直流接地探测系统手持探测器的设计

摘 要：直流系统绝缘的状况直接影响变电站继电保护和自动装置的安全运行，一旦发生直流系统的异常接地，供电系统将面临极大的危险。为了在复杂现场条件下迅速准确找出接地点，应用单片机技术和电子技术实现了直流接地探测系统手持探测器的开发设计。实际应用表明，由于采用了独创的探测方法，该设备与传统探测技术相比无探测死区，使用方便简单，能对各种接地情况进行有效探测。

关键词：单片机；模数转换；红外通信；C语言；直流系统；接地

中图分类号：TP23 文献标识码：B

文章编号：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

直流接地探测系统一般由信号源和探测器构成，是用于电力系统查找直流异常接地故障的专业工具，使用时不影响电气设备的运行，在不切断直流电源的情况下进行接地探测，目前国内已有企业开发了多种型号的直流接地探测装置，这里介绍一款探测装置的手持探测器部分的软硬件应用设计。

1 手持探测器的硬件结构

1.1 硬件构成

手持探测器硬件由电源模块、信号调理模块、AD转换模块、LCD显示模块、IrDA通信模块和语音提示模块组成。硬件结构图见图1。

1.2 处理器

手持探测器选择高速、低功耗STC89C58单片处理器，他与8051系列处理器完全兼容，自带32 kB的FLASH存储器作为程序存储器，RAM为1 280 B，16 kB E2PROM存储器可以进行字节读写和页面擦除，系统主频采用22.118 4 MHz晶振并应用STC89C58的二倍速功能以加快处理能力，值得一提的是由于使用了内部E2PROM来储存系统的工作参数，节省了一片I2C存储器和相应的IO口线。

图1 探测器硬件结构图

1.3 信号调理模块

该模块包括被测模拟信号的放大、滤波、变换等功能。

1.4 AD转换模块

该模块采用TI公司的12位开关电容逐次逼近模数转换器TLC2543C。TLC2543C器件有3个控制输入端：片选、输入/输出时钟和地址输入。他可以通过一个串行三态输出端与微处理器或其串行口通信，输出转换结果。TLC2543C有一个片内14通道多路器可以在11个输入通道或3个内部自测试电压中任选一个。TLC2543C的采样保持是自动的，当转换结束输出端电平由低变高时表示转换结束。TLC2543C结合外部输入的差分高阻抗基准电压，具有简化比率转换、刻度及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点，开关电容的设计可以在整个温度范围内有较小的转换误差。在手持探测器中使用了其中3个通道分别处理探测点的电流、电压和电池检测等功能，由于采用的微处理器无SPI功能，接口方法用4条IO口线P1.0,P1.1,P1.2和P1.3模拟SPI功能完成,详见图2。

1.5 IrDA通信模块

该模块采用ZILOG公司的ZHX1810和MICRO CHIP公司的MCP2120组成，在微处理器的控制下完成与信号源的数据通信。

ZILOG公司的ZHX1810是该公司的1 m IrDA收发器ZHX1010的小型版，主要应用于移动电话、便携式打印机、笔记本电脑和PDA等产品，在极小的体积内封装了IrDA数据流的接收和发送功能，具有应用电路简单和在关断工作模式下器件静态工作电流低于1 μA的特点。

MICRO CHIP公司的MCP2120是一款标准的UART与IrDA编码/解码器，包括一个标准UART接口和IrDA串行数据流接口，他可以从UART接口接收串行数据经编码器编码后变换为IrDA数据流发送到IrDA收发器，也可以从IrDA接口接收IrDA数据流经解码器解码后通过UART接口送出串行数据，因此MCP2120可以方便的与单片微处理器和IrDA收发器一起构成IrDA通信模块，MCP2120具有低功耗和低电压的特点，关断工作模式下器件静态工作电流低于3 μA。

IrDA通信模块采用3.686 4 MHz晶振和固定的9 600 b/s波特率进行数据通信，与微处理器的P3.0,P3.1,P3.6和P3.7连接，详见图2。

1.6 LCD模块

系统显示采用金鹏科技有限公司的OCMJ4X8型128×64点阵LCD模块，该模块有18条引出线，其中数据线8条与微处理器的P0口直接连接，3条控制线分别与处理器的P1.4,P1.5,P3.5连接，详见图2。LCD的上部128×16点阵显示模拟坐标和被探测线路信号幅值的动态棒形图，其他显示动态数据。

1.7 键盘

3个键盘为探测键、校验键和帮助键，与P3.2,P3.3和P3.4连接，分别采用中断和扫描模式进行键盘处理，详见图2。

1.8 语音提示模块

该模块采用固化的汉语语音提示，由P1.6输出的脉冲控制语音输出，见图2。

2 手持探测器的软件开发

软件开发采用C语言，共计45个子程序，源代码长度达到3 000行，实现了产品说明书的内嵌和系统时钟调校及记忆等辅助功能，极大地提高了产品对环境的适应性和可操作性。

在产品的主要功能方面，由于创造性的采用了棒形图，直观显示了被测对象的幅值、周期等参数，为使用者所乐见，软件应用了FFT变换，提高系统对于复杂环境干扰信号的适应能力，系统总控流程见图3。

图2 探测器MCU及外部模块电原理图

图3 系统总控流程

由系统原理图可知，探测键直接与处理器的P3.3(外部中断1)连接，当探测键按下时引发中断，中断处理程序禁止本中断以防止再次中断，中断处理程序设置相关标志后返回，将探测处理工作交给系统总控程序处理，如果探测完成或探测期间释放探测键，系统总控将开放本中断并等待新的探测任务。

校验键直接与处理器的P3.2(外部中断0)连接，当校验键按下时引发中断，中断处理程序启动IrDA模块和通信处理程序获取校验参数后返回。

帮助键只有在开机和探测模式下使用，系统用扫描方式判断帮助键是否按下，在开机后按下帮助键系统显示操作说明书；在探测模式下按下帮助键显示有关探测的操作方法，在浏览帮助信息时按下校验键或探测键退出帮助模式并进入相应处理进程。

系统启用了处理器的两个定时中断T0和T2。T0处理包括AD转换、电池状态、棒形图显示、数值计算、方向判断、周期处理、最值处理等与探测相关的所有事件，中断频率为50次/s。T2作为系统时标使用，辅助T0的工作。

下面是AD转换和处理器内部E2PROM应用程序清单，程序的参数部分和特殊功能寄存器在项目的头文件(.h)内进行了定义，程序清单如下:

uint TLC2543(uchar channel) reentrant

{

uchar i,ch;

uint result;

uchar datah;

uchar datal;

ch=channel;

result=0;

datah=0;

datal=0 ;

ch

SPICS=0;

SPICLK=0;

for(i=0;i

{

if(i

{

SPIDIN=(bit)(ch&0x80);

ch

}

clock_in();

}

for(i=0;i

SPICS=1;

SPICS=0;

for(i=0;i

{

if(i

{

datah

datah|=SPIDOUT;

}

else//输出低8位数据

{

datal

datal|=SPIDOUT;

}

clock_in();

}

SPICS=1;

result=datah;

result

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) //写字节

{

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) //读字节

{

MY_DATA=ISP_DATA;

return(1);

}

}

3 结 语

本系统已经应用于实际工作中，由于采用了独创的探测方法，与传统直流接地探测技术相比,本系统无探测死区，能对各种接地情况进行有效探测。在与其他探测产品的现场比武中，本系统均取得了绝对优势，得到用户的好评。

参考文献

[1]徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京：电子工业出版社,1998.

[2]李华.MCS―51单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社,1993.

[3]ZILOG,Inc.ZHX1010 SIR Transceiver Product Specification[DB/OL].PS015105―.

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

[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+系列单片机器件手册[EB/OL].www.MCU―.

作者简介 孟 波 男，1963年出生，贵州省贵阳市人，工程师。主要研究方向为嵌入式系统及软件。

毛太平 男，1962年出生，江苏省扬州市人，硕士研究生。工程师，主要研究方向计算机软件，人工智能系统。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。