1 引 言
高壓開(kāi)關(guān)是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備?目前存在的品種有多油、少油、SF6和真空開(kāi)關(guān)等?在供電線(xiàn)路出現(xiàn)故障時(shí)?高壓開(kāi)關(guān)必須及時(shí)對(duì)故障電路做出相應(yīng)的
動(dòng)作?不然故障將擴(kuò)大?斷路器故障的發(fā)生?帶來(lái)的后果是十分嚴(yán)重的?其直接危害是被斷路器所保護(hù)的線(xiàn)路、設(shè)備受損電量損失；間接的危害則是造成用戶(hù)大面積停電?影響正常的生活、生產(chǎn)?為了保證高壓開(kāi)關(guān)安全運(yùn)行?必須對(duì)其機(jī)械特性進(jìn)行測(cè)試?了解高壓開(kāi)關(guān)的各種參數(shù)是否正常?從而進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)和檢修［1］?文中設(shè) 計(jì) 的 高 壓 開(kāi) 關(guān) 機(jī) 械 特 性 測(cè) 試 儀 以ADUC845作為核心控制器?能夠測(cè)量多油、少油、SF6及真空等各類(lèi)斷路器?
2 需求分析
本測(cè)試儀配置形式采用測(cè)試儀＋筆記本電腦＋外部存儲(chǔ)器工作的工作方式；啟動(dòng)電源與數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)分開(kāi)?測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用雙 CPU 的單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)
采樣及處理?時(shí)間數(shù)據(jù)采樣預(yù)留12個(gè)采樣通道?行程采樣3個(gè)采樣通道；所有測(cè)試通道可同時(shí)測(cè)試?時(shí)間通道記錄時(shí)間為10秒?模擬通道記錄時(shí)間為0?6秒?
時(shí)間精度均為0?05％＋1mS、分辨率為0?1mS?模擬通道的模擬量綜合測(cè)試精度為2％；基本功能可滿(mǎn)足電力系統(tǒng)各種斷路器的測(cè)試要求?可測(cè)量測(cè)試時(shí)間、同期、彈跳時(shí)間、次數(shù)、行程、反彈幅值、速度、操作電壓、電流、動(dòng)作電壓值、機(jī)械操作等各項(xiàng)數(shù)據(jù)、波形等；機(jī)械特性測(cè)試儀工作時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)采用三種觸發(fā)方式：手動(dòng)、外部電壓信號(hào)、外部接點(diǎn)啟動(dòng)?時(shí)間通道有三種記錄方式：帶電阻方式、觸點(diǎn)方式、電壓方式?通道間在相同記錄方式時(shí)可串聯(lián)?可并聯(lián)；為保證產(chǎn)品的精度采用新技術(shù)提高抗干擾能力：時(shí)間通道和模擬通道的電源都互相隔離?并采用先進(jìn)的抗干擾技術(shù)?可滿(mǎn)足多油、少油、SF6及真空等各類(lèi)斷路器的測(cè)試?使測(cè)試精度高于國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品；為提高數(shù)據(jù)傳輸速度：儀器配有 USB 口?測(cè)試數(shù)據(jù)可通過(guò) USB 接口（或 RS232串口） 傳送到微機(jī)?完善測(cè)試儀的嵌入式軟件功能?不僅能靈活設(shè)置速度的計(jì)算范圍?還能在現(xiàn)場(chǎng)完成簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置［2－4］
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)通過(guò)以單片機(jī) ADUC845為核心?通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的采集及直流可調(diào)電源的控制來(lái)完成各種測(cè)量?然后單片機(jī)與工控板上的 CPU 通訊?將采集的數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)?由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算?上位機(jī)還負(fù)責(zé)人機(jī)接口 （包括界面顯示?按鍵輸入?測(cè)量結(jié)果?曲線(xiàn)打印輸出）［5］?
3?1 工作原理說(shuō)明
測(cè)試儀通過(guò)鍵盤(pán)輸入傳感器的參數(shù)和其他選擇的參數(shù)?儀器用零延時(shí)的大功率電子接點(diǎn)啟動(dòng)斷路器?然后同時(shí)對(duì)計(jì)時(shí)通道組計(jì)時(shí)和對(duì)模擬通道組進(jìn)行采樣?
并存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中?實(shí)時(shí)的采樣?給測(cè)量結(jié)果的正確性提供了基礎(chǔ)?斷路器動(dòng)作完成后?經(jīng)過(guò)計(jì)算由大屏幕 LCD 顯示計(jì)時(shí)通道和模擬通道的時(shí)間和圖形?并能通過(guò)鍵盤(pán)移動(dòng)圖形上的光標(biāo)?實(shí)現(xiàn)圖形的分析?并通過(guò)高速打印機(jī)隨時(shí)打印出來(lái)?單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)讀出并做相應(yīng)的處理和運(yùn)算?并將結(jié)果傳給上位機(jī)?由上位機(jī)顯示測(cè)量結(jié)果?
3?2 模擬輸入通道
模擬輸入通道是用來(lái)測(cè)量斷路器行程數(shù)據(jù)的?它使用位移傳感器 （直線(xiàn)位移傳感器和角度位移傳感器）測(cè)量?傳感器的位移和電阻成正比?在傳感器兩端加上電壓 V?輸出電壓 V0即和傳感器的位移 （角度） 成正比?測(cè)試時(shí)?將傳感器的拉桿 （直線(xiàn)傳感器） 或轉(zhuǎn)軸 （角度傳感器） 與斷路器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在一起?當(dāng)斷路器動(dòng)作時(shí)帶動(dòng)傳感器滑動(dòng)?電壓 V0的變化就記錄了斷路器的動(dòng)作軌跡?微處理器控制高速 A/D 轉(zhuǎn)換器經(jīng)多路選擇開(kāi)關(guān)對(duì) V0進(jìn)行高速采樣?微處理器記錄開(kāi)關(guān)動(dòng)作后的數(shù)據(jù)?通過(guò)計(jì)算分析在屏幕上顯示斷路器運(yùn)動(dòng)的波形 （并能在屏幕上分析任何一段的行程與速度）?所以此波形就描述了斷路器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?
3?3 開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道
在設(shè)計(jì)中?需要檢測(cè)各斷口開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)?來(lái)計(jì)算斷路器的波?為了去除干擾信號(hào)?在開(kāi)關(guān)量輸入單片機(jī)前?增加光電隔離?然后進(jìn)入 Pl 口?供單片機(jī)判
斷各斷口的不同期性?來(lái)調(diào)整斷口?使斷口盡量同時(shí)合閘?這樣可以保證真空斷路器的使用壽命?其工作原理見(jiàn)圖2所示
3?4 通信
為了把一些重要的數(shù)據(jù)保存起來(lái)?可以通過(guò)單片機(jī)與PC 機(jī)進(jìn)行通訊?把數(shù)據(jù)傳給PC 機(jī)?使數(shù)據(jù)保存?而單片機(jī)與 PC 機(jī)一般采用 Rs 一232c 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊連接?如圖3所示?MAX232的邏輯電平端口與單片機(jī)的串行口相連?PC 機(jī) RS232的9針連接器的4腳和6腳、7腳、8腳不用連接?
3?5 傳感器選擇
為了滿(mǎn)足不通高壓開(kāi)關(guān)的需要?我們采用了3種傳感器供用戶(hù)選擇：對(duì)于行程長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)采用光電傳感器?對(duì)于行程短且提供了測(cè)試點(diǎn)的高壓開(kāi)關(guān)采用直線(xiàn)
位移傳感器?沒(méi)有提供測(cè)試點(diǎn)的采用角位移傳感器?其中直線(xiàn)位移傳感器采用 WYD 系列直流位移傳感器?WYD 系列傳感器是一種將傳感器與電子電路集成一體?封裝在高導(dǎo)磁精密合金殼體內(nèi)、由直流電源供電、輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電流或標(biāo)準(zhǔn)電壓的高精度傳感器?可用于測(cè)量直線(xiàn)位移?該傳感器不需中間放大器或信號(hào)調(diào)節(jié)器就可以直接與微機(jī)數(shù)采系統(tǒng)聯(lián)接?在使用電流輸出方式時(shí)?可遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)?獲得優(yōu)良的遙測(cè)精度?WYD 系列直流位移傳感器可直接與微機(jī)數(shù)采系統(tǒng)配套使用?
3?6 USB 接口設(shè)計(jì)
機(jī)械特性測(cè)試儀 USB 口通訊采用的是 Philips 公司的 PDIUSBD12芯片?它通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口?它還支持本地的 DMA 傳輸?PDIUSBD12的特性如下：符合通用串行總線(xiàn) USB1?1版規(guī)范；可與任何外部微控制器/微處理實(shí)現(xiàn)高速并行接口2M 字節(jié)/秒；完全自治的直接內(nèi)存存取 DMA 操作；主端點(diǎn)的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)1M 字節(jié)/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率；具有良好EMI 特性的總線(xiàn)供電能力；在掛起時(shí)可控制 LazyClock 輸出；符合ACPI OnNOW 和USB 電源管理的要求；內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位電路；雙電源操作3?3±0?3V 或擴(kuò)展的5V 電源?范圍為3?6～5?5V；多中斷模式實(shí)現(xiàn)批量和同步傳輸；當(dāng) USB 設(shè)備接入 PC 系統(tǒng)后?執(zhí)行 USB 連接程序?
PC 機(jī)操作系統(tǒng)接到 USB 口信號(hào)后?啟動(dòng) USB 驅(qū)動(dòng)程序?然后 USB 設(shè)備就可以與 PC 機(jī)通訊了?PC 機(jī)應(yīng)用軟件通過(guò) USB 口的4種模式與 USB 設(shè)備的調(diào)用請(qǐng)求處理程序通訊?
4 可靠性設(shè)計(jì)
在硬件的設(shè)計(jì)中?一定要充分考慮抗干擾性的要求?避免形成不可預(yù)知的錯(cuò)誤?導(dǎo)致系統(tǒng)功能不能實(shí)現(xiàn)?我們的系統(tǒng)是要用在高壓開(kāi)關(guān)上的?在高壓的環(huán)
境下?不免要產(chǎn)生很多干擾?在設(shè)計(jì)中不可忽略這些干擾?要進(jìn)行相關(guān)的抗干擾設(shè)計(jì)?形成干擾的基本要素為干擾源、傳播途徑、和敏感器件?在電路抗干擾設(shè)計(jì)中?除了要選擇抗干擾能力強(qiáng)的器件外?還要在電路的設(shè)計(jì)和 PCB 的設(shè)計(jì)中注意很多設(shè)計(jì)規(guī)則?抑制干擾源是抗干擾*為有效的方法?
4?1 主要用以下的方法來(lái)抑制干擾源
⑴電路板上每個(gè) CI 要并接一個(gè)0?001pF－0?1pF高頻電容?以減小 CI 對(duì)電源的影響?高頻電容的布線(xiàn)?連線(xiàn)應(yīng)靠近電源端并盡量粗短?
⑵布線(xiàn)時(shí)避免90度折線(xiàn)?減少高頻噪聲發(fā)射?
⑶在切斷干擾傳播途徑方面?主要有以下工作?
高頻干擾噪聲可以通過(guò)在導(dǎo)線(xiàn)上增加濾波器的方法切斷?有時(shí)也可加隔離光藕來(lái)解決?電源噪聲的危害*大?要特別注意處理?輻射干擾一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離?用地線(xiàn)把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩?
4?2 切斷干擾傳播途徑的方法
⑴MCU 的部分1/0口用來(lái)控制高壓開(kāi)關(guān)?高壓開(kāi)關(guān)為噪聲器件?因此在 I/O 口與開(kāi)關(guān)之間加光禍進(jìn)行隔離?
⑵晶振布線(xiàn)十分注意?晶振與 MCU 引腳盡量靠近?用地線(xiàn)把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)?晶振外殼接地并固定?
⑶把電路板劃分為數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)?數(shù)字地與模擬地分離?*后分別用光耦與電源地連接?
⑷可以把終端模塊分成兩個(gè)板子?容易產(chǎn)生干擾的三相電采樣輸入部分為一塊板子上?通訊和控制模塊在另一塊板子上?這樣可以很大程度防止高壓線(xiàn)路
上的干擾進(jìn)入通訊和控制模塊?
4?3 在提高敏感器件的抗干擾性能方面?我們的設(shè)計(jì)使用了下面的方法措施
⑴布線(xiàn)時(shí)?電源線(xiàn)和地線(xiàn)盡量粗?這樣做除了能減小壓降外?還可以降低禍合噪聲?
⑵MCU 閑置的 I/O 口?不要懸空?要接地或接電源?其它 CI 的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源?
⑶MCU 盡量使用低速晶振?
⑷采用貼片 CI 器件?不用 Cl 座?
5 軟件設(shè)計(jì)
為了使儀器完成各項(xiàng)功能?機(jī)械特性測(cè)試儀開(kāi)發(fā)了單片機(jī)嵌入式軟件?軟件開(kāi)發(fā)采用了混合編程?基于89C51單片機(jī)的程序主要功能是與 ADUC845單片機(jī)
的程序配合完成測(cè)試斷路器斷口時(shí)間?基于 ADUC845單片機(jī)的程序的主要功能是測(cè)試斷路器的行程曲線(xiàn)?完成參數(shù)輸入?測(cè)試結(jié)果打印、輸出、保存、顯示和與 PC 機(jī)的通訊功能?ADUC845軟件工作流程見(jiàn)圖5所示?
6 結(jié) 論
基于 ADUC845的高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀工作穩(wěn)定?性能良好?測(cè)量精度高?時(shí)間－行程特性曲線(xiàn)采樣頻率可達(dá)到100KHz?幅值精度為16位?線(xiàn)圈電流波形采樣頻率100KHz?合 （分） 閘時(shí)間0～999?99ms?速度測(cè)量范圍為0～15m/s?分辨率為0?0023m/s?行程測(cè)量范圍0～999mm?能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)單分、單合、合分、分－合－分、分－合－分－合－分、合－分－合－分等操作?可以通過(guò) USB 接口儲(chǔ)存所有測(cè)試過(guò)的數(shù)據(jù)?供后期分析?測(cè)試儀能夠測(cè)量多油、少油、SF6、真空等各類(lèi)斷路器?在高壓開(kāi)關(guān)廠(chǎng)和電力部門(mén)有著廣泛的應(yīng)用?
本文作者的**點(diǎn)：使用高性能嵌入式控制器ADUC845?其內(nèi)部有12位 A/D 轉(zhuǎn)換器?提高了其抗干擾性能?數(shù)據(jù)采集上具有國(guó)內(nèi)外**優(yōu)勢(shì)?時(shí)間－行
程特性曲線(xiàn)采樣頻率為100kHz?時(shí)間－行程特性曲線(xiàn)幅值精度為16位；測(cè)試儀既能進(jìn)行本地操作?又可以把測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò) USB 主口備份到其他存儲(chǔ)器上或利用串口直接將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)?以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理?可解決計(jì)算機(jī)在高壓、高頻等復(fù)雜環(huán)境工作不穩(wěn)定的情況?
