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基于DS80C320的主從逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：介紹了基于DS80C320的主從逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，從硬件結(jié)構(gòu)，軟件編制和抗干擾措施三方面進行了詳細討論，并對單片機鎖相技術(shù)進行了介紹。實際運行表明，本監(jiān)控系統(tǒng)完全滿足實際需要，性能良好。引言
本監(jiān)控系統(tǒng)是為鐵路用4kVA/25Hz主從熱備份逆變電源系統(tǒng)設(shè)計的。
4kVA/25Hz主從逆變電源是電氣化鐵路區(qū)段信號系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，有兩相輸出：110V/1.6kVA局部電壓（A相）；220V/2.4kVA軌道電壓（B相）；兩相均為25Hz，且要求A相恒超前B相90°。由于逆變器是給重要負載供電，且負載不允許斷電，故采用雙機熱備份系統(tǒng)，一旦主機發(fā)生故障，要求在規(guī)定時間內(nèi)實現(xiàn)切換，因此，備份逆變器一直處于開機狀態(tài)。由于逆變器經(jīng)過了整流，逆變兩級能量變換，功率較大，且指標(biāo)要求較高，必須要采用先進的控制技術(shù)；同時為了安全實現(xiàn)主從切換，也必須要有完善的監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)鎖相，保證整機的安全。
1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計要求
根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)主要完成以下功能：
1）主從切換功能主從控制之間實現(xiàn)準(zhǔn)確無誤的切換，具有自動和手動兩種功能，保證切換時電壓同頻率，同相位，同幅值；
2）鎖相功能主從機組局部電壓同頻同相，同一機組內(nèi)A相恒超前B相90°；
3）完善的保護功能具有軟起動功能，以避免啟動瞬間電壓過沖對逆變器及負載的沖擊，以及輸出過壓、過流保護，頻率、相位超差保護，橋臂直通保護，過熱保護等；
4）顯示功能實時顯示運行參數(shù)及工作狀態(tài)并具有聲光報警功能，以提示值班人員及時排除故障；
5）通信功能具有主從機組之間通信，與監(jiān)控中心（上位機）通信等功能；
6）抗干擾功能系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2.1 DS80C320單片機簡介
DS80C320是DALLAS公司的高速低功耗8位單片機。它與80C31/80C32兼容，使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集。與普通單片機相比有以下新特點：
1）為P1口定義了第二功能，從而共有13個中斷源（其中外部中斷6個），3個16位定時/計數(shù)器，兩個全雙工硬串行口；
2）高速性能，4個時鐘周期/機器周期，最高振蕩頻率可達33MHz，雙數(shù)據(jù)指針DPTR；
3）內(nèi)置可編程看門狗定時器，掉電復(fù)位電路；
4）提供DIP，PLCC和TQFP三種封裝。
2.2 基于DS80C320的監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
按照上述系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計了如圖1所示的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，分為微處理器及外設(shè)模塊，模擬量采集模塊，開關(guān)量采集模塊，頻率及相差測量模塊，控制量輸出模塊，人機接口模塊，同步信號模塊以及通信模塊。
1）微處理器及外設(shè)模塊微處理器采用DS80C320，非常適合于監(jiān)控。本系統(tǒng)充分利用前面已提及的特點，簡化了硬件設(shè)計與編程，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)需要擴展了一片8255，一片E2PROM和一片8254。
2）模擬量采集模塊根據(jù)采集精度要求以及被采集量變化緩慢的特點，采用AD公司的高速12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A，其內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時鐘，參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換時間25μs，并通過ADG508A擴展模擬量輸入通道。
3）開關(guān)量采集模塊首先經(jīng)光耦進行隔離后，再通過與門送入單片機的外部中斷口，同時通過8255送入單片機，采取先中斷后查詢的方式。
4）頻率及相差測量模塊信號先經(jīng)過具有遲滯特性的過零比較器轉(zhuǎn)換為方波，然后通過雙四選一開關(guān)4052送入單片機，通過定時器T0來計算頻率和相差。
5）控制量輸出模塊通過光耦控制輸出，實現(xiàn)可靠隔離。
6）人機接口模塊包括按鍵和顯示部分。通過簡單的按鍵選擇，實現(xiàn)電流、電壓、頻率及相差的顯示。顯示部分采用8279驅(qū)動8位七段LED顯示，同時通過發(fā)光二極管和蜂鳴器提示運行狀態(tài)。
7）同步信號模塊本模塊用來實現(xiàn)鎖相。單片機控制8254產(chǎn)生局部同步脈沖和軌道同步脈沖，同步脈沖用來復(fù)位正弦基準(zhǔn)。通過軟件控制同步信號的頻率，可實現(xiàn)主從鎖相和局部及軌道的相位跟蹤。具體實現(xiàn)過程將在下文詳述。
8）通信模塊采用了RS232和RS485兩種通信方式。利用串口0采用RS232實現(xiàn)與另一機組監(jiān)控單元的雙機通信，獲取對方機組狀態(tài)信息；利用串口1采用RS485標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)與上位機的通信，完成傳輸數(shù)據(jù)和遠程報警等功能。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)軟件流程
主程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先對單片機，外圍芯片及控制狀態(tài)進行初始化；然后讀取AC/DC模塊的工作狀態(tài)，若正常則啟動DC/AC模塊，否則轉(zhuǎn)故障處理；開啟DC/AC后，讀入其工作狀態(tài)并判斷輸出電壓是否滿足要求，有故障轉(zhuǎn)故障處理，正常則開啟故障中斷；接下來進行主從機組判斷和相位跟蹤，實現(xiàn)主從相位同步和局部及軌道電壓的鎖相；只有在實現(xiàn)鎖相后，才采用查詢方式處理鍵盤及測量顯示。在軟件編制中，鍵盤中斷是關(guān)閉的。實驗證明，對人機交互通道采用這種查詢處理方法，完全可以滿足系統(tǒng)的實時要求。開關(guān)量的輸入采取先產(chǎn)生中斷，后查詢的方法，保證了響應(yīng)的實時性和逆變系統(tǒng)的安全性。
3.2 系統(tǒng)采用的主要算法和技術(shù)
3.2.1 交流采樣算法
測量顯示大信號的交流量時，通過互感器得到適合A/D轉(zhuǎn)換的交流小信號，然后對小信號進行采樣，最后對采樣數(shù)據(jù)采用一定的算法，得到正確的顯示值。均方根法是目前常用的算法，其基本思想是依據(jù)周期
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