摘 要：直流系統(tǒng)絕緣的狀況直接影響變電站繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的安全運(yùn)行，一旦發(fā)生直流系統(tǒng)的異常接地，供電系統(tǒng)將面臨極大的危險(xiǎn)。為了在復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)條件下迅速準(zhǔn)確找出接地點(diǎn)，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直流接地探測(cè)系統(tǒng)手持探測(cè)器的開發(fā)設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，由于采用了獨(dú)創(chuàng)的探測(cè)方法，該設(shè)備與傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)相比無(wú)探測(cè)死區(qū)，使用方便簡(jiǎn)單，能對(duì)各種接地情況進(jìn)行有效探測(cè)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換；紅外通信；C語(yǔ)言；直流系統(tǒng)；接地

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0318503

Design of a Portable Detector on Detected DC System Exceptional Earthed

MENG Bo，MAO Taiping

(GuiZhou Computer Software Development Center，Guiyang，550000，China)

Abstract：DC system insulation condition direct influences the substation protection and automatic device safe operation，once will have the DC system exceptional earth，the power supply system faces great danger. In order to quickly and accurately discovers locations of earth under the complex field condition.Application SCM technology and electronic technology to achieve DC exceptional earth detection system of portable detector design.Practical applications show that the introduction of innovative methods of detection，compares with the traditional technology without the section of dead，the easy to operate is simple，can availably detected various earthed and obtains user higher appraisal.

Keywords：single chip；AD；IrDA；C language；DC system；earthed

直流接地探測(cè)系統(tǒng)一般由信號(hào)源和探測(cè)器構(gòu)成，是用于電力系統(tǒng)查找直流異常接地故障的專業(yè)工具，使用時(shí)不影響電氣設(shè)備的運(yùn)行，在不切斷直流電源的情況下進(jìn)行接地探測(cè)，目前國(guó)內(nèi)已有企業(yè)開發(fā)了多種型號(hào)的直流接地探測(cè)裝置，這里介紹一款探測(cè)裝置的手持探測(cè)器部分的軟硬件應(yīng)用設(shè)計(jì)。

1 手持探測(cè)器的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 硬件構(gòu)成

手持探測(cè)器硬件由電源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、LCD顯示模塊、IrDA通信模塊和語(yǔ)音提示模塊組成。硬件結(jié)構(gòu)圖見圖1。

1.2 處理器

手持探測(cè)器選擇高速、低功耗STC89C58單片處理器，他與8051系列處理器完全兼容，自帶32 kB的FLASH存儲(chǔ)器作為程序存儲(chǔ)器，RAM為1 280 B，16 kB E2PROM存儲(chǔ)器可以進(jìn)行字節(jié)讀寫和頁(yè)面擦除，系統(tǒng)主頻采用22.118 4 MHz晶振并應(yīng)用STC89C58的二倍速功能以加快處理能力，值得一提的是由于使用了內(nèi)部E2PROM來(lái)儲(chǔ)存系統(tǒng)的工作參數(shù)，節(jié)省了一片I2C存儲(chǔ)器和相應(yīng)的IO口線。

圖1 探測(cè)器硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3 信號(hào)調(diào)理模塊

該模塊包括被測(cè)模擬信號(hào)的放大、濾波、變換等功能。

1.4 AD轉(zhuǎn)換模塊

該模塊采用TI公司的12位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543C。TLC2543C器件有3個(gè)控制輸入端：片選、輸入/輸出時(shí)鐘和地址輸入。他可以通過(guò)一個(gè)串行三態(tài)輸出端與微處理器或其外圍串行口通信，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。TLC2543C有一個(gè)片內(nèi)14通道多路器可以在11個(gè)輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中任選一個(gè)。TLC2543C的采樣保持是自動(dòng)的，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出端電平由低變高時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。TLC2543C結(jié)合外部輸入的差分高阻抗基準(zhǔn)電壓，具有簡(jiǎn)化比率轉(zhuǎn)換、刻度及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)，開關(guān)電容的設(shè)計(jì)可以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有較小的轉(zhuǎn)換誤差。在手持探測(cè)器中使用了其中3個(gè)通道分別處理探測(cè)點(diǎn)的電流、電壓和電池檢測(cè)等功能，由于采用的微處理器無(wú)SPI功能，接口方法用4條IO口線P1.0，P1.1，P1.2和P1.3模擬SPI功能完成，詳見圖2。

1.5 IrDA通信模塊

該模塊采用ZILOG公司的ZHX1810和MICRO CHIP公司的MCP2120組成，在微處理器的控制下完成與信號(hào)源的數(shù)據(jù)通信。

ZILOG公司的ZHX1810是該公司的1 m IrDA收發(fā)器ZHX1010的小型版，主要應(yīng)用于移動(dòng)電話、便攜式打印機(jī)、筆記本電腦和PDA等產(chǎn)品，在極小的體積內(nèi)封裝了IrDA數(shù)據(jù)流的接收和發(fā)送功能，具有應(yīng)用電路簡(jiǎn)單和在關(guān)斷工作模式下器件靜態(tài)工作電流低于1 μA的特點(diǎn)。

MICRO CHIP公司的MCP2120是一款標(biāo)準(zhǔn)的UART與IrDA編碼/解碼器，包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)UART接口和IrDA串行數(shù)據(jù)流接口，他可以從UART接口接收串行數(shù)據(jù)經(jīng)編碼器編碼后變換為IrDA數(shù)據(jù)流發(fā)送到IrDA收發(fā)器，也可以從IrDA接口接收IrDA數(shù)據(jù)流經(jīng)解碼器解碼后通過(guò)UART接口送出串行數(shù)據(jù)，因此MCP2120可以方便的與單片微處理器和IrDA收發(fā)器一起構(gòu)成IrDA通信模塊，MCP2120具有低功耗和低電壓的特點(diǎn)，關(guān)斷工作模式下器件靜態(tài)工作電流低于3 μA。

IrDA通信模塊采用3.686 4 MHz晶振和固定的9 600 b/s波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，與微處理器的P3.0，P3.1，P3.6和P3.7連接，詳見圖2。

1.6 LCD模塊

系統(tǒng)顯示采用金鵬科技有限公司的OCMJ4X8型128×64點(diǎn)陣LCD模塊，該模塊有18條引出線，其中數(shù)據(jù)線8條與微處理器的P0口直接連接，3條控制線分別與處理器的P1.4，P1.5，P3.5連接，詳見圖2。LCD的上部128×16點(diǎn)陣顯示模擬坐標(biāo)和被探測(cè)線路信號(hào)幅值的動(dòng)態(tài)棒形圖，其他顯示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

1.7 鍵盤

3個(gè)鍵盤為探測(cè)鍵、校驗(yàn)鍵和幫助鍵，與P3.2，P3.3和P3.4連接，分別采用中斷和掃描模式進(jìn)行鍵盤處理，詳見圖2。

1.8 語(yǔ)音提示模塊

該模塊采用固化的漢語(yǔ)語(yǔ)音提示，由P1.6輸出的脈沖控制語(yǔ)音輸出，見圖2。

2 手持探測(cè)器的軟件開發(fā)

軟件開發(fā)采用C語(yǔ)言，共計(jì)45個(gè)子程序，源代碼長(zhǎng)度達(dá)到3 000行，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品說(shuō)明書的內(nèi)嵌和系統(tǒng)時(shí)鐘調(diào)校及記憶等輔助功能，極大地提高了產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和可操作性。

在產(chǎn)品的主要功能方面，由于創(chuàng)造性的采用了棒形圖，直觀顯示了被測(cè)對(duì)象的幅值、周期等參數(shù)，為使用者所樂(lè)見，軟件應(yīng)用了FFT變換，提高系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜環(huán)境干擾信號(hào)的適應(yīng)能力，系統(tǒng)總控流程見圖3。

圖2 探測(cè)器MCU及外部模塊電原理圖

圖3 系統(tǒng)總控流程

由系統(tǒng)原理圖可知，探測(cè)鍵直接與處理器的P3.3(外部中斷1)連接，當(dāng)探測(cè)鍵按下時(shí)引發(fā)中斷，中斷處理程序禁止本中斷以防止再次中斷，中斷處理程序設(shè)置相關(guān)標(biāo)志后返回，將探測(cè)處理工作交給系統(tǒng)總控程序處理，如果探測(cè)完成或探測(cè)期間釋放探測(cè)鍵，系統(tǒng)總控將開放本中斷并等待新的探測(cè)任務(wù)。

校驗(yàn)鍵直接與處理器的P3.2(外部中斷0)連接，當(dāng)校驗(yàn)鍵按下時(shí)引發(fā)中斷，中斷處理程序啟動(dòng)IrDA模塊和通信處理程序獲取校驗(yàn)參數(shù)后返回。

幫助鍵只有在開機(jī)和探測(cè)模式下使用，系統(tǒng)用掃描方式判斷幫助鍵是否按下，在開機(jī)后按下幫助鍵系統(tǒng)顯示操作說(shuō)明書；在探測(cè)模式下按下幫助鍵顯示有關(guān)探測(cè)的操作方法，在瀏覽幫助信息時(shí)按下校驗(yàn)鍵或探測(cè)鍵退出幫助模式并進(jìn)入相應(yīng)處理進(jìn)程。

系統(tǒng)啟用了處理器的兩個(gè)定時(shí)中斷T0和T2。T0處理包括AD轉(zhuǎn)換、電池狀態(tài)、棒形圖顯示、數(shù)值計(jì)算、方向判斷、周期處理、最值處理等與探測(cè)相關(guān)的所有事件，中斷頻率為50次/s。T2作為系統(tǒng)時(shí)標(biāo)使用，輔助T0的工作。

下面是AD轉(zhuǎn)換和處理器內(nèi)部E2PROM應(yīng)用程序清單，程序的參數(shù)部分和特殊功能寄存器在項(xiàng)目的頭文件(.h)內(nèi)進(jìn)行了定義，程序清單如下:

uint TLC2543(uchar channel) reentrant

{

uchar i，ch;

uint result;

uchar datah;

uchar datal;

ch=channel;

result=0;

datah=0;

datal=0 ;

ch<<=4;

SPICS=0;

SPICLK=0;

for(i=0;i<12;i++)//輸入12個(gè)時(shí)鐘脈沖

{

if(i<8) //輸入4位通道號(hào)，4位輸出方式

{

SPIDIN=(bit)(ch0x80);

ch<<=1;

}

clock_in();

}

for(i=0;i<10;i++);

SPICS=1;

SPICS=0;

for(i=0;i<12;i++) //輸出12位數(shù)據(jù)

{

if(i<4) //輸出高4位數(shù)據(jù)

{

datah<<=1;

datah|=SPIDOUT;

}

else//輸出低8位數(shù)據(jù)

{

datal<<=1;

datal|=SPIDOUT;

}

clock_in();

}

SPICS=1;

result=datah;

result<<=8;

result+=datal;

return(result);

}

bit ISP_OP(uchar addrh，uchar addrl，uchar command，uchar wait0) reentrant

{

ISP_ADDRH=addrh;

ISP_ADDRL=addrl;

ISP_CMD=0xf8;

ISP_CMD|=command;

if(command==0x02) //寫字節(jié)

{

ISP_DATA=MY_DATA;

}

EA=0;

ISP_CONTR=0x18;

ISP_CONTR|=wait0;

ISP_CONTR|=0x80;

ISP_TRIG=0x46;

ISP_TRIG=0xb9;

_nop_();

if(command==0x02)

{

ISP_DATA=0x00;

ISP_CMD=0xf8;

ISP_CMD|=0x01;

ISP_TRIG=0x46;

ISP_TRIG=0xb9;

_nop_();

ISP_CONTR=0x7f;

ISP_CONTR=0;

EA=1;

ISP_CMD=0;

ISP_TRIG=0;

ISP_ADDRH=0;

ISP_ADDRL=0;

if(ISP_DATA==MY_DATA)

{

return(1);

}

else

{

return(0);

}

}

ISP_CONTR=0x7f;

ISP_CONTR=0;

EA=1;

ISP_CMD=0;

ISP_TRIG=0;

ISP_ADDRH=0;

ISP_ADDRL=0;

if(command==1) //讀字節(jié)

{

MY_DATA=ISP_DATA;

return(1);

}

}

3 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工作中，由于采用了獨(dú)創(chuàng)的探測(cè)方法，與傳統(tǒng)直流接地探測(cè)技術(shù)相比，本系統(tǒng)無(wú)探測(cè)死區(qū)，能對(duì)各種接地情況進(jìn)行有效探測(cè)。在與其他探測(cè)產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)比武中，本系統(tǒng)均取得了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，得到用戶的好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

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[5]Texas Instruments Incorporated. TLC2543C，TLC2543I 12BTI Analog—to—Digital Converters with Serial Control and 11 Analog Inputs[DB/OL].SLAS079B.

[6]宏晶科技(深圳).STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)器件手冊(cè)[EB/OL].http://www.MCU—Memory.com.

作者簡(jiǎn)介 孟 波 男，1963年出生，貴州省貴陽(yáng)市人，工程師。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及軟件。

毛太平 男，1962年出生，江蘇省揚(yáng)州市人，碩士研究生。工程師，主要研究方向計(jì)算機(jī)軟件，人工智能系統(tǒng)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。