MC9S12DG128B在低压断路器智能控制器中的应用

第十三届学术 年会 清华大学通讯录参加年会感想公司年会游戏活动年会团队互动游戏企业年会多人朗诵稿 论文集 Mcgsl2DGl28B在低压峨路器智能控翩器中的应甩 MC9S12DGl28B在低压断路器 智能控制器中的’应用 郑 昕1， 朱方铁2， 张培铭1， 曾明忠2 (1．福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350002； 2．福州鑫威电器有限公司，福建福州350007) 摘要：介绍了MC9S12DGl28B单片机在低压断路器智能控制器中的应用。针对该系列单片机的性能 特点，提出了以该单片机为核心处理单元的智能控制器的软件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 思路与实现 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。最后，通过实验和运行 测试证实了这种应用的成功，为该系列单片机在低压配电系统领域的应用开辟了新的空间。 关键词：智能控制器；MC9S12DGl28；低压断路器 0 引 言 在低压电器领域，断路器是一种非常重要的 保护器件。它可以对配电系统，电力输送系统及 用电设备的过载、短路等故障实现保护，以避免或 减小故障给电力系统及用电设备所造成的损失， 确保供电系统的安全性和可靠性。目前，断路器 已发展为智能断路器，其功能除实现基本的三段 保护功能外，还能对主干线路的电压、电流、频率、 功率因数等电参数及环境温度等进行实时显示、 监测及报警，并能通过现场总线进行远程监控。 智能断路器是一种将计算机技术、数字处理 技术和信息技术引入传统开关设备中而发展起来 的新一代开关电器。智能断路器的核心部分是基 于微处理器的智能控制器。设计智能控制器时既 要考虑其具有较高的可靠性和实时性，又要考虑 ·-———214·--—— 电磁兼容性的要求。同时，从产品化的角度，还要 考虑整个控制器的尺寸和成本。 本文采用Motorola公司的16bit高性能微控 制器MC9S12DGl28B，设计了一款用于630— 2000A等级的框架式智能断路器的控制器。 1 断路器智能控制器的工作原理 在输配电系统中，低压断路器主要对线路中 的过载、短路和接地等故障进行保护。因此，智能 控制器应能精确地检测到线路中电流、电压信号 并实时显示，可以随时设定动作电流和动作时间， 还应具有故障信息存储和联网通信等功能。智能 控制器的工作原理如图1所示。在图1中，速饱 和互感器和电压互感器分别检测线路中的电流和 电压信号，通过信号处理模块将采集到的信号转 换成单片机可处理的电平信号，和温度传感器的 图1智能控制器工作原理图 MCgSl2DGl28B在低压断路器智能控翩器中的应甩 第十三届学术年会论文集 信号一起输入给单片机的ADC，转换成数字信号 供单片机进行逻辑运算和处理。显示模块可实时 显示采样到的三相电流和电压值、功率、功率因 数、频率和环境温度等参数。各种故障保护的电 流整定值和动作时间可通过键盘设定并存储在单 片机的EEPROM中。单片机将检测到的电流值 与这些整定值相比较，判断是否脱扣，若脱扣，则 先确定动作时间再发出控制信号，同时显示故障 电流、故障类型和动作时间；否则，就刷新显示。 本文设计的控制器提供了两种通信接口RS-485 和CAN，供用户选择。为保证断路器的可靠动 作，还应提供模拟脱扣方式，当故障信号超过规定 值时，不经过单片机的检测而直接使断路器脱扣。 智能控制器采用双电源供电。一路由速饱和 互感器从三相线路中感应能量供电，当线路电流 不低于O．4倍额定电流值时即可保证控制器的正 常工作；另一路为外接电源，供参数设定和调试检 查用。 ． 由此可知，断路器智能控制器除了应具有实 时显示和多样化的保护功能外，还应具有热记忆 功能、负载监控能和联网通信等功能，同时还要满 足电磁兼容性。因此，其核心处理部件——单片 机的性能就直接影响到控制器的工作性能。单片 机的选择成为整个设计中的关键。 2单片机的选择 在选择单片机时，基本的要求是功耗低、实时 性和数据处理能力强、性价比高，同时还要有方便 高效的开发环境。早期的控制器选用的大多是8 位单片机，集成或外扩A／D模块。虽然8位单片 机也能满足基本要求，但在检测精度和计算速度 上存在着显而易见的缺陷。为进一步提高测量精 度和控制实时性，有必要选用功能更强大的16位 单片机作为控制器的核心处理单元。 Motorola公司的MC9S12系列单片机是一款 采用全16bit数据结构的高性能微控制器，与其 他单片机相比，MC9S12系列具有3个特点：片内 集成128KB或256KB闪存，可局部擦除，降低了 开发成本；应用PLL锁相环技术提高系统电磁兼 容性，只需外接低频率的晶振电路，通过软件编程 得到所要的高频系统时钟，从而降低对外辐射干 扰，提高系统稳定性；采用简单的BDM背景调试 开发模式，只需将开发器的BDM头与目标板相 连，即可方便地实现现场调试和系统升级。此外， 虽然拥有16bit总线结构，但MC9S12的外部总 线可根据不同的系统需求工作在8bit和16bit 两种模式，因而能够极大地适应不同价位的系统 需求。 MC9S12DGl28B的主频可达25MHz，同时， 片内集成了多种 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 外设模块，包括2个SCI、2 个SPI、1个8通道的增强捕捉定时器、2个8通道 lObitA／D转换模块、1个8通道PWM、49个独立 数字I／O口(其中20个具有外部中断及唤醒功 能)、兼容CAN2．0A／B协议的3个CAN模块以 及1个内部IC总线模块；片内拥有128KB的 FlashEEPROM、8KB的RAM、2KB的EEPROM。 同时，还支持多级中断嵌套。其芯片结构图如图 2所示。 MC9S12DG|28B采用贴片封装，提供80．pin QFP和112．pinLQFP两种封装形式，由于采用 0．25斗m微电子技术，芯片整体尺寸很小，在设计 中可极大地节省空间。本文选用112一pinLQn, 封装，其管脚图如图3所示。 可见，MC9S12DGl28B的功能十分强大，其 片内资源极其丰富，在工程设计中具有广泛的应 用和发展空间。为此，本文在设计断路器智能控 制器时，以这款单片机作为核心处理单元，外接8 MHz的晶振，通过软件将总线频率设置为22 MHz。 3 智能控制器软件设计 3．1设计思路和方案 智能控制器的主要任务是实时检测和显示三 相电路的电流、电压等参数，同时判断电流是否大 于所设定的故障电流值而决定是否发出脱扣控制 信号。因此，通过采样计算出电流、电压的有效 值、功率和功率因数是软件设计的首要目标。本 文在设计中采用两级中断嵌套，将A／D转换中断 设为最高优先级，利用片内PWM作为A／D自动 采样转换的触发源。为保证实时性，在A／D中断 处理中不进行有效值的计算，只进行采样点累加 和定时计数器累加。利用输出比较(OC)中断，设 置每2ms进行一次中断处理，累加定时计数器并 计算电流、电压有效值和功率、功率因数及温度等 一215— 第十三届学术年会论文集 MC9S12DGl28B在低隘断路器智能控潮器中的应用 广 P弹啪 ×辅鳓 ___- ，_ p嘲’ 韵，归’ ， p—啦 Ia僦 ， 鞘籼 W斟∞ 鑫 盎秘掰撒 硒僦 容 乱 pn獬 嗡懒 pn哺 嘲脯翻黼 K俩钟 I溜l： 叼—嘲 =： K啉1 L。鬈}! 蝴嘲孵—哟 耄 誊，c蚺M a锭*帕 K—哺 裹W町 图2 MC9S12DGl28B芯片结构图 参数。测频采用输入捕捉(Ic)单元在A／D中断 程序中求取，在OC中断处理中计算频率的平均 值。A／D和OC中断处理程序流程如图4和图5 所示。 考虑到程序的简洁性，将键盘扫描和显示程 序放在主程序中执行，不采用中断嵌套的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，而 改用查询的方式。通过查询定时计数器，设置每 200ms执行一次键盘扫描，每400ms刷新一次报 警状态，2s刷新一次实时显示。软件的主程序流 ～216一 p黼：馘醚鳓Z PK!·XAOORl争 P豫：XADORlG： PIa·XAD潍17‘ P以：】【鑫OORI|：嗍·XA00^1$, P埘：蕊⋯： 燃 PTl 凇 m m m m 阱 程如图6所示。 3．2算法分析 本文采用交流采样的方法获取实时数据， MC9S12DGl28B的PWM每隔200“s发出1个触 发脉冲，启动A／D采样和转换，即每个工频周期 采样100个点，测量和保护均依据一定的算法在 这些采样点的基础上进行。为保证实时性，对采 样点采用“队列更新”的方法，在系统启动时先采 集100个点，以后每采1个点就替换队列中最早 篡篡器嚣 嚣嚣嚣嚣嚣器茎薹嚣嚣嚣 MC9S12DGl2SB在低压断路器智能控制器中的应用 第十三届学术年会论文集 聚玎_^M秘．a^^均斜，3 Sa们舻Wh麟Wp掣Pp2 ■0sl，厣嗍’玳Wpl脚' ■∞t帮WM∞删归a辫崦XN删Ⅳ哟 X～)0R'副P●口 X^DORl矾’ X～)Ⅸ秘材—濞 i。C潮嘞 iOe{辨l 蛤C蛰P≈ 幻C3}哟 !IIoD' V鹞1 IOC45rp4 IDe静P毽 瓮C刚雕罄 ioc引晰 X^O渊割p'毽 置^0豫tKffK4 K-¨'舢 翰眩}泖糟 啊∞∥蕊甄醒嫩∞ ^D科∞囝闰强搿靴 ^∞Rl霸璐1黼l 劓X承2{lDl国谨牌 捌)c披誊硌啪臣3潮3 ^D翻铀∞阉葛鲋雕珥 图3 MC9S12DGl28B管脚图 I关牟局中断I J l拧制、负载延时、脱扣器脉冲定时iI数器累加l J 输入捕捉杯志有效 l l对采样点进行累加求和汁笄l 申 1L 图4 A／D中断程序流程图 采样的点。这样就可以得到连续的最新采样值， 使每次计算都是用最新的100个点进行，实现非 失真采样，同时大大降低了计算量。 电流、电压的测量与保护采用真有效值法，由 单片机对采集的离散数据进行计算处理而得。有 功功率的计算采用二表法。三相视在功率可由三 相电流和电压的有效值计算得出，从而进一步算 出电路的功率因数和无功功率。值得注意的是， 由于在硬件电路中采用了RC滤波电路以及互感 器本身的相差，单片机采到的是有相移的信号，故 在软件中需要对相位进行补偿。 系统在MC9S12DGl28B的EEPROM中设定 了不同故障电流的门限值，单片机通过与计算得 出的电流有效值的比对，判断故障的类型和运行 相应的执行程序，从而实现短路瞬时、过载长延时 和短路短延时及负载监控等故障保护。 4 实验分析 本文设计的断路器智能控制器研制完成后在 福州大学低压电器检测中心(CNAL认证单位)进 行了大量的运行实验，取得很好的实验结果。 为检测控制器电流测量的精度，在不同电流 范围内进行了全面的检测，检测用互感器精度为 一217一 撩黧篓黔鬻黼 第十三届学术年会论文集 MC9S12DGl28B在低压硝盱路器智能控，钊器巾的应用 开全局中断 ● 关闭∞中断 + l定时计、数器累加l + I 计算电流电压有效值 I ● 引算功率、功率阗数 ● 计算频率和温度平均值 + 熟记忆处理N<参 Y●《铲 YI 故障判定 + 延时处理 ● 发m脱扣信号 + I 故障显示 + 负载I监控处理 ● 使能0c中断 ● (中断返同 ) 图5 OC中断程序流程图 图6主程序流程图 0．2级。表1为控制器显示电流值与实际值的比 较(数据来自福州大学低压电器检测中心)。 从表1中可以看出，以MC9S12DGl28B单片 机为核心的智能控制器在其额定电流以上的测量 范围内达到2％的测量精度，对低于额定电流的 电流测量精度也在5％以内，有效避免了由于测 量精度低带来的误报、误动的危险。 目前，以MC9S12DGl28B单片机为核心的智 能控制器已装配在低压断路器上，并在福州电业 局、同安民利电器有限公司及福州鑫威电器有限 公司等多家企业的低压配电系统中投入运行，情 况良好，未出现一次误动。 5 结 语 以MC9S12DGl28B单片机为核心的低压断 路器智能控制器的研制与运行表明，该控制器不 一218一 表1电流测量比较 仅运行可靠、实时性强、精度高、电磁兼容性好。 同时，本文也为MC9S12系列单片机在电力系统 领域的应用开辟了新的空间。 【参考文献】 [1]曾庆军，刘阳，金升福，等．基于CAN总线的低压 断路器新型可通信智能控制器研制[J]．低压电器， 2004(10)：28．31． [2]仇维斌，高国琴，赵跃华．DS80C390和CS5460在框 架式智能断路器控制器中的应用[J]．仪表技术与 传感器，2002(6)：27-29，32． [3]曾庆军，金升福，黄巧亮，等．关于万能式断路器智 能控制器[J]．电力自动化设备，2004(2)：79-83． [4]MC9S12DTl28BDeviceUserGuide[DB／OL]．http： ／／WWW．Freescal．corn．V01．092002．10． MC9S12DG128B在低压断路器智能控制器中的应用 作者： 郑昕， 朱方铁， 张培铭， 曾明忠 作者单位： 郑昕,张培铭(福州大学,电气工程与自动化学院,福建,福州,350002)， 朱方铁,曾明忠(福州 鑫威电器有限公司,福建,福州,350007) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6285283.aspx