1 系統(tǒng)的主要功能與設(shè)計思想
1.1 系統(tǒng)的主要功能
?。?）輔機保護功能，即在機車運行過程中，對輔助系統(tǒng)內(nèi)的各電機出現(xiàn)的短路故障能及時給出故障狀態(tài)顯示，在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)，故障若不消失，對該電機能夠?qū)崿F(xiàn)二次保護控制。
?。?）機車輔助系統(tǒng)內(nèi)的各電機若出現(xiàn)了過流或單相故障，能及時給出相應(yīng)故障狀態(tài)顯示。在規(guī)定的過流或單相故障持續(xù)時間內(nèi)，檢測其故障是否消失，如果故障一直未消失消失，對該電機進行一次保護控制。
?。?）在對電機一次保護后的規(guī)定時間內(nèi)，若電機故障仍然未消除，則立即控制主接觸器斷開，實現(xiàn)對該電機的二次保護控制。
?。?）輔助系統(tǒng)的劈相電機出現(xiàn)啟動電阻甩不開的故障時，能夠控制主接觸器斷開，以實現(xiàn)對該電機的二次保護。
?。?）在啟動輔助系統(tǒng)各電機之前，能夠進行檢查系統(tǒng)狀態(tài)顯示、輸出控制等功能的實驗，確保系統(tǒng)硬件電路安全性及可靠性。
（6）對輔助系統(tǒng)各電機進行實時故障檢測的各故障持續(xù)的延時時間可以根據(jù)實際情況進行相應(yīng)調(diào)整，但不影響系統(tǒng)功能。
1.2 系統(tǒng)的設(shè)計思想
以高檔微控制器為核心構(gòu)成智能化輔保系統(tǒng)，符合電力機車發(fā)展的方向，既可充分發(fā)揮軟件的功能，又能簡化硬件構(gòu)成，無論在功能上還是在可靠性及安全性上，都可完全替代目前廣泛使用的模擬電路輔保裝置。
1.2.1 系統(tǒng)的微控制器芯片AT90S8535
美國ATMEL公司推出的90系列單片機是增強RISC內(nèi)載Flash的高性能八位單片機，通稱為AVR單片要同[1～2]，設(shè)計上采用低功耗CMOS技術(shù)，而且在軟件上有效支持C高級(用IAR系統(tǒng)的ICC90C編譯器編譯)及匯編語言（用AVR匯編器編譯）。
其中，AT90S8535是功能較強的一種型號，它有40引腳PDIP和44引腳PLCC、TQFP等多種封裝形式，具有以下主要特征：
（1）其片內(nèi)帶有一個8通道的A/D轉(zhuǎn)換器及一個模擬比較器。
（2）兩個帶預(yù)分頻及比較模式的8位定時器/計數(shù)器T/C0、T/C1；一個16位的帶預(yù)分頻及比較模式、捕獲模式及雙工8位、9位或10位的PWM輸出的定時器/計數(shù)器T/C1；而且定時器/計數(shù)器T/C2可作為帶單獨晶振的RTC使用。
?。?）32條通用I/O線及32個通用8位寄存器R0～R31，64個I/O專用寄存器。
?。?）片內(nèi)有8K字節(jié)可下載的Flash存儲器，程序下載采用其SPI串行接口，使用壽命為1000次。
（5）有512字節(jié)的EEPROM（使用壽命為10萬次）及512字節(jié)的內(nèi)部SRAM。
（6）帶片內(nèi)晶振器的可編程看門狗定時器；并有三種可通過軟件選擇的電源節(jié)電模式；閑置模式、掉電模式及省電模式。
?。?）供電電壓Vcc為4.0～6.0V，可以全靜態(tài)工作，范圍為0～8MHz；具有118條功能強大的指令，大多數(shù)執(zhí)行時間為單時鐘周期，指令周期最短僅為125ns。
?。?）提供16種不同的內(nèi)、外中斷源（其中有兩個外部中斷源）。
?。?）可編程的全雙工串行通信接口UART及同步串行接口SPI。
以AT90S8535嵌入式高效微控制器構(gòu)成智能化輔保系統(tǒng)的主控制電路，無需外擴多通道A/D轉(zhuǎn)換器及程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器，大大簡化了系統(tǒng)的硬件。尤其是其內(nèi)部又有硬件看門狗電路及相應(yīng)的看門狗指令控制，提高了系統(tǒng)的可靠性及安全性，選型相對以往的AT89系列單片機，在性能上要強得多，而且開發(fā)手段更為方便。
1.2.2 AT90S8535的ADC的主要特性和工作原理
AT90S8535的優(yōu)越性在于其片內(nèi)有一個8通道的10位ADC，ADC與一個模擬多路轉(zhuǎn)換器相連，還包含一個采樣保持器。該器件的A口的每一引腳（PA0～PA7）均可作為ADC的模擬輸入端，A口不用作模式輸入的個別引腳又可作為數(shù)字輸入使用。
ADC有兩個單獨的模擬供電引腳AVCC和AGND。使用時，AGND和GND必須相連，AVCC和Vcc的電壓必須保持±0.3V的不同，并通過RC網(wǎng)絡(luò)相連。外部參考基準電壓通過AREF引腳加入。
ADC通過內(nèi)部預(yù)分頻器ADCPS保證將系統(tǒng)時鐘頻率轉(zhuǎn)化為50～200kHz之間的ADC可接受牟時鐘頻率。ADC一般至少需要13個時鐘周期完成一次轉(zhuǎn)換，因此轉(zhuǎn)換時間范圍為65～260μs。ADC為用戶提供了內(nèi)部中斷方式的處理，可以滿足實時性的要求。每次轉(zhuǎn)換完成時，ADC轉(zhuǎn)換器完成中斷就可以被激活。
ADC還有一個噪音清除器，通過正確的使用，確保在閑置模式轉(zhuǎn)換過程中減少包括從CPU核中出來的噪音。
ADC被使能后，可以選擇單一轉(zhuǎn)換和自由運行兩種模式之一工作。要單一轉(zhuǎn)換模式下，每次轉(zhuǎn)換由用戶觸發(fā)；在自由運行模式下，ADC連續(xù)取樣，并更新ADC的數(shù)據(jù)寄存器。建議用戶使用單一轉(zhuǎn)換模式。ADC產(chǎn)生的10位結(jié)果保存在數(shù)據(jù)寄存器ADCL和ADCH中，其內(nèi)部特殊數(shù)據(jù)保護邏輯要求讀取數(shù)據(jù)時，先讀ADCL，后讀ADCH。
1.3 系統(tǒng)監(jiān)測對象
本系統(tǒng)完成監(jiān)測對象主要有：（1）劈相機三相信號；（2）通風(fēng)機電機三相信號；（3）制動風(fēng)機電相三相信號；（4）各種電機接觸器信號。系統(tǒng)通過輸入電路完成對這些信號的調(diào)理，向系統(tǒng)主控制電路提供6模擬量輸入及5路數(shù)字開關(guān)量輸入，還提供5路條件標志。
經(jīng)實驗可知，當檢測到各路電機對應(yīng)的模擬量輸入電壓在0.69V～4.5V之間時，可認為電機發(fā)生了過流故障，而且規(guī)定的過流故障持續(xù)的時間隨輸入電壓范圍不同又分為多個不同區(qū)段，軟件應(yīng)保證按不同的時間區(qū)段對電機進行一次保護；輸入電壓若在4.5V以上，可以為電機發(fā)生了短路故障，在0.5秒的持續(xù)時間內(nèi)，故障一直未消除，則對電機立即實施二次保護控制，防止電機實施二次保護控制，防止電機被燒毀；5路數(shù)字開關(guān)量通道的某路輸入出現(xiàn)高電平時，則認為該路電機發(fā)生了單相故障，在3秒故障持續(xù)時間內(nèi)故障一直不消失，對電機實施一次保護控制 。無論單相還是過流故障，在對電機一次保護后的0.5秒持續(xù)時間內(nèi)故障仍未消除，則實施二次保護控制。通過上述手段，能起到監(jiān)測電力機車輔助系統(tǒng)中的各電機是否正常工作、當出現(xiàn)故障時及時發(fā)現(xiàn)并對電機加以保護的作用。
2 系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
系統(tǒng)主要由輸入調(diào)理電路、控制輸出部分及顯示電路、系統(tǒng)主控制電路組成。輸入信號的調(diào)理電路為系統(tǒng)主電路提供多路模擬量及數(shù)字開關(guān)量輸入通道，設(shè)計中主要考慮了信號與現(xiàn)場的隔離和抗干擾。輸出電路完成對各電機接觸器及主接觸器的控制，即能對出現(xiàn)故障的電機實現(xiàn)一次保護或二次保護，并提供各通道電機故障的顯示，確保電機的安全。
圖1給出了系統(tǒng)的主電路組成圖。圖中所示的各路信號分別表示輸出通道、故障顯示通道、開關(guān)數(shù)字量輸入通道及條件標志輸入通道。
2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采取模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)各任務(wù)模塊在功能上應(yīng)盡量保持獨立。將各任務(wù)模塊放在時鐘中斷服務(wù)程序中執(zhí)行，就可將系統(tǒng)各監(jiān)測任務(wù)所需的各不相同的眾多故障持續(xù)延時時間轉(zhuǎn)化為執(zhí)行頻率。
2.2.1 數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計
以通道0為例，系統(tǒng)利用其片內(nèi)10位ADC進行模擬量采集的軟件初化程序段如下：
.include "8535def.ine"
.def count="r14"
.def flag="r15"
.def result="r16"
.def temp="r17"
.def ac_temp=r18
INIT:Idi AL,low(RAMEND)
Out SPL,AL
Idi AL,high(RAMEND)
out SPH,AL ；初始化堆棧指針
ldi count,3 ；設(shè)置采集點數(shù)
clr flag ；清采集標志
ldi ZL,$65
clr ZH ；設(shè)置外部SRAM數(shù)據(jù)緩區(qū)首址為$0065H
ldi result,$8d
out ADCSR,result ；設(shè)置ADEN=1,ADSC=0,ADFR=0,ADIF=0,ADIE=0
；設(shè)置ADPS2=1，ADPS=0，ADPS0=0
??；使ADC預(yù)分頻器選擇分頻系數(shù)為16，設(shè)置ADC時鐘頻率為115kHz
sbi ADCSR,ADIE ；ADC中斷使能
ldi temp,$00 ；選擇PA0（模擬通道1）
out ADMUX,temp
sbi ADCSR,ADSC ；啟動ADC轉(zhuǎn)換
中斷采集程序段如下：
ACONVERT：in ac_temp,SREG ;臨時保存狀態(tài)寄存器
in BL,ADCL
in BH,ADCH
andi BH,$03
st Z+,BL ；保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
st Z+,BH
dec cout ；采集點數(shù)到否？
breq ADC_a
sbi ADCSR,ADSC ；啟動下一次A/D轉(zhuǎn)換
rjmp XX
ADC_a: ldi flag,$aa ；置采集結(jié)束標志
XX：out SREG,ac_temp ；恢復(fù)狀態(tài)寄存器
Reti
對A/D通道采集的模擬量數(shù)據(jù)采用防脈沖干擾的中值濾波法。
2.2.2 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計及實現(xiàn)
為了確保系統(tǒng)的實時性，系統(tǒng)的監(jiān)測掃描時間片設(shè)為100ms。在SRA嶇設(shè)置標志及內(nèi)部軟件計時器單元，通過設(shè)定各路計時單元及計時啟動/結(jié)束標志，來解決出現(xiàn)短路、過流及單相故障的電機所需的各不同故障持續(xù)延時時間，對電機在不同過流范圍區(qū)段的不同故障持續(xù)延時時間也可正確區(qū)分并記錄。這樣系統(tǒng)就不會因某一任務(wù)的延時而影響對系統(tǒng)其它任務(wù)的檢測，實現(xiàn)了對各路電機監(jiān)測的實時多任務(wù)處理。另外注意，對于與執(zhí)行頻率無關(guān)的模塊則可放在主程序中執(zhí)行。
圖2、圖3給出了T/C1定時中斷服務(wù)程序模式及主程序模塊的流程框圖。
該智能輔保系統(tǒng)樣機經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，目前已投入運營。實踐證明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效果良好。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
