智能脫扣器的軟硬件設計

首先介紹了智能脫扣器的硬、軟件設計及其關鍵技術，接著提出了新的數據處理方法，最后總結出一些抗干擾的措施。

關鍵詞：智能脫扣器；采樣；快速傅立葉變換；小波變換；抗干擾

0??? 引言

??? 智能型斷路器是指采用了智能脫扣器的斷路器，智能脫扣器使斷路器實現了遙測、遙控、遙信和遙調等功能。現在智能脫扣器都采用單片機、DSP等微處理器作為邏輯處理的基礎，其發展趨勢一是功能越來越多，除了傳統的脫扣功能外，還有脫扣前報警功能、線路參數檢測功能以及試驗功能；另外一種趨勢是采用現場總線技術，把設備的網絡化作為目標。

??? 本文主要介紹在研制智能脫扣器的過程中，硬件、軟件方面需要注意的問題以及相應的處理方法。

1??? 智能脫扣器的硬件設計

??? 根據智能脫扣器所要實現的功能，硬件可以分為中央處理單元（微處理器及其外圍電路）、采樣電路、按鍵顯示電路、通訊電路、執行機構等幾個部分。

1．1??? 采樣電路

??? 采樣電路實現的功能是將外部的電流、電壓信號經過互感器、濾波、幅值調整環節后送到微處理器A/D采樣通道口。在這些環節要注意以下幾個問題。

??? 1）互感器的選擇互感器的作用是將線路中幅值很大的電信號線性地轉換成可以處理的電信號，其轉換的線性和精度將直接影響關鍵數據的可信度，這些數據是智能脫扣器工作的基礎。常用的電流互感器有鐵心和空心兩種，鐵心型互感器在處理小電流時線性度很好，但大電流時鐵心容易飽和，從而出現線性失真，測量范圍小；空心型在處理大電流時線性度好，測量范圍廣，但小電流時易受干擾，也會出現線性失真，測量誤差大。然而智能脫扣器電流測量范圍從幾百A到幾十kA，變化范圍很大，要想在整個測量范圍內不失線性，最好采用兩種類型互感器相互結合的方法。

??? 2）幅值調整環節由于電流的測量范圍很大，而微處理器A/D轉換參考電壓一般很小，本項目采用CYGNAL公司的C8051芯片作為CPU芯片，其A/D轉換參考電壓范圍為0～3.3V，如果輸入電信號幅值超過3.3V一定的時間將會損壞C8051芯片。如果將所有的電信號幅值都降到3.3V以下，那么A/D轉換的精度將大大降低，為后面的數據處理帶來很大的麻煩。本設計中采用多量程轉換的方法，每一種量程中信號送到A/D轉換口的幅值最大值都稍小于3.3V，硬件上根據信號幅值大小采用不同的輸送通道，當然實現這個功能還要軟件上面的判斷。

1．2??? 中央處理單元

??? 本設計中的CPU芯片采用CYGNAL公司的C8051，這是一種新型高速集成芯片，拇指蓋大小的體積內集成了8路A/D轉換通道、溫度傳感器、32K的FLASH存儲器，WATCHDOG監視器、通訊接口和標準的JTAG程序燒寫口。這使控制系統的外圍元器件少、電路簡單，從而提高了穩定性和抗干擾能力。

1．3??? 鍵盤顯示電路

??? 鍵盤顯示電路采用串行接口的7281芯片，該芯片通過外接移位寄存器74HC164，最多可以控制16位數碼管或128只獨立LED，其驅動輸出極性和輸出時序均為軟件可控，從而可以和各種驅動電路配合。同時，7281芯片不僅可以控制各顯示位閃爍屬性和閃爍頻率，而且可以最多連接64鍵的鍵盤矩陣，鍵盤為互鎖式，內部具有消去抖動功能。此外，7281芯片采用高速二線接口與CPU通訊，只占用很少的I/O口和CPU時間。

1．4??? 執行單元

??? 執行單元采用永磁體的電磁鐵，正常工作時在永磁體作用下保持吸合狀態，當執行電路接收到CPU發出的脈沖控制信號時，觸發達林頓管使線圈通有電流而產生反向磁通，在反力彈簧的作用下鐵心打開，帶動斷路器分斷。

1．5??? 硬件設備比較容易忽視的問題

??? CYGNAL51芯片自帶內部復位和簡單的外部復位電路，這部分復位電路是不容易被忽視的。但是在實際運行中，由于鍵盤和顯示是由管理芯片7281所控制的，當程序跑飛后，C8051芯片經過外部或內部復位電路可以重新復位運行，但是C8051芯片的復位無法傳送到7281芯片，這時顯示板上的顯示不會刷新，因此要在C8051芯片復位的同時，讓7281芯片也進行復位，可行的解決方法是讓C8051芯片和7281芯片共用相同的復位源，這樣一旦程序死掉，這兩種芯片會同時復位。

2??? 智能脫扣器的軟件設計

??? 軟件設計主要分為兩個部分，主程序和中斷程序。主程序包括故障處理、鍵盤處理、顯示處理、通信處理等子程序；中斷程序包括定時器中斷、鍵盤中斷、通訊中斷等。

??? 單片機對工頻電流信號進行采樣，每一周波（20ms）可采集32個點，這樣系統采樣頻率采用6MHz就不會出現失真。由于延時保護要求精度高，因此要先計算電流的有效值。計算電流有效值的方法較多，下面介紹一種較可靠的算法。由于實際信號中疊加有高頻信號和非周期信號，為了真實有效地反映被測量信號的本質，有人提出了用FFT算法從測量數據中計算出線路?號的基波參數和高次諧波參數，由于信號基波分量占到總信號的95％以上，所以，計算出來的數據可以作為各種保護算法的依據。電流保護的前提是能否及時正確判斷故障發生的時刻。FFT算法通過計算一個周波內基波分量的有效值是否大于門檻值來確定故障情況，這樣做可以完成判斷任務，但是實時性不高。下面提出一種基于小波分析和FFT的改進算法，小波算法在采樣過程中檢測到可疑信號點后，由FFT算法進行有效值判斷，如果沒有超過門檻值，則可疑信號點無效，回到小波算法中繼續尋找采樣可疑點；如果有效值超過門檻值，則認為可疑點有效，根據保護條件輸出相應信號。其算法的流程圖如圖1所示。

圖1??? 數據處理流程圖

??? 瞬時保護是一種特殊的保護方式，它不需要對有效值進行比較，而是采用即采即比的方式，一旦發現某個采樣點超過規定的門檻，立即讓單片機系統發出脫扣信號。但是，由于脫扣器工作條件不定，不可避免受到外界干擾源的影響，導致脫扣器誤動，為了減少誤動的可能性，可以采取判別連續幾個采樣點是否都超過門檻值，如果都超過則認定故障發生，否則判別為外界干擾。采取這種方法提高了可靠性但是降低了時效性，至于連續判別幾個采樣點根據實際需要來定。

3??? 抗干擾的措施

??? 影響智能脫扣器的干擾源有用電設備的浪涌電流，對講機、手機等產生的射頻輻射，智能脫扣器內部的開關電源和斬波釋放電路等。這些干擾源的存在導致程序死掉，或電流電壓等參數顯示不準確導致故障狀態判斷錯誤，進而引起脫扣器誤動作。為了減少干擾的影響，需要在硬件和軟件上采取相應措施。

3．1??? 硬件抗干擾

??? 采取的措施有：

??? 1）合理布線，使數字電路地和模擬電路地共點地為懸浮工作方式，即系統各回路的基準電位互相連接在一起而不與大地相連，這樣系統有較強的抗干擾能力；

??? 2）模擬電路地和數字電路地分開接地，最后再匯合到一點，這是因為斬波泄放電路在啟動工作后，出現很高的瞬態干擾，把邏輯地（主機）和模擬地（A/D）分開后，這一干擾就降到很低；

??? 3）線路板和元器件表面噴絕緣層，是防潮和絕緣的需要，對防電磁干擾也有很重要的作用；在機殼內涂金屬屏蔽層，形成等電位屏蔽，對電磁干擾也有很大的屏蔽作用；

??? 4）在穩壓電源、隔離變壓器后側安裝濾波電路，能使火線與零線中的干擾電流得到衰減；

??? 5）芯片的選擇上，盡可能采用體積小的芯片封裝，由于貼片封裝比直插封裝體積小、抗干擾能力強，因此選擇貼片封裝；

??? 6）盡量減少外圍電路，使電路板布線簡單；

??? 7）硬件電路應采用多級跟隨器和高頻濾波電路，以保證信號不失真。

3．2??? 軟件抗干擾

??? 軟件上抗干擾的方法有以下幾種。

??? 1）為了防止裝置受到干擾進入“死機”狀態，在程序中加入一些監控措施利用看門狗（WATCHDOG）對程序進行死鎖檢測，在必要的時候自動復位；在未使用的中斷向量區、空白程序區設置軟件陷阱，強迫程序跑飛以后能夠回到正常軌道上來；在必要的地方寫入冗余指令，以調整指令長度，防止程序混亂。

??? 2）對采樣信號進行數字濾波首先對每一個采樣點進行判別，讓其與相鄰值、前次值以及增值最大值比較，根據對稱檢測法、限幅檢測法來判斷是否為干擾信號；對最近采樣的點進行FFT計算得到的數據與前幾次的數據求平均值，舍去“異類”。

??? 3）軟件“WATCHDOG”技術系統運行時受到外界干擾的時候，程序會偏離正常軌道從而引起一系列問題，出現死循環，系統無法回到正常狀態。軟件看門狗技術特點是：系統正常運行程序中，每隔一段固定時間就要對“WATCHDOG”進行“喂狗”操作，在規定時間內如果檢測到“喂狗”操作，表明系統運行正常，否則認為系統出錯，自動發出復位信號。本項目采用的CYGNAL51芯片內部自帶看門狗，這就減少了項目開發人員的工作量。

??? 此外，在數據處理的算法上進行改進，也能大大提高系統的抗干擾能力，但是，這往往是以犧牲代碼長度為代價的，至于如何取舍看實際項目要求而定。

4??? 結語

??? 隨著高性能、低價格芯片的不斷涌現，在保留傳統設備優點的基礎上，智能脫扣器在保護的多樣性、判斷準確性和抗干擾性、自診斷保護、實時通訊和顯示等方面有較大的改進，這大大方便了用戶，從而有廣闊的市場前景。