LP2132芯片的備自投測(cè)控單元的硬件設(shè)計(jì)

摘要：采用模塊化的設(shè)計(jì)，以一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤，16／32位的ARM7TDMI-S CPU微控制器LPC2132為核心，配合其他功能芯片，完成硬件設(shè)計(jì)要求。考慮到強(qiáng)弱電信號(hào)之間的相互電磁干擾，在整體結(jié)構(gòu)上采用3層電路板，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電信號(hào)的隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾性、運(yùn)行的穩(wěn)定性和人員現(xiàn)場(chǎng)操作的安全性。本控制單元設(shè)計(jì)完全符合備自投配電終端智能化、小型化、多功能化的要求。

??? 文中以LPC2132芯片作為系統(tǒng)主控器，針對(duì)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)通信以及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等問題，設(shè)計(jì)出一種含兩主一備功能的備自投等多功能配電的硬件系統(tǒng)，其可以測(cè)量回路中的有功功率、無(wú)功功率、能量、電壓、電流、功率因數(shù)等功能。以兩路市電作為進(jìn)線，另加一路備用電源，通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)將兩段母線聯(lián)通供電，三路電源互為備用。該系統(tǒng)亦可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和備自投。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
??? 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用3層電路板：底層為信號(hào)采集電路板，因其上層多為大型元器件，為了保持測(cè)試儀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將其置于底層。該層主要用于信號(hào)的傳輸與變換，將外部傳送的大電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電壓電流信號(hào)；中間層為信號(hào)處理電路板，它將信號(hào)采集板傳送的小電壓電流信號(hào)進(jìn)行處理，該層也是本設(shè)計(jì)的主控電路板；上層是LCD顯示電路板，用于對(duì)從中間層傳送的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行顯示，如圖1所示。

2 微控制器的選擇
??? 本系統(tǒng)選擇LPC2132作為微控制器，它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32／16位ARM7TDMI-STM CPU微控制器，帶有64／128／256／512 kB的嵌入高速Flash存儲(chǔ)器。LPC2132具有多個(gè)32位定時(shí)器，1個(gè)(LPc2132)10位8路ADC，10位DAC，PWM通道，47個(gè)GPIO，9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。系統(tǒng)LPC2132外接口示意圖，如圖2所示。

3 系統(tǒng)中的RS485總線
3．1 RS485總線一般概念
??? 文中智能終端與上位機(jī)通訊所涉及的RS485串行通信接口技術(shù)，是由RS232，RS422技術(shù)逐步發(fā)展而來(lái)的。RS-485標(biāo)準(zhǔn)的最大傳輸距離約l 219 m，最大傳輸速率10 MB·s-1。RS-485具有在20 kB·s-1速率下能獲得使用規(guī)定中最長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度的能力。傳輸網(wǎng)絡(luò)采用平衡雙絞線作為傳輸媒體，絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，只有在很短的距離下才能獲得高速率傳輸，100 m長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為1 MB·s-1。
3．2本系統(tǒng)中的RS485總線
??? 本智能終端設(shè)計(jì)中使用的SN65HVDl2芯片，可以被直接嵌入到RS-485應(yīng)用電路中。微處理器的標(biāo)準(zhǔn)串行口通過RXD連接SN65HVDl2芯片的R引腳，TXD連接SP485R芯片的D引腳，具體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

4 系統(tǒng)的硬件安排
4．1 ARM主控設(shè)計(jì)
??? ARM主控模塊其結(jié)構(gòu)主要包括微處理器LPC2132、電源接口電路、晶振電路、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元、UART串行接口電路和SPI串行接口等。
??? (1)電源接口電路。電源部分是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它為處理器和各個(gè)部分提供工作電壓。電源設(shè)計(jì)必須考慮以下因素：輸出電壓、電流和功率、輸入電壓、電流、安全因素、輸出紋波、電磁兼容和電磁干擾以及體積、功耗和成本的限制。本設(shè)計(jì)中，需要使用12 V，5 V和3．3 V的直流穩(wěn)壓電源。其中LPC2132微處理器及部分外圍電路需要3．3 V或5 V的直流電源，而部分A／D轉(zhuǎn)換器則需要5 V的交流電源。電源接口電路分別，如圖4所示。

圖4電源接口電路
??? (2)晶振電路。其向LPC2132芯片及其他接口電路提供工作時(shí)鐘。其產(chǎn)生工作頻率為22．118 4 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)采用電容三端式晶振接入電路，如圖5所示。

??? (3)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元。FRAM利用鐵電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)器不會(huì)受磁場(chǎng)的影響，F(xiàn)RAM保持?jǐn)?shù)據(jù)不需要電壓和與DRAM一樣的周期性刷新。同普通ROM存儲(chǔ)器一樣使用，具有非易失性存儲(chǔ)特性。系統(tǒng)中采用FM3lXX系列鐵電存儲(chǔ)器中具有較大容量的FM3104存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，若需保存更長(zhǎng)時(shí)間，只需要增加鐵電存儲(chǔ)器即可，具體如圖6所示。

??? (4)顯示電路。本設(shè)計(jì)采用LCMl2864P中文液晶顯示模塊，該顯示模塊與單片機(jī)等微控器可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，可廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表、家用電器和信息產(chǎn)品。主控模塊與液晶顯示屏的接口電路，如圖7所示。

??? (5)UART串行接口電路。UART(通用異步收發(fā)器)是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)異步串行通信的通信接口電路，其允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信，輸入/輸出電平為TTL電平。LPC2132具有2個(gè)符合550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的異步串行口(UARt)UART0和UARTl。本系統(tǒng)中，UART電平與RS485電平的轉(zhuǎn)換選用SN65HVDl2，如前所述；

??? (6)SPI串行接口。LPC2131具有一個(gè)硬件SPI(SPI，Serial Peripheral Interface)接口，它是一個(gè)同步、全雙工串行接口，最大數(shù)據(jù)位速率為時(shí)鐘速率的l／8，可以配置為主機(jī)或從機(jī)。本系統(tǒng)SPI串口利用SN74HCl38D實(shí)現(xiàn)ADCl28S022的片選，也即實(shí)現(xiàn)回路選擇，如圖8所示。

4．2開關(guān)量輸入、輸出電路
??? 開關(guān)量輸入、輸出模塊實(shí)現(xiàn)的是配電監(jiān)控終端的遙信量采集和遙控量輸出的功能。遙信量包括故障指示器動(dòng)作信號(hào)、開關(guān)位置信號(hào)、異常信號(hào)燈數(shù)字量。遙控是對(duì)開關(guān)的控制。
??? 配電線路中，隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)及繼電器的開、合狀態(tài)，是通過檢測(cè)其專用輔助觸點(diǎn)位置得知的。開關(guān)和繼電器等因處于強(qiáng)電場(chǎng)中，電磁干擾較為嚴(yán)重，所以需采取抗電磁干擾措施。常用方法是光電隔離技術(shù)。本系統(tǒng)中使用TLP521-4。SN74HCl65D是一個(gè)8位移位寄存器，它將光電隔離電路傳送來(lái)的信號(hào)處理后傳給LPC2132進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)了抗電磁干擾。系統(tǒng)中開關(guān)量輸入光電隔離電路，如圖9所示。
4．3系統(tǒng)互感電路
??? 配電用戶一側(cè)電流較大，容易對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，同時(shí)系統(tǒng)器件一般都是低壓、低流工作環(huán)境，因此外電不能直接接入監(jiān)控終端，必須先將電網(wǎng)的電力信號(hào)經(jīng)過隔離轉(zhuǎn)換。文中選擇電壓、電壓互感器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)互感電路，如圖10所示。

5 結(jié)束語(yǔ)
??? 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的電力監(jiān)測(cè)是工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控的最佳選擇。文中以LPC2132微處理器為核心，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)測(cè)量有功、無(wú)功、視在功率、雙向有功、四象限無(wú)功電能、LCD顯示和備自投功能的電能監(jiān)控單元的硬件電路。