Микроконтроллеры (МК) являются наиболее массовым представителем, микропроцессорной техники. Интегрируя на одном кристалле высокопроизводительный процессор, память и набор периферийных устройств, микроконтроллеры позволяют с минимальными затратами реализовать большую номенклатуру систем управления различными объектами и процессами.
В качестве элементарной базы для реализации разрабатываемого устройства в электрической сети 0,4 кВ был принят класс микроконтроллеров. Классификация микроконтроллеров осуществляют разрядность обрабатываемых чисел:
– четырехразрядные МК – являются очень простыми и дешевыми устройствами, предназначенными для замены несложных систем на жесткой логике в системах с невысоким быстродействием;
– восьмиразрядные МК – наиболее многочисленная группа с оптимальным сочетанием цены и производительности;
– шестнадцатиразрядные МК – устройства, применяемые для более сложных задач управлениями технологическими процессами;
– тридцатидвухразрядные МК – это модификация универсального МК.
Несмотря на непрерывное развитие и появление все новых 16- и 32 – разрядных МК и микропроцессоров, наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка на сегодняшний день остается за 8-разрядными устройствами. Анализ современного рынка 8-разрядных МК выявил наиболее известные и распространенные архитектуры процессорного ядра МК: MCS–51, AVR, PIC, HC68, ARM [1].
Наиболее современными и перспективными на сегодняшний день являются МК семейства AVR фирмы Atmel. Производимое Atmel семейство 8-разрядных AVR-микроконтроллеров с RISC–архитектурой обеспечивает быстродействие выполнения программы и обработки данных во много раз больше по сравнению с традиционной CISC – архитектурой. Микроконтроллеры обеспечивает производительность до 16 млн. оп. в секунду и поддерживают флэш-память программ различной емкости: 1… 256 кбайт. AVR-архитектура оптимизирована под язык высокого уровня Си, а большинство представителей семейства ATmegaAVR содержат 8-канальный 10-разрядный АЦП, а также совместимый с IEEE 1149.1 интерфейс JTAG или debugWIRE для встроенной отладки. Кроме того, все микроконтроллеры ATmegaAVR с флэш-памятью емкостью 16 кбайт и более могут программироваться через интерфейс JTAG.
Объединение на одном кристалле усовершенствованного 8-разрядного RISC ЦПУ с загружаемым Flash ПЗУ позволяет создавать мощный микроконтроллер, обеспечивающий высокую гибкость и экономичность в использовании прибора в качестве встраиваемого контроллера.
В результате проведенного анализа технических систем микроконтроллеров в качестве базового был принят микроконтроллер Atmega 128 фирмы Atmel [2].
При этом разработка программного обеспечения заключается в реализации управляющих алгоритмов, поскольку прикладные подпрограммы основных функциональных устройств поставляются в комплекте KIT–контроллера.
Техническая реализация устройства автоматического контроля состояния изоляции в сетях 0,4 кВ основана на использовании контроллера – контроллера KIT – AVR фирмы «Фитон» (г. Москва) [4].
Основу контроллера KIT – AVR составляет микроконтроллер AVR ATmega103, но для разработки устройства автоматического контроля состояния изоляции в сетях 0,4 кВ выбран микроконтроллер AVR ATmega128, который полностью совместим по расположению выводов с ATmega103, и может быть установлен на существующую плату для ATmega103.
Отличительной особенностью этого МК AVR ATmega128 является его высокопроизводительность, 8-разрядность AVR-микроконтроллера с внутрисистемно-программируемой флэш-памятью емкостью 128 кбайт [3].
Развитая RISC-архитектура:
– 133 мощных инструкций, большинство из которых выполняются за один машинный цикл;
– 32 8-разрядных регистров общего назначения и регистры управления встроенной периферией;
– полностью статическая работа;
– производительность до 16 млн. операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц;
– встроенное умножающее устройство выполняет умножение за 2 машинных цикла.
Энергонезависимая память программ и данных:
– износостойкость 128-ми кбайт внутрисистемно перепрограммируемой флэш-памяти: 1000 циклов запись/стирание;
– опциональный загрузочный сектор с отдельной программируемой защитой;
– внутрисистемное программирование встроенной загрузочной программой.
Отличительные особенности периферийных устройств:
– два 8-разразрядных таймера-счетчика с раздельными предделителями и режимами сравнения;
– два расширенных 16-разрядных таймера-счетчика с отдельными предделителями, режимами сравнения и режимами захвата;
– счетчик реального времени с отдельным генератором;
– два 8-разрядных каналов ШИМ;
– 6 каналов ШИМ с программируемым разрешением от 2 до 16 разрядов;
– модулятор выходов сравнения;
– 8 мультиплексированных каналов 10-разрядного аналогово-цифрового преобразования;
– двухпроводной последовательный интерфейс, ориентированный не передачу данных в байтном формате;
– два канала программируемых последовательных УСАПП;
– последовательный интерфейс SPI с поддержкой режимов ведущий/подчиненный;
– программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;
– встроенный аналоговый компаратор.
Специальные возможности микроконтроллера:
– сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания;
– встроенный калиброванный rc-генератор;
– внешние и внутренние источники прерываний;
– шесть режимов снижения энергопотребления: холостой ход (Idle), уменьшение шумов АЦП, экономичный (Power-save), выключение (Power-down), дежурный (Standby) и расширенный дежурный (Extended Standby);
– программный выбор тактовой частоты;
– конфигурационный бит для перевода в режим совместимости с ATmega103;
– общее выключение подтягивающих резисторов на всех линиях портов ввода-вывода;
рабочие напряжения – 4.5 – 5.5 В для ATmega 128;
градации по быстродействию – 0–16 МГц для ATmega128.
Функциональная схема устройства автоматического определения контроля состояния изоляции в сетях 0,4 кВ, реализованного на базе контроллера KIT–AVR, представлена на рис.1 и содержит:
– трехфазную электрическую сеть 0,4 кВ;
– выключатель нагрузки QF;
– дополнительную емкостную проводимость между фазой А электрической сети и землей go;
– полную проводимость изоляции сети Y;
– измерительный трансформатор напряжения TV1;
– схемы сопряжения устройства с электрической сетью;
– функциональную схему микроконтроллера ATmega128;
– генератор XTAL1;
– жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) PC1202A;
– клавиатуру.
В подстанции с напряжением 0,4 кВ имеются резервные ячейки, к которым за выключателем нагрузки QF подключаются дополнительная емкостная проводимость go, предназначенные для организации контроля состояния изоляции электрической сети.
С фаз В и С снимаются модуль линейного напряжения сети (выводы b, с), модуль напряжения фаз А, В и С относительно земли. Сопряжение с АЦП микроконтроллера осуществляется по цепи разделительный трансформатор (TV1–TV4)–выпрямитель (В1–В4)–фильтр (Ф1–Ф4)–блок входных делителей (БВД), по которой осуществляется гальваническое разделение микропроцессорного контроллера от электрической сети, выпрямление, сглаживание аналогового сигнала, подстройка диапазона измерения АЦП и диапазона изменения входного сигнала. Включение–выключение дополнительной емкостной проводимости go осуществляется посредством блока управляемого оптосимисторного ключа (БУК), подающего питающее напряжение на исполнительный орган (ИО) выключателя нагрузки QF (рис. 1).
Рис.1. – Функциональная схема устройства автоматического контроля состояния изоляции в сетях 0,4 кВ на основе применения микроконтроллера AVR ATmega128
Основным преимуществом разработанных устройств автоматического контроля состояния изоляции в сетях 0,4 кВ являются:
– минимальные габариты, позволяющие произвести монтаж разработанных устройств, что значительно упрощает интеграцию устройства в промышленных условиях;
– возможность подключения устройства автоматического контроля изоляции в сетях 0,4 кВ в локальные информационные сети предприятия, что предоставляет возможность передачи информации непосредственно на пульт оперативного дежурного персонала и в автоматизированную информационно-управляющую систему контроля состояния элементов системы электроснабжения;
– накопление информации о параметрах изоляции в сетях 0,4 кВ, что дает возможность анализа вероятности и статистики появления пробоя изоляции, и, следовательно, предупреждения появления однофазных коротких замыканий на землю, с целью повышения уровня электробезопасности и надежности системы электроснабжения предприятий;
– возможность реализации на базе разработанных устройств дополнительных алгоритмов определения и контроля параметров изоляции;
– невысокая стоимость в сочетании с длительным сроком эксплуатации разработанных устройств делает их наиболее подходящими для массового применения в промышленности.
Вывод: Разработанное устройство автоматического контроля состояния изоляции в сетях 0,4 кВ на основе применения микроконтроллера AVR ATmega128 повышают уровень электробезопасности, надежности и работоспособности системы электроснабжения, городских предприятиях.
Литература
1. Современные микроконтроллеры. Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет, М.: Издательство «Аким», 1998, 249 с.
2. http://www.atmel.ru – Официальный российский сайт фирмы «ATMEL».
3. http://www.atmel.com – Официальный сайт фирмы «ATMEL».
4. http://www.phyton.com – Официальный сайт фирмы «Фитон».
