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1、第一章第一章 微机爱护的硬件原理微机爱护的硬件原理第一节第一节 概述概述 1.1.微机爱护的硬件系统包括以下三部分：微机爱护的硬件系统包括以下三部分：数据采集系统（或称模拟量输入系统）：数据采集系统（或称模拟量输入系统）：包括电压形成、采样保持、多路开关及包括电压形成、采样保持、多路开关及数模转换。数模转换。微型机（或微处理器）主系统：包括微处微型机（或微处理器）主系统：包括微处理器、程序存储器（理器、程序存储器（ROMROM）、数据存储器）、数据存储器（RAMRAM）、定时器、并串接口等。）、定时器、并串接口等。开关量输入输出系统：由微型机的并行接开关量输入输出系统：由微型机的并行接口、光电
2、隔离器件及有触点的中间继电口、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。完成爱护须要的外部触点接器等组成。完成爱护须要的外部触点接入、出口跳闸、人机对话等功能。入、出口跳闸、人机对话等功能。图图1 11 1 示出了微机爱护硬件构成框图示出了微机爱护硬件构成框图图11 微机爱护硬件构成框图微机爱护的模拟量输入方式：微机爱护的模拟量输入方式：逐次靠近型逐次靠近型A/DA/D转换转换VFCVFC原理原理A/DA/D转换转换2.微机爱护用硬件特点微机爱护用硬件特点集成微处理器（集成微处理器（MPU）、只读存储器）、只读存储器(ROM)、随即存取存储器随即存取存储器(RAM)、定时器、模数转、定时器、模数
3、转换器换器(AD)、并行接口、并行接口(PIO)、闪存单元、闪存单元(FLASH)、数字信号处理器、数字信号处理器(DSP)、通信、通信接口等多种功能集成在一个芯片内的单片接口等多种功能集成在一个芯片内的单片机系统。机系统。把全部总线连同单片机都集成在一个芯片内的把全部总线连同单片机都集成在一个芯片内的总线不出片技术。总线不出片技术。不区分微机、单片机、微处理器不区分微机、单片机、微处理器其次节其次节 数据采集系统数据采集系统为模数转换（为模数转换（ADAD）做准备、转换模拟量）做准备、转换模拟量为数字量为数字量适应电力系统故障信号特点适应电力系统故障信号特点频谱分布宽广：从直流、衰减直流、工
4、频谱分布宽广：从直流、衰减直流、工频基波重量到各次谐波（最高到数百频基波重量到各次谐波（最高到数百千赫兹）在内的暂态信号千赫兹）在内的暂态信号动态范围宽广：从正常运行的几十安培动态范围宽广：从正常运行的几十安培到短路状态下的几万安培甚至几十万到短路状态下的几万安培甚至几十万安培安培n适应继电爱护特点要求适应继电爱护特点要求n模拟量设置应满足继电爱护功能要求为准则模拟量设置应满足继电爱护功能要求为准则n典型的高压线路爱护须要：三相电流、零序电典型的高压线路爱护须要：三相电流、零序电流；三相电压、线路侧线间电压；流；三相电压、线路侧线间电压；n典型的三绕组变压器差动爱护须要：每一绕组典型的三绕组变
5、压器差动爱护须要：每一绕组侧的三相电流侧的三相电流n 因此，微机爱护是一个多模拟量输入系统因此，微机爱护是一个多模拟量输入系统2 21 1 电压形成回路电压形成回路要求要求继电爱护所运用的电压、电流都是来自继电爱护所运用的电压、电流都是来自于电压互感器（于电压互感器（100100伏、线间电压）伏、线间电压）和电流互感器（额定电流和电流互感器（额定电流5 5安或安或1 1安，安，短路电流短路电流100100安）安）把把100100伏左右的电压变换为适合伏左右的电压变换为适合ADAD转换须转换须要的正负要的正负2.52.5伏、正负伏、正负5 5伏、正负伏、正负1010伏伏的电压；的电压；把小于把小
6、于1 1安安100100安的电流变换为适合安的电流变换为适合ADAD转换须要的正负转换须要的正负2.52.5伏、正负伏、正负5 5伏、正伏、正负负1010伏的电压伏的电压电压形成回路（1）输入电压的电压形成回路 把一次电压互感器输出的二次额定100V电压变换成最大5V模拟电压信号，供模数转换芯片运用。可以接受电压变换器实现。（2）输入电流的电压形成回路 把一次电流互感器输出的二次额定5A/1A电流变换成最大5V模拟电压信号，供模数转换芯片运用。可以接受电流变换器或电抗变换器实现。（一）输入电压的电压形成回路 通过电压变换器实现，即一种变压器（但是，原边与付边之间应当设置一个屏蔽层，提高抗共模干
7、扰的实力）。电压变换器（TV）（二）输入电流的电压形成回路，有以下（二）输入电流的电压形成回路，有以下2 2种方法实现种方法实现（1）电抗变换器 电抗变换器是一种铁心中有气隙的变压器。优点是铁心不易饱和，线性变换范围大。缺点是阻挡直流、放大高频重量，使二次侧电压波形发生严峻畸变。（2）电流变换器 电流变换器是一种铁心闭合无气隙的变压器。优点是当铁心不饱和时，二次电流波形与一次侧相同。缺点是在电流非周期重量作用下简洁饱和，线性度差。微机爱护中一般接受电流变换器。Z是模数转换器的输入阻抗；是二次侧并联电阻，很小。输出电压各变换器工作特性各变换器工作特性电压变换器电压变换器 用于将一次电压变换成微机
8、爱护模数转换用于将一次电压变换成微机爱护模数转换（ADAD）用的电）用的电压，一般变压器原理。压，一般变压器原理。电流变换器：用于电流电流电压电流变换器：用于电流电流电压 用于将一次电流变换成微机爱护模数转换用于将一次电流变换成微机爱护模数转换（ADAD）用的电）用的电压。一般变压器原理，把电流变换成电流，压。一般变压器原理，把电流变换成电流，再把一个小电阻再把一个小电阻并联在该变压器的二次侧，形成电压。并联在该变压器的二次侧，形成电压。要求该变压器的铁心不饱和。要求该变压器的铁心不饱和。n电抗变压器：用于干脆获得电压电抗变压器：用于干脆获得电压n 它的原理结构、原理图及等值电路如图它的原理结
9、构、原理图及等值电路如图1 12 2所所示示n n 图图1 12 2 电抗变压器的原理结构与电抗变压器的原理结构与等值电路图等值电路图 它的铁心带有气隙、具有三个绕组的变压器。由于它的铁心带有气隙、具有三个绕组的变压器。由于存在气隙，励磁电抗数值很小，相对而言很大的二次存在气隙，励磁电抗数值很小，相对而言很大的二次负载阻抗可忽视不及，故一次电流全部作为励磁电负载阻抗可忽视不及，故一次电流全部作为励磁电流。此时有以下关系：流。此时有以下关系：总体效果相当于总体效果相当于 因此电抗变能够将一次电流的基波重量成比例地转因此电抗变能够将一次电流的基波重量成比例地转换成二次侧电压。但放大了谐波重量，阻挡
10、了直流和换成二次侧电压。但放大了谐波重量，阻挡了直流和低频重量。严格讲是失真变换。低频重量。严格讲是失真变换。电流变换器和电抗变压器的比较电流变换器和电抗变压器的比较电流变换器能够不失真地变换电流成为电压，但是在电流变换器能够不失真地变换电流成为电压，但是在出现非周期重量、衰减直流重量时，简洁饱和，出现非周期重量、衰减直流重量时，简洁饱和，线性度差，动态范围小线性度差，动态范围小电抗变压器具有阻挡直流、放大谐波的作用，因此当电抗变压器具有阻挡直流、放大谐波的作用，因此当一次波形为非正弦时，二次将发生严峻畸变。但一次波形为非正弦时，二次将发生严峻畸变。但是它的动态范围宽广、铁心不易饱和、具有移相
11、是它的动态范围宽广、铁心不易饱和、具有移相作用。在某些场合下还是有用的。作用。在某些场合下还是有用的。2 22 2 采样保持电路和模拟低通滤波器采样保持电路和模拟低通滤波器采样保持电路的作用及原理采样保持电路的作用及原理定义：采样保持电路（定义：采样保持电路（S/H,Sampling S/H,Sampling and Holdingand Holding）是在极短时间内测量）是在极短时间内测量模拟量在该时刻的瞬时值，并在模拟模拟量在该时刻的瞬时值，并在模拟数字转换器进行转换的期间保持输数字转换器进行转换的期间保持输出不变的一个电路出不变的一个电路接受保持电路输出了一个阶梯电压波形。接受保持电路
12、输出了一个阶梯电压波形。在保持阶段无论何时进行模数转换，在保持阶段无论何时进行模数转换，都反映了采样值。都反映了采样值。n组成：它由电子模拟开关组成：它由电子模拟开关ASAS、保持电容器及两个、保持电容器及两个阻抗变换器组成。阻抗变换器组成。ChCh的作用是记忆的作用是记忆ASAS闭合时刻的闭合时刻的电压，并在电压，并在ASAS打开后保持该电压。阻抗变换器打开后保持该电压。阻抗变换器I I在在ChCh端供应低阻抗，使得端供应低阻抗，使得ChCh电压建立快速，而在输电压建立快速，而在输入端呈现高阻抗，以尽量削减对输入回路的影响；入端呈现高阻抗，以尽量削减对输入回路的影响；阻抗变换器阻抗变换器11
13、11在在ChCh端供应高阻抗，使得端供应高阻抗，使得ChCh衰减缓衰减缓慢，而在后边呈现低阻抗以提高带负载的实力。慢，而在后边呈现低阻抗以提高带负载的实力。图13 采样保持电路及工作过程n工作过程：工作过程：微机采样定时器等间隔地产生采样脉冲微机采样定时器等间隔地产生采样脉冲进行采样，得到采样信号，采样后信号在下次采样进行采样，得到采样信号，采样后信号在下次采样脉冲到来之前应保持不变，形成稳定的阶梯状采样脉冲到来之前应保持不变，形成稳定的阶梯状采样保持信号，等待保持信号，等待A/DA/D转换。转换。对采样保持电路的要求对采样保持电路的要求ChCh上的电压依据确定的精度跟踪上的电压依据确定的精度
14、跟踪UsrUsr，跟踪时，跟踪时间尽量短，以适应最小采样宽度要求间尽量短，以适应最小采样宽度要求TcTc保持时间要长，通常用下降率来表示保持实力保持时间要长，通常用下降率来表示保持实力模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小电流要小 前两个指标取决于阻抗变换器和保持电容前两个指标取决于阻抗变换器和保持电容的性能，的性能，就捕获而言，越小越好；就保持而言越大越好。就捕获而言，越小越好；就保持而言越大越好。一般来讲，要求快速捕获，采样周期短，一般来讲，要求快速捕获，采样周期短，电容要小电容要小一些；一些；慢速捕获，采样周期长，电容大一些，稳慢速捕获，
15、采样周期长，电容大一些，稳定性好，定性好，抗杂散电容影响实力强。抗杂散电容影响实力强。采样保持电路的典型芯片采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用采样频率的选择和模拟低通滤波器的应用等步长采样和变步长采样等步长采样和变步长采样 对于电网频率波动小，采样精度要求不是很对于电网频率波动小，采样精度要求不是很高的场合，常接受等高的场合，常接受等步长采样步长采样 对于电网频率波动大，采样精度要求高的场对于电网频率波动大，采样精度要求高的场合，须要变步长采合，须要变步长采样，变步长的采样间隔时间（采样脉冲发出时样，变步长的采样间隔时间（采样脉冲发出时间）要随时调整间）要随时调整采样定理采样定理 被采样信号
16、的频率最高不超过被采样信号的频率最高不超过1/21/2采样频率，采样频率，否则会造成频谱混否则会造成频谱混叠。叠。fs2fmaxfs2fmax合适的爱护采样频率选择合适的爱护采样频率选择 高采样频率要求高采样频率要求CPUCPU的处理和运算速度快；低的处理和运算速度快；低采样频率可能会造采样频率可能会造成频率混叠，因为电力系统故障后的电压电流成频率混叠，因为电力系统故障后的电压电流是一个宽频谱信号。是一个宽频谱信号。n合适的爱护采样频率选择合适的爱护采样频率选择n 假如考虑目前的继电爱护主要是基于工频故障信假如考虑目前的继电爱护主要是基于工频故障信息构成的，那息构成的，那n么，高频故障信息应当
17、么，高频故障信息应当/可以滤除，这样将降低对可以滤除，这样将降低对CPUCPU和采样速率的和采样速率的n要求。目前微机爱护普遍接受要求。目前微机爱护普遍接受600Hz600Hz（1.6671.667毫秒）、毫秒）、1kHz1kHz（1 1毫毫n秒）、秒）、1.8kHz1.8kHz（0.550.55毫秒）的采样频率，它们都能够毫秒）的采样频率，它们都能够满足工频故障满足工频故障n信息和信息和3 3次、次、5 5次谐波的采样和辨别要求。但是高于次谐波的采样和辨别要求。但是高于300Hz300Hz、500Hz500Hz、n900Hz900Hz的故障信号怎么办呢？的故障信号怎么办呢？前置低通滤波器的设
18、置前置低通滤波器的设置 电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率重量（如2 kHZ以上）。而目前大多数微机爱护原理都是反映50HZ工频重量的。因此，在采样保持前用一个模拟低通滤波器把高频重量过滤掉，防止高频重量混叠到工频来。最简洁的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。其中n 滤波器是一种能使有用频率信号通过，滤波器是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。低通滤波器同时抑制无用频率信号的电路。低通滤波器是只让低于截止频率通过的滤波器。是只让低于截止频率通过的滤波器。n 前置低通滤波器又称为抗混叠滤波器，前置低通滤波器又称为抗混叠滤波器，广泛应用于各种爱护、限制电路中的采样电
19、广泛应用于各种爱护、限制电路中的采样电路前，滤除高于路前，滤除高于2 2倍采样频率的信号，因此截倍采样频率的信号，因此截止频率被设置为止频率被设置为1/2fs1/2fs。n 低通滤波器可以接受有源的、也可以接受无源低通滤波器可以接受有源的、也可以接受无源的。无源滤波器构成简洁，但电阻和电容回路对的。无源滤波器构成简洁，但电阻和电容回路对信号有衰减作用，并会带来时间延迟，仅适用于信号有衰减作用，并会带来时间延迟，仅适用于对速度和性能要求不高的微机爱护对速度和性能要求不高的微机爱护 有源滤波器抗冲击干扰实力差，但滤波性能好。有源滤波器抗冲击干扰实力差，但滤波性能好。性能越好的滤波器延时越长，造成信
20、号不同步性能越好的滤波器延时越长，造成信号不同步的可能性越大。的可能性越大。继电爱护常常接受一般的一阶（最高二阶的有继电爱护常常接受一般的一阶（最高二阶的有源或无源）滤波器来限制接近工频重量的谐波信源或无源）滤波器来限制接近工频重量的谐波信息混进来！息混进来！其次节其次节 数据采集系统数据采集系统图15 二阶无源低通滤波器其次节其次节 数据采集系统数据采集系统图16 二阶无源低通滤波器2 23 3 模拟量多路转换开关模拟量多路转换开关继电爱护须要多的模拟量继电爱护须要多的模拟量模数转换器是珍贵的元器件模数转换器是珍贵的元器件电路布板希望少的芯片电路布板希望少的芯片多路转换器是一个志向的、常常接
21、受的多路转换器是一个志向的、常常接受的芯片芯片定义：是一个开关电路；接入很多模拟定义：是一个开关电路；接入很多模拟量；仅仅把其中的一路送给模数转换量；仅仅把其中的一路送给模数转换器去转换。器去转换。不同的模拟量通过不同的模拟量通过“分时分时”方式完成方式完成模数转换过程。模数转换过程。组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和多路组成：包括选择接通路数的二进制译码电路和多路电子开关。电子开关。二进制译码电路确定哪个电子开关接通二进制译码电路确定哪个电子开关接通接入相接入相应的待转换模拟量应的待转换模拟量多路电子开关起分断其它回路而仅仅接通待转换的多路电子开关起分断其它回路而仅仅接通待转换的哪一路
22、模拟量作用哪一路模拟量作用1616路多路转换开关例路多路转换开关例A0A0A3A3是路数选择线是路数选择线接接CPUCPU，限制哪一路选通，限制哪一路选通A1A1A16A16是模拟量入是模拟量入AS1AS1AS16AS16是电子开关是电子开关EnEn是始能端是始能端图17 16路多路转换开关模拟量多路转换开关的应用。模拟量多路转换开关（MPX）中最重要的部分是电子开关AS，它是用数字电子逻辑限制模拟信号通、断的一种电路，通常是由双极型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（J-FET）或金属氧化物半导体场效应管（MOS-FET）等类型组成的电子开关。2 24 4 模数转换器模数转换器定义：是一个硬
23、件电路，用于实现模拟定义：是一个硬件电路，用于实现模拟量到数字量的转换，也称为量到数字量的转换，也称为A/DA/D转换转换器。它是把模拟量变成能让计算机识器。它是把模拟量变成能让计算机识别的数字量的桥梁。把连续的模拟信别的数字量的桥梁。把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。号转变为离散的数字信号。应用范围及其宽广：随时间连续变更的应用范围及其宽广：随时间连续变更的模拟量、须要计算机来处理的都必需模拟量、须要计算机来处理的都必需经过这个环节。像电压、电流、温度、经过这个环节。像电压、电流、温度、压力速度等压力速度等分类：分类：干脆型：干脆把模拟量转换成数字代码干脆型：干脆把模拟量转换成数字代码间
24、接型：首先把模拟量转换成某种变量间接型：首先把模拟量转换成某种变量（比如频率），再转换成数字代码输（比如频率），再转换成数字代码输出出模数转换器的一般原理模数转换器的一般原理 将输入的模拟量将输入的模拟量UsrUsr相对于模拟参考量相对于模拟参考量U UR R经编码电经编码电路转换成数字量路转换成数字量D D输出输出.一般一般 一般D D可以表示为（可以表示为（D是小于1的二进制数，是一个n位二进制数字。）B1B1BnBn均为二进制码。均为二进制码。模数转换器的工作原理把连续的模拟信号转变为离散的数字信号。以kTs时刻为例分析：该时刻瞬时电压值转变为数字量数模转换器的一般原理 数模转换器（D/
25、A转换器，或简称DAC）是把数字量D转变成模拟电压或电流输出。模数转换器中一般都要用到数模转换器。输入数字量：，上图n=4。输出模拟电压：，正比于输入数字量D。逐次靠近式模数转换器的工作原理 数模转换器的工作过程：通过并行接口向16位D/A转换器摸爽性送数。每送一次数，微型机通过读取PA0端口的状态推断试送的16位数相对于模拟输入量是偏大还是偏小。假如偏大，则减小试送的16位数，直至找到最相近的二进制数，这个16位二进制数就是A/D转换器的输出结果。摸索送数采样逐次靠近的二分搜寻法。双极性模拟量的模数转换双极性模拟量：正、负极性变更的模拟量。为了实现对双极性模拟量的模数转换，须要设置一个直流偏
26、置量，其值为最大允许输入量的一半。以输入双极性电压最大范围为5V的模数转换器为例。以上A/D转换器的位数是16位。最高位是符号位，有效位只有后面的15位。一个n位的A/D转换器，其十进制数的范围是模数转换的溢出模数转换器的溢出：输入模拟电压超过了模数转换器的最大允许输入电压 。模数转换器的溢出可能有两种状况：（1）平顶溢出，危害不大。(A/D转换结果保持在最大值11111111)（2）清零溢出，危害很大。(A/D转换结果保持在最小值00000000)A/D转换器举例 以模数转换器AD7665为例进行分析。数模转换器AD7665是一种逐次靠近型的16位快数数模转换器，转换速率是500kSPS（S
27、amples Per Second），即进行一次模数转换的时间为1/500K=2uS。A/D7665模数转换器是由 Analog Devices 公司生产。芯片外观芯片内部结构示意图A/D转换器与微型机的接口 模数转换器AD7665的模数转换功能必需由微型机执行软件程序来限制，即微型机通过总线限制模数转换器AD7665。模数转换器AD7665与微型机的接口如下图所示。微机爱护对微机爱护对A/DA/D转换器的主要要求转换器的主要要求（1）转换位数（辨别率），通常用数字量的位数来表示。（2）转换时间（转换频率），A/D转换器进行模数转换的时间 ，其转换频率为 。1）转换位数（辨别率），即数字量的位
28、数。当用有限位数的二进制数来表示连续的模拟量瞬时值，不行避开地要舍去比最低位（LSB）更小的数，从而引入确定误差。对于一个n位的A/D转换器，其量化误差 其中，是A/D转换器最大允许输入的正电压。12位AD可以满足要求。如接受16位更好2）转换时间，影响A/D的最高采样频率。2 25 5 VFCVFC型数据采集系统型数据采集系统 电压频率转换器VFC（Voltage Frequency Converter）是另一种实现模数转换功能的器件，将模拟电压量变换为脉冲信号，该输出脉冲信号的频率与输入电压的大小成正比。（1）VFC的工作原理VFC把输入的沟通模拟电压量 转变为脉冲信号 输出。输出脉冲信号
29、 的频率 与输入电压 成正比。是常数。VFC的工作原理 电压频率转换器VFC输出脉冲方波的频率 和输入沟通模拟电压信号 的大小成正比，即：在一段时间（采样时间）内，对VFC输出的脉冲方波进行计数（即计算上升沿的个数），得到数字量D。则该数字量D和输入模拟信号 之间的关系是：当采样时间 很小时，且输入模拟信号中没有高频重量时，可以认为在采样时间内输入模拟电压 也不变。则有：所以最终输出的数字量D也正比于输入的模拟信号 。VFC的辨别率与采样频率的关系的辨别率与采样频率的关系 辨别率一般用VFC转换器输出的数字量D的位数来衡量。VFC输出的位数取决于两个因素：（1）VFC输出脉冲的最高频率 ；（2
30、）采样间隔Ts 的大小和积分间隔个数N。VFC转换器输出的最大数字量 最高频率 之间关系为：以最高频率4MHz为例分析：取Ts5/3mS，N=1其最大输出数字量为：这个数字量相当于12.7位的A/D输出。（2）VFC型数据采集系统的特点型数据采集系统的特点 VFC型数据采集系统结构简图如下所示。可见与一般型数据采集系统结构简图如下所示。可见与一般A/D型型的数据采集系统是不一样的。的数据采集系统是不一样的。VFC型数据采集系统的特点：型数据采集系统的特点：（1）有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；）有低通滤波的作用，可以大大抑制噪声；一般一般A/D转换器是对模拟量瞬时值进行转换，而转换器是对模
31、拟量瞬时值进行转换，而VFC型型数据采集系统是对模拟量的连续积分，具有低通滤波作用，并数据采集系统是对模拟量的连续积分，具有低通滤波作用，并可大大抑制噪声。可大大抑制噪声。（2）抗干扰实力强，在）抗干扰实力强，在VFC数据采集系统的输出端和数据采集系统的输出端和CPU主主系统的计数器之间接入光电耦合器；系统的计数器之间接入光电耦合器；（3）输出数字量）输出数字量D的位数可调；的位数可调；（4）与微型机的接口简洁；）与微型机的接口简洁；（5）可实现多微机共享数据采集；）可实现多微机共享数据采集；（6）易于实现同步采样；）易于实现同步采样；（7）但不适用于高频采样。）但不适用于高频采样。逐次靠近式
32、A/D转换与VFC转换分析第三节第三节 开关量输入及输出回路开关量输入及输出回路一、光电耦合器一、光电耦合器 光电耦合器：把发光器件和光敏器件组合在一起，实现以光光电耦合器：把发光器件和光敏器件组合在一起，实现以光信号为媒介的电信号变换。信号为媒介的电信号变换。由于发光器件和光敏器件之间相互绝缘，所以可以实现输入由于发光器件和光敏器件之间相互绝缘，所以可以实现输入和输出两侧电路之间的电气隔离。在微机爱护中常用光电耦合和输出两侧电路之间的电气隔离。在微机爱护中常用光电耦合器来输入或输出开关量信号。器来输入或输出开关量信号。二、开关量输入回路二、开关量输入回路开关量：即接点状态信号，接通或断开（识
33、别外部条件）。开关量：即接点状态信号，接通或断开（识别外部条件）。对微机爱护装置的开关量输入可以分为对微机爱护装置的开关量输入可以分为2类：类：（1）安装在装置面板上的接点信号输入（）安装在装置面板上的接点信号输入（5伏系统）；伏系统）；如用于人机对话的键盘上的接点信号。这类信号可以干脆接至如用于人机对话的键盘上的接点信号。这类信号可以干脆接至微型机的并行口。微型机的并行口。（2）从装置外部经过端子排引入的接点信号输入（）从装置外部经过端子排引入的接点信号输入（24伏、伏、48伏、伏、220伏等）；如爱护屏上的各种硬压板、转换开关等。伏等）；如爱护屏上的各种硬压板、转换开关等。为了抑制干扰，这
34、类接点必须要经过光电耦合器进行电气隔离，为了抑制干扰，这类接点必须要经过光电耦合器进行电气隔离，然后接至并行口。然后接至并行口。三、开关量输出回路三、开关量输出回路须要输出的开关量（开出量）：爱护的跳闸信号、通信接口。（一）通信接口（包括打印机接口）可用一个并行口来限制输出数字信号。输出回路中也加光电耦合器，提高抗干扰实力。将并行接口的PA口设置为输出方式；将PB口设置为输入方式。在开关量输出回路中加入光电耦合器，实现两侧电气回路的电气隔离，同时可以进行不同逻辑电平的转换。并行接口侧的电源电压是5V，而右侧输入回路中电源电压可以是24V或其它电压等级。（二）爱护的跳闸出口信号 对于爱护跳闸出口
35、信号（及本地信号）的输出，一般采样并行口经过光电耦合器限制继电器的方式。对于重要的爱护跳闸出口信号，为了防止误发信号，还须要增加与非门环节。典典型型微微机机保保护护出出口口控控制制回回路路nK1K1为常闭接点（线圈不带电状况下闭合），是一个为常闭接点（线圈不带电状况下闭合），是一个闭锁告警信号闭锁告警信号nK2K2、K3K3、K4K4、KNKN为常开接点（线圈不带电状况下打为常开接点（线圈不带电状况下打开）开）nK2K2是故障启动信号是故障启动信号nK3K3、K4K4是跳闸出口接点是跳闸出口接点nV1V1V5V5是光隔是光隔n出口接点出口条件出口接点出口条件1 1）无告警信号）无告警信号2 2
36、）启动继电器动作）启动继电器动作n出口继电器所在光隔导通计算机输出跳闸信号出口继电器所在光隔导通计算机输出跳闸信号n图图1-311-31四、出口闭锁1、自检告警闭锁图1-31 AXJN+24V闭锁2、三取二启动回路图1-32 KST2、KST3、KST4三取二 -24V闭锁第四节 电源电源插件一般均接受逆变开关电源，供应多组稳压电源。第五节 人机接口键盘显示器接口CPU插件第六节 CPU主系统 微机爱护装置的核心是单片机系统，它是由单片微机微机爱护装置的核心是单片机系统，它是由单片微机和扩展芯片构成的一台小型工业限制微机系统，除了硬件和扩展芯片构成的一台小型工业限制微机系统，除了硬件之外，还有
37、存储在存储器里的软件系统。这些硬件和软件之外，还有存储在存储器里的软件系统。这些硬件和软件构成的整个单片微机系统主要任务是完成数值测量、逻辑构成的整个单片微机系统主要任务是完成数值测量、逻辑运算及限制和记录等智能化任务。除此之外，现代的微机运算及限制和记录等智能化任务。除此之外，现代的微机爱护应具备各种远程功能，它包括发送爱护信息并上传给爱护应具备各种远程功能，它包括发送爱护信息并上传给变电站微机监控系统，接收集控站、调度所的限制和管理变电站微机监控系统，接收集控站、调度所的限制和管理信息。信息。这种单片微机系统可以是单这种单片微机系统可以是单CPU也可以是多也可以是多CPU系统。系统。一般为
38、了提高爱护装置的容错水平，目前大多数爱护装置一般为了提高爱护装置的容错水平，目前大多数爱护装置已接受多已接受多CPU系统。尤其是较困难的爱护装置，其主要爱系统。尤其是较困难的爱护装置，其主要爱护和后备爱护都是相互独立的微机爱护系统。它们的护和后备爱护都是相互独立的微机爱护系统。它们的CPU是相互独立的，任何一个爱护的是相互独立的，任何一个爱护的CPU或芯片损坏均不影响或芯片损坏均不影响其他爱护。除此之外，各爱护的其他爱护。除此之外，各爱护的CPU总线均不引出，输入总线均不引出，输入及输出的回路均经光隔离处理，能将故障定位到插件或芯及输出的回路均经光隔离处理，能将故障定位到插件或芯片，从而大大提
39、高了爱护装置运行的牢靠性。片，从而大大提高了爱护装置运行的牢靠性。1、单CPU结构微机爱护的硬件结构典型微机爱护装置包括CPU插件及人机对话协助插件模拟量输入变换插件前置模拟低通滤波器插件采样及A/D变换插件开关（数字量）输入输出插件出口继电器插件电源插件典型插件式结构典型插件式结构这种结构把整个硬件逻辑网络依据功能和电路特点划分为若干部分，每个部分做在一块印刷电路插件板上，板上对外联系的引线通过插头引出。微机爱护机箱内装有相应的插座，印制板均可便利地插入和拔出，通过机箱插座间的连线将各个印制板连成整体并实现到端子排的输入输出线的连接。典型插件式结构典型插件式结构典型插件式结构一般接受配线形式
40、进行连接。定义：不再遵循总线规约，每根引线的意义以及信号时序要求依据实际电路确定，引线的物理位置也不作硬性规定。优点：（1）各印制板引出线可依据须要引出，引线数目可削减，从而可接受总线数较少的插座，这对提高牢靠性有利（2）印制板布线可就近上插头，可简化布线和削减布线长度，这对降低板上相互干扰有利（3）插座间连线可实现软连接，这样在插拔时有确定缓冲作用，这对改善接触和削减插拨磨损有利（4）目前软连接线与插座相连时所接受的卷绕工艺，运行阅历表明其牢靠性较高典型插件式结构典型插件式结构2、多CPU结构（图1-3）3、DSP结构数字信号处理器（DSP，即Digital Signal Processor
41、）是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。DSP的特点：1、哈佛结构，获得高速运算实力。浮点运算90亿次/S。2、采样流水线技术，保证取指令和执行支路同时进行。3、具有独立的硬件乘法器。4、具有多处理器接口。DSP具有强大、快速的数据处理实力和定点、浮点运算功能，因此将DSP融合到微机爱护中，将大大提高微机爱护的性能。4、ARMDSP结构DSPDSP技术的应用技术的应用DSPDSP数字信号处理器（数字信号处理器（Digital signal Digital signal processorprocessor）是专用数字信号处理器芯片。特
42、殊用于执行快速运是专用数字信号处理器芯片。特殊用于执行快速运算算内部接受哈佛结构，存储空间分为两个：数据存储内部接受哈佛结构，存储空间分为两个：数据存储器和程序存储器。允许同时访问。器和程序存储器。允许同时访问。独立的硬件乘法器。独立的硬件乘法器。哈佛结构传统的微处理器接受的冯诺依曼（Von Neuman）结构将指令和数据存放在同一存储空间中，统一编址，指令和数据通过同一总线访问同一地址空间上的存储器。而DSP芯片接受的哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与
43、之相对应的是系统中设置的两条总线棗程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间里，因此取指和执行能完全重叠运行。专用的硬件乘法器 在通用微处理器中算法指令须要多个指令周期，如MCS-51的乘法指令需4个周期。相比而言，DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器，乘法可以在一个指令周期内完成，还可以与加法并行进行，完成一个乘法和一个加法只需一个指令周期。特殊的DSP指令DSP芯片的另一个特点是接受特殊的指令，这些特殊指令进一步提高了DSP芯片的处理实力。第七节第七节 网络化硬件电路网络化硬件电路7 71 1 问题的提出问题的提出主爱护、后备
44、爱护、开出、主爱护、后备爱护、开出、开入、监控须要开入、监控须要CPUCPU多多CPUCPU工作，通过网络联起工作，通过网络联起来来7 72 2 网络化硬件电路网络化硬件电路将网络技术、智能化输入将网络技术、智能化输入/输出（输出（I/OI/O）技术引入）技术引入微机爱护装置内部硬件电路设计，使内部模块微机爱护装置内部硬件电路设计，使内部模块之间连接简洁、便利，并获得良好的可扩展性、之间连接简洁、便利，并获得良好的可扩展性、升级特性，并可提高抗干扰实力。升级特性，并可提高抗干扰实力。CPU CPU插件；开入插件；开出插件；插件；开入插件；开出插件；CANCAN总线总线定义：是指一组事先约定了结
45、构与通信方式的并行信息连接线，其特点是对插座的每一根引线的意义和物理位置都作了严格的规定，与之相关的插件都需按总线规约设计并通过总线传递信息网络形式的插件结构网络形式的插件结构优点：（1）互换性强（2）依据标准总线规约设计，得到在数据、地址、限制线之间的合理布置，避开引线间的相互干扰。7 73 CAN3 CAN总线特点总线特点1.1.接受短帧接受短帧结构，传结构，传输时间短输时间短2.2.差分信号差分信号传递方式，传递方式，抗干扰实抗干扰实力强力强当传递当传递“0”“0”信号时，差分电压差大；信号时，差分电压差大；当传递当传递“1”“1”信号时，差分电压差低。信号时，差分电压差低。差分电压凹凸
46、取决于如下电路差分电压凹凸取决于如下电路发送发送“0 0”时，时，V1V1导通，总线导通，总线V Vh h被钳位高电平；被钳位高电平；V2V2截至，总线截至，总线VlVl被置位低电平，压差大，总线呈现被置位低电平，压差大，总线呈现“0 0”发送发送“1 1”时，时，V1V1截至，总线截至，总线V Vh h被钳位低电平；被钳位低电平；V2V2导通，总线导通，总线VlVl被置位高电平，压差小，总线呈现被置位高电平，压差小，总线呈现“1 1”VHVLn接受非破坏性总线仲裁技术接受非破坏性总线仲裁技术n当几个节点同时送当几个节点同时送0000，0101，1010，1111时，首先时，首先0000，01
47、01，0 0电平被接受；电平被接受；n然后再发送然后再发送0000，0101，其次位是，其次位是0 0的的 第一通路被选中第一通路被选中n不同的节点依据设定好的优先级工作不同的节点依据设定好的优先级工作n二进制表示时，数值越小，优先级越高二进制表示时，数值越小，优先级越高7 74 4 网络化硬件结构的特点网络化硬件结构的特点 实现多实现多CPUCPU、多任务协调工作，牢靠性高、多任务协调工作，牢靠性高 扩展性好扩展性好 升级便利升级便利微机爱护的电磁兼容性问题电磁兼容（EMC）：各设备和系统在共同电磁环境中互不干扰，各自正常工作。不受干扰；非干扰源提高微机爱护装置牢靠性的重点在抗干扰上。干扰形
48、式有两种：横（差）模干扰和共模干扰。1）差模干扰 差模干扰是串联于信号源回路之中的干扰。其中Uia,Uib,Uic,Uio表示串联于各相电压回路中的干扰电压，Ua,Ub,Uc表示有用信号源。差模干扰主要是由于各信号线对干扰源的相对位置不对称因而受干扰源电磁感应或静电感应产生的，干扰电压大小不等，相位不同。干扰源可以是高压母线或其它高压带电体。抑制方法：在信号回路接入低通滤波器。2）共模干扰 共模干扰是作用在装置或系统的对外引线端子和机壳之间的干扰。产生的缘由与差模干扰相像，只是信号线距干扰源较远，因而各信任号线对干扰源的相对位置基本上是对称的，如图所示。因此，干扰源以同样的方式和强度与全部信号
49、线耦合，对各相电压、电流信号线的干扰电压也完全相同，使全部信号线对地电压发生同样变更。共模干扰可为直流，亦可为沟通，它是造成微机爱护装置损坏或工作不正常的重要缘由。消退共模干扰的方法主要有：浮空隔离技术；双层屏蔽技术；二次系统一点接地；低阻匹配传输、电流传输代替电压传输；接受隔离变压器；接受光电耦合芯片等。为了减小作用在装置对外引线端子和机壳之间的共模干扰，硬件设计时应使微机爱护装置各外接引线经抗干扰电容后进入装置并与装置内弱电系统之间有足够大的距离，同时加强各输入、输出引线对机壳的绝缘。抗干扰措施抗干扰措施 最重要的抗干扰措施是防止干扰进入爱护装置弱电系统，也就是前面介绍过的各种隔离、屏蔽、
50、合理布局和配线给电容供应低阻抗入地通道（电容滤波）以及在微机爱护电源回路中加滤波器阻挡干扰传递等方法。合理的硬件设计 （抗干扰的第一道防线）抗干扰措施其次道防线1 1对输入采样值的抗干扰纠错对输入采样值的抗干扰纠错 爱护装置的模拟输入量之间存在着某些可以利用的爱护装置的模拟输入量之间存在着某些可以利用的规律。例如，三相电流和零序电流之间有规律。例如，三相电流和零序电流之间有 ia+ib+ic=3i0 ia+ib+ic=3i0 求和检查不仅可以抗干扰，还可以用来发觉数据采求和检查不仅可以抗干扰，还可以用来发觉数据采集系统的硬件损坏故障。上述方法称为电流求和自检。对于集系统的硬件损坏故障。上述方法