CN103529284A - 一种基于cpld具备主从式多机通信功能的过流检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气系统及设备的过流保护，尤其适用于大型实验系统过流保护的网络化管理，具体涉及一种基于CPLD-复杂可编程逻辑器件的具备主从式多机通信功能的过流检测器。本发明一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，规定通信方式和通信协议，采用CPLD-复杂可编程逻辑器件设计通信电路，包括数模转换器、模拟比较器、电流传感器、压频转换器、光纤接收器、光纤发送器等器件实现数据通信、过流检测、报警和保护值实时监测；可用于组建主从式多机通信系统，过流检测器数量可扩展至255个，适宜于大型实验系统过流保护的网络化管理；采用压频转换技术，可将当前保护设定值返回监控系统实时监测。

Description

一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器

技术领域

本发明涉及电气系统及设备的过流保护，尤其适用于大型实验系统过流保护的网络化管理，具体涉及到一种基于CPLD-复杂可编程逻辑器件的具备主从式多机通信功能的过流检测器。

背景技术

流经供电设备或用电设备回路的电流超出其可承受的最大值时，会对设备造成损坏，以致造成系统不能正常工作。因此，过流检测和保护是确保系统安全运行的重要环节。目前，大多数过流检测电路只是针对具体设备而设计，既不具备远程可监控性，也不具备组网能力，无法满足基于网络化管理的大型实验系统保护的需要。

大型实验系统通常存在多回路、多供电/用电设备，一方面过流检测点多，另一方面，需要根据不同设备的工作特性设定或调整过流保护值；另外，大型实验系统通常存在高电压、大电流场合，运行期间不允许工作人员现场操作。

主从式多机通信系统是工业测控领域广泛应用的网络模式，通常以PC机作为主机，采用具备串行通信功能的单片机作为从机分布于现场。但是，对于高可靠性能要求的系统保护而言，采用单片机作为过流检测器的核心器件显然不适宜。由于单片机运行软件过程中存在的固有缺陷，在电磁干扰严重的环境中死机或程序跑飞可能性大大增加。即使其有能力察觉死机，但通过复位方式从非法运行方式中恢复过来，耗时将长达数十毫秒，这对于高可靠性能要求的系统保护是无法容忍的。因此，亟需一种相对独立、扩展灵活、易于组网的过流检测器，以促进基于网络化管理的大型实验系统保护。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以克服传统过流检测电路不具备组网能力和远程可监控性的缺陷，同时提高检测器的可靠性的基于复杂可编程逻辑器件CPLD、具备主从式多机通信功能的过流检测器。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，规定通信方式和通信协议，采用CPLD-复杂可编程逻辑器件设计通信电路，包括数模转换器、模拟比较器、电流传感器、压频转换器、光纤接收器、光纤发送器等器件实现数据通信、过流检测、报警和保护值实时监测；

主机与过流检测器构成主从式多机通信网络，其中，主机发出起始帧→地址帧→数据帧构成的数据块；光纤收发箱用于主机与过流检测器的通信桥接，数据块通过光纤收发箱群发；从机即过流检测器在收到起始帧后将随后发来的地址帧与本机地址比较，地址相符者即为目标从机；目标从机回送本机地址给主机，非目标从机继续等待起始帧；目标从机将发来的数据帧锁存并处理，同时将数据帧回送给主机；对于目标从机，经过字符帧识别后将收到的数据帧作为过流保护值锁存并输出；

过流保护值来自CPLD，数模转换器将CPLD送出的过流保护值数字量转换为模拟量，经调理电路转换为与过流保护值对应的电压信号，该信号一路与模拟比较器的同相输入端相连作为比较器参考值，另一路与压频转换器相连，经压频转换后通过光纤发送器送给监测系统实时监测过流保护值；

实测电流信号来自电流传感器，电流传感器输出的信号经调理电路后转换为与电流对应的电压信号，电压信号送到模拟比较器反相输入端与同相输入端的比较器参考值比较，当反相输入端的电压信号大于同相输入端的比较参考值时，判定实测电流值大于过流保护值，模拟比较器输出低电平，控制光纤发送器送出报警信号给保护执行机构和监测系统。

如上所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，通信方式采用RS232异步串行通信模式，具体为：1个起始位、8个数据位和1个停止位，波特率为9600。

如上所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，通信协议为：主机每次发送的信息按起始帧→地址帧→数据帧顺序发送，其中，起始帧固定为00H，地址帧和数据帧内容为01H—FFH。

如上所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，采用硬件描述语言VerilogHDL设计串行通信功能模块，以有限状态机形式进行位识别、位收/发和帧识别功能，并在CPLD中生成实际的串行通信电路。

如上所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，CPLD通信端口采用2线串行通信线，通信线与一对光纤收发器联系，通过光纤与远地主机进行数据交换；CPLD的8位并行输入端口与一个8位地址分配器相连接，用于获取地址分配器设定的本机地址；CPLD的8位数据输出端口与外部的8位数模转换器相连；CPLD的时钟和复位专用引脚分别与外部有源晶振和复位电路相连，时钟来自外部25MHz有源晶振，复位信号来自外部RC充电电路。

如上所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，电流传感器采用霍尔传感器。

本发明可用于组建主从式多机通信系统，适宜于大型实验系统过流保护的网络化管理；采用V/F转换技术，可将当前保护设定值返回监控系统实时监测。由于CPLD逻辑资源丰富，同时具备片上可重复编程能力，以往采用多块芯片的电路设计现在可以在一块可编程逻辑器件中实现，增强了设计的灵活性和系统的可靠性，减小了电路板的尺寸；另外，CPLD中生成的用于通信的状态机系统由纯硬件电路构成，其运行不依赖软件指令的逐条执行，不存在CPU运行软件中的固有缺陷；状态机的设计中采用容错技术，即使进入非法状态，从中跳出进入正常状态所耗时间十分短暂，通常只有2—3个时钟周期，约数十纳秒，尚不足以对系统运行造成危害。

目前，过流检测器已经用于HL-2A受控核聚变装置电子回旋加热系统保护中。应用结果表明，过流检测器性能稳定，操作灵活、易于扩展，进一步提高了加热系统的网络化水平。

附图说明

图1为过流检测器主从式多机通信网络示意图；

图2为过流检测器原理图。

图中：1-主机，2-光纤收发器，3-过流检测器，4-CPLD，5-数模转换器，6-光纤接收器，7-光纤发送器，8-电流传感器，9-地址分配器，10-调理电路，11-复位，12-时钟，13-压频转换器，14-模拟比较器，15-8位右移寄存器，16-字符帧识别，17-保护执行机构，18-监测系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明。

一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，其特征在于：规定通信方式和通信协议，采用CPLD设计通信电路，包括数模转换器、模拟比较器、电流传感器、压频转换器、光纤接收器、光纤发送器等器件实现过流检测、报警和保护值实时监测；

如图1所示，主机与过流检测器构成主从式多机通信网络，其中，主机发出起始帧→地址帧→数据帧构成的数据块；光纤收发箱用于主机与过流检测器的通信桥接，数据块通过光纤收发箱群发；从机即过流检测器在收到起始帧后将随后发来的地址帧与本机地址比较，地址相符者即为目标从机；目标从机回送本机地址给主机，非目标从机继续等待起始帧；目标从机将发来的数据帧锁存并处理，同时将数据帧回送给主机；对于目标从机，经过字符帧识别后将收到的数据帧作为过流保护值锁存并输出；

如图2所示，过流保护电流信号来自CPLD，数模转换器将CPLD送出的过流保护值数字量转换为模拟量，经调理电路转换为与过流保护值对应的电压信号，该信号一路与模拟比较器的同相输入端相连作为比较器参考值，另一路与压频转换器相连，经压频转换后通过光纤发送器送给监测系统实时监测过流保护值；

实测电流信号来自霍尔传感器，霍尔传感器输出的电流信号经调理电路后转换为与电流对应的电压信号，电压信号送到模拟比较器反相输入端与同相输入端的比较器参考值比较，当反相输入端的电压信号大于同相输入端的比较参考值时，判定实测电流值大于过流保护值，模拟比较器输出低电平，控制光纤发送器送出报警信号。

进一步的，如上所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，通信方式采用RS232异步串行通信模式，具体为：1个起始位、8个数据位和1个停止位，波特率为9600。通信协议为：主机每次发送的信息按起始帧→地址帧→数据帧顺序发送，其中，起始帧固定为00H，地址帧和数据帧内容为01H—FFH。采用硬件描述语言VerilogHDL设计串行通信功能模块，以有限状态机形式进行位识别、位收/发和帧识别功能，并在CPLD中生成实际的串行通信电路。CPLD通信端口采用2线串行通信线，通信线与一对光纤收发器联系，通过光纤与远地主机进行数据交换；CPLD的8位并行输入端口与一个8位拨码开关相连接，用于获取拨码开关设定的本机地址；CPLD的8位数据输出端口与外部的8位数模转换器相连；CPLD的时钟和复位专用引脚分别与外部有源晶振和复位电路相连。CPLD的时钟来自外部25MHz有源晶振，复位信号自外部RC电路构成的复位电路。

图2为过流检测器的原理示意图以及CPLD内部通信模块示意图。其中，CPLD型号为Altera公司MAX3000A系列的EPM3128ATC100-10，D/A数模转换器型号为0832，压频转换芯片型号为AD650，模拟比较器型号为LM311，光纤接收器和发送器型号分别为HFBR-1414和HFBR-2414，电流传感器采用霍尔传感器，地址分配器采用8位拨码开关，调理电路由运放OP27和电阻电容构成。另外，CPLD的时钟来自外部25MHz有源晶振，复位信号来自外部RC充电电路。

CPLD内部生成的通信电路按功能分为接收模块和发送模块两部分，通信过程以有限状态机形式来完成，具体为：空闲状态→起始位状态→移位状态→停止位状态。上电后接收模块和发送模块在时钟控制下采样CPLD的复位端，如果为低电平，将状态变量初始化为起始位状态，同时，接收模块还需要获取本机地址、输出过流保护初值，而发送模块则置通信数据发送线为高电平；当复位端为高电平后，接收模块和发送模块转到空闲状态。

接收模块和发送模块之间通过一对握手信号联络，当目标从机的接收模块接收完地址或数据桢后向发送模块发出启动命令，发送模块收到启动命令后将地址帧或数据帧放入移位寄存器并对接收模块作出应答。接收模块在空闲状态捕捉通信数据接收线上的电平变化，如果出现下降沿，接收模块转到起位状态；在起始位状态接收模块对通信数据接收线进行多次采样，如果均为低电平，则确认起始位到，然后转到移位状态，否则转到空闲状态；在移位状态，接收模块将通信数据接收线上的数据位依次移入8移位寄存器中，移入8个数据位后转到停止位状态；在停止位状态，接收模块进行起始帧、地址帧或数据帧识别，其中，地址相符者接收模块发送启动命令给发送模块，然后回到空闲状态。

如上所述，发送模块在空闲状态等待接收模块的启动命令，如果收到启动命令，发送模块将接收模块送来的数据放入8移位寄存器，然后发出应答命令并转到起始位状态；在起始位状态，发送一个低电平的起始位，然后转到移位状态；在移位状态下，发送模块将移位寄存器中的数据位依次移到通信数据发送线线上，移8次后转到停止位状态；在停止位状态，发送一个高电平的停止位到通信数据发送线上，然后回到空闲状态将通信数据发送线置为高电平。

以上所有的状态转换以及状态中执行的动作均在25MHz同步时钟节拍下进行，9600收发波特率通过计数器分频实现，作为状态转换的条件以及位收发的波特率。

对于目标从机，经过字符帧识别后将收到的数据帧作为过流保护值锁存并输出，由数模转换器将数字量转为模拟量，经后级调理电路送给模拟比较器作为比较参考值，同时，该参考值由压频转换器进行压频转换，通过光纤发送器送给监测系统实时监测过流保护值。霍尔传感器的实测电流信号经调理电路转为电压信号后，与模拟比较器的参考值比较，当实测电流值大于过流保护值时，比较器控制光纤发送器送出报警信号给保护执行机构和监测系统。

Claims (6)

1.一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，其特征在于：规定通信方式和通信协议，采用CPLD-复杂可编程逻辑器件设计通信电路，包括数模转换器、模拟比较器、电流传感器、压频转换器、光纤接收器、光纤发送器等器件实现数据通信、过流检测、报警和保护值实时监测；

主机与过流检测器构成主从式多机通信网络，其中，主机发出起始帧→地址帧→数据帧构成的数据块；光纤收发箱用于主机与过流检测器的通信桥接，数据块通过光纤收发箱群发；从机即过流检测器在收到起始帧后将随后发来的地址帧与本机地址比较，地址相符者即为目标从机；目标从机回送本机地址给主机，非目标从机继续等待起始帧；目标从机将发来的数据帧锁存并处理，同时将数据帧回送给主机；对于目标从机，经过字符帧识别后将收到的数据帧作为过流保护值锁存并输出；

过流保护值来自CPLD，数模转换器将CPLD送出的过流保护值数字量转换为模拟量，经调理电路转换为与过流保护值对应的电压信号，该信号一路与模拟比较器的同相输入端相连作为比较器参考值，另一路与压频转换器相连，经压频转换后通过光纤发送器送给监测系统实时监测过流保护值；

实测电流信号来自电流传感器，电流传感器输出的信号经调理电路后转换为与电流对应的电压信号，电压信号送到模拟比较器反相输入端与同相输入端的比较器参考值比较，当反相输入端的电压信号大于同相输入端的比较参考值时，判定实测电流值大于过流保护值，模拟比较器输出低电平，控制光纤发送器送出报警信号给保护执行机构和监测系统。

2.如权利要求1所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，其特征在于：通信方式采用RS232异步串行通信模式，具体为：1个起始位、8个数据位和1个停止位，波特率为9600。

3.如权利要求1所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，其特征在于：通信协议为：主机每次发送的信息按起始帧→地址帧→数据帧顺序发送，其中，起始帧固定为00H，地址帧和数据帧内容为01H—FFH。

4.如权利要求1所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，其特征在于：采用硬件描述语言VerilogHDL设计串行通信功能模块，以有限状态机形式进行位识别、位收/发和帧识别功能，并在CPLD中生成实际的串行通信电路。

5.如权利要求1所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，其特征在于：CPLD通信端口采用2线串行通信线，通信线与一对光纤收发器联系，通过光纤与远地主机进行数据交换；CPLD的8位并行输入端口与一个8位地址分配器相连接，用于获取地址分配器设定的本机地址；CPLD的8位数据输出端口与外部的8位数模转换器相连；CPLD的时钟和复位专用引脚分别与外部有源晶振和复位电路相连，时钟来自外部25MHz有源晶振，复位信号来自外部RC充电电路。

6.如权利要求1所述的一种基于CPLD具备主从式多机通信功能的过流检测器，其特征在于：电流传感器采用霍尔传感器。

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