微原_计算机接口技术_实验项目_任务书_289907057

“微机原理与应用”计算机接口技术部分实验简单变电站自动化系统“三遥”功能的设计与实现项目任务书一、项目介绍二、项目说明三、项目的设计和调试实验4开发工具的使用和单片机结构实验5寻址方式和指令系统的学习实验6汇编语言程序结构实验7汇编语言程序设计实验8中断技术实验9基本时钟和定时器实验10串行通信实验11模/数转换实验12简单变电站自动化系统“三遥”功能的设计与实现1实验13简单变电站自动化系统“三遥”功能的设计与实现2一、项目简介项目目的：本项目是“微机原理与应用”课程中关于计算机接口技术部分的实验项目，涉及第5～16周讲课的内容，目的是通过一个简单变电站自动化系统(SubstationAutomationSystem）中的遥测、遥信、遥控功能（简称“三遥”功能）的设计与实现，深入了解计算机各种接口技术的原理及其实际应用。项目平台：硬件：PC机一台，MSP430F1xx实验板一块，信号源一个。软件：IAREW430集成开发环境、串口助手等。项目任务：基于PC机、MSP430F1xx实验板、信号源，设计一个简单变电站自动化系统，实现“三遥”功能。项目重点：理解计算机常用接口技术的原理，掌握相应的硬件设计和软件编程以及调试。二、项目说明变电站自动化系统是将变电站的二次设备（包括测量、控制、保护、自动装置、远动等）利用计算机技术、现代通信技术，通过功能组合和优化设计，实现对变电站自动监视、测量和控制的一种综合性的自动化系统。通过变电站自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行中的自动监视和控制。计算机、单片机和数字信号处理器（DSP）是变电站自动化系统的核心组成部分，利用单片机或DSP组成各种保护测控单元（间隔层设备），以嵌入式计算机为核心组成通信管理机，通过现场总线（如以太网、CAN总线和RS-485总线等）构成通信网络。变电站运行的各种工况信息，先由对应的保护测控装置采集（称下位机系统），通过通信网络传输到通信管理机，再把这些信息传输到变电站当地监控系统和远方调度控制中心（称主机系统），实现变电站的自动保护和远方监控。变电站自动化系统的结构图参看图1。图1变电站自动化系统结构图主机和下位机之间传送的各种变电站运行工况信息，包括1)遥测量：变电站系统的模拟量（如每条线路的三相电流，变电站各段母线的三相电压，主变各侧的有功功率、无功功率、三相电流、线圈温度等）；2)遥信量：设备当前运行的开关状态量（如断路器、隔离开关、继电保护动作信号等状态）；3)遥控量：远程控制设备运行的命令（如使断路器处于闭合、断开的控制命令）。在实现变电站自动化系统的过程中，首先要统计出变电站的遥控、遥信、遥测点数，然后设计对这些信号的采集方式，并通过主机和下位机系统实现这些信号的测控。如一条220kV线路如果是双母线带旁路接线方式，一般需要配备8路遥控，5～8个遥测，48个遥信，除了开关、闸刀位置外，遥信还要根据保护配置情况定。35kV线路由于一次接线比较简单，一般采用单母线分段形式，二次保护采用单套配置，每一条线路一般配备5个遥测，6路遥控，32点遥信。为便于实验，本项目对变电站自动化系统进行了简化处理，以一台PC机作为远方监控主机系统，一台单片机实验板作为现场测控下位机系统，主机和下位机之间通过异步串行通信系统连接，图2是简单变电站自动化的实验系统图。如图2简单变电站自动化的实验系统图利用图2的简单变电站自动化的实验系统，实现对变电站某一条高压出线的现场测控，假设现场的测控信号已通过相关的一次、二次设备转换成下位机可采集的电信号。简单变电站综合自动化系统的“三遥”功能描述如下：1．下位机“三遥”信号：遥测量2路：1路为线路的A相电流，实验时用频率为50Hz、峰峰值0～5V的信号源给出；1路为现场某一设备的温度信号，实验时用0～3.3V可调直流电压给出。遥信量4个：A相线路断路器的闭合/断开状态；线路A相电流互感器（CT）刀闸的投入/切除状态，刀闸投入时，CT才接入系统中；设备制冷装置的投入/切除状态；设备故障次数；遥控量4个：断路器的闭合/断开信号；线路A相电流互感器的投入/切除信号；清除蜂鸣器的报警声；设备故障次数清零；2．下位机实现的功能1）下位机实验板上的逻辑按键K8~K1表示现场一些控制操作的按钮，K8控制线路断路器的闭合，K7控制短路器的断开；K6控制CT刀闸的投入，K5控制CT刀闸的切除；K4控制清除蜂鸣器报警声。下位机接收按键信号，并发出控制断路器、CT刀闸、蜂鸣器动作的信号，这些设备在控制电路的作用下完成相应的动作。断路器的状态通过LED8显示，亮表示闭合，灭表示断开；CT刀闸的状态通过LED6显示，亮表示投入，灭表示切除。2）下位机对线路A相电流每周期采集64点（采样率3.2kHz）数据，并计算该电流的峰峰值、有效值；3）下位机对现场设备的温度进行实时采集，当检测到现场设备温度过高（如测量值高于2.5V），并持续3秒以上，则通过蜂鸣器发出报警声，并记录设备故障一次，同时设备的制冷装置会自动投入，进行制冷。当设备的温度降低到正常值时（如测量值低于2.0V），设备的制冷装置自动切除。设备制冷装置的投入/切除的状态通过LED4显示。设备每故障一次，设备故障次数加1，设备故障次数可通过数码管显示出来。当发生设备故障时，警报声可通过现场操作按键K1清除，也可由主机系统发出清除报警声的遥控信号清除；设备故障次数可通过按键K2清零，也可由主机系统发出设备故障数清除的遥控信号清除。4）下位机应及时响应主机下达的命令，传送主机所要的数据或完成主机下达的控制命令。3.主机向下位机下达的命令1）获取遥测信号：被测线路A相电流的峰峰值、有效值，1周期的64点的采样数据；2）获取遥信信号：获取当前断路器、CT刀闸、设备制冷装置的状态和设备故障次数；3）发送遥控信号：实现远程控制断路器、CT刀闸、蜂鸣器、设备故障数的状态。4.制定主机和下位机之间的通讯协议主机与下位机之间的通信通过异步串行通信接口完成，参看“微机原理与应用”讲义制定主机与下位机之间的通讯协议。5.主机和下位机各自程序的编写为简化项目实现难度，只需编写下位机的测控程序，主机侧的控制程序可用Windows系统下提供的串口控制程序，如串口助手、超级终端等，串口助手程序运行后的界面参见图3。图3主机侧串口控制程序-串口助手界面演示时，下位机侧操作相应的逻辑按键，或改变2路模拟信号的大小，下位机应完成设计所要求的功能；主机通过在串口助手按通信协议发出命令时，下位机应及时做出相应的响应。调试时，先用记事本将主机要发送的各种命令按通讯协议的要求按十六进制形式写好，方便在串口助手的发送区使用，避免重复在串口助手内输入命令。提高功能:1）设计主机与多个下位机相连的硬件和软件，完成主机对多台下位机监控。2）主机侧利用Matlab软件，通过串口接收下位机发来的1周期64点数据，并进行处理，计算其峰峰值、有效值，并与下位机计算的值做比较。（作为变电站自动化的主机本身并不需要这一利用Matlab计算的功能，设计该功能的目的是为与“信号与系统”课程衔接，掌握利用单片机采集数据，通过串口发送给PC机，PC机通过相关的软件接收数据，并对数据进行处理的方法。有关Matlab软件的使用参看“信号与系统”的课程内容）。三、项目设计和调试完成该项目需要掌握作为下位机的单片机的编程及其内部基本I/O、中断、定时器、串行通信、A/D等接口模块的使用。为顺利完成项目，分10次实验完成（课内安排实验课10次），具体参见后面的实验安排，其中实验4～7是掌握单片机结构及其编程方法，实验8～11是掌握单片机内部接口模块的使用，实验12～13是项目的综合设计与实现。实验地点是西主楼3区217。项目相关的实验内容在第7～16周完成，每次2学时，课外有开放实验时间。第15、16周检查项目的完成情况。实验4开发工具的使用和MSP430单片机结构实验5寻址方式和指令系统学习实验6汇编语言程序结构实验7汇编语言程序设计实验8中断技术实验9基本时钟和定时器实验10串行通信实验11模/数转化实验12简单变电站自动化系统“三遥”功能的设计与实现1实验13简单变电站自动化系统“三遥”功能的设计与实现2