智能断路器多参数测控系统设计方案与对策

基于Profibus-DP智能低压断路器

作者：王振宇指导老师：申红军

摘要：本文给出了一种基于Profibus-DP[1]现场总线的智能断路器参数测控系统设计方案，阐述了电力信号和温度检测电路、Profibus-DP总线接口模块的设计方法。该方案采用了先进的频率自适应同步快速交流采样算法对参数测控软件进行设计，为智能断路器的数据采集和通信提供了一条有效的实现途径。

关键词：智能低压断路器;现场总线;智能控制器

Base on the Profibus-DP Intelligent Circuit Breakers

Designer:WANG Zhen-yu Instructor:SHEN Hong-jun

Abstract：This paper describes a design about parameters survey and control system of intelligent circuit breakers based on Profibus-DP field bus ,which explain the power signal ,the temperature detection circuit and the design method of Profibus-DP interface module design. The program applies the sampling algorithm which of advanced frequency adapt for the rapid exchange to design parameters survey and control software. And it provides an effective means for the data collection of intelligent circuit breakers and correspondence..Keywords: intelligent low-voltage circuit breakers; field bus; intelligent controller

1引言

在低压电器领域，断路器是一种非常重要的器件。智能型低压断路器具有传统断路器所没有的自动化、智能化、模块化的优点，它以智能控制器为核心，是一种把微处理器技术、网络技术和信息技术集成在一起的高新技术产品。基于微

处理器的智能控制器具有多种检测和通信功能，利用总线功能实现电力质量监控是一种经济有效的方案[3]。文中给出的断路器测控系统采用的是Profibus-DP 现场总线，Profibus-DP设计旨在用于现场一级的高速数据传输，在这一级中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信[4]。

本文给出了一种基于Profibus-DP总线的智能断路器多参数测控系统设计。该设计采用Philips[5]的LPC2114微处理器作为现场控制的核心，通过51单片机LPC932A1来实现Profibus总线通信。LPC2114内置的A/D转换器和单八路模拟开关CD4051相配合完成了多路信号的采集，采用的高精度实时时钟芯片

SD2304FLP能够有效地实现温度检测和实时时钟。文章最后还给出了先进的测控软件算法及通信接口软件的设计。

2 控制电路硬件设计智能控制器主要由微处理器、信号采集电路、时钟温度检测电路、电源、键盘和液晶显示电路、执行机构以及Profibus-DP总线接口电路等部分组成，组成框图如图1所示。智能控制器系统能够实现温度采集、处理控制、现场通信等功能,能单独完成现场测量控制,也可与多个从站和主站一起构建一个大系统,完成整体的测量控制任务。

2.1 微处理器选择

本设计任务选用了Philips的LPC2114微处理器作为现场控制的核心。该处理器具有足够多的I/O接口和快速处理数据的能力，能够满足对多参数系统的实时监控和报警的要求。

LPC2114有128K片内FLASH程序存储器，具有ISP和IAP功能，为系统的开发和维护带来了很大的灵活性;预取指令方法使得CPU的执行速度是普通FLASH 最高速的4倍，指令的执行速度可达到18ns;4路10位A/D转换器，转换时间短至2.44μs;多串行口，多达46个通用I/O口，12个独立外部中断引脚。只要通过精心的软件设计就可以以最少的器件完成所要求的性能,提高可靠性。

2.2 温度检测和实时时钟电路

传统的温度检测和实时时钟是由各自独立的芯片电路分别完成，这样分散处理往往降低了微处理器的处理效率而且也增加了电路的复杂性，所以本设计采用了高精度实时时钟SD2304FLP。SD2304FLP是一种具有内置晶振、两线式串行接

口的高精度实时时钟芯片。该芯片可保证时钟精度为±5ppm（在-10ºC～50ºC下）;芯片内置始终精度调整功能，通过内置的数字温度传感器可设定适应温度变化的调整值，实现在宽温度X围内高精度的计时功能;内置2K串行E2PROM，用于存储各温度点的时钟精度补偿数据。正是由于内置了I2C总线的数字温度传感器，可以很方便地通过I2C接口读取温度数据。

SD2304FLP的温度补偿是应用的关键。时钟精度随温度变化的补偿数据出厂前已经存储在2K容量的E2PROM里，因此只要读取片内温度传感器就可知当前温度值。根据温度值的高八位确定存储在E2PROM补偿数据地址，读出该补偿数据并写入时钟调整寄存器。需注意的是：I2C总线的上拉电压应确保在总线需要工作的时始终存在，并在系统中最先上电，最后掉电。

2.3 信号采集电路

本设计采集的信号是四路相电流和三路相电压信号，电压和电流信号都是经过互感器形成的二次侧感应电压。经滤波隔离放大之后形成的适合A/D转换的电压X围，7路信号经处理后送到多路电子开关。由于LPC2114本身具有A/D转换器，所以只需通过LPC2114控制电子开关选通所需的各路信号，即可完成对多路信号的采集，本设计选用的是单八路模拟开关CD4051。

CD4051的通道转换频率高达10MHz，而且控制简单，量程可达到10V，工作温度X围为-55ºC～+125ºC，具有宽量程和信号采集实时性的特点。

LPC2114的A/D转换频率最大可以达到4.5MHz，转换精度为2-10，完全能够满足实时采集和高精度要求。CD4051与LPC2114的A/D初始化和转换工作由主程序完成。设计采用定时中断方式，要求每1ms就在3路电压和4路电流信号上各采集一点，LPC2114将采集所转换的数据存储在ADDR（A/D数据存储器）中。