基于DSP和Modbus總線的智能斷路器控制器設計

智能控制器采用TI的高性能DSP芯片TMS320F2812，電路主要由電壓電流輸入信號的調理電路、自生電源和外部電源控制模塊、RS485通信模塊、顯示和按鍵模塊及外圍檢測信號輸入電路、脫扣控制電路等組成。電流互感器和電阻分壓前端分別檢測供電線路中的電流和電壓信號，并將其轉換為數字電路和DSP可處理的電平信號，經過模擬信號調理電路(隔離、濾波、放大等)送入DSP，DSP自帶的A/D轉換單元將模擬信號轉換成數字信號，供DSP進行邏輯運算和處理。DSP將檢測到的電流信號與整定值相比較，判斷是否脫扣，從而實現三段保護功能。同時在系統中采用Modbus總線協議與上位機通信，實現智能控制器的“四遙”功能。
1.2 采樣與信號調理
采用空芯電流互感器檢測電流信號，以保證有較好的線性范圍。采用串聯的電阻分壓提供電壓信號。電流和電壓信號經過RC濾波后，分2路進行采樣，以解決量程變換問題。當互感器輸出電壓比較小時，電壓經過LM324放大，由A/D采樣；而當互感器輸出電壓比較大時，LM324輸出出現飽和，則直接由A/D采樣。其中通道的選擇由軟件完成,以使采樣信號在閥值處能較好銜接起來。電流采樣電路如圖2。R11、R12、R21、R22將交流信號提升為A/D可識別的3.3 V直流信號，D1、D2、D7、D8構成限幅保護電路。電壓通道除了電阻分壓不同，其他部分相似。

1.3 通信接口
采用SP485E芯片的通信接口如圖3。由于斷路器的分斷會對電路產生干擾，為保證可靠的通信，電路附加了一些保護。其中8.2 V的TVS管V1、V2、V3都是用來保護RS485總線的，以避免RS485總線在受外界干擾時(雷擊、浪涌)產生的高壓損壞RS485收發器。電路中的L1、L2、C7、C8元件，用于提高電路的EMI性能，并對SP485E芯片起到良好的保護效果。

2 智能控制器軟件設計
2.1 智能控制器軟件結構
智能控制器軟件主要包括：采樣數據處理、通信處理、按鍵和顯示處理及能量記憶處理等模塊。主程序流程圖如圖4。在主程序中，智能控制器上電初始化后，查詢通信事件狀態，處理Modbus協議狀態機，并做相應的通信處理。通過采樣獲取主線路的電流信號，每周期20 ms采樣40點，采用0.5 ms的定時器，實現非失真采樣。而線路的三段保護，即電流速斷、限時電流速斷、定時過電流均依據一定的算法在這些采樣點的基礎上進行。根據測得的電流信號進行有效值計算（40個采樣點采用加權平滑濾波，取均值），進行熱記憶能量累加或消退，先后比較是否達到或超過瞬時脫扣整定值Ii、短延時脫扣電流整定值Isd、過載長延時脫扣電流整定值Ir，判斷是否大于整定的脫扣能量從而發出分斷命令，動作時間延時T根據斷路器控制器的電流－時間特性曲線決定(可參考斷路器行業標準[3])，從而實現對線路中的過載、短路、接地等故障的保護。