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基于DSP和CPLD EPM3128芯片實現智能控制器的電路設計

2020年09月07日 17:52 ? 次閱讀

引言

智能電網的發展,對低壓電器的智能化提出了較高的要求,目前國內使用較多的小型斷路器的智能化穩定性不夠,在于其體積較小,將信號采集電路、動作執行和智能脫扣器都安裝在本體內,開關內的強電場產生的電磁干擾和高溫,使得斷路器可靠性降低。本文介紹的智能控制器脫離于斷路器本體,并且能夠連接多個斷路器,實現對多個斷路器的監控。

1 控制器的總體結構

群組智能控制器的核心采用DSP TMS320F2812芯片,輔以CPLD EPM3128芯片來實現鍵盤和液晶的時序邏輯,減少擴展芯片帶來的體積問題,外圍電路主要包括信號調理電路和脫扣控制電路等。為適應智能電網的無線通信,在智能控制器中添加GPRS模塊,使得斷路器能夠更好地融入到智能電網中。

2 控制器的硬件設計

所采集的多個斷路器的電壓、電流等信號,經過信號調理電路進行調理后送入DSP處理器,經過信號的變換、運算和判斷等處理,斷路器有故障時通過脫扣電路實現脫扣。系統總體結構框圖如圖1所示。

基于DSP和CPLD EPM3128芯片實現智能控制器的電路設計

2.1 信號調理電路模塊設計

信號調理模塊的主要功能,一是低通濾波,濾除高頻噪聲;二是信號放大,由于檢測電流范圍較大,為適應較大的動態范圍,提高A/D采樣分辨率,使變換后的數字信號盡可能準確反映模擬信號的大小,設計了兩路放大環節。一路有較大的放大倍數,放大小電流時的信號;另一路放大倍數較小,進行大電流時的信號放大。因為A/D轉換器的信號輸入范圍有限,為防止大電流信號時產生過高的輸入電壓,對檢測電路和A/D轉換器造成損壞,設計了電平限幅保護電路。

圖2為每一相大電流信號濾波、平移、放大和限幅電路。由于A/D轉換器輸入電壓范圍為0~3 V;而輸入信號是直流偏移電平為0 V的交變正弦波,所以設計電平偏移電路抬高電流信號。低通濾波和信號放大由兩級運放組成。

2.2 脫扣電路模塊設計

脫扣電路分為數字脫扣與模擬脫扣數字脫扣電路較為簡單,DSP通過I/O口輸出脫扣信號,經過光耦隔離放大驅動磁通線圈。模擬脫扣電路采用比較器電平鑒幅電路實現,每一相電流采用兩個比較器來完成,當微處理器沒有發出脫扣信號且電流信號的幅值在參考基準電壓范圍內,則比較器并聯輸出一高電平,否則為低電平。低電平信號通過脈寬檢測電路,進行抗干擾處理。如果低脈沖維持一定的寬度則單穩態觸發器被觸發,同時輸出一定寬度的脈沖通過驅動電路使磁通變換器打開,從而分斷斷路器。模擬脫扣電路如圖3所示。

比較器電平鑒幅電路在實際應用中,由于干擾的存在,比較器的輸出會出現一些不必要的窄脈沖,因此設計了脈寬檢測電路用于濾除干擾尖峰引起誤觸發脫扣動作。在設計時,當輸入脈沖寬度大于1ms時,輸出32.9ms的脫扣信號;當小于1ms時,不輸出脫扣信號。

模擬脫扣電路在實際應用中,上電初期的短路電流只在100 ms內起作用,其后即在DSP初始化完畢開始正常運行,模擬脫扣電路則進行特大短路電流的判斷,兩種不同情況,其電流定值不同。因此設計了可切換參考基準電壓,即MCR分斷接通電路。MCR分斷接通電路在上電初期,C408兩端電壓較低,通過比較器輸出高電平,使得T401飽和導通,因此參考基準電壓降低,即模擬脫扣動作值較低,出現短路故障時,實現MCR脫扣。上電穩定后,C408兩端電壓升高,通過比較器輸出低電平,使得T401截止,此時參考基準電壓較高,在出現特大短路電流時,實現模擬脫扣,MCR脫扣電路如圖4所示。

2.3 GPRS通信模塊與DSP硬件接口設計

GPRS通信模塊采用SIEMENS公司的MC55GPRS模塊,軟件原理圖如圖5所示。DSP芯片F2812通過外部總線接口XINTF擴展了一塊帶雙異步串口(UART)的TL16C752B芯片,和MC55 GPRS模塊相連。DSP芯片主要實現整個系統所需的協議以及監測數據的采集、中心主站的命令的解析;GPRS模塊則完成無線通信功能。

3 控制器軟件設計

系統軟件主要完成信號采樣,脫扣算法,通信處理和按鍵顯示等功能??刂破鞯能浖O計采用匯編語言和C語言混合編程的方法進行程序結構優化,以確保實時性。程序具有模塊化和子程序化的特點,同時在程序設計中加入了抗干擾處理。主程序流程圖如圖6所示。

4 結語

本文詳細敘述了智能控制器系統各組成部分的設計過程,并給出了具體的電路圖。通過軟件與硬件系統測試表明,該智能控制器能夠較好地完成信號采集、無線通信和線路通斷控制功能。在后續的研究中,可采用嵌入式實時多任務操作系統μC/OS-Ⅱ作為系統軟件平臺,實現μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植。

責任編輯:gt

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