直流接地探測系統手持探測器的設計

摘 要：直流系統絕緣的狀況直接影響變電站繼電保護和自動裝置的安全運行，一旦發生直流系統的異常接地，供電系統將面臨極大的危險。為了在復雜現場條件下迅速準確找出接地點，應用單片機技術和電子技術實現了直流接地探測系統手持探測器的開發設計。實際應用表明，由于采用了獨創的探測方法，該設備與傳統探測技術相比無探測死區，使用方便簡單，能對各種接地情況進行有效探測。

關鍵詞：單片機；模數轉換；紅外通信；C語言；直流系統；接地

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0318503

Design of a Portable Detector on Detected DC System Exceptional Earthed

MENG Bo，MAO Taiping

(GuiZhou Computer Software Development Center，Guiyang，550000，China)

Abstract：DC system insulation condition direct influences the substation protection and automatic device safe operation，once will have the DC system exceptional earth，the power supply system faces great danger. In order to quickly and accurately discovers locations of earth under the complex field condition.Application SCM technology and electronic technology to achieve DC exceptional earth detection system of portable detector design.Practical applications show that the introduction of innovative methods of detection，compares with the traditional technology without the section of dead，the easy to operate is simple，can availably detected various earthed and obtains user higher appraisal.

Keywords：single chip；AD；IrDA；C language；DC system；earthed

直流接地探測系統一般由信號源和探測器構成，是用于電力系統查找直流異常接地故障的專業工具，使用時不影響電氣設備的運行，在不切斷直流電源的情況下進行接地探測，目前國內已有企業開發了多種型號的直流接地探測裝置，這里介紹一款探測裝置的手持探測器部分的軟硬件應用設計。

1 手持探測器的硬件結構

1.1 硬件構成

手持探測器硬件由電源模塊、信號調理模塊、AD轉換模塊、LCD顯示模塊、IrDA通信模塊和語音提示模塊組成。硬件結構圖見圖1。

1.2 處理器

手持探測器選擇高速、低功耗STC89C58單片處理器，他與8051系列處理器完全兼容，自帶32 kB的FLASH存儲器作為程序存儲器，RAM為1 280 B，16 kB E2PROM存儲器可以進行字節讀寫和頁面擦除，系統主頻采用22.118 4 MHz晶振并應用STC89C58的二倍速功能以加快處理能力，值得一提的是由于使用了內部E2PROM來儲存系統的工作參數，節省了一片I2C存儲器和相應的IO口線。

圖1 探測器硬件結構圖

1.3 信號調理模塊

該模塊包括被測模擬信號的放大、濾波、變換等功能。

1.4 AD轉換模塊

該模塊采用TI公司的12位開關電容逐次逼近模數轉換器TLC2543C。TLC2543C器件有3個控制輸入端：片選、輸入/輸出時鐘和地址輸入。他可以通過一個串行三態輸出端與微處理器或其外圍串行口通信，輸出轉換結果。TLC2543C有一個片內14通道多路器可以在11個輸入通道或3個內部自測試電壓中任選一個。TLC2543C的采樣保持是自動的，當轉換結束輸出端電平由低變高時表示轉換結束。TLC2543C結合外部輸入的差分高阻抗基準電壓，具有簡化比率轉換、刻度及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點，開關電容的設計可以在整個溫度范圍內有較小的轉換誤差。在手持探測器中使用了其中3個通道分別處理探測點的電流、電壓和電池檢測等功能，由于采用的微處理器無SPI功能，接口方法用4條IO口線P1.0，P1.1，P1.2和P1.3模擬SPI功能完成，詳見圖2。

1.5 IrDA通信模塊

該模塊采用ZILOG公司的ZHX1810和MICRO CHIP公司的MCP2120組成，在微處理器的控制下完成與信號源的數據通信。

ZILOG公司的ZHX1810是該公司的1 m IrDA收發器ZHX1010的小型版，主要應用于移動電話、便攜式打印機、筆記本電腦和PDA等產品，在極小的體積內封裝了IrDA數據流的接收和發送功能，具有應用電路簡單和在關斷工作模式下器件靜態工作電流低于1 μA的特點。

MICRO CHIP公司的MCP2120是一款標準的UART與IrDA編碼/解碼器，包括一個標準UART接口和IrDA串行數據流接口，他可以從UART接口接收串行數據經編碼器編碼后變換為IrDA數據流發送到IrDA收發器，也可以從IrDA接口接收IrDA數據流經解碼器解碼后通過UART接口送出串行數據，因此MCP2120可以方便的與單片微處理器和IrDA收發器一起構成IrDA通信模塊，MCP2120具有低功耗和低電壓的特點，關斷工作模式下器件靜態工作電流低于3 μA。

IrDA通信模塊采用3.686 4 MHz晶振和固定的9 600 b/s波特率進行數據通信，與微處理器的P3.0，P3.1，P3.6和P3.7連接，詳見圖2。

1.6 LCD模塊

系統顯示采用金鵬科技有限公司的OCMJ4X8型128×64點陣LCD模塊，該模塊有18條引出線，其中數據線8條與微處理器的P0口直接連接，3條控制線分別與處理器的P1.4，P1.5，P3.5連接，詳見圖2。LCD的上部128×16點陣顯示模擬坐標和被探測線路信號幅值的動態棒形圖，其他顯示動態數據。

1.7 鍵盤

3個鍵盤為探測鍵、校驗鍵和幫助鍵，與P3.2，P3.3和P3.4連接，分別采用中斷和掃描模式進行鍵盤處理，詳見圖2。

1.8 語音提示模塊

該模塊采用固化的漢語語音提示，由P1.6輸出的脈沖控制語音輸出，見圖2。

2 手持探測器的軟件開發

軟件開發采用C語言，共計45個子程序，源代碼長度達到3 000行，實現了產品說明書的內嵌和系統時鐘調校及記憶等輔助功能，極大地提高了產品對環境的適應性和可操作性。

在產品的主要功能方面，由于創造性的采用了棒形圖，直觀顯示了被測對象的幅值、周期等參數，為使用者所樂見，軟件應用了FFT變換，提高系統對于復雜環境干擾信號的適應能力，系統總控流程見圖3。

圖2 探測器MCU及外部模塊電原理圖

圖3 系統總控流程

由系統原理圖可知，探測鍵直接與處理器的P3.3(外部中斷1)連接，當探測鍵按下時引發中斷，中斷處理程序禁止本中斷以防止再次中斷，中斷處理程序設置相關標志后返回，將探測處理工作交給系統總控程序處理，如果探測完成或探測期間釋放探測鍵，系統總控將開放本中斷并等待新的探測任務。

校驗鍵直接與處理器的P3.2(外部中斷0)連接，當校驗鍵按下時引發中斷，中斷處理程序啟動IrDA模塊和通信處理程序獲取校驗參數后返回。

幫助鍵只有在開機和探測模式下使用，系統用掃描方式判斷幫助鍵是否按下，在開機后按下幫助鍵系統顯示操作說明書；在探測模式下按下幫助鍵顯示有關探測的操作方法，在瀏覽幫助信息時按下校驗鍵或探測鍵退出幫助模式并進入相應處理進程。

系統啟用了處理器的兩個定時中斷T0和T2。T0處理包括AD轉換、電池狀態、棒形圖顯示、數值計算、方向判斷、周期處理、最值處理等與探測相關的所有事件，中斷頻率為50次/s。T2作為系統時標使用，輔助T0的工作。

下面是AD轉換和處理器內部E2PROM應用程序清單，程序的參數部分和特殊功能寄存器在項目的頭文件(.h)內進行了定義，程序清單如下:

uint TLC2543(uchar channel) reentrant

{

uchar i，ch;

uint result;

uchar datah;

uchar datal;

ch=channel;

result=0;

datah=0;

datal=0 ;

ch<<=4;

SPICS=0;

SPICLK=0;

for(i=0;i<12;i++)//輸入12個時鐘脈沖

{

if(i<8) //輸入4位通道號，4位輸出方式

{

SPIDIN=(bit)(ch0x80);

ch<<=1;

}

clock_in();

}

for(i=0;i<10;i++);

SPICS=1;

SPICS=0;

for(i=0;i<12;i++) //輸出12位數據

{

if(i<4) //輸出高4位數據

{

datah<<=1;

datah|=SPIDOUT;

}

else//輸出低8位數據

{

datal<<=1;

datal|=SPIDOUT;

}

clock_in();

}

SPICS=1;

result=datah;

result<<=8;

result+=datal;

return(result);

}

bit ISP_OP(uchar addrh，uchar addrl，uchar command，uchar wait0) reentrant

{

ISP_ADDRH=addrh;

ISP_ADDRL=addrl;

ISP_CMD=0xf8;

ISP_CMD|=command;

if(command==0x02) //寫字節

{

ISP_DATA=MY_DATA;

}

EA=0;

ISP_CONTR=0x18;

ISP_CONTR|=wait0;

ISP_CONTR|=0x80;

ISP_TRIG=0x46;

ISP_TRIG=0xb9;

_nop_();

if(command==0x02)

{

ISP_DATA=0x00;

ISP_CMD=0xf8;

ISP_CMD|=0x01;

ISP_TRIG=0x46;

ISP_TRIG=0xb9;

_nop_();

ISP_CONTR=0x7f;

ISP_CONTR=0;

EA=1;

ISP_CMD=0;

ISP_TRIG=0;

ISP_ADDRH=0;

ISP_ADDRL=0;

if(ISP_DATA==MY_DATA)

{

return(1);

}

else

{

return(0);

}

}

ISP_CONTR=0x7f;

ISP_CONTR=0;

EA=1;

ISP_CMD=0;

ISP_TRIG=0;

ISP_ADDRH=0;

ISP_ADDRL=0;

if(command==1) //讀字節

{

MY_DATA=ISP_DATA;

return(1);

}

}

3 結 語

本系統已經應用于實際工作中，由于采用了獨創的探測方法，與傳統直流接地探測技術相比，本系統無探測死區，能對各種接地情況進行有效探測。在與其他探測產品的現場比武中，本系統均取得了絕對優勢，得到用戶的好評。

參考文獻

[1]徐愛鈞，彭秀華.單片機高級語言C51應用程序設計[M].北京：電子工業出版社，1998.

[2]李華.MCS—51單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1993.

[3]ZILOG，Inc.ZHX1010 SIR Transceiver Product Specification[DB/OL].PS015105—0702.www.Zilog.com.

[4]MICROCHIP，Inc. MCP2120 Infrared Encode/Decode Data Sheets[DB/OL].DS2161BA www.microchip.com

[5]Texas Instruments Incorporated. TLC2543C，TLC2543I 12BTI Analog—to—Digital Converters with Serial Control and 11 Analog Inputs[DB/OL].SLAS079B.

[6]宏晶科技(深圳).STC89C51RC/RD+系列單片機器件手冊[EB/OL].http://www.MCU—Memory.com.

作者簡介 孟 波 男，1963年出生，貴州省貴陽市人，工程師。主要研究方向為嵌入式系統及軟件。

毛太平 男，1962年出生，江蘇省揚州市人，碩士研究生。工程師，主要研究方向計算機軟件，人工智能系統。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。