電氣工程及其自動(dòng)化變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

1、. . 變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 裝訂線. . . 摘要：IAbstractII引言11 存在的問題和解決方式21.1 定期檢修的現(xiàn)狀及存在的問題21.2 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性22 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)42.1 系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)方法42.1.1 電容性設(shè)備介質(zhì)損耗(tan)在線監(jiān)測(cè)42.1.2 其他在線監(jiān)測(cè)72.2 變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)通信82.2.1 CAN總線介紹82.2.2 變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信方案93 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)103.1 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)103.2 絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡的總體方案設(shè)計(jì)114 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)134.1 信號(hào)調(diào)

2、理電路的設(shè)計(jì)134.2 DSP及其外圍電路設(shè)計(jì)154.3 CPLD的電路設(shè)計(jì)及功能分析174.4 CAN總線通信的電路設(shè)計(jì)204.5 電源電路設(shè)計(jì)205 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)225.1 CPLD的軟件設(shè)計(jì)225.2 DSP的軟件設(shè)計(jì)235.2.1 DSP的主程序流程235.2.2 FFT子程序的設(shè)計(jì)236 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)低壓模擬試驗(yàn)27 總結(jié)與展望31參考文獻(xiàn)32致謝33ContentsAbstractII 變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究【摘要】變電站大型電力設(shè)備的可靠性水平對(duì)于保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行和提高供電質(zhì)量極為重要，設(shè)備發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致大面積停電從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。運(yùn)用分

3、立的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變電站的多設(shè)備在線監(jiān)測(cè)，則存在系統(tǒng)構(gòu)建功能的冗余，因此對(duì)變電站核心電力設(shè)備絕緣進(jìn)行綜合在線監(jiān)測(cè)非常重要。本課題研究目標(biāo)旨在實(shí)現(xiàn)變電站全自動(dòng)絕緣在線監(jiān)測(cè)，對(duì)變電站中的一些設(shè)備如耦合電容、電壓互感器、電流互感器、避雷器等絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)每臺(tái)設(shè)備的絕緣參數(shù)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、越限值報(bào)警，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸。本文介紹了現(xiàn)在電網(wǎng)設(shè)備中的檢修狀況，簡(jiǎn)要的說明了各種檢修的特點(diǎn)。并且給出了信號(hào)采集的部分接線，以及各種處理器的應(yīng)用問題。關(guān)鍵詞：變電站 絕緣 在線監(jiān)測(cè) 檢修Study on the on-line monitoring system for Substa

4、tion InsulationAuthor： Zhang Haibin Supervisor：Lou Wei(Mechanical & Electrical Engineering College, Shandong Agricultural University)Abstract Substation reliability of large power equipment to guarantee the safe operation of power grid and improve the quality of power supply is extremely importa

5、nt, when equipment failures leading to blackouts will result in huge economic losses and social impacts.The research project goal is to achieve automatic substation insulation online monitoring of substation equipment in the coupling capacitor, transformer, voltage transformers, current transformers

6、 and surge arresters and other equipment, real-time monitoring of the state theaters, each device on different insulation parameters, data processing, storage and more limits alarm, remote transmission of data.This article describes the current status of network equipment maintenance, a brief analys

7、is of a variety of maintenance features. And gives the signal acquisition part of the wiring, as well as application processorsKeywords: Substation; Insulation; Line monitoring; Maintenance引言 檢修技術(shù)伴隨著變電站技術(shù)發(fā)展到今天，可大致分成三個(gè)階段，或者可以說成是歷經(jīng)了兩次改革，事故檢修-定期檢修-狀態(tài)維修：第一階段大約是發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)前，那個(gè)時(shí)候是設(shè)備壞了才檢修；第二階段，大約延續(xù)到了70年代，檢修

8、的特征是實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性檢修（Preventive Maintenance），就是按照規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行檢修；從第二階段到第三階段，是伴隨著一種革新的觀點(diǎn)和策略，是以可靠性為核心并具有預(yù)測(cè)性的檢修，也稱為狀態(tài)檢修。狀態(tài)檢修的時(shí)間間隔根據(jù)的是，包括設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)的定義為在線的數(shù)據(jù)收集，包括傳感器技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)；診斷的定義為對(duì)所有的在線和離線數(shù)據(jù)進(jìn)行全面判斷1。電力設(shè)備的檢測(cè)正在從定期預(yù)防性檢測(cè)、故障后維修向預(yù)測(cè)性檢測(cè)維修過渡。電力設(shè)備檢測(cè)技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了從單片機(jī)的檢測(cè)裝置到DSP技術(shù)檢測(cè)裝置，再到計(jì)算機(jī)技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)階段，目前正向新型總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)

9、展。一些目前的檢測(cè)技術(shù)如光纖技術(shù)、信號(hào)采集與處理技術(shù)、PXI測(cè)控總線技術(shù)等已經(jīng)在電力設(shè)備的檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。單臺(tái)電力設(shè)備的絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)以及產(chǎn)品已經(jīng)有大量的研究并且得以應(yīng)用，但電力設(shè)備的在線檢測(cè)已經(jīng)不再局限于對(duì)單個(gè)對(duì)象、單個(gè)模型具體化的研究，而是從單個(gè)設(shè)備、單項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，診斷向多設(shè)備、多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行綜合檢測(cè)與診斷的高集成方向進(jìn)行發(fā)展，并且可以對(duì)在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)的電力設(shè)備進(jìn)行綜合在線檢測(cè)與診斷，從而促進(jìn)了電力系統(tǒng)自動(dòng)化的長(zhǎng)久發(fā)展。變電站電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段2 3：帶電測(cè)試階段，該階段起始于70年代，當(dāng)時(shí)只是為了不停電而對(duì)電氣設(shè)備某些絕緣參數(shù)（主要是泄露電流等）

10、進(jìn)行的直接測(cè)量，其結(jié)果簡(jiǎn)單，測(cè)試的項(xiàng)目極少，并且要求被試設(shè)備必須對(duì)地絕緣，而且測(cè)試的靈敏度非常差，因此應(yīng)用的范圍比較小，沒有得到普遍應(yīng)用。從80年代開始，出現(xiàn)了各種專用的帶電測(cè)試儀器，從而使在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展開始從傳統(tǒng)的模擬量測(cè)試逐漸走向數(shù)字化測(cè)量的軌道，擺脫了以前那種將測(cè)試儀器直接接入測(cè)試回路的測(cè)量模式，取而代之的是利用傳感器將測(cè)量量轉(zhuǎn)換為數(shù)字儀器可以直接測(cè)量的電氣信號(hào)。同時(shí)，還出現(xiàn)了一些其他的用非電量測(cè)量反映設(shè)備狀況的測(cè)試儀器，比如遠(yuǎn)紅外裝置、超聲裝置等。該時(shí)期比較具有代表性的帶電測(cè)試儀器是日本研制的LCD-4型避雷器泄露電量測(cè)試儀。 從90年代開始，出現(xiàn)微機(jī)多功能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要

11、用以采集和處理數(shù)字波形。利用一系列高新技術(shù)，如先進(jìn)的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字波形采集和處理等，從而實(shí)現(xiàn)了更多的絕緣參數(shù)（比如截止損失角正切值、電容量、泄漏電流、局部放電、色譜等）的在線監(jiān)測(cè)。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)的巡回監(jiān)測(cè)各個(gè)被測(cè)量量，因此，監(jiān)測(cè)內(nèi)容非常豐富，信息量非常大，處理速度極快，對(duì)與監(jiān)測(cè)結(jié)果可顯示、存儲(chǔ)、打印、遠(yuǎn)傳以及越限報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)了絕緣監(jiān)測(cè)的全部自動(dòng)化，也代表了現(xiàn)代在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向4 5。1 存在的問題和解決方式1.1 定期檢修的現(xiàn)狀及存在的問題電力系統(tǒng)中的各種高電壓設(shè)備經(jīng)常在不同的電壓等級(jí)工作環(huán)境中，這些設(shè)備會(huì)引起一系列的絕緣特性變化，只有按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定期對(duì)這些參數(shù)實(shí)行

12、嚴(yán)格的測(cè)試，才可以確保電力系統(tǒng)的可靠地正常地工作，因此這些實(shí)驗(yàn)又稱之為與反方向?qū)嶒?yàn)。計(jì)劃預(yù)修制度是在1932年由蘇聯(lián)的一個(gè)工廠提出的，并且在1954年開始引進(jìn)我國(guó)，對(duì)我國(guó)的設(shè)備管理制度起到了非常重要的作用6。該制度的主要內(nèi)容包括：（1）日常維護(hù)；（2）定期檢查；（3）計(jì)劃修理，它是一種時(shí)間為基礎(chǔ)的“定期維修”的預(yù)防維修制度。該制度的典型特征是設(shè)備運(yùn)行一定的時(shí)間（規(guī)定周期）后，不管設(shè)備是否有無缺陷或問題都必須要停下來檢查、實(shí)驗(yàn)、修理，就是所說的“到期必修”。這種管理制度也存在非常大的弊端，其中顯著的弊端是極大的盲目性，修試過剩問題和修試不足問題同時(shí)存在。從目前供電企業(yè)的設(shè)備來看，主要存在的問題是

13、修試過剩，以至于造成大量人力、才力、物力白白投入，從而影響到供電企業(yè)可靠性的提高，甚至造成大量的人身事故和誤操作事故。造成了絕緣老化的原因有很多，其中一些是設(shè)備制造時(shí)就潛伏下的因素，而另一些則是在外界的作用的影響下發(fā)展起來的，外界作用包括工作電壓、過電壓、大氣影響、機(jī)械力、熱、化學(xué)等等。因此在早期就發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣劣化，以及在電力系統(tǒng)中經(jīng)常進(jìn)行一些預(yù)防性實(shí)驗(yàn)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，這些措施都可以減少事故的發(fā)生。這種傳統(tǒng)的測(cè)試中也存在了許多缺陷，比如試驗(yàn)時(shí)需要停電、試驗(yàn)時(shí)間過于集中、工作量比較大，試驗(yàn)電壓低（遠(yuǎn)低于設(shè)備的運(yùn)行電壓）、診斷的有效性非常值得研究；周期太長(zhǎng)，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備劣化；受環(huán)境的溫

14、濕度影響比較大，以及受現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)干擾比較大。1.2 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性供電設(shè)備中采用了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，可以向狀態(tài)檢修進(jìn)行過渡，狀態(tài)檢修的優(yōu)越性主要有以下幾個(gè)方面7：適時(shí)的檢修缺陷，這樣可以預(yù)防一些設(shè)備事故的發(fā)生，從而提高運(yùn)行了的可靠性；提高狀態(tài)檢修的質(zhì)量和效率，增強(qiáng)狀態(tài)檢修的針對(duì)性，并且可以節(jié)省大量的人力物力；也可以延長(zhǎng)檢修周期，還可以提高設(shè)備的可用系數(shù)，減少了停機(jī)的時(shí)間和開停機(jī)的次數(shù)，最終可以極大地延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。美國(guó)國(guó)家電力研究院（EPRI）和國(guó)家工業(yè)設(shè)備維修公司（CSI）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明8：在線電力系統(tǒng)設(shè)施的狀態(tài)檢修可以把設(shè)備利用率提高到2%-10%，并且可以把檢修費(fèi)降低25%-30

15、%，可以提高設(shè)備使用壽命到10%-15%。國(guó)家電力部DL/T596-1996電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程8也已明確地規(guī)定了“如過經(jīng)使用考核證明，利用帶電測(cè)量和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以達(dá)到停電試驗(yàn)的效果，經(jīng)批準(zhǔn)能做不停電試驗(yàn)或者適當(dāng)延長(zhǎng)試驗(yàn)周期?！睆纳纤?，開展?fàn)顟B(tài)檢修必將為電力企業(yè)帶來非常大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，這必然是檢修發(fā)展的方向。絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)新科技，并且是狀態(tài)檢修中必不可少的技術(shù)手段之一9 10。2 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)對(duì)采集到的傳感器的信號(hào)進(jìn)行分析處理是絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究關(guān)鍵，從而可以得到可靠的能夠真實(shí)反映當(dāng)前電氣設(shè)備絕緣狀況的參數(shù)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，對(duì)于不同設(shè)備可以檢測(cè)到的參數(shù)

16、信號(hào)具體有哪些、這些參數(shù)信號(hào)能不能確切的顯示當(dāng)前電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)、這些檢測(cè)方法的有哪些優(yōu)缺點(diǎn)以及這些通訊方式該怎樣選擇等必須先有一個(gè)清楚深刻的分析，才能在總體得設(shè)計(jì)時(shí)游刃有余，從而可以確定出一套最佳的設(shè)計(jì)方案。表2-1 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍及參數(shù)絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍及參數(shù)設(shè)備名稱在線監(jiān)測(cè)參量變壓器油中、等溶解氣體含量;變壓器局部放電量;高、中、低壓側(cè)套管絕緣介損、電容值、泄漏電流值;變壓器鐵心電流及是否多點(diǎn)接地的判斷。氧化鋅避雷器(MOA)總泄漏電流值、阻性電流有效值、阻性電流正峰值、負(fù)峰值、阻性電流峰峰值、功率損耗電壓互感器(TV)一次電流電流互感器(TA)電容電流值、電容值、介

17、損值耦合電容器(OY)電容電流值、電容值、介損值電容式壓變(CVT)電容電流值、電容值、介損值變電站支柱污穢泄漏電流變電站環(huán)境環(huán)境濕度、溫度2.1 系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)方法2.1.1 電容性設(shè)備介質(zhì)損耗(tan)在線監(jiān)測(cè)介質(zhì)損耗是由于介質(zhì)存在電導(dǎo)，極性介質(zhì)中的偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦以及包含在介質(zhì)中的空氣間隙放電所造成的，介質(zhì)損耗是表征絕緣材料以及絕緣設(shè)備的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，它是只與材料的特性有關(guān)而與材料的尺寸及體積無關(guān)的物理量。具有損耗的電容性電氣設(shè)備一般用并聯(lián)電容或者電阻的等效電路來表示，圖2-1和圖2-2分別表示了其等效電路和等效電路的相量圖。我們可以用并聯(lián)電容和電阻的等值電路來計(jì)算電容性設(shè)備的介質(zhì)損耗

18、(tan)。 其中，表示被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行電壓，表示總泄漏電流。由圖2-1中我們可以得到介質(zhì)損耗： （2-1） （2-2） 由式（2-1）、（2-2）可得，角可以直接反映出介質(zhì)損耗的大小，一般情況下都比較小，因此，習(xí)慣上也可以稱tan為介質(zhì)損失角。對(duì)于一些性能良好的絕緣介質(zhì)來說，R非常大，然而卻很小。 圖2-1 電容性設(shè)備的等值電路圖2-2是等效電路的相量圖，我們可以用/2減去電壓、電流的相位差從而計(jì)算出角的大小。 （2-3） 圖2-2 等效電路向量圖介質(zhì)損耗的相量圖滿足狄里赫利條件電力系統(tǒng)的電壓、電流，可按傅立葉級(jí)數(shù)分解為： （2-4） （2-5） 式（2-4）、（2-5），是電壓的直流分量，是

19、電流的直流分量，是電壓各次諧波幅值，是電流各次諧波幅值，是電壓各次諧波相角 ，是電流各次諧波相角。式（2-4）、（2-5）可以表示為： （2-6） （2-7）我們可以根據(jù)兩個(gè)三角函數(shù)乘積在一個(gè)周期內(nèi)定積分為零的正交特性，將式（2-6）的兩邊同乘以，取一周期內(nèi)的定積分并化簡(jiǎn)，可得：所以： （2-8）同理，由式（2-6）兩邊同時(shí)乘以，并取一周期內(nèi)的定積分可得： （2-9）令k=1，式（2-8）除以式（2-9），可得電壓基波相角： （2-10）按照相同的方法，可以由式（2-7）推得電流基波相角 ： （2-11）純?nèi)菪缘脑嚻?，電流相角超前電?0°，介質(zhì)損失正切： （2-12）考慮硬件電路對(duì)

20、電壓、電流具有不同的相移，電壓、電流間存在著一固定的相差，所以，應(yīng)扣除影響，即： （2-13）對(duì)、進(jìn)行離散數(shù)字化處理后，按照式（2-10）、（2-11）、（2-12）可求得容性設(shè)備介質(zhì)損失角正切值。從式（2-10）、（2-11）可知，根據(jù)三角函數(shù)的正交特性，、中的直流分量不受硬件電路零漂的影響。介質(zhì)損耗的測(cè)量分為以下兩種方法： （1）模擬測(cè)量方法過去介質(zhì)損耗的測(cè)量采用的主要有諧振法、瓦特表法、西林（Schering）電橋法。 （2）數(shù)字測(cè)量方法數(shù)字測(cè)量方法的原理其實(shí)是先將從傳感器上采樣的信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，再送入單片機(jī)或者DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，然后得到需要的絕緣參數(shù)值。數(shù)字測(cè)量方法包括過零電

21、壓比較法、過零時(shí)差比較法、自由矢量法、異頻電源法、諧波分析法等等。2.1.2 其他在線監(jiān)測(cè)（1）變壓器環(huán)境溫度與濕度的在線監(jiān)測(cè)我們通常采用氣象部門常用一種叫做的木制百葉箱式測(cè)量方法。安裝時(shí)，我們要將百葉箱放到變壓器附近，這樣可以感應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度、濕度。傳感器的線性度以及取樣電阻穩(wěn)定性決定了測(cè)試精度。（2）變壓器鐵心接地電流在線監(jiān)測(cè)變壓器的鐵心電流數(shù)量級(jí)在幾十毫安至幾安培，有的甚至更大，通常采用程控放大器放大信號(hào)，來滿足測(cè)量的要求。（3）變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)局部放電的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由高頻諧振式電流傳感器、抗干擾調(diào)節(jié)系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)組成的。抗干擾調(diào)節(jié)系統(tǒng)是局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要的組成部分。

22、整個(gè)信號(hào)采集系統(tǒng)為電路設(shè)計(jì)為三個(gè)部分：a.模擬信號(hào)調(diào)制部分:包括信號(hào)放大、濾波、整形以及電壓的提升。b.數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)部分：包括A/D的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。c.控制部分包括：控制模擬量的調(diào)制、數(shù)據(jù)的采集與通訊等。 （4）變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)變壓器油中的溶解氣體分析在線監(jiān)測(cè)方法，以油中的溶解氣體來反映故障的特征量，在線監(jiān)測(cè)的變壓器油中、CO、等溶解氣體的組分、含量及產(chǎn)氣速率等，能夠及早發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部所存在隱性故障。比較上面所述各種測(cè)量方法后發(fā)針對(duì)電容性電氣設(shè)備介質(zhì)損耗、氧化鋅避雷器泄漏電流、阻性電流等諧波分析法，無論從抗干擾性、通信要求、精確度的要求等方面都時(shí)符合本系統(tǒng)需要而適合采用，其

23、他測(cè)量方法都存在實(shí)現(xiàn)困難、精度低、抗干擾性等缺點(diǎn)。2.2 變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)通信絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)通信是通過總線來實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的總線主要有：RS-485、現(xiàn)場(chǎng)總線（Lonworks、CAN、FF、Profibus）等。2.2.1 CAN總線介紹 （1）CAN總線特點(diǎn)a.CAN節(jié)點(diǎn)要求高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可以在134us內(nèi)得到傳輸。b.CAN通信靈活，可以提高系統(tǒng)的可靠性。c.CAN采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也可以高速運(yùn)行。d.CAN有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種通訊方式可以通過對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波實(shí)現(xiàn)。e.CAN的直接通訊距離最遠(yuǎn)可以達(dá)10k

24、m（通信速率5kbps）通訊速率最高可達(dá)1 Mbps（通信距離為40m）。f.CAN的單一網(wǎng)絡(luò)理論上可掛接無數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)際在應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)數(shù)目是受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。g.報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識(shí)符不受限制。h.CAN報(bào)文采用的是短幀結(jié)構(gòu)傳輸，時(shí)間短受干擾概率低具且具有極好的檢錯(cuò)效果。i.CRC校驗(yàn)和其他檢錯(cuò)機(jī)制保證了極低數(shù)據(jù)出錯(cuò)率。J.CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系可以使總線上的其它節(jié)點(diǎn)抗干擾能力強(qiáng)可靠性高。k.CAN的通信介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜、光纖等。CAN總線已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防

25、護(hù)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 （2）CAN總線技術(shù)規(guī)范為了達(dá)到設(shè)計(jì)的透明度，CAN被細(xì)分為對(duì)象層、傳輸層、物理層三個(gè)不同的層次。對(duì)象層的作用主要查找被發(fā)送的報(bào)文，確定由實(shí)際要使用的傳輸層接收哪個(gè)報(bào)文，并且為應(yīng)用層相關(guān)硬件提供接口。傳輸層的作用主要是傳送規(guī)則。發(fā)送新報(bào)文及開始接收?qǐng)?bào)文都要在傳輸層里確定。位定時(shí)一些普通功能也可看作是傳輸層的一部分。因此傳輸層的修改是受限制的。物理層對(duì)于所有節(jié)點(diǎn)必須相同。CAN總線通信線路是由兩根導(dǎo)線組成分別是CANH和CANL，這兩根導(dǎo)線也就是CAN網(wǎng)絡(luò)的總線的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)掛接在該總線上通過這兩根導(dǎo)線交換數(shù)據(jù)。CAN總線有兩種邏輯狀態(tài)：隱性和顯性對(duì)應(yīng)于數(shù)字電路的邏輯1

26、和0。顯性（0）：3.5V1.5V2V；隱性（1）：2.5V2.5V0VCAN總線有以下四個(gè)不同的幀類型： （1）數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器到接收器。 （2）遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出的遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求發(fā)送具有同一識(shí)別符數(shù)據(jù)幀。 （3）過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加延時(shí)。 （4）錯(cuò)誤幀：任何單元檢測(cè)到一總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。變電站絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)通信特點(diǎn)及要求如下： （1）變電站絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通信要求十分高，系統(tǒng)通信要求抗干擾性好、可靠性高。 （2）變電站眾多通信線路長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量大、通信傳輸速率高。2.2.2 變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信方案變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

27、通信方案需要比較以上各種通信方式優(yōu)劣并且結(jié)合變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際通信要求來最終確定。Lonworks總線和Profibus總線涉及到網(wǎng)絡(luò)模型需要專門的開發(fā)工具和相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)豐富的開發(fā)人員，開發(fā)成本較高并且系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)成本很復(fù)雜，開放性和可擴(kuò)充性差也不在本系統(tǒng)考慮之列。CAN總線可以很好彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)RS-485總線、CAN總線優(yōu)缺點(diǎn)，如下表2-2所示。表2-2 RS-485總線和CAN總線優(yōu)缺點(diǎn)比較特性RS-485CAN-bus成本低廉稍高總線利用率低高網(wǎng)絡(luò)特性單主節(jié)點(diǎn)單主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸率低高容錯(cuò)機(jī)制無可靠地錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤的影響導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓無任何影響通訊距離1.5Km可達(dá)10K

28、m網(wǎng)絡(luò)調(diào)試?yán)щy容易開發(fā)難度簡(jiǎn)單需要一定的基礎(chǔ)技術(shù)通過上表比較可知RS-485總線變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)可靠性、容錯(cuò)能力要求使得CAN總線無疑是一種比較優(yōu)越的方案。3 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)變電站中的電氣設(shè)備種類繁多，如電容型電氣設(shè)備、氧化鋅避雷器、電力變壓器等系統(tǒng)的。變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)劃主要包括：電容型設(shè)備監(jiān)測(cè)裝置、避雷器監(jiān)測(cè)裝置、電壓型數(shù)據(jù)采集裝置、鐵心電流監(jiān)測(cè)裝置、環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。因?yàn)楦餮b置實(shí)現(xiàn)原理是一樣的，均是經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、數(shù)字信號(hào)處理、現(xiàn)場(chǎng)通信三個(gè)環(huán)節(jié)的，各裝置主板硬件設(shè)計(jì)是大致相同的，所以可以設(shè)計(jì)出通用型硬件電路板，通過改變軟件部分來實(shí)現(xiàn)并且達(dá)到不同的功能。3.1 絕緣

29、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要滿足對(duì)變電站中不同種類電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。其系統(tǒng)主要由傳感器、絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控端組成系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1-4所示。該系統(tǒng)中的各個(gè)部分具體功能介紹如下：（1）電容性電氣設(shè)備、變壓器、避雷器是變電站電氣設(shè)備的重要組成部分也是絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)的對(duì)象。（2）傳感器在變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，其性能好壞直接影響到測(cè)量的精度和可靠性。傳感器采樣電氣設(shè)備的電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可接受范圍的電壓電路信號(hào)并送入絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡進(jìn)行分析。（3）絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡是系統(tǒng)的核心作為變電站電氣設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)總線之間的接口模塊板卡接受來自傳感器

30、的信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)然后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，將有效的絕緣參數(shù)數(shù)據(jù)通過板卡上的現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控端或工程師站。（4）擴(kuò)展板卡的目的在于未來系統(tǒng)功能擴(kuò)展。擴(kuò)展板卡可以通過絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡上外部擴(kuò)展接口很方便與之進(jìn)行通信，使系統(tǒng)功能具有很強(qiáng)擴(kuò)展性。（5）現(xiàn)場(chǎng)總線是系統(tǒng)采用的現(xiàn)場(chǎng)通信方式。需要采用抗干擾性高、速度快的現(xiàn)場(chǎng)總線作絕緣參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪?，它是絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)端與遠(yuǎn)程監(jiān)控端之間的橋梁。圖3-1 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu) （6）絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控端硬件核心是總線適配卡，它能把系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控端，同時(shí)又可以把遠(yuǎn)程監(jiān)控端的命令和數(shù)據(jù)下傳到各

31、節(jié)點(diǎn)設(shè)備?？偩€適配卡可以直接購(gòu)買成熟的產(chǎn)品也可以自己設(shè)計(jì)。我們選用采用了第二種方案。 （7）遠(yuǎn)程監(jiān)控端-整個(gè)變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大腦。它監(jiān)控著系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的狀態(tài)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析并且可以通過以太網(wǎng)接口實(shí)施專家遠(yuǎn)程決策等，可以大大提高系統(tǒng)監(jiān)控的靈活性。3.2 絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡的總體方案設(shè)計(jì)絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到了信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)處理、現(xiàn)場(chǎng)總線通信等多方面知識(shí)，因此絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單板電路也由信號(hào)采集調(diào)理電路、主處理芯片及其外圍電路、總線通信電路三部分組成。信號(hào)采集調(diào)理電路采集傳感器微弱信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、采樣后轉(zhuǎn)為控制器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。主處理芯片把數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理后提取有用

32、的信息經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控端或者工程師站，工程師站可瀏覽當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，遠(yuǎn)程監(jiān)控端可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽分析及存儲(chǔ)。上一節(jié)分析了變電站絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整個(gè)組成結(jié)構(gòu)，我們可以看出絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡在整個(gè)系統(tǒng)中的地位十分重要，歸納總結(jié)出絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡在系統(tǒng)中應(yīng)具備以下功能。（1）絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡是絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，首要任務(wù)是接收來自傳感器的電壓電流信號(hào)并且對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等操作。（2）絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡同時(shí)需要對(duì)經(jīng)過調(diào)理得到得模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為CPU可以識(shí)別數(shù)字信號(hào)，同樣板卡上需要有精度較高的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來提高信號(hào)的采樣精度。（3）絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡需要對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT變換從而

33、提取有效的參數(shù)，另外還需要有通信接口。（4）絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡需要控制板卡上各芯片可靠運(yùn)行而且不沖突，可以通過地址分配來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)各芯片還存在一些I/O開關(guān)量也需提供一套完整的I/O輸入輸出接口得解決方案。下面進(jìn)行絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡設(shè)計(jì)。CAN總線是作為目前應(yīng)用中比較優(yōu)秀的一種總線方式且符合本系統(tǒng)的要求。絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理，希望有數(shù)據(jù)運(yùn)算能力強(qiáng)大、速度快的CPU實(shí)現(xiàn)。DSP微處理器完全具有運(yùn)算能力強(qiáng)、高速、高效的能力，它比起單片機(jī)來具有明顯的優(yōu)勢(shì)所以應(yīng)用DSP器件作為絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡的CPU。還有對(duì)于一般的系統(tǒng)處理器和外圍芯片的接口可以直接相連，實(shí)現(xiàn)不需要或者需要很少的邏輯電路進(jìn)

34、行邏輯編碼譯碼處理。然而絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡上DSP的外圍元器件種類繁多與DSP的接口比較復(fù)雜，其地址的分配要求合理，邏輯關(guān)系要求清晰，不僅要求實(shí)現(xiàn)基本的邏輯控制功能還需要實(shí)現(xiàn)板卡系統(tǒng)的地址分配等。如果只用DSP進(jìn)行控制是根本不可能實(shí)現(xiàn)的。CPLD可以很好得解決這一問題作為外圍芯片與DSP器件的中介其豐富的邏輯單元和I/O口使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。另外由于CPLD芯片是可編程的可以隨時(shí)修改程序而不需修改硬件，且靈活性比較強(qiáng)。綜合上面的分析絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡的大體設(shè)計(jì)框架如圖3-2所示。圖3-2 絕緣在線測(cè)板卡的總體設(shè)計(jì)4 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)由第二章的理論分析可知絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)屬于高

35、電壓、弱電流的性質(zhì)而變電站工作環(huán)境惡劣，信號(hào)干擾大很難準(zhǔn)確的測(cè)量這些信號(hào)以反映電氣設(shè)備真實(shí)絕緣情況。為保證測(cè)量真實(shí)性，系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路具有監(jiān)測(cè)靈敏度高、溫漂低和抗干擾性好特點(diǎn)因此硬件電路的設(shè)計(jì)十分重要。本章將分別從傳感器的設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)理電路、DSP及其外圍電路、CPLD電路、CAN總線通信電路、電源電路幾個(gè)方面來介紹各部分硬件工作原理及實(shí)現(xiàn)方式。有源傳感器是使用超微晶作鐵芯有源電子電路網(wǎng)絡(luò)與副邊繞組直接相連構(gòu)成自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整回路，可以保持很高穩(wěn)定度而且測(cè)量精度也有較大幅度提高抗干擾能力很強(qiáng)。變電站中電氣設(shè)備一般為高壓設(shè)備，一般選用基于電磁耦合原理閉環(huán)穿心式小電流傳感器。由于電流傳感器本身輸出

36、、輸入信號(hào)間存在比值誤差及相角誤差，需要進(jìn)行一定誤差補(bǔ)償。電流傳感器的設(shè)計(jì)不是本課題研究重點(diǎn)本課題沒有花太多精力在傳感器設(shè)計(jì)上而是結(jié)合以往現(xiàn)場(chǎng)使用的經(jīng)驗(yàn)直接采用特制電流傳感器它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）精度高且線性度好，能精確測(cè)得小電流信號(hào)； （2）采用了單匝穿芯式接線，不會(huì)對(duì)一次線路產(chǎn)生影響； （3）加入了放大電路，使互感器可以輸出較大電壓信號(hào)。4.1 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在放大電路前端用模擬多路復(fù)用器來選擇不同放大倍數(shù)通道。部分電路電阻選用精度高、溫漂小精密電阻，運(yùn)算放大器選用了Analog公司高精度、低溫漂的單運(yùn)放OP27。一個(gè)時(shí)刻只能對(duì)一相設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三二通道，模擬

37、多路復(fù)用器74HC4503交替接通該相信號(hào)及基準(zhǔn)信號(hào)。如若要對(duì)A相設(shè)備進(jìn)行測(cè)量時(shí)先調(diào)節(jié)74HC4501，使放大電路有合適增益再切換74HC4503交替接通A相傳感器信號(hào)及基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。另外在運(yùn)算放大器輸出端加入了鉗位電路，由背對(duì)背二極管1N4148分別接±5V。當(dāng)輸出一旦超出±5V時(shí)，鉗位二極管導(dǎo)通將輸出拉回到±5V左右，這樣就可以不會(huì)超出模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入范圍。低通濾波電路主要作用是抗混疊及作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，Analog-to-Digital Converter）緩沖。采用運(yùn)算放大器為Analog公司四運(yùn)放芯片OP282。濾波電路是二階巴特沃斯（Butt

38、erworth）低通濾波器（LPF，Low-passFilter）低通濾波電路電路原理圖見附錄所示。低通濾波器引起附加相位偏移設(shè)計(jì)時(shí)要盡量使附加相移小。由于現(xiàn)場(chǎng)的次信號(hào)波形較好低通濾波器可以選大一點(diǎn)截止頻率，來減小附加相移。利用Orcad軟件進(jìn)行仿真可以得到電路參數(shù)仿真出幅頻特性曲線如圖4-1所示。圖4-1 低通濾波電路的幅頻特性曲線經(jīng)過調(diào)理放大模擬信號(hào)要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為DSP可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)?；疽笕缦拢?（1）對(duì)A、B、C三相傳感器的信號(hào)進(jìn)行采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器需至少3路轉(zhuǎn)換通道； （2）采樣信號(hào)為小信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器要有不低于12bit采樣分辨率； （3）采樣速度至少12800（50&#

39、215;256）Hz模數(shù)轉(zhuǎn)換器需有不低于20 kSPS轉(zhuǎn)換速度； （4）采樣信號(hào)為交流信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要有雙電源供電； （5）采集數(shù)據(jù)量較大模數(shù)轉(zhuǎn)換器需有高速數(shù)據(jù)傳輸接口。最終確定為Analog公司AD7656，其主要參數(shù)如下：·六個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)換通道；·16-bit逐次逼近型ADC；·電源±10 V或±5 V可選（外部管腳或內(nèi)部編程配置）；·最高采樣速率為250 kSPS；·5V電源250 kSPS采樣時(shí)功耗低至140 mW；·寬帶寬輸入：輸入頻率為50kHz時(shí)信噪比(SNR，Signal Noise Ratio）為

40、85dB；·片上有2.5V基準(zhǔn)電壓源及基準(zhǔn)緩沖器；·并行、串行(菊花鏈接口模式可選）；·與SPI/QSPI/Wire/DSP兼容的高速串行接口；·采用iCMOS工藝技術(shù)；·64引腳QFP。由以上可見AD7656完全滿足本系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。4.2 DSP及其外圍電路設(shè)計(jì)DSP是整個(gè)系統(tǒng)控制算法核心元件。本課題仍選用了TI公司DSP芯片。目前TI公司DSP芯片幾個(gè)主流系列：2000系列主要側(cè)重于控制優(yōu)化多應(yīng)用于工業(yè)控制及電機(jī)控制方面；5000系列主要側(cè)重于功耗降低多應(yīng)用于音頻處理及其他便攜式產(chǎn)品當(dāng)中；6000系列主要側(cè)重于性能提高多應(yīng)用于高性

41、能音頻和視頻/成像等。根據(jù)系統(tǒng)要芯片選型本課題對(duì)DSP性能要求如下： （1）涉及到了大量實(shí)時(shí)算法具有一定處理速度； （2）需要采樣定時(shí)及通信定時(shí)要求兩個(gè)以上定時(shí)器； （3）寬度合適地址、數(shù)據(jù)、IO總線接口； （4）具有便于系統(tǒng)功能擴(kuò)展通信接口。結(jié)合以上要求綜合用接口、性價(jià)比及開發(fā)難易度等幾方面來考慮選擇了5000系列的DSPTMS320VC5402。TMS320VC5402的外圍電路設(shè)計(jì)： （1）電源輸入電路TMS320VC5402采用雙電源（1.8V和3.3V）其中I/O采用3.3V電源供電芯片核采用1.8V電源供電一般電源芯片無法滿足這樣雙電壓輸出要求。在有一定安全措施保障前提下，允許兩個(gè)

42、電源同時(shí)加電，兩個(gè)電源都必須要在25 ms內(nèi)達(dá)到規(guī)定電平95。 （2）DSP的時(shí)鐘輸入TMS320VC5402的時(shí)鐘輸入可以采用有源晶振無源晶振兩種方式。相比無源晶振有源晶振更加可靠和穩(wěn)定，并且不需要額外添加晶振電容，本系統(tǒng)選擇了頻率為10MHz的3.3V有源晶振，為DSP提供可靠時(shí)鐘輸入經(jīng)內(nèi)部PLL電路5倍頻后為50MHz。有源晶振時(shí)鐘端連至DSPXTAL2DSP的XTAL1懸空。 （3）DSP調(diào)試接口的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出線。本系統(tǒng)JTAG接口電路如圖4-2所示其中EMU0及EMU1引腳分別接仿真器第0、1引腳。

43、圖4-2 JTAG接口電路 （4）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 TMS320VC5402內(nèi)部有16K DARAM由于程序調(diào)試需要更大的SRAM空間所以本系統(tǒng)需通過外部總線擴(kuò)展了64K SRAM。另外由于TMS320VC5402片上沒有FLASH調(diào)試結(jié)束后不方便進(jìn)行程序燒寫及以后系統(tǒng)的升級(jí)，因此還需要外部總線擴(kuò)展一定大小FLASH。設(shè)計(jì)中SRAM采用了ISSI公司IS61LV6416芯片。該芯片為16Megabit（64K×16 Bit）高速CMOS SRAM存取時(shí)間為8ns左右3.3V供電兼容TTL電平。FLASH采用的是SST公司SST39VF400芯片。該芯片為4Megabit（256K

44、15;16Bit）FLASH存取時(shí)間7090ns左右3.3V供電。其擦寫壽命100000次數(shù)據(jù)保存期限10年。存儲(chǔ)器電路均為3.3V供電可以很方便與DSP相連而中間不需要再加電平轉(zhuǎn)換電路。通過TMS320VC5402外部總線接口來擴(kuò)展存儲(chǔ)器。如圖4-3所示。圖4-3 TMS320VC5402的RAM/FLASH擴(kuò)展 （5）主機(jī)接口電路主機(jī)接口HPI可以很方便實(shí)現(xiàn)板卡與其他板卡通信包括實(shí)時(shí)交換DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)為系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)展提供了很大便利。主機(jī)接口HPI是5000系列定點(diǎn)芯片內(nèi)部具有一種接口部件主要用于DSP與其它總線或者CPU進(jìn)行連接。TMS320VC5402提供了增強(qiáng)型8位HPI接口由一個(gè)8位

45、數(shù)據(jù)總線及用于設(shè)置及控制接口的控制信號(hào)線組成HPI接口通過HPI控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA、數(shù)據(jù)寄存器HPID、HPI內(nèi)存塊實(shí)現(xiàn)與主機(jī)之間通信。HPI是8位數(shù)據(jù)總線接口由于TMS320VC5402是16位所以與主機(jī)通信數(shù)據(jù)都是由兩個(gè)連續(xù)字節(jié)組成，由HBIL引腳指示正在傳輸是第一個(gè)還是第二個(gè)字節(jié)。主機(jī)使用HCNTL0/1指定所訪問是HPI控制寄存器HPIC或者HPI數(shù)據(jù)寄存器HPID或者HPI地址寄存器HPIA也可以用地址自動(dòng)增加方式訪問數(shù)據(jù)寄存器HPID具體方式如表4-1所示。表4-1 主機(jī)控制信號(hào)定義HCNT0HCNT1說明00主機(jī)可以讀寫HPI的控制寄存器HPIC01主機(jī)可以讀

46、寫HPI的控制寄存器HPID，每次讀后HPIA加1，每次寫前加110主機(jī)可以讀寫HPI地址寄存器HPIA11主機(jī)可以讀寫HPI數(shù)據(jù)寄存器HPID，對(duì)HPI口的操作，HPIA不受影響 （6）DSP監(jiān)控電路本系統(tǒng)采用了Intersil公司CPU監(jiān)控芯片X5163。X5163是一片帶16Kb SPI EEPROMCPU監(jiān)控器具有如下特點(diǎn)：·可選擇看門狗定時(shí)器；·低VCC檢測(cè)并產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；·16Kb EEPROM；·2MHz SPI接口方式。系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣很容易出現(xiàn)受干擾導(dǎo)致程序跑飛等情況，因此必須為系統(tǒng)運(yùn)行加設(shè)看門狗電路X5163同樣集成了看門狗定時(shí)器功能

47、。程序設(shè)計(jì)時(shí)DSP在運(yùn)行每隔一定時(shí)間觸發(fā)CS/WDI引腳“喂狗”，一旦出現(xiàn)程序跑飛等異常情況X5163觸發(fā)RESET信號(hào)。4.3 CPLD的電路設(shè)計(jì)及功能分析CPLD選型時(shí)主要需要考慮其內(nèi)部邏輯單元個(gè)數(shù)I/O管腳等參數(shù)?；趯?duì)Altera產(chǎn)品熟悉程度和性價(jià)比等選用Altera公司MAX7000S系列EPM7128S芯片。EPM7128S所實(shí)現(xiàn)硬件原理框圖如圖4-4所示。圖4-4 EPM7128S 的接口原理圖本系統(tǒng)中用到CAN總線控制器時(shí)5V電平接口其CS、RD、WR，由于是通過CPLD譯碼產(chǎn)生，因此可以直接驅(qū)動(dòng)，但其地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線不能和DSP直接連接中間，必須采用電平轉(zhuǎn)換芯片在隨后的CAN

48、總線。下面對(duì)以上實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行進(jìn)一步分析闡述其硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理。 （1）與DSP接口硬件設(shè)計(jì)EPM7128S主要實(shí)現(xiàn)DSP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、程序存儲(chǔ)空間和、IO空間的地址分配。EPM7128S與DSP接口硬件接口圖如圖4-5所示。圖4-5 EPM7128S與DSP的硬件接口圖 （2）與信號(hào)調(diào)理電路接口的硬件設(shè)計(jì)EPM7128S與信號(hào)調(diào)理電路接口硬件接口圖如圖4-6所示。圖4-6 EPM7128S與信號(hào)調(diào)理電路接口的硬件接口圖 （3）與CAN總線控制器接口的硬件設(shè)計(jì)EPM7128S主要實(shí)現(xiàn)CAN控制器選通、讀寫信號(hào)的輸出等。EPM7128S與CAN總線控制器硬件接口圖如圖4-7所示。圖4-7 EPM7

49、128S與CAN總線控制器的硬件接口圖4.4 CAN總線通信的電路設(shè)計(jì)目前設(shè)計(jì)中使用最為普遍是Philips提供獨(dú)立CAN總線控制器SJA1000。CAN總線控制器SJA1000主要由由以下幾部分構(gòu)成：接口管理邏輯；發(fā)送緩沖器能夠存儲(chǔ)1個(gè)完整報(bào)文（擴(kuò)展的或標(biāo)準(zhǔn)的）；驗(yàn)收濾波器；接收FIFO（First In First Out）；CAN核心模塊。 本系統(tǒng)以SJA1000為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)CAN總線通信電路。由于SJA1000輸入輸出電平信號(hào)為5V但是輸入管腳可以3.3V驅(qū)動(dòng)，因此選通、讀寫等管腳均由CPLD直接引出驅(qū)動(dòng)。由于暫不清楚現(xiàn)場(chǎng)中的通信效果如何，考慮可能需要進(jìn)行阻抗匹配不合適電阻會(huì)使數(shù)據(jù)通信抗

50、干擾性以及可靠性大大降低，為此PCA82C250輸出增加了跳線使用匹配電阻匹配電阻阻值為120歐。4.5 電源電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)涉及多種不同電平電壓主要分為：1.模擬部分 （1）運(yùn)算放大器OP27、電壓比較器LM311、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7656以及其他外圍芯片+12V供電電源； （2）運(yùn)算放大器OP27、電壓比較器LM311、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7656以及其他外圍芯片12V供電電源； （3）模擬多路復(fù)用器74HC4051、模擬多路復(fù)用器74HC4053、運(yùn)算放大器OP282、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7656以及其他外圍芯片的+5V供電電源； （4）模擬多路復(fù)用器74HC4051、模擬多路復(fù)用器74HC4053、運(yùn)

51、算放大器OP282以及其他外圍芯片5V供電電源。2.數(shù)字部分 （1）DSP TMS320VC5402（內(nèi)核）+1.8V供電電源； （2）DSP TMS320VC5402（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7656以及其他外圍芯片+3.3V供電電源； （3）CPLD EPM7128S、CAN總線控制器芯片SJA1000及其他外圍芯片+5V供電電源。本系統(tǒng)共涉及到了+12V、12V、+5V（模擬）、5V、+1.8V、+3.3V、+5V（數(shù)字）等。一般而言說目前系統(tǒng)中電源設(shè)計(jì)通?？梢杂腥N途徑這兩種途徑應(yīng)用于不同范圍有各自優(yōu)缺點(diǎn)。 （1）線性穩(wěn)壓芯片目前系統(tǒng)中低壓且對(duì)效率不十分敏感電源設(shè)計(jì)，一般采用線性穩(wěn)壓芯

52、片線性穩(wěn)壓芯片突出優(yōu)點(diǎn)在于噪聲低、體積小、成本低、靜態(tài)電流小。針對(duì)這類要求低壓差電源需求許多電源芯片公司推出了低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO，Low Dropout Voltage Regulator）。 （2）開關(guān)電源大電流高功率設(shè)計(jì)建議直接采用AC/DC開關(guān)電源；低電壓輸出電源設(shè)計(jì)可以考慮使用DC/DC芯片加外圍電路構(gòu)成。 （3）直接采用電源模塊表4-1 三種電源方案的比較低壓差線性穩(wěn)壓器開關(guān)電源電源模塊優(yōu)點(diǎn)所需外部元件數(shù)量少，使用方便，成本低，所需電路板空間小，紋波小，無電磁干擾效率高，輸入電壓范圍較寬，價(jià)格比電源模塊便宜很多效率高，輸入電壓范圍較寬，輸出功率大，使用方便，電磁干擾小缺點(diǎn)效率很

53、低，功耗較大設(shè)計(jì)較復(fù)雜，有電磁干擾，需要一定的設(shè)計(jì)能力價(jià)格昂貴三種方案優(yōu)缺點(diǎn)比較還有根據(jù)設(shè)計(jì)成本、功率及實(shí)現(xiàn)難易程度上考慮最終確定Cosel公司PMC100E-1型AC-DC開關(guān)電源為系統(tǒng)的總±12V電源輸入其輸出共三路：+5V/13.0A+12V/2.0A12V/1.0A。選擇線性穩(wěn)壓芯片對(duì)±12V逐步降壓提供±5V、3.3V、1.8V電壓。絕緣在線監(jiān)測(cè)板卡上集成了信號(hào)調(diào)理電路、DSP及其外圍電路、CPLD電路、CAN總線通信電路、板卡電源電路、外部接口六大功能。5 絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1 CPLD的軟件設(shè)計(jì)Max+plus II是Altera公司的早期產(chǎn)品在較老一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用。最新推出的Quartus II軟件屬于第四代PLD（Programmable Logic Device）開發(fā)平臺(tái)。相比較MAX+PLUS II軟件而言Quartus II軟件比MAX+PLUS II更加可靠用戶界面更加友好且有更好性能表現(xiàn)更多功能如下所示： （1）支持更多器件。 （2）更大性能提升。改進(jìn)了性能、提升了功能性、解決了潛在設(shè)計(jì)延遲等。 （3）采用快速適配選項(xiàng)縮短編譯時(shí)間。Quartus II軟件