基于A(yíng)RM微處理器LPC2132的智能電動(dòng)機保護器設計

1 引 言

隨著(zhù)電動(dòng)機控制中心(MCC)技術(shù)的發(fā)展，模塊化的智能電動(dòng)機保護器得到了越來(lái)越廣泛的應用，同時(shí)也對電動(dòng)機保護提出了更高的要求。針對電氣監控系統自動(dòng)化程度越來(lái)越高的發(fā)展趨勢，用低壓智能電動(dòng)機保護控制器作為發(fā)電廠(chǎng)低壓電動(dòng)機的保護和測控，是提高電氣監控系統運行維護水平的重要手段。

目前傳統的8／16位的單片機仍然廣泛應用于電氣保護中，但是他們僅僅具有基本的測量控制功能，在人機界面、數據查詢(xún)、監控處理能力比較有限，大部分缺少網(wǎng)絡(luò )通信功能。在實(shí)現自動(dòng)在線(xiàn)監測領(lǐng)域中，ARM芯片在多目標采集，多層次監測和網(wǎng)絡(luò )化等方面具有強大的優(yōu)勢。由于LPC2132屬于ARM7系列處理器，能對多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)測量，具有強大的數據處理功能。同時(shí)，保護器包括強大的網(wǎng)絡(luò )功能和動(dòng)作保護記錄功能，支持開(kāi)放式的通訊協(xié)議，構筑成有效的保護測控網(wǎng)絡(luò )。

2系統的功能特點(diǎn)

智能保護器主要是以L(fǎng)PC2132微處理器為運算核心，含有模擬數字量采集，繼電保護，界面顯示和按鍵控制等功能模塊。系統外接標準的：RS 485通信接口，實(shí)現與監控系統之間的數據傳輸和聯(lián)系。LPC2132是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S核的微處理器，并帶64 kB的高速FLASH存儲器，4個(gè)通信接口，2個(gè)32位定時(shí)器，1個(gè)10位8路ADC，2個(gè)硬件鐵電接口47個(gè)GPIO以及多達9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。

除可以完成傳統測量控制保護的功能外，保護器在設計上主要具有以下特點(diǎn)：

針對繼電保護中常出現的誤動(dòng)情況，把采樣量測量突變瞬時(shí)啟動(dòng)和靜穩檢測元件相結合，作為保護裝置的啟動(dòng)元件模式，從警告信號發(fā)出和保護動(dòng)作產(chǎn)生設計兩級閉鎖通道，從而保證啟動(dòng)元件的靈敏度和靜穩狀態(tài)破壞時(shí)保護器不會(huì )產(chǎn)生誤動(dòng)；

通過(guò)設置功能選擇菜單，用戶(hù)可以根據自己的需要去掉不必要的功能任務(wù)，減少計算量，提高系統運算速度和精度；

利用ARM系列單片機強大的網(wǎng)絡(luò )通信功能，增大數據的采樣通道數量，實(shí)時(shí)跟蹤顯示采樣量信息，有效解決了在分布式電氣監測控制系統(ECS)中的信息傳輸延時(shí)問(wèn)題。

3系統的硬件設計

3．1硬件總體結構

電動(dòng)機保護器系統結構框圖如圖1所示。保護器主要分為6個(gè)部分：主處理器LPC2132、信號采集模塊、網(wǎng)絡(luò )通信模塊、界面顯示模塊、按鍵控制模塊和繼電保護模塊。

在裝置前端，輸入電路將采集的三相電流和電壓經(jīng)過(guò)互感器和運算放大器轉變成適合A／D轉換的直流信號。系統內部集成了一個(gè)逐次逼近型的10位8路A／D轉換器，該轉換器具有高達400 kb／s采樣速度，完全滿(mǎn)足了系統實(shí)時(shí)監控的要求；另外在A(yíng)／D轉換電路中增加了獨立的基準電壓源，防止外壓的波動(dòng)，提高裝置轉換精度。由于微處理器LPC2132具有非常高的控制和處理能力，一般主頻工作速度可達60 MHz，可以同時(shí)處理多個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入和4路繼電量輸出。通過(guò)對采樣信號的邏輯運算，實(shí)現系統的通信保護和控制功能。

系統裝置的功能輸出和保護動(dòng)作主要由芯片的引腳使能控制，但是外接電壓的抖動(dòng)，常常導致芯片的基準電壓發(fā)生變化。在外部掉壓情況下，為使芯片迅速復位，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，系統內部加入了掉電檢測電路。檢測電路分為兩級檢測，前級預警，后級動(dòng)作。通過(guò)快速中斷復位防止FLASH內容發(fā)生改變。另外在硬件電路設計中充分考慮了抗干擾設計，如在系統所有開(kāi)入開(kāi)出以及通訊部分都加入了光電耦合器進(jìn)行隔離，保證了系統在現場(chǎng)應用中良好的可靠性。

3．2部分外圍硬件電路

3．2．1 液晶顯示電路

圖2為液晶顯示控制電路，采用顯示器采用驅動(dòng)芯片HT1621，所有被測量參數、保護信息、故障信息通過(guò)HT1621傳輸控制在面板液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。LED指示燈顯示裝置所處狀態(tài)，如運行、故障、通訊等。通過(guò)按鍵可以進(jìn)行面板菜單操作，查閱測量、保護、故障事件信息。

3．2．2 通信接口電路設計

LPC2132具有兩個(gè)符合16C550工業(yè)標準的通用異步收發(fā)器(UART)接口，實(shí)現下位機和上位機，保護器和計算機監控系統之間的實(shí)時(shí)通信，通訊地址設置為(1～250)，通訊速率(1 200～115 200 kb／s)可設，采用國際標準的MODBUS協(xié)議，根據所測量參數設置通信規約。為防止數據在通訊傳輸的失真的情況，在接口電路中加入了光藕隔離。通信接口電路設計如圖3所示。

4系統的軟件設計

軟件部分的設計主要采用嵌入式C語(yǔ)言，在A(yíng)DS 1．2編譯環(huán)境中進(jìn)行，結構清晰，方便升級和移植。程序框架以主程序為核心，包括初始化程序、自檢、主程序、定時(shí)中斷程序和各個(gè)功能模塊子程序，各個(gè)子程序的功能在主程序中得到實(shí)現。

(1)初始化和自檢

初始化主要包括管腳配置初始化，A／D通道初始化，定時(shí)器頻率設定，以及系統參數初始化等。自檢主要檢查液晶背光顯示是否正常，FLASH參數是否正確和裝置與監控系統的通訊是否正確連接。如果自檢不通過(guò)，系統則處于靜止等待狀態(tài)，并將出錯信息發(fā)給上位機和現場(chǎng)監控人員。自檢通過(guò)則進(jìn)入主程序。

(2)主程序

裝置在進(jìn)行完有關(guān)系統初始化操作后執行主程序。正常運行時(shí)，主程序中完成采樣、計算、控制、通訊、保護動(dòng)作等功能，如有自檢故障發(fā)生將發(fā)出故障信號，并將故障信號傳送管理單元。正常運行時(shí)還進(jìn)行判斷保護是否啟動(dòng)，保護啟動(dòng)則程序轉到保護處理子程序中去。在保護處理子程序中，完成保護數據計算，保護判斷，并根據判斷結果執行相應的出口操作。沒(méi)有故障時(shí)則返回主循環(huán)。

5 結 語(yǔ)

本文介紹的低壓智能電動(dòng)保護器，采用ARM嵌入式微處理器LPC2132為系統主控芯片，充分利用LPC2132的各種內置功能，簡(jiǎn)化了系統設計，具有很高的性?xún)r(jià)比。該裝置功能強大，精度高，便于組網(wǎng)，提高了自動(dòng)化水平，具有良好的市場(chǎng)應用價(jià)值。