Управляющий модуль устройства проверки автоматических выключателей первичным током

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»

Факультет информатики и вычислительной техники

Специальность 230101

Дипломник: Фамилия Клокова

Имя Екатерина

Отчество Александровна

Тема дипломного проекта: Управляющий модуль устройства проверки автоматических выключателей первичным током

Кафедра: Информационно-вычислительных систем

Заведующий кафедрой: Галанина Н.А., к.т.н., доцент

Руководитель: Буланкина Е.Ю., ст. пр.

Консультанты: Буланкина Е.Ю., ст. пр.

Блохинцев А.А., к.т.н., доцент

Рецензент:

№ приказа о допуске к дипломному проектированию: ______________

Проект начат ____________________________________

Проект закончен _________________________________

№ приказа о допуске к защите ______________________

Оценка экзаменационной комиссии по защите: _____________________

Декан факультета

Секретарь экзаменационной комиссии

“_______”_________________2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»

Факультет информатики и вычислительной техники

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета

_______________/Калмыков Б.М.

“___” ______ 2007

ЗАДАНИЕ

НА ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема проекта: Управляющий модуль устройства проверки автоматических выключателей первичным током.

Студент: Клокова Екатерина Александровна

Группа: ИВТ-13-02

СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ

Исходные данные к проекту. Устройство проверки первичным током автоматических выключателей: РЕТОМ-30КА. Выключатель питания 380В, 50Гц, автоматический с тепловым и электромагнитным расцепителем. Род тока: переменный, предел измерения первичного тока до 30 кА. Двустрочный семисегментный индикатор. Индикатор в режиме измерения одновременно отображает два параметра. Контроллер LPC2148. Среды разработки: IAR Embedded Workbench, P-CAD 2001. Интерфейс USB - для подключения к персональному компьютеру. Минимальные требования к ПК: Windows 2000; процессор 1000 МГц; ОЗУ 128 МБ.

Теоретическая часть. Устройство РЕТОМ-30КА. Анализ и выбор элементной базы. Обзор аналогов устройства и управляющего модуля.

Схемотехническая часть. Разработка структурной, функциональной и принципиальной схем модуля.

Программная часть. Разработка программы управления контроллером.

Конструкторская часть. Разработка печатной платы модуля.

Экономическая часть. Технико-экономическое обоснование дипломного проекта.

Экологическая часть. Анализ условий труда и безопасности при разработке проекта.

Содержание расчетно-пояснительной записки. Введение. 1. Теоретическая часть. 2. Структурная схема модуля. 3. Функциональная схема модуля. 4. Принципиальная схема модуля. 5. Программная часть. 6. Конструкторская часть. 7. Экономическая часть. 8. Экологическая часть. Заключение.

Содержание графической части проекта. 1. Структурная схема устройства РЕТОМ-30КА; 2. Структурная схема управляющего модуля; 3. Функциональная схема управляющего модуля; 4. Принципиальная схема управляющего модуля; 5. Блок-схема алгоритма управляющей программы. 6. Печатная плата модуля; 7. Сборочный чертеж.

Консультанты:

по схемотехнической части: ст. пр. Буланкина Е.Ю.

по программной части: ст. пр. Буланкина Е.Ю.

по конструкторской части: ст. пр. Буланкина Е.Ю.

по экономической части: ст. пр. Буланкина Е.Ю.

по безопасности и экологичности

проекта: к.т.н., доцент Блохинцев А.А.

Руководитель проекта: ст. пр. Буланкина Е.Ю.

Задание принял к исполнению студент Клокова Е.А.

Задание зарегистрировано

Заведующий кафедрой к.т.н., доцент Галанина Н.А.

Аннотация

В данном дипломном проекте рассмотрено устройство для проверки автоматических выключателей РЕТОМ-30КА. Разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы управляющего модуля устройства. С помощью САПР PCAD-2001 разработана его печатная плата. Кроме того, был разработан алгоритм программы, реализующей управление микроконтроллером, и написана программа, реализующая разработанный алгоритм. В работе рассмотрены условия безопасности и экологичности проекта, рассчитана полная себестоимость разработанного модуля управления. Материалы пояснительной записки выполнены в соответствии с требованиями единой системы конструкторской документации и единой системы программной документации.

Annotation

In given degree project device for checking the automatic breakers RETOM-30KA is considered. Structured, functional and principle scheme controlling module device is designed. By means of CAD PCAD-2001 its printed charge is designed. Besides, algorithm of the program, realizing microcontroller control, was designed and program, realizing designed algorithm is written. In this project condition to safety and ecological capacities of the project are considered, full prime cost of the designed module of control is calculated. The material of the explanatory note are executed in accordance with requirements of the united system to design documentation and united system to programme documentation.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1 Теоретическая часть

1.1 Устройство РЕТОМ-30КА

1.2 Обзор аналогов устройства и управляющего модуля

1.3 Анализ и выбор элементной базы

1.3.1 Микроконтроллер

1.3.2 АЦП

1.3.3 Конвертер RS232 <-> USB

1.3.4 Флэш-память EEPROM

1.3.5 Мультиплексор

1.3.6 Дешифратор

1.3.7 Развязка

1.4 Выводы по главе

2 Структурная схема управляющего модуля

2.1 Состав и назначение блоков структурной схемы

2.2 Выводы по главе

3 Функциональная схема управляющего модуля

3.1 Разработка функциональной схемы

3.2 Выводы по главе

4 Принципиальная схема управляющего модуля

4.1 Описание компонентов

4.2 Выводы по главе

5 Программная часть

5.1 Общие сведения

5.1.1 Назначение и условия применения программы

5.1.2 Технические характеристики

5.2 Блок-схема алгоритма программы управления микроконтроллером

5.4 Выводы по главе

6 Конструкторская часть

6.1 Требования к печатным платам

6.2 Конструкции и параметры печатных плат

6.3 Разработка печатной платы

6.4 Выводы по главе

7 Экономическая часть

7.1 Определение себестоимости изделия

7.1.1 Расчет стоимости покупных компонентов

7.1.2 Расчет транспортно-заготовительных расходов

7.1.3 Расчет стоимости материальных затрат

7.1.4 Расчет основной заработной платы производственных рабочих

7.1.5 Расчет дополнительной заработной платы

7.1.6 Отчисления на социальное страхование

7.1.7 Цеховые расходы

7.1.8 Общезаводские расходы

7.1.9 Заводская стоимость изготовления

7.1.10 Внепроизводственные расходы

7.1.11 Себестоимость разработки

7.2 Расчет затрат на разработку программы

7.2.1 Расчет трудоемкости

7.2.2 Основная заработная плата

7.2.3 Дополнительная заработная плата

7.2.4 Отчисления на социальное страхование

7.2.5 Накладные расходы

7.3 Выводы по главе

8 Безопасность и экологичность проекта

8.2 Выбор средств защиты, обеспечивающих безопасность и комфортность труда

8.2.1 Организация рабочих мест

8.2.2 Требования к видеотерминальному устройству

8.2.3 Требования к планировке и размещению оборудования

8.2.4 Требования к освещению

8.2.5 Расчет освещения рабочего места пользователя ПЭВМ

8.2.6 Обеспечение электробезопасности

8.2.7 Требования к вентиляции, отоплению и кондиционированию воздуха

8.2.8 Требования к уровням шума

8.2.9 Пожарная безопасность

8.3 Экологичность разработки

8.4 Выводы по главе

Заключение

Список аббревиатур

Литература

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Введение

Одной из основных отраслей, оказывающих влияние на жизнь современного общества, является электроэнергетика. Релейная защита - один из видов автоматики энергосистем. Важность этого направления определяется тем, что без него невозможна бесперебойная работа электроэнергетических установок.

Основным назначением релейной защиты является автоматическое отключение повреждённого элемента от остальной, неповреждённой части системы при помощи выключателей.

В процессе эксплуатации энергетических систем имеется возможность возникновения в них повреждений или режимов работы, приводящих к возникновению аварий в системе, под которыми обычно понимаются вынужденные нарушения нормальной работы всей системы или её части, сопровождающиеся определённых недоотпуском энергии потребителям, недопустимым ухудшением её качества или разрушением основного оборудования. Предотвращение возникновения аварий и их развития при повреждениях в электрической части энергосистемы часто может быть обеспечено путём быстрого отключения повреждённого элемента или своевременно переданной информацией об опасных режимах работы энергосистемы.

Одним из основных видов таких режимов работы энергосистемы являются перегрузки. В элементе, в котором возникла перегрузка, появляются токи, превосходящие длительно допустимые для этого элемента значения. При этом температура токоведущих частей может недопустимо повышаться, сами элементы могут деформироваться, а их изоляция ускоренно изнашиваться или даже разрушаться.

В настоящее время в области электроэнергетики также актуальна проблема обновления устаревшего парка электроизмерительного оборудования. В связи с этим государство уделяет большое внимание инвестициям в область электроэнергетики. В 2008 году на развитие электроэнергетики России предполагается направить около 900 миллиардов рублей.

В последнее десятилетие идет активное внедрение цифровых устройств релейной защиты, разработанных отечественными и транснациональными фирмами SIEMENS, ABB, ALSTON. Цифровые устройства релейной защиты имеют системы диагностики и самодиагностики, внутренние регистраторы событий с метками времени 1 мс, аварийные осциллографы, устройства определения места повреждения, надежные средства задания уставок и параметрирования. Цифровые устройства объединяются в вычислительные сети для сбора информации и дистанционного управления.

Основное направление работ в этой отрасли на данный момент - создание новых микропроцессорных защит. С развитием микропроцессорной техники стало возможным создание измерительных комплексов, в основе которых находится микропроцессор или микроконтроллер. Использование таких комплексов позволяет увеличить точность и уменьшить время измерений. Кроме того, подобные комплексы могут вести статистику измерений и выдавать результаты в удобном для пользователя виде. По измеренным значениям можно дать оценку состоянию устройства и предсказать или даже предотвратить аварийную ситуацию.

Особое направление - проектирование устройств адаптивной релейной защиты на базе микропроцессорной техники. Разработаны и начинают внедряться устройства регистрации (широко известные как цифровые регистраторы), на базе которых планируется создание таких защит. Производятся микропроцессорные устройства защиты электроустановок среднего напряжения, испытательные системы. Основными разработчиками-производителями микропроцессорной релейной защиты являются: НПП «Бреслер», ВНИИР, СП «АББ Реле - Чебоксары», НПП «ЭКРА», НТЦ «Механотроника», НПП «Динамика». НПП «Динамика» разрабатывает и производит универсальные испытательные системы релейной защиты.

Очередной продукт, разработанный предприятием, - РЕТОМ-30КА. Это устройство предназначено для крупных промышленных предприятий и тепловых электростанций. Оно применяется для проверки электромагнитных, тепловых и электронных расцепителей автоматических выключателей переменного тока, а также для проверки токовых трансформаторов первичным током.

Принцип его работы такой: сетевое напряжение поступает на регулировочный блок, в котором происходит его регулировка и измерение параметров испытываемого оборудования. Регулируемое напряжение подается на трансформаторные блоки, которые преобразуют его в ток большой величины.

В настоящем дипломном проекте будет рассмотрено измерительное устройство РЕТОМ-30КА и разработан его управляющий модуль.

Разрабатываемый управляющий модуль должен максимально автоматизировать процесс проверки оборудования. Автоматическая подача кратковременных импульсов на силовую схему должна осуществляться за счет управления симмисторным ключом. Необходимо предусмотреть следующие функции: цифровая индикация измеряемых величин, хранение измеренных значений в памяти устройства, защита от перегрузки и перегрева, измерение внешнего напряжения для поиска потерь мощности во внешних цепях, измерение вторичного тока при проверке трансформаторов тока. Требуется обеспечить высокую точность измерения испытательного тока и времени срабатывания (не хуже 5%).

1. Теоретическая часть

1.1 Устройство РЕТОМ-30КА

Измерительное устройство для прогрузки первичным током РЕТОМ-30КА предназначено для проверки электронных расцепителей автоматических выключателей переменного тока, а также для проверки токовых трансформаторов первичным током.

Устройство обеспечивает:

измерение выдаваемого испытательного тока (до 30 кА) и времени срабатывания расцепителей;

измерение выдаваемых и внешних напряжений с помощью встроенного цифрового вольтметра;

измерение вторичного тока и угла сдвига фаз при проверке трансформаторов.

Структурная схема устройства представлена на рисунке 1.1.

В состав устройства входят: блок регулировочный, блок трансформаторный (1 или 2 шт.). Регулировочный блок предназначен для выдачи регулируемого напряжения питания трансформаторных блоков, а также для измерения параметров испытываемого оборудования. Блок трансформаторный представляет собой силовой трансформатор, предназначен для трансформации регулируемого напряжения, поступающего с блока регулировочного, в ток большой величины. Максимальный выходной ток трансформаторного блока составляет 15 кА, двух - 30 кА.

Блок регулировочный состоит из регулируемого источника напряжения, построенного на автотрансформаторах Т1 с делителем и Т2 с регулированием выходного напряжения. Регулирование выходного напряжения осуществляется с помощью переключателей «Грубо» и «Точно»; встроенного вольтметра и цифрового секундомера; встроенного килоамперметра первичного тока РА1 и встроенного амперметра вторичного тока РА2 . При помощи автоматического выключателя SA1 на схему подается напряжение питающей сети 380В, 50 Гц, и устройство переходит в режим готовности. Схема управления, измерения и индикации производит включение и отключение силовой схемы с помощью симмисторного ключа VS1, в момент перехода напряжения питания через ноль. Это позволяет обеспечить отсутствие апериодической составляющей и искажений формы выходного тока.

Рисунок 1.1 - Структурная схема РЕТОМ-30КА

Напряжение питания подается на регулировочный автотрансформатор Т2, через делительный автотрансформатор Т1. С помощью автотрансформатора Т1 и переключателя SA1 выбирается напряжение необходимое для режима работы: полное напряжение сети - для испытаний автоматических выключателей, пониженное - для предварительной установки тока.

При режиме предварительной установки тока по нагрузке протекает ток в десятки раз меньший устанавливаемому току, поэтому не происходит перегрева нагрузки. При этом на индикаторе отображается не реальный ток, а тот, который будет протекать при переключении в режим «Работа». Точность предварительной установки тока напрямую зависит от линейности цепи нагрузки.

Автотрансформатор Т2 имеет ряд отводов, соединенных с переключателями «Грубо» и «Точно», с помощью которых осуществляется ступенчатая грубая и плавная регулировка напряжения, пропорционального току нагрузки, на выходе XS1 («0…380В»).

Регулируемое напряжение с выхода автотрансформатора Т2 через розетку XP1 поступает на первичные обмотки силовых трансформаторов блоков трансформаторных. Силовой трансформатор блока трансформаторного имеет две одинаковые выходные обмотки, на каждой из которых установлено по одному токовому датчику. Токовые датчики подключены к схеме измерителя, с выхода которого напряжения, пропорциональные выходным токам обмоток, поступают на вход килоамперметра РА1. Килоамперметр PA1 производит сложение или усреднение измеренных токов в зависимости от режима измерения, определяемого способом соединения обмоток трансформаторных блоков.

В данном дипломном проекте будет подробнее рассмотрен управляющий модуль регулировочного блока, с помощью которого происходит включение и отключение силовой схемы, измерение параметров и их индикация.

1.2 Обзор аналогов устройства и управляющего модуля

Устройство РЕТОМ-30КА имеет ряд российских и зарубежных аналогов:

устройство для проверки токовых расцепителей автоматических выключателей УПТР-2МЦ (ООО «НПФ «Энергострой», г. Москва);

устройство прогрузки автоматов защиты УПА (ООО "ПРОМТЕХЭНЕРГО", г.Кировоград);

многофункциональная система для проверки трансформаторов тока, трансформаторов напряжения, силовых трансформаторов, всех типов реле защиты, счетчиков энергии и датчиков Т/3000 (ЗАО «Чебоксарская электротехническая компания», г. Чебоксары);

система испытания первичным током ODEN AT (фирма «GE ENERGY Programma Electric AB», Швеция).

Рассмотрим подробнее два из вышеперечисленных аналогов.

Устройство для проверки токовых расцепителей автоматических выключателей УПТР-2МЦ разработано ООО «НПФ «Энергострой», г. Москва. Оно предназначено для проверки характеристик электромагнитных, тепловых и электронных расцепителей автоматических выключателей переменного и постоянного тока посредством подачи определённой величины синусоидального тока частоты 50 Гц на расцепитель и замером времени его прохождения. Кроме того, УПТР-2МЦ может быть использован для проверки релейных защит.

Устройство состоит из двух блоков: регулировочного и нагрузочного. В регулировочном блоке находится регулятор напряжения, схема синхронизации подачи измерительного тока и измерительный комплекс. В нагрузочном блоке собраны нагрузочный и измерительный трансформаторы.

УПТР-2МЦ может генерировать ток величиной 13500 А. У РЕТОМ-30КА эта величина более чем в два раза больше.

Кроме этого РЕТОМ-30КА превосходит УПТР-2МЦ в 2 раза по массе, в то время как по габаритным размерам он не намного больше.

Зарубежный аналог ODEN AT - устройство контрольно-измерительное для испытаний первичным током. Оно разработано шведской фирмой «GE ENERGY Programma Electric AB».

Устройство ODEN AT предназначено для использования в среде высоковольтной коммутационной аппаратуры и в промышленной среде, а также для лабораторных и тестовых целей. Среди возможностей ODEN AT можно выделить следующие: тестирование оборудования релейной защиты, тестирование низковольтных выключателей со встроенной функцией отключения при перегрузке по току, определение коэффициента трансформации для трансформаторов тока.

ODEN AT состоит из блока управления, оборудованного панелью управления, который может быть подсоединен к одному, двум или трем блокам тока. Устройство так же, как и РЕТОМ-30КА, включает в себя несколько нагрузочных блоков, что позволяет генерировать переменный ток некоторым количеством комбинаций ток/напряжение.

ODEN AT может генерировать ток величиной 21000 А. В особых случаях максимальный ток может достигать 21900 А. Величина этого параметра меньше, чем у РЕТОМ-30КА.

Блок управления контролирует генерацию тока токовыми блоками. Он оборудован сложной аппаратурой измерения. Аналогично РЕТОМ-30КА блок управления ODEN AT включает в себя измерительную секцию, содержит таймер, цифровой амперметр, дополнительный канал для измерения напряжения и вторичного тока, средства для измерения фазового угла и коэффициента мощности.

Управляющий модуль предоставляет следующие возможности:

непосредственное отображение коэффициента трансформации трансформатора тока;

значения тока и напряжения при необходимости могут быть выражены как процент от номинальных значений;

быстродействующая функция фиксирования. Измеренные значения могут быть зафиксированы в ответ на появление сигнала на входе останова и/или при прерывании тока.

ODEN AT позволяет начать генерацию в любое время; повторить измерение, просто нажав кнопку, при этом не требуется сбрасывать показания дисплея; сохранить десять различных установок для устройства в десяти различных ячейках памяти.

Таким образом, принципиально шведский аналог не отличается от РЕТОМ-30КА, хотя имеет некоторые преимущества и недостатки по сравнению с нашим устройством. К достоинствам РЕТОМ-30КА можно отнести величину генерируемого тока, контроль наличия апериодической составляющей, синусоидальность подаваемого тока, точность измерений.

1.3 Анализ и выбор элементной базы

От выбора элементной базы зависит эффективность и надежность разработки устройства, а также затраты на его производство.

При выборе элементов необходимо оценить большое количество различных факторов и выбрать из множества аналогов именно тот, который подходит для нашей разработки по характеристикам и по цене.

1.3.1 Микроконтроллер

Выбор микроконтроллера является одним из самых важных решений при разработке управляющего модуля.

Для снижения стоимости устройства необходимо выбрать менее дорогой микроконтроллер, который в то же время должен удовлетворять требованиям устройства по производительности, надежности, условиям применения и т.д. На производительность системы может сильно повлиять выбор прикладного языка программирования (высокого уровня вместо ассемблера).

Микроконтроллеры можно разделить на 8, 16 и 32-разрядные по размеру их арифметических и индексных регистров. В связи с непрерывно увеличивающимся числом приложений, которые предъявляют повышенные требования по производительности обработки данных, намечается тенденция повышения спроса на 32-разрядные микроконтроллеры.

Некоторые микроконтроллеры, в основном ранних разработок, имеют узкий диапазон допустимой тактовой частоты, в то время как другие могут работать вплоть до нулевой частоты. Тактовая частота определяет, сколько вычислений может быть выполнено за единицу времени. С повышением тактовой частоты увеличиваются вычислительная мощность, потребляемая мощность и стоимость устройства. Цена системы при повышении частоты увеличивается из-за стоимости не только микроконтроллера, но также и всех требующихся дополнительных микросхем, таких как RAM, ROM, PLD и контроллеры шины.

За счет достижения более высокого уровня интеграции и надежности при сохранении низкой цены все микроконтроллеры оснащены встроенными дополнительными устройствами, такими как устройства памяти, порты ввода/вывода (I/O), таймеры, системные часы/генератор, которые выполняют определенные функции под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера. Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM) и электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM) память.

Таймеры включают в себя часы реального времени и таймеры прерываний. Следует принимать во внимание диапазон и разрешение таймера, так же как и другие подфункции, такие как функции сравнения и/или захвата входных линий при измерении длительности сигнала.

Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи, драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD).

Другими, реже используемыми, встроенными ресурсами являются внутренняя/внешняя шина, таймер слежения за нормальным функционированием системы, сторожевая схема, система обнаружения отказов тактового генератора, возможность выбора конфигурации памяти и системный интеграционный модуль (SIM).

Технология интеллектуального управления энергопотреблением

Одной из основных задач, которую решают разработчики портативных устройств - оптимизация энергопотребления, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики готового устройства за счет продления ресурса батареи питания или уменьшения размеров устройства.

Традиционным методом снижения энергопотребления является использование экономичных режимов работы, например, холостой ход (idle) или сон (sleep), которые различаются глубиной деактивации внутренних элементов. Как правило, активный режим работы такой системы рассчитан на наихудшие условия работы и характеризуется максимальной загрузкой, тем самым неоправданно сокращая срок службы батареи. Таким образом, для дальнейшей оптимизации расходования энергии батареи питания разработчики уделяют особое внимание управлению энергопотреблением в активном режиме работы.

Для этого используется сочетание аппаратных и программных компонентов, совместно выполняющих динамическое управление напряжением питания («power scaling») по технологии интеллектуального управления энергопотреблением (Intelligent Energy Manager, IEM) для процессоров ARM.

Снижение частоты для уменьшения энергопотребления широко используется в микроконтроллерах и системах на кристаллах, но недостатком этого метода является снижение быстродействия. Метод динамического управления напряжением питания основан на варьировании напряжением питания, однако, если возможности регулировки исчерпаны, то как дополнительный используется метод регулировки частоты процессора.

Микроконтроллеры на основе архитектуры ARM

Микроконтроллерное ядро ARM было разработано английской компанией «Advanced RISC Machines» (ARM), организованной в 1990 году. В настоящее время архитектура ARM занимает лидирующие позиции и охватывает 75% рынка 32-разрядных встраиваемых RISC-микропроцессоров. Распространенность данного ядра объясняется его стандартностью, что предоставляет возможность разработчику более гибко использовать, как свои, так и сторонние программные наработки, как при переходе на новое процессорное ARM-ядро, так и при миграциях между разными типами ARM-микроконтроллеров. В настоящее время разработано шесть основных семейств: ARM7, ARM9, ARM9E, ARM10, ARM11 и SecurCore. Также совместно с компанией Intel разработаны семейства XScale и StrongARM.

Рекордными планками, которые пересекла ARM-архитектура, являются быстродействие свыше 1ГГц и удельное потребление 1 мкВт/МГц.

Проведем сравнительную характеристику наиболее известных микроконтроллеров, основанных на ядре ARM7TDMI: TMS 470 (Texas Instruments), AT91 (Atmel), Micro Converter (Analog Device), LPC2000 (Philips).

Наиболее преуспевающей в разработке аналоговой периферии можно считать компанию Analog Device, которая производит 12-разрядные АЦП и ЦАП класса 1МГц.

Компания Atmel разработала АЦП класса 2ГГц, но еще не интегрировала его в 32-разрядный микроконтроллер. Но у микроконтроллеров Atmel есть и преимущества: экономичность, низкая стоимость и тот факт, что при использовании встроенного RC-генератора и стабилизатора для запуска микроконтроллера требуется только подача одного напряжения питания.

Для микроконтроллеров Texas Instruments характерна избыточная представительность при умеренной стоимости. Работая с микроконтроллерами TMS470 можно быть уверенным в достаточности периферийных ресурсов.

Микроконтроллеры LPC2000 (Philips) отличаются наличием УАПП, совместимого со стандартным УАПП 16C550, а также наличием модемного интерфейса и режима аппаратного управления связью с FIFO-буферизацией. Среди ARM-микроконтроллеров Philips есть микроконтроллеры с расширенным температурным диапазоном -40…+105°C. Кроме того, в микроконтроллерах Philips LPC-2141-2-4-6-8 имеется интерфейс USB 2.0. Таким образом, из всех перечисленных микроконтроллеров LPC2000 являются наиболее оптимальными по рассматриваемым критериям.

Для разрабатываемого управляющего модуля устройства РЕТОМ-30КА был выбран микроконтроллер LPC2148 фирмы Philips Semiconductor, разработанный на базе 32-разрядного ядра ARM7TDMI-S.

Основные характеристики микроконтроллера:

40 Кбайт статической памяти RAM;

512 Кбайт памяти программ Flash;

32 Кб ОЗУ;

программирование Flash в двух режимах - In-System/In-Application Programming (ISP/IAP);

USB 2.0 Full Speed Device контроллер с 8 Кбайт встроенной памяти RAM доступной для USB через DMA;

два 10-разрядных АЦП со временем преобразования 2.44мкс на канал;

один 10-разрядный ЦАП;

два 32-разрядных таймера/счетчика с 4 каналами захвата/сравнения;

6-канальный ШИМ (PWM);

сторожевой таймер (watchdog);

часы реального времени (RTC) с независимым питанием и источником тактирующих импульсов (32 кГц);

два UART (16C550), два I2C (400 Кбит/с), SPI и SSP;

контроллер векторных прерываний с возможностью конфигурирования приоритетов и адресов векторов;

до 45 выводов общего назначения, толерантных к 5В;

частота работы ядра 60МГц, достигается с помощью ФАПЧ (PLL);

встроенный осциллятор, функционирующий с внешним кристаллом (1-30МГц) и внешним осциллятором (до 50МГц);

режимы энергопотребления - Idle mode и Power-down mode;

гибкое управление периферией - отключение/включение, подстройка частоты с целью оптимизации энергопотребления;

совмещенное питание для ядра и периферии, функции Brown-out-Detect и Power-on-Reset;

пробуждение процессора из режима Power-down mode с помощью внешнего прерывания или срабатывания функции Brown-out-Detect;

напряжение питания от 3.0 до 3.6В;

память данных объемом до 128 Кб.

Флэш-память необходима для хранения данных, использующихся во время работы устройства, таких как коэффициенты трансформации, режим работы устройства, заданные пользователем установки и другая рабочая информация. Имеет большое количество циклов перезаписи. Часы реального времени необходимы для точного определения времени срабатывания расцепителей, времени возврата, а также для определения длительности замкнутого (разомкнутого) состояния. Все пины микросхемы толерантны к 5В.

Микроконтроллер LPC2148 содержит все узлы, необходимые для автономной работы. Он находит применение в областях, где основным требованием является миниатюризация устройства при его широкой функциональности. LPC2148 является наиболее удовлетворяющим основным критериям выбора: быстродействию, вычислительным возможностям и соотношению цена/качество. Кроме того, разработано большое количество отладочных средств для этого микроконтроллера. Так, к примеру, отладочная плата фирмы Olimex LPC-P2148 стоит около 2000 рублей, а отладчик JTAG-адаптер - от 500 рублей.

Термином JTAG-интерфейс изначально обозначалась совокупность средств и операций, позволяющих проводить тестирование БИС/СБИС без физического доступа к каждому их выводу, так называемое «граничное сканирование» или «периферийное сканирование». Позднее функции интерфейса JTAG были расширены, и он нашел широкое применение для конфигурирования микросхем с программируемой структурой.

Существует несколько типов адаптеров, подключаемых к персональному компьютеру, которые предназначаются для отладки, тестирования и программирования внутренней памяти микроконтроллеров на базе ядра ARM7. Предпочтительней использовать в качестве JTAG-адаптера Segger J-Link, как наиболее быстрое, распространенное и надежное средство отладки. J-Link - устройство в небольшом корпусе, с одной стороны которого расположен USB разъем для подключения к ЭВМ, а с другой - 20-ти штырьковый коннектор. Кроме элементов, осуществляющих электрическое согласование, J-Link содержит микроконтроллер со встроенным USB портом. Наличие процессора позволяет достигнуть высокой скорости работы и удобств, отсутствующих в устройствах аналогичного назначения. Питание J-Link осуществляется от шины USB. Из средств программной разработки, поддерживающих J-Link можно выделить «IAR Embedded Workbench» и «CrossWorks», имеющие встроенную поддержку J-Link.

1.3.2 АЦП

Существует большое разнообразие микросхем АЦП, различающихся скоростью работы, допустимыми диапазонами входного сигнала, величинами погрешностей, уровнями питающих напряжений и другими параметрами.

Точность как аналого-цифрового преобразования зависит, главным образом, от частоты квантования и от числа уровней квантования сигналов. По своей внутренней структуре АЦП делятся на параллельные и последовательные. Параллельные АЦП обычно имеют невысокое число разрядов (6 или 8), но высокое быстродействие (1 - 200 МГц). Такие АЦП отличаются более высокой потребляемой мощностью и более высокой ценой. Применяются они, в основном, в системах, требующих высокой частоты квантования сигнала по времени, например, в системах обработки изображения. Последовательные АЦП по своей структуре значительно проще параллельных, поэтому стоимость их значительно ниже. Последовательные АЦП имеют сравнительно невысокое быстродействие (обычно не более 1 МГц). Число разрядов может достигать 24, но обычно применяются микросхемы с числом разрядов 8, 10, 12, 14, 16.

АЦП также подразделяются по типу вывода цифровой информации. Существуют микросхемы с параллельным выводом информации, когда число цифровых выходов соответствует разрядности. Но есть также микросхемы, выводящие цифровой сигнал по последовательному каналу. В этом случае необходимо два или три вывода для осуществления последовательной передачи независимо от числа разрядов АЦП. Такие АЦП наиболее привлекательны в малогабаритных системах, так как эти микросхемы выпускаются в малогабаритных корпусах с 8 выводами, например LTC1291 фирмы Linear Technology.

АЦП могут отличаться также числом аналоговых входов. Если входов несколько, значит, микросхема имеет встроенный входной аналоговый коммутатор. Управление этим коммутатором производится логической схемой. Обычно такие микросхемы требуют внешнего управления для переключения входов, для чего предусматривается ввод последовательного или параллельного управляющего сигнала снаружи. Примером может служить последовательный 12-разрядный АЦП с 8 входами, выпускаемый в 20-выводном корпусе LTC1296 фирмы Linear Technology.

Аналогово-цифровые преобразователи также отличаются быстродействием и числом разрядов. Обычно микросхемы с большим количеством разрядов имеют невысокое быстродействие, а наиболее быстродействующие микросхемы имеют небольшое число разрядов. Аналогово-цифровой преобразователь должен обеспечить минимальное время измерения сигналов.

Для управляющего модуля выбрана микросхема типа AD7898AR-3. Ее характеристики:

12-битный АЦП с последовательным выходом;

напряжение питания Uп = 5В;

8 контактов;

высокоскоростной последовательный интерфейс;

низкая потребляемая мощность: максимум 22,5 мВатт;

предел входного напряжения +-2,5В;

температура использования -40…+85 °C.

Микросхема AD7898AR-3 отличается высокой скоростью и гибкостью, а также низкой потребляемой мощностью.

1.3.3 Конвертер RS232 <-> USB

Функция микросхем для организации обмена данными заключается в преобразовании сигнала для передачи его по линии связи и последующего приема. Микросхемы этого класса являются связывающим звеном между различными устройствами, каждое из которых имеет собственный процессор.

Обмен может быть организован с использованием параллельной или последовательной передачи данных. Параллельная передача осуществляется обычно со значительно более высокой скоростью, так как данные передаются по нескольким (обычно восьми или шестнадцати) линиям. Последовательная передача данных ведется всего лишь по трем или двум линиям. Поэтому последовательная связь более медленная, но зато имеет более простую физическую организацию.

Конвертер RS232 <-> USB разработан на базе микросхемы FT232BM. Ее изготовитель - компания Future Technology Devices Intl Ltd (FTDI) - специализируется на производстве микросхем сопряжения микропроцессорных устройств с USB. FT232BM - это микросхема второго поколения популярного семейства «USB-UART».

По сравнению с предшествующим поколением (FT8U232AM) микросхемы этого типа имеют ряд преимуществ и дополнительных функций. FT232BM представляет собой преобразователь потока асинхронных последовательных данных с уровнями 3.3В/5В в поток данных USB. В режиме «Bit Bang» микросхема может использоваться для ввода/вывода цифровых логических сигналов без использования дополнительного микроконтроллера. Гибкая архитектура может найти применение в самых разнообразных решениях.

Микросхемы семейства FT232BM - это идеальное решение для модернизации устройств с интерфейса RS232 в USB. Этот кристалл значительно повышает уровень производительности традиционных устройств последовательной передачи данных.

Основные характеристики микросхемы:

выходной интерфейс совместим с логикой 3.3В и 5В;

скорость передачи до 1 Мбод;

потребляемый ток в рабочем режиме 25 мА;

UART предполагает 8 информационных битов, 1/2 стоповых бита;

совместимость с USB 1.1 и USB 2.0;

микросхема выполнена в 32-выводном корпусе;

температурный диапазон 0…+70 °C.

1.3.4 Флэш-память EEPROM

В разработке цифровых устройств как правило часто используется флэш-память, представляющая собой ППЗУ (EEPROM) - программируемое постоянное запоминающее устройство с многократным электрическим стиранием и перезаписью информации. EEPROM в настоящее время вытесняют с рынка многократно программируемые ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM), так как они значительно удобнее в использовании. Это определяется отсутствием необходимости длительного процесса предварительного стирания информации и возможностью побайтной произвольной записи в любую ячейку памяти. Запись информации в ППЗУ производится с помощью подачи определенных последовательностей электрических сигналов на выводы микросхемы.

Фирмами-производителями цифровых микросхем выпускается немало разнообразных ППЗУ. Микросхемы различаются объемом (от 32 байт до 8 Мбайт и более), разрядностью (обычно количество разрядов данных бывает 4, 8 или 16), способами управления (назначением управляющих сигналов), типами выходных каскадов (обычно ОК или ЗС), быстродействием (задержка может составлять от единиц до сотен наносекунд). Но принцип работы всех микросхем остается одинаковой для всех: имеется шина адреса, на которую нужно подавать код адреса нужной ячейки памяти, имеется шина данных, на которую выдается код, записанный в адресуемой ячейке, и имеются входы управления, которые разрешают или запрещают выдачу информации из адресуемой ячейки на шину данных.

Основные временные характеристики микросхем ППЗУ - задержка выборки адреса памяти (время от установки входного кода адреса до установки выходного кода данных) и задержка выборки микросхемы (время от установки активного разрешающего управляющего сигнала CS до установки выходного кода данных памяти). Задержка выборки микросхемы обычно в несколько раз меньше задержки выборки адреса.

Любые микросхемы ППЗУ легко можно включать так, чтобы уменьшать или увеличивать количество адресных разрядов, то есть уменьшать или увеличивать количество используемых ячеек памяти, что часто требуется при построении схем цифровых устройств.

Для управляющего модуля РЕТОМ-30КА выбрана микросхема AT25640AN-10SU-1.8, производителем которой является фирма «ATMEL Corporation». Микросхема данного типа совместима с последовательным периферийным интерфейсом SPI, что необходимо для нашей разработки. Ниже приведены основные характеристики AT25640AN:

64 К (8192 слов x 8 бит);

32-byte Page Mode (страничный режим);

напряжение питания 2.7В (VCC = 2.7V to 5.5V);

синхронизированный цикл записи 2 мс [5В];

8 контактов;

высокий уровень надежности;

выносливость - 1 миллион циклов записи;

сохранение информации - 100 лет;

температурный диапазон -40…+125 °C.

Микросхема AT25640A оптимальна для использования во многих разработках, где требуется низкое потребление мощности и напряжения.

Данная флэш-память характеризуется высокой емкостью, малым потреблением и большим допустимым количеством циклов перезаписи.

1.3.5 Мультиплексор

Микросхемы аналоговых мультиплексоров имеют обычно один вход и несколько выходов или наоборот. Микросхемы позволяют использовать передачу сигналов в обоих направлениях. Основные комбинации: 8 входов - 1 выход, два канала 4 входа - 1 выход, 16 входов - 1 выход, два канала 8 входов - 1 выход. Микросхемы мультиплексоров обычно имеют защиту аналоговых цепей от перегрузок в виде ограничительных диодов.

Аналоговый мультиплексор реализован микросхемой типа ADG408BR. Ее основные характеристики:

8 входных каналов, 1 выходной канал;

входное сопротивление 100 Ом;

16 контактов;

температурный диапазон -40…+85 °C.

Достоинства этой микросхемы: низкая рассеивающая мощность, низкий уровень входного сопротивления, быстрое переключение.

1.3.6 Дешифратор

Микросхемы дешифраторов различаются входами управления (разрешения/запрета выходных сигналов), а также типом выхода (2С или ОК). Выходные сигналы всех дешифраторов имеют отрицательную полярность. Входы, на которые поступает входной код, часто называют адресными входами.

Для реализации дешифратора в схеме защиты от одновременного включения реле выбрана микросхемы типа 74HCT138D (производитель - компания Philips Semiconductors), которые имеют 3 разряда входного кода и 8 выходов.

1.3.7 Развязка

Довольно часто для защиты устройств используется гальваническая развязка между устройствами и линией связи. В этом случае обычно используется трансформаторный источник вторичного питания для гальванически развязанного блока и оптронные пары для развязки сигнальных цепей. В целом такой блок становится достаточно сложным и требует большого числа дискретных компонентов. Для упрощения построения гальванически развязанного блока целесообразно воспользоваться интегральными микросхемами, в которых уже объединены все составляющие части. Исходя из технического задания на разрабатываемое устройство, выбираем микросхему типа ADUM1402CRW.

Основные характеристики данной микросхемы:

4 канала: 2 прямых канала, 2 обратных;

максимальная скорость передачи информации 100 Мбит/с;

максимальная задержка 32 нс;

изоляция 2.5 кВ;

напряжение питания Uп = 2.7…5.5 В;

ток питания Iмакс = 124 мА;

16 контактов;

температурный диапазон -40…+100 °C.

1.4 Выводы по главе

В теоретической части дипломного проекта рассмотрено измерительное устройство для проверки автоматических выключателей РЕТОМ-30КА, для которого необходимо разработать управляющий модуль: описана структурная схема устройства, рассмотрены его функции и возможности.

Проведен обзор российских и зарубежных аналогов устройства и сравнительный анализ их характеристик. К достоинствам РЕТОМ-30КА можно отнести величину генерируемого тока, контроль наличия апериодической составляющей, синусоидальность подаваемого тока, точность измерений.

Произведен анализ и выбор элементной базы, от которого зависит эффективность, надежность разработки устройства и затраты на его производство. После оценки различных факторов и характеристик были выбраны наиболее подходящие для нашей разработки элементы и, в частности, микроконтроллер типа LPC2148, который является идеальным по быстродействию, вычислительным возможностям и соотношению цена/качество.

2. Структурная схема управляющего модуля

2.1 Состав и назначение блоков структурной схемы

Рассмотрим управляющий модуль регулировочного блока, с помощью которого происходит включение и отключение силовой схемы, измерение параметров и их индикация.

Структурная схема управляющего модуля показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема управляющего модуля

Управляющий модуль устройства РЕТОМ-30КА содержит: микроконтроллер, два релейных коммутатора, мультиплексор, три модуля АЦП, схему защиты от одновременного включения реле, два регистра управления диапазонами, регистр управления схемой защиты, регистр управления клавиатурой, запоминающее устройство EEPROM, буфер, дисплей и несколько блоков, обеспечивающих гальваническую развязку.

С выходов измерителя сигналы поступают на мультиплексор. Мультиплексор выбирает диапазон измерения для точного измерения тока на нижних пределах.

Релейный коммутатор предназначен для выбора одного из источников измеряемого сигнала.

Для предотвращения одновременного включения реле служит схема защиты от одновременного включения реле.

Преобразование поступивших в измерительный канал аналоговых сигналов в цифровые происходит в модуле АЦП.

Гальваничекая развязка необходима для того, чтобы обеспечить отсутствие замкнутой электрической связи между компонентами схемы.

Микроконтроллер осуществляет измерение действующих значений входных сигналов и вывод информации на дисплей, производит управление включением и отключением силовой схемы.

Через регистр управления клавиатурой микроконтроллер осуществляет обслуживание клавиатуры.

Имеется регистр управления диапазонами для нормировки измерений, проведенных в разных диапазонах.

Буфер необходим для преобразования уровня выходного напряжения.

Дисплей представляет собой двустрочный семисегментный индикатор. Индикатор может работать в двух режимах:

1) в режиме измерения;

2) в режиме работы с меню.

В режиме измерения на экране индикатора можно одновременно отобразить только два из измеренных параметров.

В запоминающем устройстве EEPROM хранятся коэффициенты для масштабирования входных сигналов, а также различная служебная информация.

Управление, калибровка, перепрошивка устройства выполняются средствами персонального компьютера. С их помощью также можно составить протокол по снятым характеристикам.

Для подключения к персональному компьютеру используется интерфейс USB. Для преобразования потока асинхронных последовательных данных в поток данных USB предусмотрен конвертер RS232 <-> USB.

2.2 Выводы по главе

Структурная схема дает представления о структуре устройства и назначении его составных компонентов. На основе структурной схемы управляющего модуля будет построена его функциональная схема.

3. Функциональная схема управляющего модуля

3.1 Разработка функциональной схемы

Функциональная схема представлена в приложении А.

Управляющий модуль устройства РЕТОМ-30КА состоит из следующих функциональных узлов: микроконтроллер, релейный коммутатор, мультиплексор, модуль АЦП, схема защиты от одновременного включения реле, регистр управления диапазонами, регистр управления схемой защиты, регистр управления клавиатурой, запоминающее устройство, буфер, дисплей и гальваническая развязка.

Модуль АЦП применяется для сопряжения цифровых устройств с внешними аналоговыми сигналами.

Аналоговый сигнал сначала проходит через прецизионный операционный усилитель, а затем поступает на микросхему АЦП AD7898AR-3. Кроме того, модуль АЦП содержит следующие составляющие: источник опорного напряжения (микросхема типа REF192GS), компаратор общего назначения (микросхема типа LM311M), батарея (микросхема типа MAX660CSA), преобразователь напряжения (микросхема типа AM1P-0505SH30).

С выхода АЦП сигнал поступает на микросхему ADUM1402BRW, реализующую гальваническую развязку между модулем АЦП и микроконтроллером.

Схема защиты от одновременного включения реле включает в себя две микросхемы 74HC138D, которые являются демультиплексорами, и две микросхемы 74HC14D, представляющие собой инвертирующий триггер Шмидта. Инвертирующий триггер Шмидта усиливает сигнал и увеличивает помехозащищенность. Демультиплексор применяется для перекоммутации одного входного сигнала на несколько выходов, то есть для разделения входных сигналов, приходящих в разные моменты времени, на одну входную линию.

Конвертер RS232 <-> USB предусмотрен для подключения к персональному компьютеру. Блок построен на основе микросхемы FT232BM, которая преобразует поток асинхронных последовательных данных с уровнями 3.3В/5В в поток данных USB.

Микроконтроллером аппаратно поддерживаются интерфейсы SPI, I²C.

I²C - двунаправленная асинхронная шина с последовательной передачей данных и возможностью адресации до 128 устройств. Физически шина содержит две сигнальные линии, одна из которых SCL предназначена для передачи тактового сигнала, вторая SDA для обмена данными. Можно отметить малое количество соединительных линий, высокая скорость обмена, простота аппаратной реализации линии связи.

Взаимодействие микроконтроллера с компонентами управляющего модуля осуществляется через интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) - трехпроводный синхронный с раздельными линиями входных и выходных данных. Он применяется для связи микроконтроллеров с периферийными микросхемами и микросхемами памяти. По сравнению с I²C интерфейс SPI обеспечивает более высокую скорость передачи данных, частота синхронизации может достигать 5 МГц (это зависит от подключаемых устройств). При этом на каждый такт синхронизации одновременно может и передаваться, и приниматься очередной бит данных. В основном варианте использования предполагается, что интерфейс соединяет одно ведущее устройство с одним или несколькими ведомыми устройствами.

В интерфейсе используются 3 обязательных сигнала:

SCK (Serial Clock) - синхросигнал, которым ведущее устройство стробирует каждый бит данных;

MOSI (Master Output Slave Input) - выходные данные ведущего устройства и входные данные ведомого устройства;

MISO (Master Input Slave Output) - входные данные ведущего устройства и выходные данные ведомого устройства.

Кроме того, может использоваться сигнал выбора ведомого устройства SS# (Slave Select, или CS# - Chip Select): ведомое устройство должно реагировать на сигналы интерфейса и генерировать выходные данные на линии MISO только при низком уровне этого сигнала; при высоком уровне выход MISO должен переводиться в высокоимпедансное состояние.

С помощью сигналов SS#, раздельно формируемых ведущим устройством для каждого из ведомых устройств, ведущее устройство может выбирать партнером в транзакции одно из ведомых. При этом получается гибридная топология соединений: по сигналам SCK, MOSI и MISO - топология шинная, по SS# - звездообразная (центр - ведущее устройство).

3.2 Выводы по главе

На основе структурной схемы управляющего модуля разработана функциональная схема. В ней более подробно описаны следующие блоки: модуль АЦП, схема защиты от одновременного включения реле, USB-конвертер и гальваническая развязка. Описан интерфейс SPI, через который происходит взаимодействие микроконтроллера с другими блоками управляющего модуля.