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需求分析

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,并綜合采用先進(jìn)的抗干擾技術(shù).可滿足多油、少油、SF6及真空等各類斷路器的測(cè)試,使測(cè)試精度高于國(guó)內(nèi)同類產(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。

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(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

圖2 工作原理

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。

圖3 串口連接圖

3.5 傳感器選擇

為了滿足不通高壓開(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;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最為有效的方法。

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,連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短。

⑵布線時(shí)避免90度折線,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(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晶振布線十分注意.晶振與MCU引腳盡量靠近,用地線把時(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,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(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布線時(shí),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(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)

圖4 軟件工作流程

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,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.

在工業(yè)控制及輸變電領(lǐng)域中,各種高壓開(kāi)關(guān)、接觸器、繼電器等通斷電控制器件被廣泛應(yīng)用,高壓開(kāi)關(guān)的合閘時(shí)間、分閘時(shí)間、合閘同期性、分閘同期性及彈跳時(shí)間等時(shí)間參數(shù),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作至關(guān)重要,如不引起足夠認(rèn)識(shí),輕者可致電網(wǎng)波動(dòng),重者導(dǎo)致重大用電事故。使用高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀對(duì)高壓開(kāi)關(guān)時(shí)間參數(shù)的精確測(cè)量,從而保障用電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重大意義。機(jī)械工業(yè)部在1994年7月制定和實(shí)施的（G機(jī)械140-1993）《高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀檢定規(guī)程》中,規(guī)定了高壓開(kāi)關(guān)各時(shí)間參數(shù)的檢定項(xiàng)目和檢定方法。但目前計(jì)量行業(yè)仍缺乏對(duì)高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀的校準(zhǔn)裝置,針對(duì)這種現(xiàn)狀研制了高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性時(shí)間校驗(yàn)儀,可對(duì)高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀的各時(shí)間參數(shù)做精確校準(zhǔn)。

1、工作原理

時(shí)間校驗(yàn)儀被檢機(jī)械特性測(cè)試儀

將被檢機(jī)械特性測(cè)試儀與時(shí)間校驗(yàn)儀端子對(duì)應(yīng)相連,由時(shí)間校驗(yàn)儀給出合、分閘時(shí)間,合、分閘同期性及彈跳時(shí)間等時(shí)間參數(shù),同時(shí)記錄被測(cè)機(jī)械特性測(cè)試儀時(shí)間參數(shù)顯示值,即實(shí)現(xiàn)被測(cè)機(jī)械特性測(cè)試儀時(shí)間參數(shù)的校準(zhǔn)。

2、技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間輸出開(kāi)關(guān):3路

輸出啟動(dòng)電壓:DC220V

時(shí)間準(zhǔn)確度:0.1%±10μs

時(shí)間輸出范圍:0￣999ms

彈跳輸出范圍:0￣999ms

3、功能簡(jiǎn)介設(shè)定檢驗(yàn)時(shí)間由電位器設(shè)置,顯示窗顯示。

具有檢驗(yàn)時(shí)間和檢驗(yàn)彈跳及三相同期性3種方式選擇。

選擇合閘(時(shí)間開(kāi)關(guān)初始斷開(kāi)狀態(tài))和分閘(時(shí)間開(kāi)關(guān)初始閉合狀態(tài))2種啟動(dòng)方式。

4、硬件設(shè)計(jì)

按下相應(yīng)功能設(shè)置按鍵,調(diào)整時(shí)間電位器預(yù)置時(shí)間參數(shù),同時(shí)在數(shù)碼管顯示窗顯示出來(lái),按下啟動(dòng)鍵,CPU把控制信號(hào)通過(guò)光電耦合器傳遞給被測(cè)機(jī)械特性測(cè)試儀,讀取時(shí)間讀數(shù),計(jì)算誤差。

5、軟件設(shè)計(jì)

軟件由3個(gè)程序塊組成:數(shù)據(jù)預(yù)置程序、數(shù)據(jù)處理程序和數(shù)據(jù)顯示程序。

數(shù)據(jù)預(yù)置程序:時(shí)間校驗(yàn)儀上電復(fù)位或手動(dòng)復(fù)位后,通過(guò)對(duì)合/分閘開(kāi)關(guān)、時(shí)間/彈跳開(kāi)關(guān)和同期性按鍵的組合操作,可分別對(duì)合/分閘時(shí)間、合/分閘同期性和合閘彈跳5種測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置,調(diào)節(jié)調(diào)時(shí)電位器,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換,在單片機(jī)上預(yù)置時(shí)間,并在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。

數(shù)據(jù)處理程序:按下啟動(dòng)按鍵,單片機(jī)產(chǎn)生外中斷,此時(shí)單片機(jī)的合/分閘控制端口T1、T2、T3、COM端口分別輸出相應(yīng)電平。

數(shù)據(jù)顯示程序:在預(yù)置狀態(tài)顯示預(yù)置時(shí)間,按啟動(dòng)鍵后啟動(dòng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)束時(shí),數(shù)碼管顯示“END”,表示測(cè)試結(jié)束。

下面以測(cè)試分閘時(shí)間為例,說(shuō)明高壓開(kāi)關(guān)機(jī)械特性時(shí)間校驗(yàn)儀的操作及輸出波形圖。

如上圖,按規(guī)定線路正確接線,置合/分閘轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為分閘,置時(shí)間/彈跳轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為時(shí)間,不同期按鍵為彈起狀態(tài),通過(guò)時(shí)間設(shè)置電位器時(shí)間t,并在數(shù)碼管上顯示,按啟動(dòng)鍵開(kāi)始檢定,時(shí)間校驗(yàn)儀顯示“END”表示檢定結(jié)束,此時(shí)被測(cè)儀器應(yīng)顯示分閘時(shí)間t0,根據(jù)規(guī)程計(jì)算測(cè)量誤差,再次操作前按復(fù)位鍵,儀器恢復(fù)為初始狀態(tài),等待下一次操作。