采用采用ARM嵌入式微處理器芯片實現低壓智能電動保護器的設計

1 引 言

隨著電動機控制中心（MCC）技術的發展，模塊化的智能電動機保護器得到了越來越廣泛的應用，同時也對電動機保護提出了更高的要求。

針對電氣監控系統自動化程度越來越高的發展趨勢，用低壓智能電動機保護控制器作為發電廠低壓電動機的保護和測控，是提高電氣監控系統運行維護水平的重要手段。

目前傳統的8／16位的單片機仍然廣泛應用于電氣保護中，但是他們僅僅具有基本的測量控制功能，在人機界面、數據查詢、監控處理能力比較有限，大部分缺少網絡通信功能。在實現自動在線監測領域中，ARM芯片在多目標采集，多層次監測和網絡化等方面具有強大的優勢。由于LPC2132屬于ARM7系列處理器，能對多個采樣點進行同時測量，具有強大的數據處理功能。同時，保護器包括強大的網絡功能和動作保護記錄功能，支持開放式的通訊協議，構筑成有效的保護測控網絡。

2系統的功能特點

智能保護器主要是以LPC2132微處理器為運算核心，含有模擬數字量采集，繼電保護，界面顯示和按鍵控制等功能模塊。系統外接標準的：RS 485通信接口，實現與監控系統之間的數據傳輸和聯系。LPC2132是一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S核的微處理器，并帶64 kB的高速FLASH存儲器，4個通信接口，2個32位定時器，1個10位8路ADC，2個硬件鐵電接口47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發的外部中斷。

除可以完成傳統測量控制保護的功能外，保護器在設計上主要具有以下特點：

針對繼電保護中常出現的誤動情況，把采樣量測量突變瞬時啟動和靜穩檢測元件相結合，作為保護裝置的啟動元件模式，從警告信號發出和保護動作產生設計兩級閉鎖通道，從而保證啟動元件的靈敏度和靜穩狀態破壞時保護器不會產生誤動；

通過設置功能選擇菜單，用戶可以根據自己的需要去掉不必要的功能任務，減少計算量，提高系統運算速度和精度；

利用ARM系列單片機強大的網絡通信功能，增大數據的采樣通道數量，實時跟蹤顯示采樣量信息，有效解決了在分布式電氣監測控制系統（ECS）中的信息傳輸延時問題。

3 系統的硬件設計

3．1硬件總體結構

電動機保護器系統結構框圖如圖1所示。保護器主要分為6個部分：主處理器LPC2132、信號采集模塊、網絡通信模塊、界面顯示模塊、按鍵控制模塊和繼電保護模塊。

在裝置前端，輸入電路將采集的三相電流和電壓經過互感器和運算放大器轉變成適合A／D轉換的直流信號。系統內部集成了一個逐次逼近型的10位8路A／D轉換器，該轉換器具有高達400 kb／s采樣速度，完全滿足了系統實時監控的要求；另外在A／D轉換電路中增加了獨立的基準電壓源，防止外壓的波動，提高裝置轉換精度。由于微處理器LPC2132具有非常高的控制和處理能力，一般主頻工作速度可達60 MHz，可以同時處理多個開關量輸入和4路繼電量輸出。通過對采樣信號的邏輯運算，實現系統的通信保護和控制功能。

系統裝置的功能輸出和保護動作主要由芯片的引腳使能控制，但是外接電壓的抖動，常常導致芯片的基準電壓發生變化。在外部掉壓情況下，為使芯片迅速復位，進入正常工作狀態，系統內部加入了掉電檢測電路。檢測電路分為兩級檢測，前級預警，后級動作。通過快速中斷復位防止FLASH內容發生改變。另外在硬件電路設計中充分考慮了抗干擾設計，如在系統所有開入開出以及通訊部分都加入了光電耦合器進行隔離，保證了系統在現場應用中良好的可靠性。

3．2部分外圍硬件電路

3．2．1 液晶顯示電路

圖2為液晶顯示控制電路，采用顯示器采用驅動芯片HT1621，所有被測量參數、保護信息、故障信息通過HT1621傳輸控制在面板液晶顯示器實時顯示。LED指示燈顯示裝置所處狀態，如運行、故障、通訊等。通過按鍵可以進行面板菜單操作，查閱測量、保護、故障事件信息。

3．2．2 通信接口電路設計

LPC2132具有兩個符合16C550工業標準的通用異步收發器（UART）接口，實現下位機和上位機，保護器和計算機監控系統之間的實時通信，通訊地址設置為（1～250），通訊速率（1 200～115 200 kb／s）可設，采用國際標準的MODBUS協議，根據所測量參數設置通信規約。為防止數據在通訊傳輸的失真的情況，在接口電路中加入了光藕隔離。通信接口電路設計如圖3所示。

4 系統的軟件設計

軟件部分的設計主要采用嵌入式C語言，在ADS 1．2編譯環境中進行，結構清晰，方便升級和移植。程序框架以主程序為核心，包括初始化程序、自檢、主程序、定時中斷程序和各個功能模塊子程序，各個子程序的功能在主程序中得到實現。

（1）初始化和自檢

初始化主要包括管腳配置初始化，A／D通道初始化，定時器頻率設定，以及系統參數初始化等。自檢主要檢查液晶背光顯示是否正常，FLASH參數是否正確和裝置與監控系統的通訊是否正確連接。如果自檢不通過，系統則處于靜止等待狀態，并將出錯信息發給上位機和現場監控人員。自檢通過則進入主程序。

（2）主程序

裝置在進行完有關系統初始化操作后執行主程序。正常運行時，主程序中完成采樣、計算、控制、通訊、保護動作等功能，如有自檢故障發生將發出故障信號，并將故障信號傳送管理單元。正常運行時還進行判斷保護是否啟動，保護啟動則程序轉到保護處理子程序中去。在保護處理子程序中，完成保護數據計算，保護判斷，并根據判斷結果執行相應的出口操作。沒有故障時則返回主循環。

5 結 語

本文介紹的低壓智能電動保護器，采用ARM嵌入式微處理器LPC2132為系統主控芯片，充分利用LPC2132的各種內置功能，簡化了系統設計，具有很高的性價比。該裝置功能強大，精度高，便于組網，提高了自動化水平，具有良好的市場應用價值。

責任編輯：gt