基于MCU CPLD變壓器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

BX型信號(hào)變壓器，BG型軌道變壓器和ZG型硅整流器作為鐵路信號(hào)電器設(shè)備的前端，其工作的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性直接關(guān)系到行車安全，變壓器的可靠檢測(cè)是嚴(yán)抓質(zhì)量的第一步，對(duì)于生產(chǎn)廠家而言，測(cè)試流程不允許抽樣，且測(cè)試結(jié)果應(yīng)留檔。本套測(cè)試系統(tǒng)用來(lái)測(cè)試鐵路變壓器的各種要求參數(shù)，包括原邊空載電流、次邊空載電壓、次邊帶載電壓電流，變壓器絕緣電阻、原邊電壓頻率，測(cè)量結(jié)果精度要求3%，測(cè)試系統(tǒng)分為上下位機(jī)兩大部分，下位機(jī)運(yùn)用智能儀表的設(shè)計(jì)思想，在MCU和CPLD控制基礎(chǔ)上對(duì)各種要求測(cè)試參數(shù)分別進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，上位機(jī)上采用VC++6.0編寫軟件實(shí)現(xiàn)串口通訊，歸類統(tǒng)計(jì)并判斷是否合格，存儲(chǔ)打印結(jié)果，系統(tǒng)滿足操作簡(jiǎn)單可靠，提高效率，減少誤差。

2 功能介紹

下位機(jī)以80C196KC作為控制中樞，其主程序框圖見圖1，變壓器接入測(cè)試儀測(cè)試端后接通電源，打開測(cè)試儀，測(cè)試儀首先進(jìn)行初始化，包括PSD，全局變量、串口、中斷8253計(jì)數(shù)器，LCD等的初始化，然后進(jìn)行自檢，包括檢查測(cè)試儀內(nèi)部電路是否正常，是否響鈴（由變壓器輸入端電壓接反引起的報(bào)警），連續(xù)檢測(cè)8個(gè)周期的輸入端電壓并判斷輸入電源是否接好，電壓是否正常，通訊是否正常，自檢過程是串級(jí)檢測(cè)（任一項(xiàng)自檢不合格就閃燈報(bào)警），MCU根據(jù)鍵入值顯示工作狀態(tài)，并調(diào)用子程序處理，人工輸入變壓器型號(hào)，監(jiān)測(cè)儀進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，控制相應(yīng)繼電器動(dòng)作，將該變壓器所有副邊繞組接入測(cè)試端，并選擇合適量程，進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)，測(cè)完參數(shù)后MCU進(jìn)行處理并顯示相應(yīng)變壓器測(cè)試結(jié)果，進(jìn)入判斷狀態(tài)，判斷變壓器是否合格，不合格則觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，根據(jù)要求進(jìn)入通訊狀態(tài)，向上位機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)采用MAX7000系列的EPM7128兩塊，其中第一塊CPLD（1）的主要功能如下：

（1）與A/D芯片（MAX125）相應(yīng)片腳連接，控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換并讀入其結(jié)果，MAX125為并行輸出，是以字進(jìn)行操作的，所以一次要讀14位，用兩個(gè)字節(jié)鎖存。

（2）通過系統(tǒng)總線，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果傳給80C196進(jìn)行處理。

（3）將80C196處理過的需顯示的數(shù)據(jù)緩沖，產(chǎn)生LCD的數(shù)據(jù)（8位）總線驅(qū)動(dòng)。

（4）鍵盤響應(yīng)。

（5）JTAG功能。

第二塊CPLD（簡(jiǎn)稱CPLD（2））依據(jù)MCU發(fā)出的指令或輸入型號(hào)譯碼后驅(qū)動(dòng)控制與該型號(hào)二次繞組對(duì)應(yīng)的繼電器吸合與釋放動(dòng)作，并選擇量程。由于繼電器沒有地址，所有操作他的數(shù)據(jù)必須同時(shí)發(fā)送，即使只改變一個(gè)繼電器的狀態(tài)，仍然要把沒有改變的繼電器的數(shù)據(jù)同時(shí)送給CPLD鎖存，所以譯碼是必需的。

CPLD的功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，可以認(rèn)為，CPLD在下位機(jī)中起著重要的關(guān)聯(lián)作用，一方面，他與MCU相互通訊，并受MCU控制，另一方面，CPLD又執(zhí)行著對(duì)前端電路、鍵盤、LCD和繼電器板等的操作任務(wù)，所以從系統(tǒng)總體的角度出發(fā)，CPLD完成一些接口功能。

3 頻率跟蹤測(cè)量技術(shù)

本系統(tǒng)需要對(duì)變壓器的電壓、電流和頻率等進(jìn)行交流采樣，而交流采樣應(yīng)用成功與否，頻率的準(zhǔn)確測(cè)量是一個(gè)關(guān)鍵，因?yàn)槲覀兪侨?個(gè)正常采樣周期的平均電壓、電流值，而且由于不同型號(hào)變壓器的輸出頻率不一，本身也需要測(cè)量頻率。響應(yīng)時(shí)間、測(cè)量精度以及硬件要求是測(cè)頻方法的主要指標(biāo)。

我們可以定量分析一下由電壓信號(hào)頻率波動(dòng)所引起的電壓信號(hào)有效值誤差的大小。

一般工頻頻率的波動(dòng)常常要到0.1Hz以上，即δf>0.1/50=0.5%，則對(duì)電壓信號(hào)有效值的影響要達(dá)到0.25%，所以應(yīng)實(shí)現(xiàn)采樣頻率對(duì)工頻頻率的在線自動(dòng)跟蹤，以保證測(cè)量精度。

考慮到系統(tǒng)的頻率不是變化很快，要實(shí)現(xiàn)采樣頻率隨系統(tǒng)工頻的變化而實(shí)時(shí)調(diào)整，可先測(cè)得系統(tǒng)的頻率前一周期對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值Tc（以單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器時(shí)鐘周期為單位），然后根據(jù)每周波采樣點(diǎn)數(shù)（N），適時(shí)計(jì)算出每一采樣間隔計(jì)數(shù)值Tsj。

間隔計(jì)數(shù)值：

Tsj=Tc/N （2）

則以Tsj為周期進(jìn)行采樣，即可實(shí)現(xiàn)采樣頻率的實(shí)時(shí)跟蹤，保證了交流等間隔采樣，為實(shí)現(xiàn)這一過程，通常采用的電路結(jié)構(gòu)為：來(lái)自電壓（流）互感器的電壓（流）經(jīng)過低通濾波器和跟隨器，經(jīng)過零比較器（可用LM339）整形成方波，經(jīng)光耦（ 如4N35）送到80C196KC的高速輸入接口 HS1.0利用方波的上升沿觸發(fā)高速輸入中斷，側(cè)得每個(gè)工頻周期計(jì)數(shù)值Tc。單片機(jī)由式（2）計(jì)算得到采樣間隔時(shí)間Tsj。以Tsj為時(shí)間間隔，設(shè)置軟件定時(shí)器中斷，在軟件定時(shí)器中斷中進(jìn)行采樣間隔設(shè)置，主程序根據(jù)其確定啟動(dòng)A/D的時(shí)間間隔，完成周期誤差的大大減少和采樣頻率的實(shí)時(shí)跟蹤。

4 CPLD模塊設(shè)計(jì)

明確了CPLD的主要作用后，我們?cè)贛ax+Plus II軟件上用VHDL語(yǔ)言分別實(shí)現(xiàn)這些模塊功能，設(shè)計(jì)包括4個(gè)階段：設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和器件編程。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。非常適用于可編程邏輯芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

4.1 主要模塊進(jìn)程

系統(tǒng)檢測(cè)變壓器時(shí)，MCU在正常初始化后，有鍵盤輸入時(shí)會(huì)要求CPLD運(yùn)行按鍵響應(yīng)進(jìn)程；CPLD根據(jù)所鍵入型號(hào)運(yùn)行繼電器控制進(jìn)程，操作繼電器板，并上傳操作結(jié)果，MCU在認(rèn)為前述操作正常后，才會(huì)要求CPLD啟動(dòng)對(duì)A/D控制的進(jìn)程，模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)送給MCU；MCU對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理后，又會(huì)要求CPLD運(yùn)行顯示進(jìn)程，顯示結(jié)果LCD上。

4.2 仿真

以讀A/D結(jié)果（ReadOperation）進(jìn)程為例進(jìn)行仿真。

——進(jìn)程名稱：ReadOperation

——敏感變量，RD

——輸出變量，DataBusIn（送到數(shù)據(jù)總線上）

——目的：讀操作

ReadOperation：process（RD，Enlcd，En125Low，En125High，CSIF，CSIM）

需要說(shuō)明的是，信號(hào)變量在仿真時(shí)需聲明其初始值，本讀操作進(jìn)程中的信號(hào)變量自會(huì)有其他進(jìn)程（如片選進(jìn)程）為其賦值，“&”作為連接運(yùn)算符，可將多個(gè)對(duì)象或矢量連接成位數(shù)更大的矢量，對(duì)ReadOperation進(jìn)程編譯仿真的波形圖如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試用得到實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，表1列出3臺(tái)BX1-34型變壓器的部分參數(shù)測(cè)試結(jié)果，其中I次空流代表原邊空載電流，空壓II12指二次繞組1和2端的空載電壓，其他類推，II次空壓為二次繞組的總空載電壓，滿載電壓指在二次繞組串接8Ω電阻時(shí)的電壓值。

結(jié)果滿足《信號(hào)維護(hù)規(guī)則）中對(duì)變壓器“輸入額定電壓，二次端子電壓空載時(shí)其誤差不大于端子額定電壓值的10%；容量為30-60VA的變壓器滿載時(shí)，其二次端子電壓不小于端子額定電壓值的85%”的規(guī)定。

本次開發(fā)綜合考慮了MCU和CPLD的相互作用，采用了交流采樣技術(shù)，認(rèn)真考慮VHDL進(jìn)程并行和CPLD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并應(yīng)用電路簡(jiǎn)化的幾種技巧與方法，充分利用CPLD的硬件資源優(yōu)化電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性，精確度等方面的要求。

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