基于单片机的保护设备板卡测试台设计

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摘要：本文介绍了变电站保护装置调试台的功能、要求、设计方法及软件设计。并提出了基于单片机技术[1]开发的开入开出板的调试装置，在保护装置在生产过程当中的调试步骤，为保护装置大规模生产的可生产性、可靠性提供了技术保障。

关键词：单片机技术；变电站保护；软件设计

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 20-0000-02

1 引言

变电站综合自动化系统是适应变电站自动化技术的发展要求而推出的新一代微机保护，设备在出厂前必须经过详尽的调试检验。开发单板调试台系列可对即将出厂的装置中每一块板件进行完备的测试，保证了装置的可靠性，也提高了调试人员的整机调试效率。

电力保护装置[2]对于电力系统的安全稳定运行起到至关重要的作用，这就给电力保护装置自身的可靠性提出了更高的要求。在电力保护装置[3]生产过程中，针对保护产品的每一块板卡都要进行自动化的测试，以满足可靠性的要求。所以就必须开发一套有针对性的测试装备，满足高效率的测试要求。

2 板件设计概述

2.1 测试台功能及测试流程。微机保护装置具备模拟量采集、CPU处理单元、开入开出（I/O）板及背板组成，各个板件以插板方式以背板作为总线板，所有的插件都可以插入到背板上的哈丁（Harding）标准接口，组成保护装置。

本文依据开入开出板的技术特点，利用单片机技术，设计一款自动化的单板测试台，可自动对开入开出板进行测试，并通过将测试结果通过串口通讯，记录在计算机里。

为了测试台的最大使用原则，测试台设定了多路的输入输出回路。开始测试时需要先根据被测板的类型进行接线，并将被测板插装到测试的标准哈丁接口上。后台计算机根据被测板的类型，设定测试的开入开出路的数量，对应的端口等，然后下发测试配置及启动命令，此时，测试板即根据配置进行自动测试，测试完成后，测试板将数据通过串口发送给计算机测试程序。计算机后台对数据进行分析后，得出测试结论。

2.2 测试台设计。一般情况下，开入开出板的作为电力设备现场断路器的控制及信号状态采集的功能，对于可靠性要求很高，所以针对开入开出板的测试，需要有严格的测试。以下为针对开入开出板设计的调试台框图。

大调试台作为接线装置，可以将不同板件，按照配置来接线，以适应各类不同板件的测试要求。辅助机箱内部可以安装对应板件的测试板，及本文接下来要介绍的主要内容。后台程序安装在计算机中，通过串口和测试板连接。

2.3 计算机软件设计。计算机测试软件可根据板件的类型对测试板发送相对应的命令，测试板对被测的开入开出板进行测试，并将结果通过串口发送给计算机。

由计算机测试程序对测试结果进行判断，并形成测试报告保存在计算机中。

3 板件设计

该测试台具备测试电力保护装置开入开出板的功能要求。满足开入状态监测、开出接口控制的功能。并能通过串行接口和计算机连接，将测试数据发送出去。

3.1 开入回路设计。开入回路，内外部用光耦隔离。

图3 开入回路电路

其中D12和R38作限流用，D13作为防止反向接入信号，保护光耦器件。Z1可针对不同的外部开入信号，选择不同的器件，确保在某一个值以上开入回路导通。

根据继电保护装置的开入回路的要求，在该测试板中配置16路开入回路。

3.2 开出回路设计。开出回路使用继电器。

图4 开出回路电路

继电器控制端用光耦隔离。其中D16为继电器线圈保护二极管，防止线圈信号反向。XJ1可控制两个开出节点。

根据继电保护装置的开入回路的要求，在该测试板中配置16路开出回路。

3.3 通讯接口设计。采用RS232接口与计算机通讯[4]。RS232标准是美国电子工业联合会制定的一种串行通讯接口标准。适合于数据传输率在0-20000bps范围内的通讯，光放应用于计算机与终端或外设之间的近距离连接。常用的转换芯片是MAX232。

MAX232功能就是将控制器的TTL电平转换为RS232的通讯电平（5V-15V），使用十分方便。

3.4 单片机选择。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

开入开出回路的接口可以直接和单片机的IO口连接，单片机通过改变IO口的输入、输出属性，可对开入量进行信号状态量采集，对开出量进行输出控制。

AT98S51的UART接口和串行通讯接口连接，将UART的TTL通讯方式，转换成RS232的通讯方式。

4 单片机软件设计

该单片机有内部的ROM和RAM，不用外扩存储器，使用Keil V3软件对测试板程序进行编程与调试。该测试板的程序流程如下图所示：

在上图中，测试板上电初始化以后，等待串口通讯发送的命令。初始化程序将单片机的IO口初始化为对应的输入、输出属性。并初始化好串行通讯口，设定波特率、奇偶位、校验位等。

计算机测试软件根据所测试的板件类型设定测试配置，然后通过串口下发给测试板，并启动测试。测试板在测试完成以后将测试结果发送给计算机。

5 结论

在本设计中，采用AT89S51单片机作为测试板的主控CPU，具备易于编程。通过单片机的IO口进行开入开出回路的测试，串行通讯接口满足与计算机的连接。计算机通过串口发送命令，针对性的进行开入开出板件测试，并将测试结果在计算机中显示出来。

该测试板的设计，满足了电力保护装置开入开出板的测试要求，自动化的测试方法给批量化生产提供了有效的手段。

参考文献：

[1]姜大源，王胜元.单片机技术[M].北京：高教出版社，2005，6，1.

[2]陈德树.计算机继电保护原理与技术[M].北京：中国水利水电出版社，2006，4.

[3]张举.微型计算机保护原理[M].北京：中国水利水电出版社，2004，2.

[4]龚尚福.微机原理与接口技术（第二版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009，2.