CC BY
45
УДК / UDK 621.311.1:681.5.008.6:004.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОСХЕМ AD7495AR И FT232R В БЛОКЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-35 КВ
UTILIZATION OF MICROCIRCUITS AD7495AR AND FT232R IN DIGITAL PROCESSING UNIT OF ELECTRIC NETWORKS OPERATION CHECKING
SYSTEM BY VOLTAGE 6-35 КВ
Сорокин Н.С., инженер Sorokin N.S., Engineer ФГБОУ ВО Орловский ГАУ
FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL ESTABLISHMENT
OF HIGHER EDUCATION Orel State Agrarian University
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
автоматизация электрической сети, аварийная ситуация, повышение надежности, воздушные линии напряжением 6-35 кВ, микросхема.
KEY WORDS
electric network automation, emergency situation, reliability improvement, aerial circuits, voltage 6-35 кВ, microcircuit
Характерной чертой сельских электрических сетей в России является построение их по радиальному принципу. В большинстве случаев в них используются алюминиевые и сталеалюминевые провода малых сечений, деревянные и железобетонные опоры [1]. При этом в сетях данного класса напряжений практически отсутствует оборудование для автоматизации.
Показатели надежности электроснабжения в последние годы практически не изменяются, оставаясь относительно невысокими в сравнении с аналогичными показателями зарубежных стран. По данным [1] длительность отключений потребителей составляет порядка 70-100 часов в год, что на 2 два порядка выше, чем в технически развитых западных странах. В электрических сетях 6-35 кВ в среднем регистрируется 26 отключений в год на 100 км линий электропередачи [1].
Для снижения выше приведенных показателей служит система, контролирующая работу распределительных электрических сетей напряжением 6-35 кВ, работа, которой основана на анализе параметров режимов функционирования электрической сети [2].
Датчик системы состоит из двух блоков, соединенных между собой кабелем связи. Первый - блок подсоединения датчика (БПД), необходимый для получения сигнала об изменении тока в линии. Варианты исполнения данного блока приведены в [3,4]. Второй - блок цифровой обработки данных (БЦОД), который служит для преобразования сигналов, поступающих по линии связи об изменениях тока, в соответствующие импульсы, которые подаются на персональный компьютер, анализируются, расшифровываются и передаются на монитор персонального компьютера, установленного на подстанции, и у диспетчера появляется информация о виде произошедшей ситуации, а также, при соответствующем программном обеспечении, о номере отключившегося
выключателя. В качестве блока могут быть использованы устройства, представленные в [5]. Рассмотрим возможность использования микросхем Дй7495ДК и РТ232К для выполнения блока цифровой обработки данных. БЦОД функционально можно разделить на две части:
1. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). В качестве него предлагается использовать микросхему Дй7495ДК.
2. Преобразователь иЭВ-иАРТ. В качестве него можно использовать микросхему РТ232К.
Рассмотрим подробнее микросхемы, применяемые в блоке. Дй7495ДК - АЦП обладает достаточно высокой производительностью 1 МГц. Основные параметры микросхемы приведены в таблице 1 [6]. Блок-схема микросхемы Дй7495ДК изображена на рисунке 1 [6].
Таблица 1. Основные параметры микросхемы ДР7495
Параметры Значения Ед.измерения Комментарии
БАЗОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Соотношение сигнал -шум 68 дБ min fiN = 300 кГц
Общие нелинейные искажения -75 дБ max = 300 кГц,
Перекрестные нелинейные искажения -76 дБ max = 300 кГц,
Напряжение питания 2.7-5.25 В
Потребляемая мощность 4.5 10 мВт мВт Шит=3В Шит=5В
Ширина полосы пропускания 8.3 1.3 MГц MГц 3 дБ 0.1 дБ
АНАЛОГОВЫЙ вход
Уровень входного напряжения 0-5 В
Погрешность тока утечки ±1 мкА max
Входная емкость 20 пФ
ОПОР] НЫИ ВХОД
Уровень входного напряжения 2.5 В ±1%
Погрешность тока утечки ±1 мкА max
Входная емкость 20 пФ
ЦИФРОВОЙ ВХОД
Минимальное входное напряжение 0.4 В
Входная емкость 10 пФ max
ЦИФРО ВОЙ ВЫХОД
Минимальное выходное напряжение 0.4 В
Выходная емкость 10 пФ max
VDD
GND
Рисунок 1 - Блок - схема микросхемы AD7495AR
В блок-схеме применены следующие обозначения:
2.5V REFERENCE - источник опорного напряжения;
BUF - буферный каскад в цепи опорного напряжения (для согласования сопротивлений данных блоков микросхемы);
T/H - буферный каскад в цепи входа (для согласования сопротивлений входного сигнала и блока АЦП);
12-BIT-SUCCESSIVE APROXIMATION ADC - двенадцатибитный аналогово-цифровой преобразователь с упорядоченной аппроксимацией;
CONTROL LOGIC - блок цифровой обработки и сопряжения с АЦП;
VIN - вход анализируемого аналогового сигнала;
REF OUT - выход опорного напряжения;
SCLK - выход частоты для определения конверсионного времени;
CS - вход для связи с микропроцессором и управления конверсионным процессом передачи данных;
SDATA - выход передачи данных;
Vdrive - вход, позволяющий АЦП соединяться непосредственно с напряжением работы микропроцессора независимо от VDD.
В схеме блока была выбрана именно микросхема AD7495AR, так как:
- обладает подходящими параметрами;
- достаточно доступна и не дорога;
- имеет хорошую защищенность от помех и статического напряжения;
- может работать в достаточно широком интервале температур от -40°C до +85°C;
- имеет малые габариты и требует минимум внешних элементов.
Компания Analog Devices - производитель этой микросхемы - является
лидером в инновационной и качественной обработке сигналов [7]. Она отлично зарекомендовала себя на российском рынке, что послужило дополнительным стимулом для выбора микросхемы именно ее производства.
Следующим звеном БЦОД является микросхема FT232R.
Микросхема FT232R - представитель нового поколения семейства "USB -UART". Реализованный компанией FTDI ряд аппаратных схемотехнических решений, интегрированных на кристалл, выгодно отличает новые микросхемы от предыдущей версии FT232BM [8]:
-встроенная энергонезависимая память EEPROM;
-встроенный тактовый генератор;
-встроенные пассивные компоненты (в том числе RC - фильтр по питанию).
Расширенный рабочий температурный диапазон от -40°С до +85°С позволяет использовать микросхему в разнообразных климатических условиях. Кроме очевидных решений, оказывающих влияние на стоимость конечного изделия, микросхемы обладают рядом новых функций [9]:
- внутренний генератор можно использовать в качестве задающего для внешних устройств, при этом значение выходной частоты может быть задано равным 6 МГц, 12 МГц, 24 МГц или 48 МГц;
- наличие уникального идентификационного номера (FTDI Chip-IDT), который программируется на фабрике в процессе изготовления кристаллов и доступен для чтения по шине USB. Данный номер может быть использован при создании USB - ключа для защиты пользовательских приложений. Схема работы может быть следующей - номер FTDI Chip-IDT шифруется по определенному алгоритму и записывается в доступную пользователю область памяти EEPROM микросхемы FT232R. После подключения ключа по USB - интерфейсу приложение пользователя считывает зашифрованное значение и сравнивает его с номером FTDI Chip-IDT.
- возможность конфигурации служебных выводов, которые в настоящей версии микросхемы обозначаются CBUS0 - CBUS4. В процессе производства эти выводы конфигурируются на выполнение стандартных функций, которые хорошо знакомы разработчикам - TXDEN, PWREN#, TXLED#, RXLED#, TX&RXLED#, SLEEP.
Конфигурация пользователем CBUS0-CBUS3 в качестве входов / выходов общего назначения аналогична асинхронному режиму bit bang [8]. Выводы могут быть сконфигурированы для работы в данном режиме либо все вместе, либо по отдельности.
Основные технические характеристики FT232R представлены в таблице 2
[9].
Таблица 2. Основные параметры микросхемы FT232R
Параметр Значение Ед. измерения
Критические температуры -65°C ...+ 150°C °С
Гарантированная наработка без возникновения ошибок 168 Часов
Рабочая температура -40°C ...+ 85°C °С
Средняя наработка до первого 11162037 Часов
отказа
Напряжение питания (Уте) 4.5 ... +6.00 В
Напряжение по шинам иБББР и иБББМ 0.5 .+3.8 В
Уровни напряжения на цифровых 0.5...+(Усс+0.5) В
входах микросхемы
Значения тока на цифровых входах 24 мА
Максимальная потребляемая 500 мВт
мощность (Усс = 5.25В)
Блок схема в FT232R представлена на рисунке 2 [9].
В блок-схеме применены следующие обозначения:
3.3 Volt LDO Regulator - источник напряжения 3.3В;
USB Transceiver with integrated Series Resistors and 1.5K Pull-up -приемопередатчик порта USB с интегрированными резисторами 1.5Ком;
USB DPLL - блок, для согласования приема- передачи данных посредством синхроимпульсов;
Internal 12MHz Oscillator - внутренний генератор , с частотой 12МГц;
Х4 Clock Multiplier - умножитель частоты;
Serial Interface Engine (SIE) - блок последовательной передачи данных, обеспечивает согласование с потоком данных USB порта в соответствии со спецификацией USB 2.0.Так же также проверяет CRC на потоке данных USB.
USB Protocol Engine - блок, обеспечивающий согласование данных потока USB с шиной UART;
Internal EEPROM - блок интегрированной перезаписываемой памяти;
FIFO TX Buffer (128 байт) - буфер данных TX;
FIFO RX Buffer (256 байт) - буфер данных RX;
UART FIFO Controller- блок контроллера шины UART;
UART Controller with Programmable Signal Inversion - блок согласования с блоком контроллера UART с интегрированным блоком для назначения программируемых выходов;
Baud Rate Generator - блок для задания скорости передачи данных шины UART; FT232R поддерживает все стандартные скорости двоичной передачи и нестандартные от 183 бод до 3 Мбод;
RESET Generator - блок сброса, обеспечивает надежный запуск микросхемы в целом.
TEST. GND'
Рисунок 2 - Блок-схема микросхемы FT232R
Рассмотрим назначение выводов микросхемы [9] и их расшифровку:
TXD- выход асинхронной передачи данных;
DTR#- выход для проверки наличия передачи данных;
RTS #- выход для передачи сигнала контроля передачи данных;
RXD- вход асинхронной передачи данных;
RI #- вход контроля состояния микросхемы (например, необходим для подачи сигнала контроля при прошивке EEPROM микросхемы);
DSR #- вход для приема сигнала контроля передачи данных;
DCD #- вход для подачи команд о необходимости передачи микросхемой контроля передачи данных;
CTS#- вход для приема состояния передачи данных;
CBUS4, CBUS2, CBUS3, CBUS1, CBUS0- программно назначаемые выходы/входы;
USBDP- вход/выход данных USB+;
USBDM- вход/выход данных USB-;
3V3OUT- выход напряжения 3.3В;
GND- вывод для подключения минуса источника питания микросхемы;
RESET#- вход сигнала сброса микросхемы для ее надежного запуска (обычно соединяют с минусом источника питания);
VCC- вывод для подключения плюса напряжения питания;
NC- неиспользуемый вывод;
AGND- вывод для подачи минуса источника питания на умножитель частоты;
TEST- вход, используемый для мониторинга микросхемы при ее нестабильной работе;
OSCI- вход для подачи частоты 12Мгц;
OSCO- выход частоты 12 Мгц;
Для работы с данной микросхемой на ПК должен быть установлен пакет специальных драйверов D2XX [8], бесплатно распространяемый фирмой-изготовителем.
Драйвер D2XX является альтернативным решением к виртуальному программному обеспечению и обеспечивающий доступ к USB компонентам с использованием DLL. Он применяется для новых разработок и в системах без COM-порта и состоит из Windows WDM драйвера и соединяется с устройством, используя USB-стек операционной системы и DLL библиотеку, которая объединяет программное обеспечение (написанное на VC++, C++ Builder, Delphi, VB и т.д.) и WDM драйвер. В комплекте с драйвером на сайте FTDI находятся руководство программиста и примеры программного обеспечения на Visual C++, C++ Builder, Delphi, Visual Basic [8].Для конфигурации режимов работы и смены идентификаторов микросхемы FT232R производителем предоставляется утилита Mprog. Программирование осуществляется путем подключения микросхем по USB к компьютеру. Режим программирования доступен, в том числе, и через API-функции стандартной библиотеки драйвера D2xx, и может быть реализован в приложении пользователя, если такой режим будет необходим. В стандартных приложениях программирование требуется только один раз: при выборе режима работы микросхемы и задании идентификаторов USB [8].
В настоящее время несколько компаний представляют продукцию, аналогичную микросхеме FT232R, но именно компания FTDI (производитель FT232R) значительно превосходит их. В настоящее время аппаратные мосты
USB FTDI получили широкое признание во всем мире. По прошествии 10 лет с момента появления первых микросхем аппаратных мостов можно утверждать, что продукция FTDI популярна у производителей благодаря своей надежности, простоте в разработке, а также надежности и простоте в дальнейшей эксплуатации конечными потребителями изделий, в которых используются решения FTDI [8].
На базе микросхемы FT232R реализация USB-интерфейса займет считанное время. Для нее выпускаются недорогие отладочные модули, с помощью которых можно быстро собрать и протестировать макет. Легкость в освоении и разработке — ключевая особенность данной микросхемы. Если необходим интерфейс USB, микросхема FT232R поможет реализовать его с максимальной быстротой.При применении микросхем AD7495AR и FT232R в БЦОД данный блок будет обладать рядом преимуществ таких, как: хорошая защищенность от помех и статического напряжения, работа в достаточно широком интервале температур, малые габариты и минимум внешних элементов. Полученный БЦОД будет недорогим и надежным, что предполагает значительную перспективу его использования.
Применение БЦОД на основе микросхем AD7495AR и FT232R в системе контроля распределительных электрических сетей напряжением 6-35 кВ позволит повысить надежность и эффективность ее работы. Увеличит достоверность получаемой информации об отключениях в распределительных электрических сетях напряжением 6-35 кВ. Что позволит повысить надежность работы сельских электрических сетей и сократить время перерывов в электроснабжении сельских потребителей.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Астахов С.М. Состояние и пути повышения эффективности функционирования распределительных сетей в агропромышленном комплексе [Текст] / Астахов С.М., Беликов Р.П. // Вестник Орловского государственного аграрного университета. - 2011г., Т. 29, № 2 - с. 106-108.
2. Виноградов А.В. Дистанционный контроль отключения выключателей в распределительных сетях [Текст] / Виноградов А.В., Астахов С.М., Сорокин Н.С. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2008г. - №12 - с. 44 - 46.
3. Астахов С.М. Датчик тока для регистрации аварийных режимов в распределительных сетях 6-10 кВ [Текст] / Астахов С.М., Сорокин И.С. // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2009г. - № 4 - с. 3-5.
4. Сорокин Н.С. Блок подсоединения датчика системы распознавания аварийных ситуаций в распределительных сетях 6-35 кВ [Текст] / Теоретический и научно-практический журнал «Вестник ОрелГАУ», 2011г. - №2 (11) - с. 118-120
5. Сорокин Н.С. Варианты исполнения блока цифровой обработки данных системы распознавания аварийных ситуаций в распределительных сетях 635кВ / Вести высших учебных заведений Черноземья, 2009г. - №3(17) - с. 5660.
6. Сорокин Н.С. Блок цифровой обработки данных системы распознавания аварийных ситуаций на основе микросхемы FT232R / Энергообеспечение и строительство: Сборник материалов III Международной выставки - Интернет - конференции: в 2 ч.; Часть 1.- Орел: Изд-во ОоО ПФ «Картуш», 2009. - 344с., ил. c. 51-56
