0 引言
本監(jiān)控系統(tǒng)" title="監(jiān)控系統(tǒng)">監(jiān)控系統(tǒng)是為鐵路用4kVA/25Hz主從熱備份逆變" title="逆變">逆變電源系統(tǒng)設(shè)計的。
4kVA/25Hz主從逆變電源是電氣化鐵路區(qū)段信號系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，有兩相輸出：110V/1.6kVA局部電壓（A相）；220V/2.4kVA軌道電壓（B相）；兩相均為25Hz，且要求A相恒超前B相90°。由于逆變器是給重要負(fù)載供電，且負(fù)載不允許斷電，故采用雙機(jī)熱備份系統(tǒng)，一旦主機(jī)發(fā)生故障，要求在規(guī)定時間內(nèi)實現(xiàn)切換，因此，備份逆變器一直處于開機(jī)狀態(tài)。由于逆變器經(jīng)過了整流，逆變兩級能量變換，功率較大，且指標(biāo)要求較高，必須要采用先進(jìn)的控制技術(shù)；同時為了安全實現(xiàn)主從切換，也必須要有完善的監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)鎖相" title="鎖相">鎖相，保證整機(jī)的安全。
1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計要求
根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)主要完成以下功能：
1）主從切換功能 主從控制之間實現(xiàn)準(zhǔn)確無誤的切換，具有自動和手動兩種功能，保證切換時電壓同頻率，同相位，同幅值；
2）鎖相功能 主從機(jī)組局部電壓同頻同相，同一機(jī)組內(nèi)A相恒超前B相90°；
3）完善的保護(hù)功能 具有軟起動功能，以避免啟動瞬間電壓過沖對逆變器及負(fù)載的沖擊，以及輸出過壓、過流保護(hù)，頻率、相位超差保護(hù)，橋臂直通保護(hù)，過熱保護(hù)等；
4）顯示功能 實時顯示運(yùn)行參數(shù)及工作狀態(tài)并具有聲光報警功能，以提示值班人員及時排除故障；
5）通信功能 具有主從機(jī)組之間通信，與監(jiān)控中心（上位機(jī)）通信等功能；
6）抗干擾功能 系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2.1 DS80C320單片機(jī)簡介
DS80C320是DALLAS公司的高速低功耗8位單片機(jī)。它與80C31/80C32兼容，使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集。與普通單片機(jī)相比有以下新特點：
1）為P1口定義了第二功能，從而共有13個中斷源（其中外部中斷6個），3個16位定時/計數(shù)器，兩個全雙工硬串行口；
2）高速性能，4個時鐘周期/機(jī)器周期，最高振蕩頻率可達(dá)33MHz，雙數(shù)據(jù)指針DPTR；
3）內(nèi)置可編程看門狗定時器，掉電復(fù)位電路；
4）提供DIP，PLCC和TQFP三種封裝。
2.2 基于DS80C320的監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
按照上述系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計了如圖1所示的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，分為微處理器及外設(shè)模塊，模擬量采集模塊" title="采集模塊">采集模塊，開關(guān)量采集模塊，頻率及相差測量模塊，控制量輸出模塊，人機(jī)接口模塊，同步信號模塊以及通信模塊。
圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖
1）微處理器及外設(shè)模塊 微處理器采用DS80C320，非常適合于監(jiān)控。本系統(tǒng)充分利用前面已提及的特點，簡化了硬件設(shè)計與編程，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)需要擴(kuò)展了一片8255，一片E2PROM和一片8254。
2）模擬量采集模塊 根據(jù)采集精度要求以及被采集量變化緩慢的特點，采用AD公司的高速12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A，其內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時鐘，參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換時間25μs，并通過ADG508A擴(kuò)展模擬量輸入通道。
3）開關(guān)量采集模塊 首先經(jīng)光耦進(jìn)行隔離后，再通過與門送入單片機(jī)的外部中斷口，同時通過8255送入單片機(jī)，采取先中斷后查詢的方式。
4）頻率及相差測量模塊 信號先經(jīng)過具有遲滯特性的過零比較器轉(zhuǎn)換為方波，然后通過雙四選一開關(guān)4052送入單片機(jī)，通過定時器T0來計算頻率和相差。
5）控制量輸出模塊 通過光耦控制輸出，實現(xiàn)可靠隔離。
6）人機(jī)接口模塊 包括按鍵和顯示部分。通過簡單的按鍵選擇，實現(xiàn)電流、電壓、頻率及相差的顯示。顯示部分采用8279驅(qū)動8位七段LED顯示，同時通過發(fā)光二極管和蜂鳴器提示運(yùn)行狀態(tài)。
7）同步信號模塊 本模塊用來實現(xiàn)鎖相。單片機(jī)控制8254產(chǎn)生局部同步脈沖" title="同步脈沖">同步脈沖和軌道同步脈沖，同步脈沖用來復(fù)位正弦基準(zhǔn)。通過軟件控制同步信號的頻率，可實現(xiàn)主從鎖相和局部及軌道的相位跟蹤。具體實現(xiàn)過程將在下文詳述。
8）通信模塊 采用了RS232和RS485兩種通信方式。利用串口0采用RS232實現(xiàn)與另一機(jī)組監(jiān)控單元的雙機(jī)通信，獲取對方機(jī)組狀態(tài)信息；利用串口1采用RS485標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，完成傳輸數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程報警等功能。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)軟件流程
主程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先對單片機(jī)，外圍芯片及控制狀態(tài)進(jìn)行初始化；然后讀取AC/DC模塊的工作狀態(tài)，若正常則啟動DC/AC模塊，否則轉(zhuǎn)故障處理；開啟DC/AC后，讀入其工作狀態(tài)并判斷輸出電壓是否滿足要求，有故障轉(zhuǎn)故障處理，正常則開啟故障中斷；接下來進(jìn)行主從機(jī)組判斷和相位跟蹤，實現(xiàn)主從相位同步和局部及軌道電壓的鎖相；只有在實現(xiàn)鎖相后，才采用查詢方式處理鍵盤及測量顯示。在軟件編制中，鍵盤中斷是關(guān)閉的。實驗證明，對人機(jī)交互通道采用這種查詢處理方法，完全可以滿足系統(tǒng)的實時要求。開關(guān)量的輸入采取先產(chǎn)生中斷，后查詢的方法，保證了響應(yīng)的實時性和逆變系統(tǒng)的安全性。
圖2 主程序流程圖
3.2 系統(tǒng)采用的主要算法和技術(shù)
3.2.1 交流采樣算法
測量顯示大信號的交流量時，通過互感器得到適合A/D轉(zhuǎn)換的交流小信號，然后對小信號進(jìn)行采樣，最后對采樣數(shù)據(jù)采用一定的算法，得到正確的顯示值。均方根法是目前常用的算法，其基本思想是依據(jù)周期連續(xù)函數(shù)的有效值定義，將連續(xù)函數(shù)離散化，從而得出電壓的表達(dá)式
U=
式中：n為每個周期均勻采樣的點數(shù)；
ui為第i點的電壓采樣值。
3.2.2 數(shù)字濾波算法
A/D轉(zhuǎn)換時，被采樣的信號可能受到干擾，從采樣數(shù)據(jù)列中提取逼近真值數(shù)據(jù)時采用的軟件算法，稱為數(shù)字濾波算法。目前常用的方法有程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動平均濾波等。根據(jù)本系統(tǒng)對采集精度有較高要求以及被采集的模擬量變化緩慢的特點，采用程序判斷濾波法和算術(shù)平均濾波法相結(jié)合的濾波方法，即進(jìn)行多周期采樣，取其算術(shù)平均值作為有效采樣值。每次采樣后和上次有效采樣值比較，如果變化幅度不超過一定幅值，采樣有效；否則視為無效放棄。
3.2.3 單片機(jī)鎖相技術(shù)
本監(jiān)控系統(tǒng)一個很重要的功能是實現(xiàn)相位同步，即保證主從機(jī)組的相位同步和機(jī)組內(nèi)局部電壓相位恒超前軌道電壓相位90°。本系統(tǒng)鎖相的基本原理是，對于頻率相同而相位不同步的兩路信號，比如A路和B路，若A路為基準(zhǔn)，B路超前（滯后）一定的相位，可以通過適當(dāng)降低（增大）B路信號的頻率來實現(xiàn)相位調(diào)整進(jìn)而鎖相，最后再把B路頻率置為原頻率值。
本系統(tǒng)中，單片機(jī)控制8254產(chǎn)生25Hz同步脈沖，同步脈沖用來復(fù)位正弦基準(zhǔn)，使基準(zhǔn)正弦波重新從零值開始?；鶞?zhǔn)正弦波與三角波比較產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)逆變得到與基準(zhǔn)正弦同頻的交流輸出，因此，通過調(diào)整同步脈沖的頻率可改變正弦基準(zhǔn)的頻率，進(jìn)而可改變被調(diào)整輸出電壓的相位。要實現(xiàn)系統(tǒng)的鎖相要求，需要從機(jī)組局部電壓跟蹤主機(jī)組的局部電壓，各機(jī)組軌道電壓跟蹤本機(jī)組的局部電壓。因此，要有主從局部鎖相和局部軌道相位跟蹤兩個子程序。
鎖相的流程圖如圖3及圖4所示。首先由多路開關(guān)選擇要鎖相的兩路信號，由單片機(jī)測量相位差，并對所得相位差數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的運(yùn)算和處理后，判斷有無超差。倘若相位超差，則根據(jù)超差范圍確定同步脈沖的頻率值。如果是主從局部鎖相，則應(yīng)同時改變從機(jī)組局部和軌道的同步脈沖；否則，若為局部、軌道相位跟蹤，則只改變本機(jī)組軌道的同步脈沖。通過調(diào)整同步脈沖，可實現(xiàn)相位調(diào)整。實現(xiàn)鎖相后，同步脈沖的頻率置為25Hz返回。
圖3 主從局部鎖相流程圖
圖4 局部軌道相位跟蹤流程圖
4 抗干擾措施
由于該監(jiān)控系統(tǒng)工作于強(qiáng)電環(huán)境，很容易受到各種干擾的影響。干擾一旦串入系統(tǒng)，輕則會引起誤報，嚴(yán)重時就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，甚至造成重大事故。本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面采取了抗干擾措施，保證了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
4.1 硬件抗干擾措施
1）光電隔離在輸入和輸出通道上采用光耦合器件進(jìn)行信息傳輸，在電氣上將單片機(jī)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔離開來，可以較好地防止串模干擾。
2）加去耦電路在電源進(jìn)線端加去耦電容，削弱各類高頻干擾。
3）合理布置地線系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地分開，最后在一點相連，避免了數(shù)字信號對模擬信號的干擾。
4）數(shù)字信號采用負(fù)邏輯傳輸騷擾源作用于高阻線路時易形成較大干擾，而在數(shù)字信號系統(tǒng)中，輸出低電平時內(nèi)阻要小些，因此，定義低電平為有效（使能）信號，高電平為無效信號，可減少干擾引起的誤動作，提高控制信號的可靠性。
4.2 軟件抗干擾措施
1）利用可編程硬邏輯看門狗將單片機(jī)從死循環(huán)和跑飛狀態(tài)中拉出，使單片機(jī)復(fù)位。而DS80C320提供了內(nèi)部可編程硬邏輯看門狗，不須外加電路，就能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的超時復(fù)位。同時，DS80C320還為一些重要的看門狗控制位提供了訪問保護(hù)，防止單片機(jī)失控后對這些重要的控制位進(jìn)行非法操作，進(jìn)一步保證了程序的安全性。
2）對于數(shù)字信號采集，利用干擾信號多呈毛刺狀且作用時間短這一特點，多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上采集結(jié)果完全一致才認(rèn)為有效。數(shù)字信號輸出時，重復(fù)輸出同一個數(shù)據(jù)，其重復(fù)周期盡可能短，使外部設(shè)備對干擾信號來不及作出有效反應(yīng)。
3）對模擬量的采樣和處理，采用數(shù)字濾波技術(shù)。
4）采用指令冗余和軟件陷阱，防止程序跑飛。
5 結(jié)語
本監(jiān)控系統(tǒng)已研制出生產(chǎn)樣機(jī)。實踐證明，系統(tǒng)性能優(yōu)良，完全滿足逆變系統(tǒng)要求，具有很好的抗干擾能力，保證了整機(jī)安全、可靠地運(yùn)行。