黨劍飛，余保慶，閆 勇

(駐馬店供電公司，駐馬店 463000）

0 引言

繼電保護是電網(wǎng)不可分割的一部分，它的作用是當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，迅速地有選擇地將故障設備從電力系統(tǒng)中切除，保證系統(tǒng)的其余部分快速恢復正常運行; 當發(fā)生不正常工作情況時，迅速地有選擇地發(fā)出報警信號，由運行人員手工切除那些繼續(xù)運行會引起故障的電氣設備。可見，繼電保護對保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和經濟運行，阻止故障的擴大和事故的發(fā)生，發(fā)揮著極其重要的作用。隨著電力系統(tǒng)自動化技術的不斷發(fā)展，對電力系統(tǒng)繼電保護裝置的要求也隨之提高，傳統(tǒng)電磁式繼電保護測試裝置已很難對繼電保護裝置的各方面特性進行全面測試，不再適應技術發(fā)展的需要。本文在充分調查和研究國內外繼電保護技術和繼電保護測試裝置技術發(fā)展的基礎上，根據(jù)當前微機型繼電保護測試裝置在系統(tǒng)結構上存在的不足，設計出一款基于P89C51單片機的繼電保護測試儀，以充分發(fā)揮微型計算機軟件開發(fā)和微處理器硬件操作兩方面的優(yōu)勢。

1 微機型繼電保護測試系統(tǒng)

微機型繼電保護測試系統(tǒng)，主要由信號控制單元、電流電壓放大器和開關量輸入通道組成。信號控制單元以微機為主構成，實質上是一個可編程的信號發(fā)生器，模擬電力系統(tǒng)各種正常和故障狀態(tài)下的電氣量，它輸出的是弱信號，經電流、電壓放大器放大成具有一定功率的電流、電壓激勵信號，開關量輸入通道檢測繼電保護裝置的保護動作信號。當前的繼電保護微機型測試裝置具有以下特點：

1）不同測試均可通過編制不同的軟件來實現(xiàn)，能正確模擬電力系統(tǒng)各種類型的瞬時、永久以及轉換性故障，整組試驗方便；

2）用數(shù)字方法合成試驗波形，如正弦波或疊加直流分量和高次諧波，可測試保護繼電器的穩(wěn)態(tài)特性或暫態(tài)特性；

3）輸出試驗電壓、電流的頻率可調節(jié)，能對頻率繼電器進行定值校驗試驗；

4）對現(xiàn)場電源無特殊要求，采用單相電源可獲得三相試驗電流、電壓的輸出，不受現(xiàn)場電源電壓畸變的影響，但輸出功率不易提高：

5）能自動搜索繼電器的定值，并能顯示(或打印)其定值、動作時間及動作特性曲線，能構成自動測試系統(tǒng)，智能化高；

6）操作界面采用人機對話方式，操作方便；不需外接表計，接線簡單。

2 基于98c51單片機的繼電保護測試儀芯片選擇

在本系統(tǒng)中，芯片選型考慮如下：

CPU：主要做控制應用，運算應用較少，運行速度不需要太高，考慮到開發(fā)的簡便性，選擇MCS-51系列單片機做主控CPU。綜合考慮，選用PHILIPS公司的P89C51。該型號CPU片內帶4KB FLASH程序存儲器，速度可達33MHz，全靜態(tài)操作，可直接控制64KB RAM和64KB ROM.

RAM：選取ISSI公司的IS61C512。該芯片容量為64KB，功耗低，價格便宜，而且與128KB容量的IS61C1024引腳兼容，便于替換。這里要考慮到系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量很大，而且進行程序更新時，還要用來緩存下載的程序代碼。

FLASH：系統(tǒng)對代碼存儲器容量需求較大，對掉電之后能保存數(shù)據(jù)的存儲器容量也有要求，綜合各種因素，選用AMD公司具有2MB容量的FLASH存儲器AM29F016B。該芯片引腳與4MB節(jié)容量的AM29F032B兼容，功耗低，容易使用。

液晶：主要作為人機交互的界面使用，中文顯示。界面顯示元素較多，需要稍大一點的顯示屏。為了降低開發(fā)難度，選用臺灣達威公司的240×128點陣液晶模塊。該液晶模塊已將控制器T6963C集成在內部，與單片機接口簡單，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長。

串口控制器：由于串行通信的速率要求比較高，而且系統(tǒng)需要兩個串行口，單片機自身難以完成，必須用外部擴展的串行口。本系統(tǒng)選用PILIPS公司的雙異步串行收發(fā)器SCC2692，速率可達115.2Kb/s,與單片機接口容易。電平轉換芯片選用MAXIM公司的RS-232串口電平轉換芯片MAX232.

可編程邏輯器件：系統(tǒng)中可編成邏輯器件的使用較為簡單，主要是用于系統(tǒng)中地址鎖存、地址譯碼、擴展控制口，占用的資源不多，選用Altera公司的常用CPLD芯片EPM7064即可。

時鐘器件：系統(tǒng)需要實時時鐘，用單片機軟件定時是不可行的，必須外擴一片帶電池的日歷時鐘芯片。本系統(tǒng)選用PHLIPS公司的PCF8563P芯片。

鍵盤：根據(jù)客戶需要，系統(tǒng)使用4×4陣列式薄膜鍵盤，考慮到單片機資源使用情況，直接使用單片機的P1口與鍵盤連接，應用軟件掃描識別按鍵，不再使用鍵盤控制芯片進行擴展。

3 硬件設計

3.1 總體結構

繼電保護測試儀的單片機模塊可細分為：單片機P89C51、存儲擴展部分、串行口擴展部分、液晶顯示部分、實時時鐘部分以及電源模塊?？傮w結構框圖如圖1所示。

圖1 繼電保護測試儀單片機模塊總體結構框圖

所有芯片均為+5V供電，由系統(tǒng)電源輸出，輸入到本模塊時，加磁珠和濾波電容進行濾波，減少電源對本模塊的干擾。

3.2 P89C51單片機電路

P89C51工作原理如圖2所示：

圖2 繼電保護測試儀單片機P89C51電路原理圖

單片機P89C51的P0端口（圖3.3中的D0～D7是它的網(wǎng)絡標號）和P2端口(A8～A15是它的網(wǎng)絡標號)作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，其中P0端口是地址/數(shù)據(jù)復用端口，低8位地址（A0～A7）由可編程邏輯器件EPM7064鎖存輸出.P1端口用來和4×4鍵盤接口，四根行線被拉高，這是一種最簡單的鍵盤連接方法，由軟件實現(xiàn)案件掃描、消抖動和識別鍵值。P3端口中P3.6和P3.7用于系統(tǒng)總線中的控制信號WR和RD，P3.0和P3.1通過軟件模擬用作總線中的數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL，P3.2作為外部中斷輸入端口用于串口控制器SCC2692，P3.3用于控制看門狗芯片。單片機的運行時鐘由外接的12MHz晶體和其內部的振蕩電路產生。單片機的復位和看門狗功能由芯片IMP706P完成。

3.3 存儲擴展電路

本文將RAM空間分配如下：

低端32KB(0x0000～0x7fff):用于外部數(shù)據(jù)存儲器擴展

高端32KB(0x8000～0xffff):留給外部設備擴展

本系統(tǒng)選用的RAM芯片具有64KB容量的存儲器，而系統(tǒng)需要更大容量的數(shù)據(jù)RAM，因此，本系統(tǒng)采用存儲器分體技術。將64KB的RAM分成兩個32KB的存儲器，使用該芯片的地址總線最高A15來區(qū)分，A15為“0”選擇一個存儲體，A15為“1”選擇另一個存儲體，將小存儲體的地址線(A0～A14)直接連到單片機地址總線的(A0～A14)，使其映射到分配的空間。存儲體的選擇信號使用一個軟件可以驅動的端口線來控制，比如P3端口的某根線，在本系統(tǒng)中由單片機的CPLD來控制。

本系統(tǒng)中ROM存儲空間分配如下：

0x0000～0x0fff共4KB：在單片機內部，存儲“在系統(tǒng)編程”的代碼

0x1000～0x8fff共32KB：使用存儲器分體技術分配給AM29F016B使用

0x9000～0xffff共28KB：系統(tǒng)不用。

本系統(tǒng)中，要應用超過64K字節(jié)容量的程序存儲器，也要像RAM一樣使用存儲器分體技術。

3.4 串行口擴展電路

根據(jù)系統(tǒng)的需求，使用PHILIPS公司的串行口擴展芯片SCC2692擴展了兩路串行口，一路與計算機通信。SCC2692芯片有多種封裝模式，這里選擇44腳的PLCC封裝。

系統(tǒng)串口擴展部分的電路原理如圖3所示。

圖3 串口擴展部分電路原理圖

將SCC2692引腳D0～D7連接到單片機的數(shù)據(jù)總線；將A0～A3連接到單片機地址總線的A0～A3；將引腳INTRN連接到單片機的外部中斷0（INT0）,WRN和RDN連接到單片機的WR和RD；在兩個振蕩器引腳X1，X2之間接入一個3.6864MHz的晶體（這樣該芯片的主時鐘即為3.68MHz）；將通道A的串行同信線TXDA、RXDA直接連接到內核模塊；將通道B的串行同心縣TXDB、RXDB通過電平轉換芯片MAX232連接到計算機；多功能輸入口線（IP0～IP6）和輸出口線（OP0～OP7）在本系統(tǒng)中沒有應用，可以不連。

3.5 實時時鐘電路

本系統(tǒng)提供實時時鐘，用于記錄使用儀表時的日期和時間。本文選用PHILIPS公司的日歷時鐘芯片PCF8563來實現(xiàn)。

PCF8563有16個8位寄存器：一個可自動增量的地址寄存器，一個內置32.768kHz的振蕩器（帶有一個內部集成的電容），一個分頻器（用于給實時時鐘RTC提供源時鐘），一個可編程時鐘輸出，一個定時器，一個警報器，一個掉電檢測器和一個400kHz總線接口。所有16個寄存器設計成可尋址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前兩個寄存器（內存地址00H,01H）用于控制寄存器和狀態(tài)寄存器，內存地址02H～08H用于時鐘計數(shù)器（秒～年計數(shù)器），地址09H～0CH用于報警寄存器（定義報警條件），地址0DH控制CLKOUT引腳的輸出頻率，地址0EH和0FH分別用于定時器控制寄存器和定時器寄存器。秒、分鐘、小時、日、月、年、分鐘報警、小時報警、日報警寄存器均為BCD格式編碼，而星期和星期報警寄存器不以BCD格式編碼。當一個RTC寄存器被讀時?，所有計數(shù)器的內存被鎖存，因此，在傳送條件下，可以禁止對時鐘/日歷芯片的錯讀。 實時時鐘電路原理圖如圖4所示。

圖4 繼電保護測試儀實時時鐘電路原理圖

4 軟件流程

整個系統(tǒng)的軟件設計相當復雜，軟件編寫工作量很大。使用單片機C語言來編寫大型模塊化程序，可以大大降低程序編寫的難度和工作量。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 繼電保護測試儀單片機系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)上電時。先運行單片機內部的boot程序，配置FLASH和RAM，初始化串行控制器，在0.5秒內查詢是否有程序更新指令，若有，則運行更新程序，若無則轉至外部FLASH程序存儲區(qū)，執(zhí)行系統(tǒng)程序。

5 結論

本文詳細介紹了繼電保護測試儀P89C51單片機模塊的硬件和軟件設計過程。在進行本項目設計時，需要注意以下幾點：

1）軟、硬件設計都需要考慮模塊化設計。硬件模塊化設計有利于調試，軟件模塊化設計有利于程序編寫和分工合作。

2）項目方案制定后，先應進行硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的總和設計；確定各部分所要完成的功能，再分開來設計，加快項目進度。

3）硬件設計要盡量選用典型、成熟的電路，便于快速調通硬件，縮短項目時間。

4）數(shù)字邏輯盡量使用可編程邏輯器件實現(xiàn)，既可以減少芯片數(shù)量和PCB板面積，也可以增加電路設計的靈活性。

[1] 楊暉.大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷c數(shù)字系統(tǒng)設計[M].北京:航空航天大學出版社,1997.

[2] 李杏春.51單片機原理及實用接口技術[M].北京北京航空航天大學出版社,1996.

[3] 高海生.單片機應用技術大全[M].成都西南交通大學出版社,1996．

[4] 劉樂善.微型計算機接口技術原理及應用[M].武漢華中理工大學出版社,1996.

[5] 賀家李.超高壓輸電線故障分析與繼電保護[M].北京:科學出版社,1987.

[6] 陳德樹.計算機繼電保護原理與技術[M].北京:水利電力出版社,1992.

[7] 葛耀中.新型繼電保護與故障測距原理與技術[M].西安:西安交通大學出版社,1996.

[8] 于霞.通信電源設備集中監(jiān)控系統(tǒng)中的開關量采集[J].南京郵電學院學報,1997,4.