姜龍1 / 馬新慧2 / 孫吉頓1
1.上海安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801；2.中機十院國際工程有限公司，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，該方案利用其片內高精度16位ADC和高速32位COLDFIRE-V1核較好的實現了保護、測量、控制、管理和通訊功能，從而經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
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，實現智能化、網絡化、一體化功能，提高設備智能化管理水平，方便用戶的使用。本文研發的低壓測控裝置就能完整的實現上述的控制、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，結合內置保護算法處理，根據需要來實現保護的投入、退出、報警或者跳閘，實現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；具有強大的網絡通訊功能，采用標準的RS485，MODBUS_RTU協議（可擴展PROFIBUS-DP，工業以太網，CAN網絡的DEVICENET）協議可輕松地實現組網功能，方便用戶的維護和管理[1] 。一個典型的低壓測控裝置結構示意圖如圖1，它從主回路中采集電壓、電流、溫度等信號，經內部的MCU高速處理，結合開關量輸入信號DI進行開關量輸出控制處理，帶有人機交互顯示功能，豐富的網絡通訊接口可方便用戶的管理。
圖1 低壓測控裝置結構示意圖
2 系統硬件設計
2.1 MCU 選型
MCU是低壓測控裝置的核心，它實現了數據采集、數據處理、輸出控制、網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 內核（具有硬件乘法累加MAC單元）,片內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，結合高速的32位COLDFIRE核，可實現各種測控保護運算算法。硬件獨立的RTC和兩個安全的FLASH內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，可實現多種網絡通訊功能，內部集成了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字量的輸入采集和輸出控制。借助CODEWARRIOR-IDE開發平臺和免費的MQX 操作系統，可高效快速的進行軟件開發[3]。
圖2 MCF51EM256功能框圖
圖3 內置MQX操作系統的CODEWARRIOR開發環境
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MCU內部的基準抬高后進運放放大、濾波后直接連接MCU內部的4個8通道的16位ADC引腳，借助MCU內部PDB模塊來啟動ADC的交流采樣轉換并提供MCU采集ADC轉換結果的中斷服務，這種不用MCU程序控制的數據采集方式提高了MCU的運行效率。用于監測斷路器、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絡通訊結構，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協議模塊，支持01、02、03、04、06、10等命令操作。同時利用片內另外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開發環境及免費開源的MQX（Message Queue eXecutive:消息隊列執行）操作系統，結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據預處理、保護判斷、驅動輸出、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 操作系統移植
為了適應不同體系結構的處理器和開發板，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，硬件驅動由硬件設計方具體實現，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的驅動代碼，開發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
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、過電壓判斷并根據整定的要求進行故障輸出。同時根據系統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，將任務分解成數據采集及數據預處理，特征量運算及保護判斷，驅動輸入輸出、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 結束語
本文采用Freescale公司最新的MCF51EM256，利用其片內高精度16位ADC和高速32位處理器，借助CODEWARRIOR和MQX的操作系統的軟件環境，通過模塊化的軟件架構和豐富的低壓保護和工業現場控制要求經驗編寫軟件來實現智能化的保護、測量、控制、網絡通訊和管理功能，具有良好的先進性和經濟性，具有一定的參考價值。
文章來源于：《智能建筑電氣技術》2012年3期。
參考文獻
[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會. GB14048.4-2010低壓開關設備和控制設備[S].北京：中國標準出版社， 2011.
[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.
