(shí)鐘溫度檢測電路、執行電路以及Profibus-DP總線(xiàn)接口電路等部分組成,組成框圖如圖1所示。

　　3.1信號采集系統

　　本設計需要采集的信號是三路線(xiàn)電壓和四路相電流信號,所需的電壓和電流信號都是經(jīng)過(guò)互感器形成的二次側感應電壓,經(jīng)濾波隔離放大之后形成適合A/D轉換的電壓范圍在3V以?xún)?。由于LPC2114本身具有A/D轉換器,所以只需要接入一個(gè)多路選擇開(kāi)關(guān),即可完成對多路信號的采集,因此選用了單八路模擬開(kāi)關(guān)CD4051。

　　CD4051的特點(diǎn)是通道轉換頻率可10MHz,而且控制簡(jiǎn)單,量程達到10V,工作溫度范圍-55°C~+125°C,很好的解決了量程的范圍和信號采集的實(shí)時(shí)性。CD4051與LPC2114的接口連接見(jiàn)圖2所示。電壓電流互感器二次側感應電壓信號經(jīng)分壓后分別送入CD4051的X0—X7引腳。CD4051的各通道選通的地址線(xiàn)引腳A、B、C分別與LPC2114的p0.21、p0.22、p0.23相連,開(kāi)關(guān)接通彭磊:助理實(shí)驗師在讀碩士哪一通道,由LPC2114控制輸入的3位地址碼來(lái)決定。LPC2114的A/D轉換頻率最大可以達到4.5MHz,轉換精度為2-10,完全能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)采集和高精度要求。CD4051與LPC2114的A/D初始化和轉換工作由主程序完成。設計采用定時(shí)中斷方式要求大約每0.3ms就在3路電壓和4路電流信號上各采集一點(diǎn),LPC2114將采集所轉換的數據存儲在A(yíng)DDR(A/D數據存儲器)中。

　　3.2溫度檢測與實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

　　傳統的溫度檢測和實(shí)時(shí)時(shí)鐘是由各自獨立的芯片電路分別完成,這樣分散處理往往降低了微處理器的處理效率而且也增加了電路的復雜性,所以本設計采用了SD2304FLP高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

　　SD2304FLP是一種具有內置晶振、兩線(xiàn)式串行接口的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片可保證時(shí)鐘精度為±5ppm(在-10°C~50°C下),即年誤差小于2.5分鐘;該芯片內置始終精度調整功能,通過(guò)內置的數字溫度傳感器可設定適應溫度變化的調整值,實(shí)現在寬溫度范圍內高精度的計時(shí)功能;內置2K串行E2PROM,用于存儲各溫度點(diǎn)的時(shí)鐘精度補償數據。正是由于內置了I2C總線(xiàn)的數字溫度傳感器,所以可以很方便地通過(guò)I2C接口讀取溫度數據。SD2304FLP的溫度補償應用是應用的關(guān)鍵,由于時(shí)鐘精度隨溫度變化的補償數據在出廠(chǎng)前已經(jīng)存儲在2K容量的E2PROM里,所以只要通過(guò)讀取片內數字溫度傳感器所檢測到溫度(TMP)的數值,確定當前溫度值,根據溫度值的高八位確定存儲在E2PROM補償數據地址,讀出該補償數據并寫(xiě)入時(shí)鐘調整寄存器。由于LPC2114本身具有高速I(mǎi)2C總線(xiàn)接口,硬件設計和程序編寫(xiě)不需要很復雜。但需要注意的是I2C總線(xiàn)的上拉電壓應確保在總線(xiàn)需要工作的時(shí)始終存在,并在系統中最先上電,最后掉電,所以根據實(shí)際情況,本電路設計的上拉電阻最好為4.7K。

　　3.3Profibus-DP總線(xiàn)接口模塊

　　在Profibus-DP總線(xiàn)中,主站循環(huán)地讀取從站地輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。同時(shí),數據的通信是由主站和從站上的監控功能進(jìn)行監控的。對于一個(gè)成功的現場(chǎng)總線(xiàn)系統來(lái)說(shuō),僅僅提供一個(gè)高數據傳輸能力是不夠的,必須具有安裝和維護的簡(jiǎn)易性,良好的診斷能力和無(wú)差錯的傳輸。這是其他總線(xiàn)如Can、DeviceNet、Moudbus所不能比擬的。

　　設計Profibus-DP智能從站有三種方案:方法一是直接用單片機實(shí)現。由于單片機上一般都安裝UART,使用單片機利用軟件來(lái)模擬Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。方法二是使用Profibus通信專(zhuān)用芯片。方法三采用現成的從站接口模塊,如IM183-1,可將第三方設備作為從站簡(jiǎn)便的連接到Profibus-DP上。IM183-1從站接口模塊主要由ASIC芯片SPC3、單片機80C32、EPROM、RAM和一個(gè)用于Profibus-DP的RS-485接口組成。SPC3可獨立處理總線(xiàn)協(xié)議。這種方式的開(kāi)發(fā)難度較小,但由于內部電路不能改動(dòng),靈活性比較差,不能滿(mǎn)足復雜智能從站的要求,而且開(kāi)發(fā)成本很高。

　　本設計選用方法一,是因為方法二和三是受這些專(zhuān)用的通信處理芯片的端口限制,對微處理器的兼容性有專(zhuān)門(mén)要求,而且至少還要占用10個(gè)以上的微處理器引腳端口,因此很多高性能的微處理器無(wú)法與之兼容或者使很多具有特殊功能的端口受到限制。雖然直接用單片機實(shí)現會(huì )受到單片機波特率的限制,傳輸速率一般很低,但是本系統根據設計要求選用了51單片機LPC932A1專(zhuān)門(mén)來(lái)實(shí)現Profibus總線(xiàn)通信。LPC932A1特點(diǎn)有:操作頻率的速度是普通標準80C51器件的6倍,高速的指令執行時(shí)間可只需167ns;片內實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)可以作為系統時(shí)鐘;增強型UART,具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢測,通用中斷功能;傳輸速率可達到3Mb/s的SPI通信端口。由于LPC932A1的增強型UART波特率,有較高的數據傳輸率可以達到500Kb/s,它允許高速度周期性的數據通信,適用于對時(shí)間要求苛刻的場(chǎng)合。

　　3.3.1接口模塊硬件設計

　　Profibus-DP接口模塊電路主要由四部分組成:微控制器LPC2114,模擬總線(xiàn)協(xié)議處理微控制LPC932A1,RS485收發(fā)器SP3485和高速光電耦合器6N137。微控制器LPC2114本身也有SPI通信端口,只要與LPC932A1的SPI通信端口相連接,通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件編程實(shí)現LPC2114與LPC932A1的SPI通信,就能利用3Mb/s的SPI通信實(shí)現數據在系統內的高效高速傳輸。在這Profibus-DP接口模塊設計中只需占用LPC2114中4個(gè)引腳端口,大大節省LPC2114的端口資源。為了增強Profibus-DP總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力,LPC932A1的TXD和RXD并不是直接與RS-485收發(fā)器SP3485的TXD和RXD相連,而是通過(guò)高速光電耦合器6N137后與SP3485相連,這樣就很好的實(shí)現了總線(xiàn)上各Profibus-DP節點(diǎn)間的電氣隔離。其中光耦部分電路所采用的2個(gè)電源VCC和VPP必須完全隔離,雖然增加了節點(diǎn)的復雜性,但是卻提高了節點(diǎn)的穩定性和安全性。連接至SP3485上A引腳的上拉電阻和連接至B引腳的下拉電阻用于保證無(wú)連接時(shí)的SP3485芯片處于空閑狀態(tài),提供網(wǎng)絡(luò )失效保護,以提高RS-485節點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò )的可靠性。