基于AVR微控制器的电力机车智能辅保系统的实现

电气机车辅助系统中有劈相机、空气压缩机、通风机及制动风机等各种类型的电机。运行中为了防止出现短路、过流等异常情况而烧毁电机，通常配置辅助保护系统，起到及时监测电机故障并加以处理的作用。目前电力机车上安装的辅保系统都是模拟电路装置，系统硬件复杂，又不方便司机使用和维修。因此，设计一种实时性高、性能可靠的智能辅保系统替代原有的模拟电路装置势在必行。本文将介绍笔者开发的用于韶山型电力机车的智能辅助保护系统的设计及实现。

1 系统的主要功能与设计思想

1.1 系统的主要功能

(1)辅机保护功能，即在机车运行过程中，对辅助系统内的各电机出现的短路故障能及时给出故障状态显示，在规定的持续时间内，故障若不消失，对该电机能够实现二次保护控制。

(2)机车辅助系统内的各电机若出现了过流或单相故障，能及时给出相应故障状态显示。在规定的过流或单相故障持续时间内，检测其故障是否消失，如果故障一直未消失消失，对该电机进行一次保护控制。

(3)在对电机一次保护后的规定时间内，若电机故障仍然未消除，则立即控制主接触器断开，实现对该电机的二次保护控制。

(4)辅助系统的劈相电

机出现启动电阻甩不开的故障时，能够控制主接触器断开，以实现对该电机的二次保护。

(5)在启动辅助系统各电机之前，能够进行检查系统状态显示、输出控制等功能的实验，确保系统硬件电路安全性及可靠性。

(6)对辅助系统各电机进行实时故障检测的各故障持续的延时时间可以根据实际情况进行相应调整，但不影响系统功能。

1.2 系统的设计思想

以高档微控制器为核心构成智能化辅保系统，符合电力机车发展的方向，既可充分发挥软件的功能，又能简化硬件构成，无论在功能上还是在可靠性及安全性上，都可完全替代目前广泛使用的模拟电路辅保装置。

1.2.1 系统的微控制器芯片AT90S8535

美国ATMEL公司推出的90系列单片机是增强RISC内载Flash的高性能八位单片机，通称为AVR单片要同[1～2]，设计上采用低功耗CMOS技术，而且在软件上有效支持C高级(用IAR系统的ICC90C编译器编译)及汇编语言(用AVR汇编器编译)。

其中，AT90S8535是功能较强的一种型号，它有40引脚PDIP和44引脚PLCC、TQFP等多种封装形式，具有以下主要特征：

(1)其片内带有一个8通道的A/D转换器及一个模拟比较器。

(2)两个带预分频及比较模式的8位定时器/计数器T/C0、T/C1;一个16位的带预分频及比较模式、捕获模式及双工8位、9位或10位的PWM输出的定时器/计数器T/C1;而且定时器/计数器T/C2可作为带单独晶振的RTC使用。

(3)32条通用I/O线及32个通用8位寄存器R0～R31，64个I/O专用寄存器。

(4)片内有8K字节可下载的Flash存储器，程序下载采用其SPI串行接口，使用寿命为1000次。

(5)有512字节的EEPROM(使用寿命为10万次)及512字节的内部SRAM。

(6)带片内晶振器的可编程看门狗定时器;并有三种可通过软件选择的电源节电模式;闲置模式、掉电模式及省电模式。

(7)供电电压Vcc为4.0～6.0V，可以全静态工作，范围为0～8MHz;具有118条功能强大的指令，大多数执行时间为单时钟周期，指令周期最短仅为125ns。

(8)提供16种不同的内、外中断源(其中有两个外部中断源)。

(9)可编程的全双工串行通信接口UART及同步串行接口SPI。

以AT90S8535嵌入式高效微控制器构成智能化辅保系统的主控制电路，无需外扩多通道A/D转换器及程序存储器、数据存储器，大大简化了系统的硬件。尤其是其内部又有硬件看门狗电路及相应的看门狗指令控制，提高了系统的可靠性及安全性，选型相对以往的AT89系列单片机，在性能上要强得多，而且开发手段更为方便。

1.2.2 AT90S8535的ADC的主要特性和工作原理

AT90S8535的优越性在于其片内有一个8通道的10位ADC，ADC与一个模拟多路转换器相连，还包含一个采样保持器。该器件的A口的每一引脚(PA0～PA7)均可作为ADC的模拟输入端，A口不用作模式输入的个别引脚又可作为数字输入使用。

ADC有两个单独的模拟供电引脚AVCC和AGND。使用时，AGND和GND必须相连，AVCC和Vcc的电压必须保持±0.3V的不同，并通过RC网络相连。外部参考基准电压通过AREF引脚加入。

ADC通过内部预分频器ADCPS保证将系统时钟频率转化为50～200kHz之间的ADC可接受牟时钟频率。ADC一般至少需要13个时钟周期完成一次转换，因此转换时间范围为65～260μs。ADC为用户提供了内部中断方式的处理，可以满足实时性的要求。每次转换完成时，ADC转换器完成中断就可以被激活。

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ADC还有一个噪音清除器，通过正确的使用，确保在闲置模式转换过程中减少包括从CPU核中出来的噪音。

ADC被使能后，可以选择单一转换和自由运行两种模式之一工作。要单一转换模式下，每次转换由用户触发;在自由运行模式下，ADC连续取样，并更新ADC的数据寄存器。建议用户使用单一转换模式。ADC产生的10位结果保存在数据寄存器ADCL和ADCH中，其内部特殊数据保护逻辑要求读取数据时，先读ADCL，后读ADCH。

1.3 系统监测对象

本系统完成监测对象主要有：(1)劈相机三相信号;(2)通风机电机三相信号;(3)制动风机电相三相信号;(4)各种电机接触器信号。系统通过输入电路完成对这些信号的调理，向系统主控制电路提供6模拟量输入及5路数字开关量输入，还提供5路条件标志。

经实验可知，当检测到各路电机对应的模拟量输入电压在0.69V～4.5V之间时，可认为电机发生了过流故障，而且规定的过流故障持续的时间随输入电压范围不同又分为多个不同区段，软件应保证按不同的时间区段对电机进行一次保护;输入电压若在4.5V以上，可以为电机发生了短路故障，在0.5秒的持续时间内，故障一直未消除，则对电机立即实施二次保护控制，防止电机实施二次保护控制，防止电机被烧毁;5路数字开关量通道的某路输入出现高电平时，则认为该路电机发生了单相故障，在3秒故障持续时间内故障一直不消失，对电机实施一次保护控制。无论单相还是过流故障，在对电机一次保护后的0.5秒持续时间内故障仍未消除，则实施二次保护控制。通过上述手段，能起到监测电力机车辅助系统中的各电机是否正常工作、当出现故障时及时发现并对电机加以保护的作用。

2 系统的硬件和软件设计

2.1 系统的硬件设计

系统主要由输入调理电路、控制输出部分及显示电路、系统主控制电路组成。输入信号的调理电路为系统主电路提供多路模拟量及数字开关量输入通道，设计中主要考虑了信号与现场的隔离和抗干扰。输出电路完成对各电机接触器及主接触器的控制，即能对出现故障的电机实现一次保护或二次保护，并提供各通道电机故障的显示，确保电机的安全。

图1给出了系统的主电路组成图。图中所示的各路信号分别表示输出通道、故障显示通道、开关数字量输入通道及条件标志输入通道。

2.2 系统的软件设计

系统软件采取模块化结构，系统各任务模块在功能上应尽量保持独立。将各任务模块放在时钟中断服务程序中执行，就可将系统各监测任务所需的各不相同的众多故障持续延时时间转化为执行频率。

2.2.1 数据采集程序的设计

以通道0为例，系统利用其片内10位ADC进行模拟量采集的软件初化程序段如下：

.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 ;初始化堆栈指针

ldi count,3 ;设置采集点数

clr flag ;清采集标志

ldi ZL,$65

clr ZH ;设置外部SRAM数据缓区首址为$0065H

ldi result,$8d

out ADCSR,result ;设置ADEN=1,ADSC=0,ADFR=0,ADIF=0,ADIE=0

;设置ADPS2=1，ADPS=0，ADPS0=0

;使ADC预分频器选择分频系数为16，设置ADC时钟频率为115kHz

sbi ADCSR,ADIE ;ADC中断使能

ldi temp,$00 ;选择PA0(模拟通道1)

out ADMUX,temp

sbi ADCSR,ADSC ;启动ADC转换

中断采集程序段如下：

ACONVERT：in ac_temp,SREG ;临时保存状态寄存器

in BL,ADCL

in BH,ADCH

andi BH,$03

st Z+,BL ;保存到数据缓冲区

st Z+,BH

dec cout ;采集点数到否?

breq ADC_a

sbi ADCSR,ADSC ;启动下一次A/D转换

rjmp XX

ADC_a: ldi flag,$aa ;置采集结束标志

XX：out SREG,ac_temp ;恢复状态寄存器

Reti

对A/D通道采集的模拟量数据采用防脉冲干扰的中值滤波法。

2.2.2 系统软件的总体设计及实现

为了确保系统的实时性，系统的监测扫描时间片设为100ms。在SRA岖设置标志及内部软件计时器单元，通过设定各路计时单元及计时启动/结束标志，来解决出现短路、过流及单相故障的电机所需的各不同故障持续延时时间，对电机在不同过流范围区段的不同故障持续延时时间也可正确区分并记录。这样系统就不会因某一任务的延时而影响对系统其它任务的检测，实现了对各路电机监测的实时多任务处理。另外注意，对于与执行频率无关的模块则可放在主程序中执行。

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图2、图3给出了T/C1定时中断服务程序模式及主程序模块的流程框图。

该智能辅保系统样机经过现场调试，目前已投入运营。实践证明，系统稳定可靠，效果良好。