基于DS80C320的主從逆變電源監控系統的設計與實現

摘要：介紹了基于DS80C320的主從逆變電源監控系統的設計方案，從硬件結構，軟件編制和抗干擾措施三方面進行了詳細討論，并對單片機鎖相技術進行了介紹。實際運行表明，本監控系統完全滿足實際需要，性能良好。

關鍵詞：單片機；逆變電源；鎖相；抗干擾

0??? 引言

??? 本監控系統是為鐵路用4kVA/25Hz主從熱備份逆變電源系統設計的。

??? 4kVA/25Hz主從逆變電源是電氣化鐵路區段信號系統的關鍵設備，有兩相輸出：110V/1.6kVA局部電壓（A相）；220V/2.4kVA軌道電壓（B相）；兩相均為25Hz，且要求A相恒超前B相90°。由于逆變器是給重要負載供電，且負載不允許斷電，故采用雙機熱備份系統，一旦主機發生故障，要求在規定時間內實現切換，因此，備份逆變器一直處于開機狀態。由于逆變器經過了整流，逆變兩級能量變換，功率較大，且指標要求較高，必須要采用先進的控制技術；同時為了安全實現主從切換，也必須要有完善的監控系統來實現鎖相，保證整機的安全。

1??? 監控系統總體設計要求

??? 根據實際情況，本系統主要完成以下功能：

??? 1）主從切換功能??? 主從控制之間實現準確無誤的切換，具有自動和手動兩種功能，保證切換時電壓同頻率，同相位，同幅值；

??? 2）鎖相功能??? 主從機組局部電壓同頻同相，同一機組內A相恒超前B相90°；

??? 3）完善的保護功能??? 具有軟起動功能，以避免啟動瞬間電壓過沖對逆變器及負載的沖擊，以及輸出過壓、過流保護，頻率、相位超差保護，橋臂直通保護，過熱保護等；

??? 4）顯示功能??? 實時顯示運行參數及工作狀態并具有聲光報警功能，以提示值班人員及時排除故障；

??? 5）通信功能??? 具有主從機組之間通信，與監控中心（上位機）通信等功能；

??? 6）抗干擾功能??? 系統具有良好的抗干擾能力。

2??? 系統硬件電路設計

2.1??? DS80C320單片機簡介

??? DS80C320是DALLAS公司的高速低功耗8位單片機。它與80C31/80C32兼容，使用標準8051指令集。與普通單片機相比有以下新特點：

??? 1）為P1口定義了第二功能，從而共有13個中斷源（其中外部中斷6個），3個16位定時/計數器，兩個全雙工硬串行口；

??? 2）高速性能，4個時鐘周期/機器周期，最高振蕩頻率可達33MHz，雙數據指針DPTR；

??? 3）內置可編程看門狗定時器，掉電復位電路；

??? 4）提供DIP，PLCC和TQFP三種封裝。

2.2??? 基于DS80C320的監控系統硬件電路設計

??? 按照上述系統設計要求，設計了如圖1所示的監控系統。監控系統采用模塊化的設計思想，分為微處理器及外設模塊，模擬量采集模塊，開關量采集模塊，頻率及相差測量模塊，控制量輸出模塊，人機接口模塊，同步信號模塊以及通信模塊。

圖1??? 監控系統硬件框圖

??? 1）微處理器及外設模塊??? 微處理器采用DS80C320，非常適合于監控。本系統充分利用前面已提及的特點，簡化了硬件設計與編程，從而提高了整個系統的可靠性。根據系統需要擴展了一片8255，一片E2PROM和一片8254。

??? 2）模擬量采集模塊??? 根據采集精度要求以及被采集量變化緩慢的特點，采用AD公司的高速12位逐次逼近式模數轉換器AD574A，其內部集成有轉換時鐘，參考電壓源和三態輸出鎖存器，轉換時間25μs，并通過ADG508A擴展模擬量輸入通道。

??? 3）開關量采集模塊??? 首先經光耦進行隔離后，再通過與門送入單片機的外部中斷口，同時通過8255送入單片機，采取先中斷后查詢的方式。

??? 4）頻率及相差測量模塊??? 信號先經過具有遲滯特性的過零比較器轉換為方波，然后通過雙四選一開關4052送入單片機，通過定時器T0來計算頻率和相差。

??? 5）控制量輸出模塊??? 通過光耦控制輸出，實現可靠隔離。

??? 6）人機接口模塊??? 包括按鍵和顯示部分。通過簡單的按鍵選擇，實現電流、電壓、頻率及相差的顯示。顯示部分采用8279驅動8位七段LED顯示，同時通過發光二極管和蜂鳴器提示運行狀態。

??? 7）同步信號模塊??? 本模塊用來實現鎖相。單片機控制8254產生局部同步脈沖和軌道同步脈沖，同步脈沖用來復位正弦基準。通過軟件控制同步信號的頻率，可實現主從鎖相和局部及軌道的相位跟蹤。具體實現過程將在下文詳述。

??? 8）通信模塊??? 采用了RS232和RS485兩種通信方式。利用串口0采用RS232實現與另一機組監控單元的雙機通信，獲取對方機組狀態信息；利用串口1采用RS485標準接口實現與上位機的通信，完成傳輸數據和遠程報警等功能。

3??? 系統軟件設計

3.1??? 系統軟件流程

??? 主程序流程圖如圖2所示。系統上電復位后，首先對單片機，外圍芯片及控制狀態進行初始化；然后讀取AC/DC模塊的工作狀態，若正常則啟動DC/AC模塊，否則轉故障處理；開啟DC/AC后，讀入其工作狀態并判斷輸出電壓是否滿足要求，有故障轉故障處理，正常則開啟故障中斷；接下來進行主從機組判斷和相位跟蹤，實現主從相位同步和局部及軌道電壓的鎖相；只有在實現鎖相后，才采用查詢方式處理鍵盤及測量顯示。在軟件編制中，鍵盤中斷是關閉的。實驗證明，對人機交互通道采用這種查詢處理方法，完全可以滿足系統的實時要求。開關量的輸入采取先產生中斷，后查詢的方法，保證了響應的實時性和逆變系統的安全性。

圖2??? 主程序流程圖

3.2??? 系統采用的主要算法和技術

3.2.1??? 交流采樣算法

??? 測量顯示大信號的交流量時，通過互感器得到適合A/D轉換的交流小信號，然后對小信號進行采樣，最后對采樣數據采用一定的算法，得到正確的顯示值。均方根法是目前常用的算法，其基本思想是依據周期連續函數的有效值定義，將連續函數離散化，從而得出電壓的表達式

??? U=

式中：n為每個周期均勻采樣的點數；

????? u_i為第i點的電壓采樣值。

3.2.2??? 數字濾波算法

??? A/D轉換時，被采樣的信號可能受到干擾，從采樣數據列中提取逼近真值數據時采用的軟件算法，稱為數字濾波算法。目前常用的方法有程序判斷濾波、中值濾波、算術平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波等。根據本系統對采集精度有較高要求以及被采集的模擬量變化緩慢的特點，采用程序判斷濾波法和算術平均濾波法相結合的濾波方法，即進行多周期采樣，取其算術平均值作為有效采樣值。每次采樣后和上次有效采樣值比較，如果變化幅度不超過一定幅值，采樣有效；否則視為無效放棄。

3.2.3??? 單片機鎖相技術

??? 本監控系統一個很重要的功能是實現相位同步，即保證主從機組的相位同步和機組內局部電壓相位恒超前軌道電壓相位90°。本系統鎖相的基本原理是，對于頻率相同而相位不同步的兩路信號，比如A路和B路，若A路為基準，B路超前（滯后）一定的相位，可以通過適當降低（增大）B路信號的頻率來實現相位調整進而鎖相，最后再把B路頻率置為原頻率值。

??? 本系統中，單片機控制8254產生25Hz同步脈沖，同步脈沖用來復位正弦基準，使基準正弦波重新從零值開始。基準正弦波與三角波比較產生SPWM波，經逆變得到與基準正弦同頻的交流輸出，因此，通過調整同步脈沖的頻率可改變正弦基準的頻率，進而可改變被調整輸出電壓的相位。要實現系統的鎖相要求，需要從機組局部電壓跟蹤主機組的局部電壓，各機組軌道電壓跟蹤本機組的局部電壓。因此，要有主從局部鎖相和局部軌道相位跟蹤兩個子程序。

??? 鎖相的流程圖如圖3及圖4所示。首先由多路開關選擇要鎖相的兩路信號，由單片機測量相位差，并對所得相位差數據進行必要的運算和處理后，判斷有無超差。倘若相位超差，則根據超差范圍確定同步脈沖的頻率值。如果是主從局部鎖相，則應同時改變從機組局部和軌道的同步脈沖；否則，若為局部、軌道相位跟蹤，則只改變本機組軌道的同步脈沖。通過調整同步脈沖，可實現相位調整。實現鎖相后，同步脈沖的頻率置為25Hz返回。

圖3??? 主從局部鎖相流程圖

圖4??? 局部軌道相位跟蹤流程圖

4??? 抗干擾措施

??? 由于該監控系統工作于強電環境，很容易受到各種干擾的影響。干擾一旦串入系統，輕則會引起誤報，嚴重時就會導致整個系統癱瘓，甚至造成重大事故。本系統從硬件和軟件兩方面采取了抗干擾措施，保證了監控系統的可靠運行。

4.1??? 硬件抗干擾措施

??? 1）光電隔離在輸入和輸出通道上采用光耦合器件進行信息傳輸，在電氣上將單片機與各種傳感器、開關、執行機構隔離開來，可以較好地防止串模干擾。

??? 2）加去耦電路在電源進線端加去耦電容，削弱各類高頻干擾。

??? 3）合理布置地線系統中的數字地與模擬地分開，最后在一點相連，避免了數字信號對模擬信號的干擾。

??? 4）數字信號采用負邏輯傳輸騷擾源作用于高阻線路時易形成較大干擾，而在數字信號系統中，輸出低電平時內阻要小些，因此，定義低電平為有效（使能）信號，高電平為無效信號，可減少干擾引起的誤動作，提高控制信號的可靠性。

4.2??? 軟件抗干擾措施

??? 1）利用可編程硬邏輯看門狗將單片機從死循環和跑飛狀態中拉出，使單片機復位。而DS80C320提供了內部可編程硬邏輯看門狗，不須外加電路，就能夠實現可靠的超時復位。同時，DS80C320還為一些重要的看門狗控制位提供了訪問保護，防止單片機失控后對這些重要的控制位進行非法操作，進一步保證了程序的安全性。

??? 2）對于數字信號采集，利用干擾信號多呈毛刺狀且作用時間短這一特點，多次重復采集，直到連續兩次或兩次以上采集結果完全一致才認為有效。數字信號輸出時，重復輸出同一個數據，其重復周期盡可能短，使外部設備對干擾信號來不及作出有效反應。

??? 3）對模擬量的采樣和處理，采用數字濾波技術。

??? 4）采用指令冗余和軟件陷阱，防止程序跑飛。

5??? 結語

??? 本監控系統已研制出生產樣機。實踐證明，系統性能優良，完全滿足逆變系統要求，具有很好的抗干擾能力，保證了整機安全、可靠地運行。