基于MCF51EM256低壓保護測控裝置的研發(fā)
孫麗莉
摘 要：在分析低壓配電監(jiān)控需求的基礎上，提出了基于MCF51EM256單芯片SOC的解決方案，該方案利用其片內(nèi)高精度16位ADC和高速32位COLDFIRE-V1核較好的實現(xiàn)了保護、測量、控制、管理和通訊功能，從而經(jīng)濟高效地滿足了低壓測控裝置的完整需求，具有較高的參考價值。
關鍵詞：低壓測控 微機 保護 MCF51EM256 MQX操作系統(tǒng)
Abstract On the basis of analyzing the demand of low voltage distribution monitoring, this paper put forward a solution based on single chip SOC MCF51EM256, it uses the 16-bit high precision ADC and 32-bit high speed COLDFIRE-V1 core of the SOC to realize protection, measurement, control and communication, thus the whole needs of the low voltage measuring and control device are met economically and efficiently, it has very high reference value.
Keywords low voltage measuring and control, microcomputer, protection, MCF51EM256, MQX operation system
0 引言
在交流50Hz，380V（660V）低壓系統(tǒng)中，配出回路繁多，配電柜空間狹小，低壓終端上的電機或者其他饋線設備都需要智能化綜合測控裝置，配合接觸器、斷路器等，實現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡化、一體化功能，提高設備智能化管理水平，方便用戶的使用。本文研發(fā)的低壓測控裝置就能完整的實現(xiàn)上述的控制、測量、保護、通訊和管理一體化的功能。
1 低壓測控裝置功能概述
低壓測控裝置能直接交流采樣三相交流電流、三相交流電壓、溫度熱電阻、漏電流信號，通過高速MCU處理器計算負載電流、接地電流、電壓、不平衡度、功率、電能等參數(shù)，結(jié)合內(nèi)置保護算法處理，根據(jù)需要來實現(xiàn)保護的投入、退出、報警或者跳閘，實現(xiàn)可選擇性的保護功能；通過開關量的輸入輸出功能，配合接觸器、斷路器可完成相關的控制邏輯實現(xiàn)一定的工藝連鎖或控制保護功能；如應用在MCC回路中，可完成馬達的直接啟動，可逆啟動，Y-△的啟動控制；具有強大的網(wǎng)絡通訊功能，采用標準的RS485，MODBUS_RTU協(xié)議（可擴展PROFIBUS-DP，工業(yè)以太網(wǎng)，CAN網(wǎng)絡的DEVICENET）協(xié)議可輕松地實現(xiàn)組網(wǎng)功能，方便用戶的維護和管理[1]。一個典型的低壓測控裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，它從主回路中采集電壓、電流、溫度等信號，經(jīng)內(nèi)部的MCU高速處理，結(jié)合開關量輸入信號DI進行開關量輸出控制處理，帶有人機交互顯示功能，豐富的網(wǎng)絡通訊接口可方便用戶的管理。
低壓測控裝置能直接交流采樣三相交流電流、三相交流電壓、溫度熱電阻、漏電流信號，通過高速MCU處理器計算負載電流、接地電流、電壓、不平衡度、功率、電能等參數(shù)，結(jié)合內(nèi)置保護算法處理，根據(jù)需要來實現(xiàn)保護的投入、退出、報警或者跳閘，實現(xiàn)可選擇性的保護功能；通過開關量的輸入輸出功能，配合接觸器、斷路器可完成相關的控制邏輯實現(xiàn)一定的工藝連鎖或控制保護功能；如應用在MCC回路中，可完成馬達的直接啟動，可逆啟動，Y-△的啟動控制；具有強大的網(wǎng)絡通訊功能，采用標準的RS485，MODBUS_RTU協(xié)議（可擴展PROFIBUS-DP，工業(yè)以太網(wǎng)，CAN網(wǎng)絡的DEVICENET）協(xié)議可輕松地實現(xiàn)組網(wǎng)功能，方便用戶的維護和管理[1]。一個典型的低壓測控裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，它從主回路中采集電壓、電流、溫度等信號，經(jīng)內(nèi)部的MCU高速處理，結(jié)合開關量輸入信號DI進行開關量輸出控制處理，帶有人機交互顯示功能，豐富的網(wǎng)絡通訊接口可方便用戶的管理。
圖1 低壓測控裝置結(jié)構(gòu)示意圖
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 MCU選型
MCU是低壓測控裝置的核心，它實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制、網(wǎng)絡通訊和人機交互功能。這里采用Freescale公司最近推出的MCF51EM256的處理器，它采用高速32位 ColdFire V1 內(nèi)核（具有硬件乘法累加MAC單元）,片內(nèi)集成帶可編程延遲模塊PDB和4個16位SAR型ADC，PDB可以直接控制觸發(fā)ADC的采樣，完成了高精度的電壓、電流、漏電流、溫度的交流采樣和測量，結(jié)合高速的32位COLDFIRE核，可實現(xiàn)各種測控保護運算算法。硬件獨立的RTC和兩個安全的FLASH內(nèi)存可完成事件記錄管理功能，同時通過遠程固件更新，減少裝置的維護成本。多達3個SPI、3個SCI和1個I2C接口，可實現(xiàn)多種網(wǎng)絡通訊功能，內(nèi)部集成了2個TPM多功能定時器模塊和1個16位、2個8位定時模塊以及豐富的GPIO口，可方便的完成定時中斷和各種開關數(shù)字量的輸入采集和輸出控制。借助CODEWARRIOR-IDE開發(fā)平臺和免費的MQX 操作系統(tǒng)，可高效快速的進行軟件開發(fā)[3]。
圖2 MCF51EM256功能框圖
圖3 內(nèi)置MQX操作系統(tǒng)的CODEWARRIOR開發(fā)環(huán)境
2.2 信號處理
低壓保護測控裝置主要采集的有三相交流電流，三相交流電壓、漏電流和溫度的8路模擬信號。通過電阻分壓、電流傳感器等方式進行信號取樣，經(jīng)MCU內(nèi)部的基準抬高后進運放放大、濾波后直接連接MCU內(nèi)部的4個8通道的16位ADC引腳，借助MCU內(nèi)部PDB模塊來啟動ADC的交流采樣轉(zhuǎn)換并提供MCU采集ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的中斷服務，這種不用MCU程序控制的數(shù)據(jù)采集方式提高了MCU的運行效率。用于監(jiān)測斷路器、接觸器的開關信號的9路開關量干接點開關輸入信號經(jīng)過光耦隔離后接入MCU的GPIO引腳,MCU通過中斷定時查詢的方式獲取現(xiàn)場開關信息。MCU通過高速信號采集和智能化分析和邏輯處理后通過片內(nèi)的GPIO輸出5路繼電器來進行保護和控制輸出操作，信號處理電路見圖4。
圖4 信號處理電路
2.3 通訊電路
低壓保護測控裝置采用總線型的分布式網(wǎng)絡通訊結(jié)構(gòu)，目前主流的是RS485-ModBus總線、RS485-ProfiBus總線、CAN-DeviceNet總線，其中最常用的是RS485的ModBus總線。通過MCF51EM256片內(nèi)的SCI單元，采用高速光耦6N137隔離和TI的抗ESD的SN75LBC184的485芯片硬件設計，軟件編寫MODBUS-RTU協(xié)議模塊，支持01、02、03、04、06、10等命令操作。同時利用片內(nèi)另外2個SCI部分，可外擴展標準的ProfiBus-DP、CAN-DeviceNet、Ethernet模塊可完成其他總線網(wǎng)絡的通訊。RS485-ModBus通訊電路見圖5.
圖5 RS485通訊電路
2.4 MCU外圍及人機交互
通過MCU片內(nèi)LCD模塊可支持8×36點的段碼LCD顯示，可方便用戶簡單交互調(diào)試；通過I2C/SCI接口同外接顯示模塊連接，完成人機交互操作。MCF51EM256的外圍電路圖見圖6。
圖6 MCF51EM256外圍電路
3 軟件設計
利用FREESCALE的CODEWARRIOR開發(fā)環(huán)境及免費開源的MQX（Message Queue eXecutive:消息隊列執(zhí)行）操作系統(tǒng)，結(jié)合低壓保護測控裝保護算法，合理的進行任務劃分和任務模塊編寫，按保護測控裝置的交流采樣及數(shù)據(jù)預處理、保護判斷、驅(qū)動輸出、人機交互及通訊進行任務劃分，并進行相關任務模塊的程序編寫，實現(xiàn)軟件中良好的移植維護性和高可靠性要求。
3.1 MQX操作系統(tǒng)移植
為了適應不同體系結(jié)構(gòu)的處理器和開發(fā)板，MQX必須把一部分與具體硬件設備相關的代碼作為抽象的接口保留出來，硬件驅(qū)動由硬件設計方具體實現(xiàn)，這就是MQX移植，在MQX的BSP、PSP的文件夾中進行修改和剪裁，MQX3.6及以后的版本均支持MCF51EM256的BSP、PSP的驅(qū)動代碼，開發(fā)者只做少量移植工作就能適應不同項目的需求，同時通過對user_config.h進行配置，可選擇打開/關閉外設來進行剪裁。
3.2 保護原理及算法實現(xiàn)
低壓保護測控裝置的算法包括了交流采樣中的付式算法（計算基波分量），序量分量計算（正序、零序、負序），在運行參數(shù)測量和上述特征量計算后進行各種故障判斷，如短路、過載、缺相、低電壓、過電壓判斷并根據(jù)整定的要求進行故障輸出。同時根據(jù)系統(tǒng)配置的邏輯控制要求進行相應的DI和DO控制操作。
3.3 軟件框圖
根據(jù)低壓保護測控裝置軟件中實時性和準確性的要求，將任務分解成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預處理，特征量運算及保護判斷，驅(qū)動輸入輸出、通訊、人機交互，任務間采用信號量進行通訊。程序框圖如下，可見采用操作系統(tǒng)的編程方式，由于每個模塊和任務都是獨立、實時性的在運行，非常適合于低壓保護測控裝置下的模塊移植化、任務實時運行的要求。
圖7 軟件框圖
4 結(jié)束語
本文采用Freescale公司最新的MCF51EM256，利用其片內(nèi)高精度16位ADC和高速32位處理器，借助CODEWARRIOR和MQX的操作系統(tǒng)的軟件環(huán)境，通過模塊化的軟件架構(gòu)和豐富的低壓保護和工業(yè)現(xiàn)場控制要求經(jīng)驗編寫軟件來實現(xiàn)智能化的保護、測量、控制、網(wǎng)絡通訊和管理功能，具有良好的先進性和經(jīng)濟性，具有一定的參考價值。
