基于DS80C320的主從逆變電源監控系統的設計與實(shí)現

摘要：介紹了基于DS80C320的主從逆變電源監控系統的設計方案，從硬件結構，軟件編制和抗干擾措施三方面進(jìn)行了詳細討論，并對單片機鎖相技術(shù)進(jìn)行了介紹。實(shí)際運行表明，本監控系統完全滿(mǎn)足實(shí)際需要，性能良好。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C；逆變電源；鎖相；抗干擾

0 引言

本監控系統是為鐵路用4kVA/25Hz主從熱備份逆變電源系統設計的。

4kVA/25Hz主從逆變電源是電氣化鐵路區段信號系統的關(guān)鍵設備，有兩相輸出：110V/1.6kVA局部電壓（A相）；220V/2.4kVA軌道電壓（B相）；兩相均為25Hz，且要求A相恒超前B相90°。由于逆變器是給重要負載供電，且負載不允許斷電，故采用雙機熱備份系統，一旦主機發(fā)生故障，要求在規定時(shí)間內實(shí)現切換，因此，備份逆變器一直處于開(kāi)機狀態(tài)。由于逆變器經(jīng)過(guò)了整流，逆變兩級能量變換，功率較大，且指標要求較高，必須要采用先進(jìn)的控制技術(shù)；同時(shí)為了安全實(shí)現主從切換，也必須要有完善的監控系統來(lái)實(shí)現鎖相，保證整機的安全。

1 監控系統總體設計要求

根據實(shí)際情況，本系統主要完成以下功能：

1）主從切換功能 主從控制之間實(shí)現準確無(wú)誤的切換，具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種功能，保證切換時(shí)電壓同頻率，同相位，同幅值；

2）鎖相功能 主從機組局部電壓同頻同相，同一機組內A相恒超前B相90°；

3）完善的保護功能 具有軟起動(dòng)功能，以避免啟動(dòng)瞬間電壓過(guò)沖對逆變器及負載的沖擊，以及輸出過(guò)壓、過(guò)流保護，頻率、相位超差保護，橋臂直通保護，過(guò)熱保護等；

4）顯示功能 實(shí)時(shí)顯示運行參數及工作狀態(tài)并具有聲光報警功能，以提示值班人員及時(shí)排除故障；

5）通信功能 具有主從機組之間通信，與監控中心（上位機）通信等功能；

6）抗干擾功能 系統具有良好的抗干擾能力。

2 系統硬件電路設計

2.1 DS80C320單片機簡(jiǎn)介

DS80C320是DALLAS公司的高速低功耗8位單片機。它與80C31/80C32兼容，使用標準8051指令集。與普通單片機相比有以下新特點(diǎn)：

1）為P1口定義了第二功能，從而共有13個(gè)中斷源（其中外部中斷6個(gè)），3個(gè)16位定時(shí)/計數器，兩個(gè)全雙工硬串行口；

2）高速性能，4個(gè)時(shí)鐘周期/機器周期，最高振蕩頻率可達33MHz，雙數據指針DPTR；

3）內置可編程看門(mén)狗定時(shí)器，掉電復位電路；

4）提供DIP，PLCC和TQFP三種封裝。

2.2 基于DS80C320的監控系統硬件電路設計

按照上述系統設計要求，設計了如圖1所示的監控系統。監控系統采用模塊化的設計思想，分為微處理器及外設模塊，模擬量采集模塊，開(kāi)關(guān)量采集模塊，頻率及相差測量模塊，控制量輸出模塊，人機接口模塊，同步信號模塊以及通信模塊。

圖1 監控系統硬件框圖

1）微處理器及外設模塊 微處理器采用DS80C320，非常適合于監控。本系統充分利用前面已提及的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了硬件設計與編程，從而提高了整個(gè)系統的可靠性。根據系統需要擴展了一片8255，一片E2PROM和一片8254。

2）模擬量采集模塊 根據采集精度要求以及被采集量變化緩慢的特點(diǎn)，采用AD公司的高速12位逐次逼近式模數轉換器AD574A，其內部集成有轉換時(shí)鐘，參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器，轉換時(shí)間25μs，并通過(guò)ADG508A擴展模擬量輸入通道。

3）開(kāi)關(guān)量采集模塊 首先經(jīng)光耦進(jìn)行隔離后，再通過(guò)與門(mén)送入單片機的外部中斷口，同時(shí)通過(guò)8255送入單片機，采取先中斷后查詢(xún)的方式。

4）頻率及相差測量模塊 信號先經(jīng)過(guò)具有遲滯特性的過(guò)零比較器轉換為方波，然后通過(guò)雙四選一開(kāi)關(guān)4052送入單片機，通過(guò)定時(shí)器T0來(lái)計算頻率和相差。

5）控制量輸出模塊 通過(guò)光耦控制輸出，實(shí)現可靠隔離。

6）人機接口模塊 包括按鍵和顯示部分。通過(guò)簡(jiǎn)單的按鍵選擇，實(shí)現電流、電壓、頻率及相差的顯示。顯示部分采用8279驅動(dòng)8位七段LED顯示，同時(shí)通過(guò)發(fā)光二極管和蜂鳴器提示運行狀態(tài)。

7）同步信號模塊 本模塊用來(lái)實(shí)現鎖相。單片機控制8254產(chǎn)生局部同步脈沖和軌道同步脈沖，同步脈沖用來(lái)復位正弦基準。通過(guò)軟件控制同步信號的頻率，可實(shí)現主從鎖相和局部及軌道的相位跟蹤。具體實(shí)現過(guò)程將在下文詳述。

8）通信模塊 采用了RS232和RS485兩種通信方式。利用串口0采用RS232實(shí)現與另一機組監控單元的雙機通信，獲取對方機組狀態(tài)信息；利用串口1采用RS485標準接口實(shí)現與上位機的通信，完成傳輸數據和遠程報警等功能。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件流程

主程序流程圖如圖2所示。系統上電復位后，首先對單片機，外圍芯片及控制狀態(tài)進(jìn)行初始化；然后讀取AC/DC模塊的工作狀態(tài)，若正常則啟動(dòng)DC/AC模塊，否則轉故障處理；開(kāi)啟DC/AC后，讀入其工作狀態(tài)并判斷輸出電壓是否滿(mǎn)足要求，有故障轉故障處理，正常則開(kāi)啟故障中斷；接下來(lái)進(jìn)行主從機組判斷和相位跟蹤，實(shí)現主從相位同步和局部及軌道電壓的鎖相；只有在實(shí)現鎖相后，才采用查詢(xún)方式處理鍵盤(pán)及測量顯示。在軟件編制中，鍵盤(pán)中斷是關(guān)閉的。實(shí)驗證明，對人機交互通道采用這種查詢(xún)處理方法，完全可以滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)要求。開(kāi)關(guān)量的輸入采取先產(chǎn)生中斷，后查詢(xún)的方法，保證了響應的實(shí)時(shí)性和逆變系統的安全性。

圖2 主程序流程圖