需求分析

測試儀配置形式采用測試儀+筆記本電腦+外部存儲器工作的工作方式;啟動電源與數據測試系統分開,測試系統結構采用雙CPU的單片機組成的數據采樣及處理,時間數據采樣預留12個采樣通道,行程采樣3個采樣通道;所有測試通道可同時測試.時間通道記錄時間為10秒,模擬通道記錄時間為0.6秒.時間精度均為0.05%+1mS、分辨率為0.1mS.模擬通道的模擬量綜合測試精度為2%;基本功能可滿足電力系統各種斷路器的測試要求,可測量測試時間、同期、彈跳時間、次數、行程、反彈幅值、速度、操作電壓、電流、動作電壓值、機械操作等各項數據、波形等;機械特性測試儀工作時系統啟動采用三種觸發方式:手動、外部電壓信號、外部接點啟動.時間通道有三種記錄方式:帶電阻方式、觸點方式、電壓方式,通道間在相同記錄方式時可串聯,可并聯;為保證產品的精度采用新技術提高抗干擾能力:時間通道和模擬通道的電源都互相隔離,并綜合采用先進的抗干擾技術.可滿足多油、少油、SF6及真空等各類斷路器的測試,使測試精度高于國內同類產品;為提高數據傳輸速度:儀器配有USB口.測試數據可通過USB接口(或RS232串口)傳送到微機.完善測試儀的嵌入式軟件功能,不僅能靈活設置速度的計算范圍,還能在現場完成簡單的參數設置。

3、系統設計

本系統通過以單片機ADUC845為核心,通過單片機對數據的采集及直流可調電源的控制來完成各種測量,然后單片機與工控板上的CPU通訊,將采集的數據傳到上位機,由上位機完成數據的處理和運算.上位機還負責人機接口(包括界面顯示,按鍵輸入,測量結果,曲線打印輸出)。

硬件框圖如圖1所示:

圖1 硬件框圖

3.1 工作原理說明

測試儀通過鍵盤輸入傳感器的參數和其他選擇的參數.儀器用零延時的大功率電子接點啟動斷路器,然后同時對計時通道組計時和對模擬通道組進行采樣.并存入數據存儲器中.實時的采樣,給測量結果的正確性提供了基礎.斷路器動作完成后,經過計算由大屏幕LCD顯示計時通道和模擬通道的時間和圖形,并能通過鍵盤移動圖形上的光標,實現圖形的分析,并通過高速打印機隨時打印出來.單片機將采集的數據讀出并做相應的處理和運算.并將結果傳給上位機,由上位機顯示測量結果。

3.2 模擬輸入通道

模擬輸入通道是用來測量斷路器行程數據的,它使用位移傳感器(直線位移傳感器和角度位移傳感器)測量,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.測試時,將傳感器的拉桿(直線傳感器)或轉軸(角度傳感器)與斷路器的傳動機構固定在一起,當斷路器動作時帶動傳感器滑動,電壓V0的變化就記錄了斷路器的動作軌跡.微處理器控制高速A/D轉換器經多路選擇開關對V0進行高速采樣.微處理器記錄開關動作后的數據,通過計算分析在屏幕上顯示斷路器運動的波形(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動狀態。

3.3 開關量輸入輸出通道

在設計中,需要檢測各斷口開關量的狀態,來計算斷路器的波.為了去除干擾信號,在開關量輸入單片機前,增加光電隔離,然后進入Pl口,供單片機判斷各斷口開關量的狀態,來計算斷路器的波.為了去除干擾信號,在開關量輸入單片機前,增加光電隔離,然后進入Pl口,供單片機判斷各斷口的不同期性,來調整斷口,使斷口盡量同時合閘.這樣可以保證真空斷路器的使用壽命。其工作原理見圖2所示

圖2 工作原理

3.4 通信

為了把一些重要的數據保存起來,可以通過單片機與PC機進行通訊,把數據傳給PC機,使數據保存.而單片機與PC機一般采用Rs一232c標準進行通訊連接,如圖3所示,MAX232的邏輯電平端口與單片機的串行口相連.PC機RS232的9針連接器的4腳和6腳、7腳、8腳不用連接。

圖3 串口連接圖

3.5 傳感器選擇

為了滿足不通高壓開關的需要,我們采用了3種傳感器供用戶選擇:對于行程長的開關采用光電傳感器,對于行程短且提供了測試點的高壓開關采用直線位移傳感器,沒有提供測試點的采用角位移傳感器.其中直線位移傳感器采用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,封裝在高導磁精密合金殼體內、由直流電源供電、輸出標準直流電流或標準電壓的高精度傳感器.可用于測量直線位移.該傳感器不需中間放大器或信號調節器就可以直接與微機數采系統聯接.在使用電流輸出方式時,可遠距離傳輸信號,獲得優良的遙測精度.WYD系列直流位移傳感器可直接與微機數采系統配套使用。

3.6 USB接口設計

機械特性測試儀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中實現與微控制器進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USB1.1版規范;可與任何外部微控制器/微處理實現高速并行接口2M字節/秒;自治的直接內存存取DMA操作;主端點的雙緩沖配置增加了數據吞吐量并輕松實現實時數據傳輸;在批量模式和同步模式下均可實現1M字節/秒的數據傳輸速率;具有良好EMI特性的總線供電能力;在掛起時可控制LazyClock輸出;符合ACPI OnNOW和USB電源管理的要求;內部上電復位和低電壓復位電路;雙電源操作3.3±0.3V或擴展的5V電源,范圍為3.6～5.5V;多中斷模式實現批量和同步傳輸;

當USB設備接入PC系統后,執行USB連接程序.PC機操作系統接到USB口信號后,啟動USB驅動程序,然后USB設備就可以與PC機通訊了.PC機應用軟件通過USB口的4種模式與USB設備的調用請求處理程序通訊。

4、可靠性設計

在硬件的設計中,一定要充分考慮抗干擾性的要求,避免形成不可預知的錯誤,導致系統功能不能實現.我們的系統是要用在高壓開關上的,在高壓的環境下,不免要產生很多干擾,在設計中不可忽略這些干擾,要進行相關的抗干擾設計.形成干擾的基本要素為干擾源、傳播途徑、和敏感器件.在電路抗干擾設計中,除了要選擇抗干擾能力強的器件外,還要在電路的設計和PCB的設計中注意很多設計規則.抑制干擾源是抗干擾最為有效的方法。

4.1 主要用以下的方法來抑制干擾源

⑴電路板上每個CI要并接一個0.001pF-0.1pF高頻電容,以減小CI對電源的影響.高頻電容的布線,連線應靠近電源端并盡量粗短。

⑵布線時避免90度折線,減少高頻噪聲發射。

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在導線上增加濾波器的方法切斷,有時也可加隔離光藕來解決.電源噪聲的危害最大,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口用來控制高壓開關,高壓開關為噪聲器件,因此在I/O口與開關之間加光禍進行隔離。

⑵晶振布線十分注意.晶振與MCU引腳盡量靠近,用地線把時鐘區隔離起來,晶振外殼接地并固定。

⑶把電路板劃分為數字區與模擬區,數字地與模擬地分離,最后分別用光耦與電源地連接。

⑷可以把終端模塊分成兩個板子,容易產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路上的干擾進入通訊和控制模塊。

4.3 在提高敏感器件的抗干擾性能方面,我們的設計使用了下面的方法措施

⑴布線時,電源線和地線盡量粗.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、軟件設計

圖4 軟件工作流程

為了使儀器完成各項功能,機械特性測試儀開發了單片機嵌入式軟件,軟件開發采用了混合編程.基于89C51單片機的程序主要功能是與ADUC845單片機的程序配合完成測試斷路器斷口時間.基于ADUC845單片機的程序的主要功能是測試斷路器的行程曲線,完成參數輸入,測試結果打印、輸出、保存、顯示和與PC機的通訊功能.ADUC845軟件工作流程見圖5所示.

在工業控制及輸變電領域中,各種高壓開關、接觸器、繼電器等通斷電控制器件被廣泛應用,高壓開關的合閘時間、分閘時間、合閘同期性、分閘同期性及彈跳時間等時間參數,對整個系統的穩定工作至關重要,如不引起足夠認識,輕者可致電網波動,重者導致重大用電事故。使用高壓開關機械特性測試儀對高壓開關時間參數的精確測量,從而保障用電系統的安全穩定運行有著重大意義。機械工業部在1994年7月制定和實施的（G機械140-1993）《高壓開關機械特性測試儀檢定規程》中,規定了高壓開關各時間參數的檢定項目和檢定方法。但目前計量行業仍缺乏對高壓開關機械特性測試儀的校準裝置,針對這種現狀研制了高壓開關機械特性時間校驗儀,可對高壓開關機械特性測試儀的各時間參數做精確校準。

1、工作原理

時間校驗儀被檢機械特性測試儀

將被檢機械特性測試儀與時間校驗儀端子對應相連,由時間校驗儀給出合、分閘時間,合、分閘同期性及彈跳時間等時間參數,同時記錄被測機械特性測試儀時間參數顯示值,即實現被測機械特性測試儀時間參數的校準。

2、技術指標

時間輸出開關:3路

輸出啟動電壓:DC220V

時間準確度:0.1%±10μs

時間輸出范圍:0￣999ms

彈跳輸出范圍:0￣999ms

3、功能簡介設定檢驗時間由電位器設置,顯示窗顯示。

具有檢驗時間和檢驗彈跳及三相同期性3種方式選擇。

選擇合閘(時間開關初始斷開狀態)和分閘(時間開關初始閉合狀態)2種啟動方式。

4、硬件設計

按下相應功能設置按鍵,調整時間電位器預置時間參數,同時在數碼管顯示窗顯示出來,按下啟動鍵,CPU把控制信號通過光電耦合器傳遞給被測機械特性測試儀,讀取時間讀數,計算誤差。

5、軟件設計

軟件由3個程序塊組成:數據預置程序、數據處理程序和數據顯示程序。

數據預置程序:時間校驗儀上電復位或手動復位后,通過對合/分閘開關、時間/彈跳開關和同期性按鍵的組合操作,可分別對合/分閘時間、合/分閘同期性和合閘彈跳5種測試狀態進行設置,調節調時電位器,經A/D轉換,在單片機上預置時間,并在數碼管上顯示出來。

數據處理程序:按下啟動按鍵,單片機產生外中斷,此時單片機的合/分閘控制端口T1、T2、T3、COM端口分別輸出相應電平。

數據顯示程序:在預置狀態顯示預置時間,按啟動鍵后啟動測試,測試結束時,數碼管顯示“END",表示測試結束。

下面以測試分閘時間為例,說明高壓開關機械特性時間校驗儀的操作及輸出波形圖。

如上圖,按規定線路正確接線,置合/分閘轉換開關為分閘,置時間/彈跳轉換開關為時間,不同期按鍵為彈起狀態,通過時間設置電位器時間t,并在數碼管上顯示,按啟動鍵開始檢定,時間校驗儀顯示“END"表示檢定結束,此時被測儀器應顯示分閘時間t0,根據規程計算測量誤差,再次操作前按復位鍵,儀器恢復為初始狀態,等待下一次操作。