姜龍1 / 馬新慧2 / 孫吉頓1
1.安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801；
2.中機(jī)十院國(guó)際工程有限公司，北京 100083
Research and Design of Low Voltage Protection Measuring and Control Device Based on MCF51EM256
Jiang Long / Ma Xinhui / Sun Jidun
摘 要 在分析低壓配電監(jiān)控需求的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)了保護(hù)、測(cè)量、控制、管理和通訊功能，從而經(jīng)濟(jì)高效地滿足了低壓測(cè)控裝置的完整需求，具有較高的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞 低壓測(cè)控 微機(jī) 保護(hù) 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(jī)或者其他饋線設(shè)備都需要智能化綜合測(cè)控裝置，配合接觸器、斷路器等，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化功能，提高設(shè)備智能化管理水平，方便用戶的使用。本文研發(fā)的低壓測(cè)控裝置就能完整的實(shí)現(xiàn)上述的控制、測(cè)量、保護(hù)、通訊和管理一體化的功能。
1 低壓測(cè)控裝置功能概述
低壓測(cè)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(hào)，通過(guò)高速M(fèi)CU處理器計(jì)算負(fù)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(hù)算法處理，根據(jù)需要來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的投入、退出、報(bào)警或者跳閘，實(shí)現(xiàn)可選擇性的保護(hù)功能；通過(guò)開關(guān)量的輸入輸出功能，配合接觸器、斷路器可完成相關(guān)的控制邏輯實(shí)現(xiàn)一定的工藝連鎖或控制保護(hù)功能；如應(yīng)用在MCC回路中，可完成馬達(dá)的直接啟動(dòng)，可逆啟動(dòng)，Y-△的啟動(dòng)控制；具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485，MODBUS_RTU協(xié)議（可擴(kuò)展PROFIBUS-DP，工業(yè)以太網(wǎng)，CAN網(wǎng)絡(luò)的DEVICENET）協(xié)議可輕松地實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能，方便用戶的維護(hù)和管理[1]。一個(gè)典型的低壓測(cè)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(hào)，經(jīng)內(nèi)部的MCU高速處理，結(jié)合開關(guān)量輸入信號(hào)DI進(jìn)行開關(guān)量輸出控制處理，帶有人機(jī)交互顯示功能，豐富的網(wǎng)絡(luò)通訊接口可方便用戶的管理。
圖1 低壓測(cè)控裝置結(jié)構(gòu)示意圖
2.1 MCU選型
MCU是低壓測(cè)控裝置的核心，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制、網(wǎng)絡(luò)通訊和人機(jī)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(gè)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(cè)量，結(jié)合高速的32位COLDFIRE核，可實(shí)現(xiàn)各種測(cè)控保護(hù)運(yùn)算算法。硬件獨(dú)立的RTC和兩個(gè)安全的FLASH內(nèi)存可完成事件記錄管理功能，同時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程固件更新，減少裝置的維護(hù)成本。多達(dá)3個(gè)SPI、3個(gè)SCI和1個(gè)I2C接口，可實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)通訊功能，內(nèi)部集成了2個(gè)TPM多功能定時(shí)器模塊和1個(gè)16位、2個(gè)8位定時(shí)模塊以及豐富的GPIO口，可方便的完成定時(shí)中斷和各種開關(guān)數(shù)字量的輸入采集和輸出控制。借助CODEWARRIOR-IDE開發(fā)平臺(tái)和免費(fèi)的MQX 操作系統(tǒng)，可高效快速的進(jìn)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(hào)處理
低壓保護(hù)測(cè)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(hào)。通過(guò)電阻分壓、電流傳感器等方式進(jìn)行信號(hào)取樣，經(jīng)MCU內(nèi)部的基準(zhǔn)抬高后進(jìn)運(yùn)放放大、濾波后直接連接MCU內(nèi)部的4個(gè)8通道的16位ADC引腳，借助MCU內(nèi)部PDB模塊來(lái)啟動(dòng)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(wù)，這種不用MCU程序控制的數(shù)據(jù)采集方式提高了MCU的運(yùn)行效率。用于監(jiān)測(cè)斷路器、接觸器的開關(guān)信號(hào)的9路開關(guān)量干接點(diǎn)開關(guān)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后接入MCU的GPIO引腳,MCU通過(guò)中斷定時(shí)查詢的方式獲取現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)信息。MCU通過(guò)高速信號(hào)采集和智能化分析和邏輯處理后通過(guò)片內(nèi)的GPIO輸出5路繼電器來(lái)進(jìn)行保護(hù)和控制輸出操作，信號(hào)處理電路見圖4。
圖4 信號(hào)處理電路
2.3 通訊電路
低壓保護(hù)測(cè)控裝置采用總線型的分布式網(wǎng)絡(luò)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(guò)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(shè)計(jì)，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(shí)利用片內(nèi)另外2個(gè)SCI部分，可外擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的ProfiBus-DP、CAN-DeviceNet、Ethernet模塊可完成其他總線網(wǎng)絡(luò)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(jī)交互
通過(guò)MCU片內(nèi)LCD模塊可支持8×36點(diǎn)的段碼LCD顯示，可方便用戶簡(jiǎn)單交互調(diào)試；通過(guò)I2C/SCI接口同外接顯示模塊連接，完成人機(jī)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(shè)計(jì)
利用FREESCALE的CODEWARRIOR開發(fā)環(huán)境及免費(fèi)開源的MQX（Message Queue eXecutive:消息隊(duì)列執(zhí)行）操作系統(tǒng)，結(jié)合低壓保護(hù)測(cè)控裝保護(hù)算法，合理的進(jìn)行任務(wù)劃分和任務(wù)模塊編寫，按保護(hù)測(cè)控裝置的交流采樣及數(shù)據(jù)預(yù)處理、保護(hù)判斷、驅(qū)動(dòng)輸出、人機(jī)交互及通訊進(jìn)行任務(wù)劃分，并進(jìn)行相關(guān)任務(wù)模塊的程序編寫，實(shí)現(xiàn)軟件中良好的移植維護(hù)性和高可靠性要求。
3.1 MQX操作系統(tǒng)移植
為了適應(yīng)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(shè)備相關(guān)的代碼作為抽象的接口保留出來(lái)，硬件驅(qū)動(dòng)由硬件設(shè)計(jì)方具體實(shí)現(xiàn)，這就是MQX移植，在MQX的BSP、PSP的文件夾中進(jìn)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(dòng)代碼，開發(fā)者只做少量移植工作就能適應(yīng)不同項(xiàng)目的需求，同時(shí)通過(guò)對(duì)user_config.h進(jìn)行配置，可選擇打開/關(guān)閉外設(shè)來(lái)進(jìn)行剪裁。
3.2 保護(hù)原理及算法實(shí)現(xiàn)
低壓保護(hù)測(cè)控裝置的算法包括了交流采樣中的付式算法（計(jì)算基波分量），序量分量計(jì)算（正序、零序、負(fù)序），在運(yùn)行參數(shù)測(cè)量和上述特征量計(jì)算后進(jìn)行各種故障判斷，如短路、過(guò)載、缺相、低電壓、過(guò)電壓判斷并根據(jù)整定的要求進(jìn)行故障輸出。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)配置的邏輯控制要求進(jìn)行相應(yīng)的DI和DO控制操作。
3.3 軟件框圖
根據(jù)低壓保護(hù)測(cè)控裝置軟件中實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，將任務(wù)分解成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理，特征量運(yùn)算及保護(hù)判斷，驅(qū)動(dòng)輸入輸出、通訊、人機(jī)交互，任務(wù)間采用信號(hào)量進(jìn)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(gè)模塊和任務(wù)都是獨(dú)立、實(shí)時(shí)性的在運(yùn)行，非常適合于低壓保護(hù)測(cè)控裝置下的模塊移植化、任務(wù)實(shí)時(shí)運(yùn)行的要求。
圖7 軟件框圖
4 結(jié)束語(yǔ)
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(guò)模塊化的軟件架構(gòu)和豐富的低壓保護(hù)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制要求經(jīng)驗(yàn)編寫軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化的保護(hù)、測(cè)量、控制、網(wǎng)絡(luò)通訊和管理功能，具有良好的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，具有一定的參考價(jià)值。
文章來(lái)源于：《智能建筑電氣技術(shù)》2012年3期。
參考文獻(xiàn)
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[2] MCF51EM256RM MCF51EM256 Series ColdFire® Integrated Microcontroller Reference Manual MCF51EM256 Datasheet[Z]. Freescale:2010,4.
[3] MQXRM Freescale MQX™ RTOS Reference Manual[Z]. Freescale：2010，8.
作者簡(jiǎn)介：姜龍，1976年出生，工學(xué)碩士，工程師，從事智能配電類產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)管理工作。
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