发布时间 : 星期六 文章低压断路器智能化控制技术研究更新完毕开始阅读5d571420dd36a32d737581ef
3.2.1 嵌入式片上系统
1．C8051系统单片机
嵌入式片上系统C8051F该系统是真正能独立工作的集成的混合信号片上系统(SOC)，有一个真正的12位多通道ADC或一个10位的多通道ADC，对于智能控制器需要处理这么多路信号是占有优势的，由于省去了A/D转换器件，同时通过软件编程可以选择采样通道，这就省去了多路开关等器件。因此使外围电路大大简化，有效的减小了电路板的面积。它具有高速指令处理能力，标准的805l一个机器周期要占用12个系统时钟周期，执行一条指令最少要一个机器周期。Cygnal C8051F系统单片机指令处理采用流水线结构，峰值性能可达25MIPS，机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，指令处理能力比MCS-51大大提高。70％的指令执行是在一个或两个系统时钟周期内完成，只有四条指令的执行需4个以上时钟周期。
Cygnal C8051F系列单片机采用CIP-51内核，与MCS-51指令系统完全兼容，可用标准的ASM-51、Keil C高级语言丌发编译C8051F系列单片机的程序。标准的8051只有7个中断源，C8051F系列单片机扩展了中断处理，这对于实时多任务系统的处理是很重要的。扩展的中断系统向嵌入式系统提供22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器，一个中断驱动的系统需要较少的系统干预，却有更高的执行效率。Cygnal C8051F系统单片机比标准的8051只有外部引脚复位增加了7种复位源，使系统的可靠性大大提高，每个复位源都可以由用户用软件禁止。除了具有标准8051的数字外设部件之外片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。每个系统都能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新固件，这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新程序代码。片内JTAG调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。C8051的内部结构如图3.2所示。
C8051F系列单片机内部有一个能独立工作的时钟发生器(提供的内部时钟误差在2％以内)，在系统复位时被默认为内部时钟。如果需要可接外部时钟，并可在程序运行时实现内、外部时钟的切换，外部时钟可以是晶体、RC、C或外部时钟。以上的功能在低功耗应用系统中非常有用。
图3.2 C8051的内部结构
2．Cygnal C8051F的存储器
C8051的存储器组织与标准8051的存储器组织类似。有两个独立的存储器空间：程序存储器与数据存储器。程序和数据存储器共享用一个地址空间，但用不同的指令类型访问： (1) 数据存贮器
具有标准8051的程序和数据地址配置。它包括256字节的RAM，其中的低128字节用于通用寄存器和临时存储器。可以用直接或间接寻址方式访问数据存储器的低128字节。从0x00到0xlF为4个通用寄存器区，每个区有8个寄存器。接下来的16字节，从地址0x20到0x2F，既可以按字节寻址又可以作为128个位地址用直接位寻址方式访问。
数据存储器中的高128字节用户只能用直接寻址访问。该存储区与特殊功能寄存器(SFR)占据相同的地址空间，但物理上与SFR空间是分开的。当寻址高于0x7F的地址时，指令所用的寻址方式决定了CPU是访问数据存储器的高128字节还是访问SFR。使用直接寻址方式的指令将访问SFR空间。间接寻址高于0x7F地址的指令将访问数据存储器的高128字节。 (2) 程序存储器
C8051有64K字节的程序存储器空间，MCU在这个程序存储空间中实现了32896字节可在系统编程的FLASH存储器，组织在一个连续的存储块内，从地址0x0000到0x807F，后面的512字节保留给工厂使用，不能用于存储用户程序。 3．可编程数字I/O和交叉开关
Cygnal C8051F系列单片机具有标准的8051I/O口，除P0、P1、P2、P3之外还有更多的扩展的8位I/O口，每个端口I/O引脚都可以设置为推挽或漏极开路输出，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。最为独特的是增加了“Digtal crossbar”（数据交叉开关）。它可将内部数据系统资源定向到P0、P1、P2和P3端口I/O引脚。并可将定时器，串行总线，外部中断源，A/D输入转换，比较器输出，都可通过设置Crossbar开关控制寄存器定向到P0、Pl、P2和P3的I/O口。这就允许用户根据自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。 4．模数／数模转换器 (1) 模数转换器
C8051系列内部都有一个ADC子系统，由逐次逼近型ADC、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成。ADC工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的12位精度。ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制，系统控制器还可以关断ADC以节省功耗。
C8051还有一个15ppm的基准电压和内部温度传感器，并且8个外部输入通道可被配置为两个单端输入或一个差分输入。可编程增益放大器增益可以用软件设置，从0.5到16以2的整次幂递增。当不同ADC输入电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时，可编程增益放大器是非常有用的。 (2) 数模转换器
C8051F系列内有两路12位DAC，2个电压比较器。CPU通过SFR控制数模转换和比较器。CPU可以将任何一个DAC置于低功耗关断方式。DAC为电压输出模式，与ADC共用参考电平。
C8051除了通用计数器／定时器之外，还有一个片内可编程计数器／定时器阵列(PCA)，包括一个专用的16位计数器／定时器，5个可编程的捕捉／比较模块。内部还有多类型串行总线端口，内部自带看门狗。片内有调试电路与JTAG口，可以实现非侵入式在线调试。
3.2.2 数据采集模块
CPU及其接口的扩展该模块的主要功能就是将控制器单元所需要的电流、电压经电流互感器CT和电压互感器PT引入系统，并经信号调理、模数转换后变成计算机可以识别的数字信号。空芯互感器的二次输出得到智能型控制器的信号，其感应的电压输出与一次母线电流的微分成正比。即
。进入控制器信号处理电路，首先进行积分处理，
使二次感应信号与一次母线电流成正比。空芯互感器由于无铁芯，具有较大的线性范围，感应信号适用于CPU处理。它将供电回路中的强电流、高电压转换为适合电子电路和微处理器处理的电流电压信号，为微处理器系统提供正确可靠的信号。如果采用铁芯互感器，当出现过大的电流时，铁芯会出现磁饱和，这时，感应的电压输出与一次母线电流的微分不再成正比，也就是k不恒定，故不可取。既要提高小电流时的测量精度，又兼顾电流的测量范围，实现全范围电流的精确测量，采用罗柯夫斯基(Rogowski)线圈检测供电线路中的电流，并将其转换为数字电路和单片机可处理的电平信号。信号采集原理图如图3.3所示。
图3.3 信号采集原理图
信号经隔离滤波、放大等处理后进入采样和保持电路，微处理器内带的A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号，供CPU进行逻辑运算与处理。CPU根据这些信号进行逻辑运算和处理，将运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号。这些信号经放大后可以直接驱动断路器的执行机构使得断路器动作。各种故障保护的动作电流和时间整定值已通过键盘设定，预先存储于EEPROM中，并且在使用中随时可以更改。对于特大短路故障，其故障电流达到一定值时，不经CPU处理，直接比较输出脱扣信号，由特别设计的模拟脱扣电路使执行元件动作。
主线路电流和电压信号通过大功率电流互感器和电压互感器变换成O—5A的电流和O一300V的电压信号，供二次系统采集，考虑到A/D转换器的信号输入标准较小，必须采用小功率CT、PT对信号进行调理，然后经过模数转换后供给微处理器处理。同时，电流和电压互感器也起到电气隔离的作用，使断路器和控制器单元强弱电分离，提高控制器单元的抗干扰性能。考虑到电压、电流信号在传送时容易受到外界的电磁干扰，因此在选择电压互感器和电流互感器时，一般使用把电压和电流信号转化成小电流的互感器。此类互感器带载能力较差，需要使用运算放大器来组成电流信号的调理电路。
考虑到一次回路电流高达50kA/75kA，进入A/D转换的电流信号范围较大，为了提高精度和采样分辨率，把信号分为小信号和大信号两组，对于小信号利用硬件电路进行放大处理，而大信号直接输入。但是，一般电网中中性接点的波动范围不会很大，对中性接点的接地信号采样只要用A/D的一个通道，其取样方式有两种：
一种方式为测量中线电流，直接取三极电流信号矢量和情况下，系统平衡，
。正常运行
；在系统不平衡时或接地故障情况下，矢量和不等
于零，取出此电流信号作为中线保护电流信号。这种方式不能区分系统不平衡电流和接