第二章 硬件原理 本章知识点：本章知识点：重点掌握重点掌握变电站综合自动化系统硬变电站综合自动化系统硬件结构、模拟量输入输出电路、开关量输入及输件结构、模拟量输入输出电路、开关量输入及输出通道、脉冲量输入电路、人机对话回路，出通道、脉冲量输入电路、人机对话回路，掌握掌握数字量的输入输出控制方式，了解硬件的数字核数字量的输入输出控制方式，了解硬件的数字核心部分 §2.1 2.1 典型硬件结构典型硬件结构§2.2 2.2 硬件的数字核心部分硬件的数字核心部分§2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理§2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道§2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式 §2.6 2.6 脉冲量输入电路脉冲量输入电路§2.7 2.7 人机对话回路人机对话回路河北联合大学轻工学院信息科学与技术部 2.1 2.1 典型硬件结构典型硬件结构§变电站综合自动化系统基本上按模块化设变电站综合自动化系统基本上按模块化设计，不同的功能模块，其硬件结构基本上计，不同的功能模块，其硬件结构基本上是大同小异，所不同的软件及硬件模块化是大同小异，所不同的软件及硬件模块化的组合与数量不同。
的组合与数量不同§不同的功能用不同的软件来实现，不同的不同的功能用不同的软件来实现，不同的使用场合按不同的模块化组合方式构成使用场合按不同的模块化组合方式构成§变电站综合自动化系统功能模块的典型硬变电站综合自动化系统功能模块的典型硬件结构如下图所示件结构如下图所示河北联合大学轻工学院信息科学与技术部 2.1 2.1 典型硬件结构典型硬件结构图图2-1 2-1 变电站综合自动化系统典型硬件结构图变电站综合自动化系统典型硬件结构图河北联合大学轻工学院信息科学与技术部 2.1 2.1 典型硬件结构典型硬件结构§1 1．微机系统．微机系统 微机系统是变电站综合自动化系统硬件的数微机系统是变电站综合自动化系统硬件的数字核心部分组成，一般由字核心部分组成，一般由CPUCPU、存储器、定时器、存储器、定时器/ /计数器、计数器、WatchdogWatchdog等组成§2 2．模拟量输入．模拟量输入/ /输出回路输出回路 模拟量模拟量输入回路输入回路是将来自变电站测控对象的是将来自变电站测控对象的电压、电流信号等电压、电流信号等模拟信号模拟信号转换为相应的微机系转换为相应的微机系统能接受的统能接受的数字脉冲信号数字脉冲信号；模拟量；模拟量输出回路输出回路是将是将微机系统输出的数字量转换为模拟量输出，去驱微机系统输出的数字量转换为模拟量输出，去驱动模拟调节执行机构工作。
动模拟调节执行机构工作河北联合大学轻工学院信息科学与技术部 2.1 2.1 典型硬件结构典型硬件结构§3 3．开关量输入．开关量输入/ /输出回路输出回路 开关量输入开关量输入/ /输出回路主要用于人机接口、输出回路主要用于人机接口、发跳闸信号等的告警以及闭锁信号等发跳闸信号等的告警以及闭锁信号等§4 4．人机对话接口回路．人机对话接口回路 人机对话接口回路主要包括打印、显示、人机对话接口回路主要包括打印、显示、键盘及信号灯、音响或语音告警等，主要键盘及信号灯、音响或语音告警等，主要用于人机对话，如调试、定值整定、工作用于人机对话，如调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录与系统通信等方式设定、动作行为记录与系统通信等河北联合大学轻工学院信息科学与技术部 2.1 2.1 典型硬件结构典型硬件结构§5 5．通信回路．通信回路 通信回路的功能主要是完成各子系统（监通信回路的功能主要是完成各子系统（监控子系统、微机保护子系统、自动控制子控子系统、微机保护子系统、自动控制子系统）之间通信和子系统的信息远传系统）之间通信和子系统的信息远传§6 6．电源．电源 电源回路提供了整套变电站综合自动化系电源回路提供了整套变电站综合自动化系统中功能模块所需的统中功能模块所需的直流稳压电源直流稳压电源。
河北联合大学轻工学院信息科学与技术部 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理一、模拟量输入及输出电路简述一、模拟量输入及输出电路简述 变电站综合自动化的微机系统所采集的变电变电站综合自动化的微机系统所采集的变电站测控对象的电流、电压、有功和无功功率、温站测控对象的电流、电压、有功和无功功率、温度等都属于度等都属于模拟量模拟量模拟量输入电路的主要作用模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与是隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与CPUCPU接口完成数据采集任务接口完成数据采集任务§模拟量输入电路有两种方式：模拟量输入电路有两种方式：（（1 1））逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换方式转换方式——直接直接将模拟量转将模拟量转换为数字量的变换方式；换为数字量的变换方式；（（2 2））利用电压利用电压/ /频率变化（频率变化（VFCVFC）原理进行模数变）原理进行模数变换方式换方式——将模拟量电压先转换为频率脉冲量，将模拟量电压先转换为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。
河北联合大学轻工学院信息科学与技术部 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理二、逐次逼近型二、逐次逼近型A/DA/D变换的模拟量输入电路变换的模拟量输入电路图图2-7 2-7 逐次逼近型模拟量输入电路框图逐次逼近型模拟量输入电路框图河北联合大学轻工学院信息科学与技术部 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理（一）电压形成回路（一）电压形成回路 来自来自TATA、、TVTV的电流或电压量不适应模数变换器的的电流或电压量不适应模数变换器的范围，故需要进行变换范围，故需要进行变换图图2-8 2-8 模拟量输入电压变换原理图模拟量输入电压变换原理图（（a)a)电压接口电压接口 （（b)b)电流接口电流接口（（a)a)（（b)b)100V5A/1A 图中的图中的RC有什有什么作用？么作用？ ？？ 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理电压形成电路作用：电压形成电路作用：§⑴⑴起电量变换起电量变换§⑵⑵将一次设备的将一次设备的TATA、、TVTV的二次回路与微机的二次回路与微机A/DA/D转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。
转换系统完全隔离，提高抗干扰能力电路中的稳压管电路中的稳压管V1V1和和V2V2的作用？的作用？ 稳压管稳压管V1V1和和V2V2组成双向限幅，使后面环节组成双向限幅，使后面环节的采样保持器、的采样保持器、A/DA/D转换芯片的输入电压限转换芯片的输入电压限制在峰制在峰—峰值峰值±±10V10V（或（或±±5V5V）以内 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理（二）低通滤波器和采样定理（二）低通滤波器和采样定理１、低通滤波 １、低通滤波 电力系统在故障的电力系统在故障的暂态期间暂态期间，电压和电流含，电压和电流含有较高的频率，需在采用之前将最高频率分量限有较高的频率，需在采用之前将最高频率分量限制在一定的频带内，以降低采样频率制在一定的频带内，以降低采样频率fsfs，这样一，这样一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需要的最高频率信号的采样不至于发生失真要的最高频率信号的采样不至于发生失真 模拟低通滤波器可以做成有源或无源的，最模拟低通滤波器可以做成有源或无源的，最常用的是常用的是RCRC低通滤波器，阶数根据具体的情况而低通滤波器，阶数根据具体的情况而定。
定常用的滤波电常用的滤波电路的类型？路的类型？ 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理２、采样和采样定理２、采样和采样定理模拟量的采样可分为直流采样和交流采样两种类型模拟量的采样可分为直流采样和交流采样两种类型1 1）直流采样）直流采样直流采样是指将现场不断连续变化的直流采样是指将现场不断连续变化的模拟量模拟量先转换先转换成成直流电压信号直流电压信号，再送至，再送至A A／／D D转换器进行转换，即转换器进行转换，即A A／／D D转换器采样的模拟量为直流信号转换器采样的模拟量为直流信号２）交流采样（２）交流采样指对交流电流和交流电压采集时，输入至指对交流电流和交流电压采集时，输入至A A／／D D转换转换器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率，器的是与电力系统的一次电流和一次电压同频率，大小成比例的交流电压信号，如下页图所示大小成比例的交流电压信号，如下页图所示 图图2-9 2-9 交流电压电流输入通道结构框图交流电压电流输入通道结构框图（（a a）电压输入通道（）电压输入通道（b b）电流输入通道）电流输入通道2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理 采样定理采样定理一个随时间连续变化的物理量一个随时间连续变化的物理量f(t)f(t)，如图，如图2.102.10（（a a），），经过采样后，得到一系列的脉冲序列经过采样后，得到一系列的脉冲序列f*(t)f*(t)，它是离散，它是离散的信号，被称为采样信号，如图的信号，被称为采样信号，如图2.10(c) 2.10(c) 。
根据香农（根据香农（ShannonShannon）定理：如果随时间变化的模）定理：如果随时间变化的模拟信号（包括噪声干扰在内）的最高频率为拟信号（包括噪声干扰在内）的最高频率为f fmaxmax，只要，只要按照采样频率按照采样频率f≥2ff≥2fmaxmax进行采样，那么所给出的样品系进行采样，那么所给出的样品系列就足以代表（或恢复）列就足以代表（或恢复）f(t)f(t)了，实际应用中常采用了，实际应用中常采用f≥(5-10)ff≥(5-10)fmaxmax2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理 图图 2.10 2.10 采样过程采样过程2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理（三）采样保持器（三）采样保持器 连续时间信号的采样及其保持连续时间信号的采样及其保持是指在采样时刻上，是指在采样时刻上，把输入模拟信号的瞬时值记录下来，并按所需的要把输入模拟信号的瞬时值记录下来，并按所需的要求准确地保持一段时间，供模数转换器求准确地保持一段时间，供模数转换器A/DA/D使用。
使用§在在t0t0时，时，s s开关闭合，开关闭合，电容被迅速充电，电容被迅速充电，ui=uoui=uot0-t1t0-t1是采样阶段是采样阶段§在在t1t1时，时，s s断开，断开，uouo为此刻为此刻的输入值，的输入值，t1-t2 t1-t2 是保持是保持阶段，供阶段，供A/DA/D使用 采样阶段采样阶段保持阶段保持阶段采样采样采样采样图图 2.11 2.11 采样保持示意图采样保持示意图 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理（四）多路转换开关（ＭＰＸ）（四）多路转换开关（ＭＰＸ）以以AD7506为例说明多路转换开关的工作原理 为例说明多路转换开关的工作原理 图图 2.13 2.13 多路转换开关多路转换开关AD7506ui0 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理（五）模数（五）模数(A/D)(A/D)变换变换 A/DA/D变换器主要有变换器主要有逐次逼近型、积分型、计数逐次逼近型、积分型、计数型和并行比较型型和并行比较型等几种类型等几种类型 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换的实质是：逐次把设定的转换的实质是：逐次把设定的SAR SAR 寄存器的数字量经寄存器的数字量经D/AD/A转换后得到的电压转换后得到的电压UcUc与待转换的模拟电压与待转换的模拟电压UxUx进行比较。
比较时，先从进行比较比较时，先从SAR SAR 最高位开始，逐次的确定各位的数码是最高位开始，逐次的确定各位的数码是“1 1”还是还是 “0 0” 图图 2.14 2.14 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理三、基于三、基于V/FV/F转换的模拟量输入回路转换的模拟量输入回路（一）（一）VFCVFC型型A/DA/D变换变换 VFCVFC的原理是将输入的电压模拟量的原理是将输入的电压模拟量uiui线性地变换线性地变换为数字脉冲式的频率为数字脉冲式的频率f f，使产生的脉冲频率正比，使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小，然后在固定的时间内用计数于输入电压的大小，然后在固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数，使器对脉冲数目进行计数，使CPUCPU读入，其原理如读入，其原理如同同2-152-15所示图图2.12.1５５ VFCVFC型型A/DA/D变换原理框图变换原理框图 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理（二）（二）AD654AD654的结构及工作原理的结构及工作原理 AD654AD654是单片是单片VFCVFC变换芯片，中心频率为变换芯片，中心频率为50Hz50Hz。
在在装置中一般采用负端输入方式，如图装置中一般采用负端输入方式，如图2-162-16，，AD654AD654只能转换单极性，所以对交流电压的信号只能转换单极性，所以对交流电压的信号输入，必须有个负的偏置电压，它在输入，必须有个负的偏置电压，它在3 3端输入 图图2-16 AD6542-16 AD654工作电路图工作电路图零漂零漂调整调整零漂调整零漂调整 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理 此偏置电压为此偏置电压为-5V-5V，其压控震荡频率与网络电阻，其压控震荡频率与网络电阻的关系为的关系为 可见输出频率与输入电压呈线性关系可见输出频率与输入电压呈线性关系 R RP1P1用来调整偏置值，使外部输入电压为零时输用来调整偏置值，使外部输入电压为零时输出频率为出频率为250kHz,250kHz,从而使交流电压的测量范围控从而使交流电压的测量范围控制在制在±±5V5V的峰值内，这也叫零漂调整各通道的的峰值内，这也叫零漂调整各通道的平衡度及刻度比可用电位器平衡度及刻度比可用电位器R RP2P2来调整 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理 VFC VFC的变换特性与输入交流信号的变换关的变换特性与输入交流信号的变换关系如图系如图2-172-17。
图图2.17 VFC2.17 VFC变换关系图变换关系图输入输入-5V输入输入0V输入输入+5V 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理§当输入电压当输入电压 时，由于偏置电压时，由于偏置电压-5V-5V加在输加在输入端入端3 3上，输出信号是频率为上，输出信号是频率为250kHz250kHz的等幅等宽的等幅等宽的脉冲波，见图的脉冲波，见图2-182-18（（a a），当输入信号是交流），当输入信号是交流信号时，经信号时，经VFCVFC变换后输出的信号是被交变信号变换后输出的信号是被交变信号调制了的等幅脉冲调频波，见图调制了的等幅脉冲调频波，见图2-182-18（（b b） 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理图图2-28 VFC2-28 VFC工作原理和计数采样工作原理和计数采样（（a a））uin=0 uin=0 （（b b））uinuin为交变信号为交变信号250kHz的等幅的等幅等宽脉冲等宽脉冲-5V—500kHz—T小小—稠稠密密 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理§在在 至至 的这一段时间内计数器计到的脉的这一段时间内计数器计到的脉冲数为冲数为 ，如果每个脉冲对应的电压，如果每个脉冲对应的电压值为值为K Kb b系数，则输入电压可用下式表示系数，则输入电压可用下式表示 式中：式中： 为为250kHz250kHz中心频率对应的脉冲常数。
中心频率对应的脉冲常数 瞬时值瞬时值 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理四、模拟量输出电路四、模拟量输出电路（一）模拟量输出电路组成（一）模拟量输出电路组成图图2.19 2.19 模拟量输出通道结构框图模拟量输出通道结构框图 由于由于D/AD/A需要一定时间，在转换期间，输入待转需要一定时间，在转换期间，输入待转换的数字量应保持不变，而数据在总线上稳定的时换的数字量应保持不变，而数据在总线上稳定的时间很短，因此必须用锁存器来保持数据量的稳定间很短，因此必须用锁存器来保持数据量的稳定 锁存器：锁存器：本质是一种触发器，具有记忆功能，一本质是一种触发器，具有记忆功能，一经触发就将输入信号锁存输出端，输入端再发生变经触发就将输入信号锁存输出端，输入端再发生变化不影响输出端状态化不影响输出端状态 2.3 2.3 变电站模拟量输入输出原理变电站模拟量输入输出原理（二）（二）D/AD/A转换器转换器 输出电压为：输出电压为： 式中：式中： 是按代码的权组合起是按代码的权组合起来表示的数字量来表示的数字量 ，某位，某位B B为为“0 0”时，相应时，相应的这项为的这项为0 0。
为基准电压为基准电压 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道§开关量：开关量：断路器和隔离开关的辅助触点，某些数值断路器和隔离开关的辅助触点，某些数值的限内或越限以及人机联系的功能键的状态，跳合的限内或越限以及人机联系的功能键的状态，跳合闸位置继电器接点，有载调压变压器分接头位置，闸位置继电器接点，有载调压变压器分接头位置，装置上连接片位置、轻瓦斯、重瓦斯继电器接点装置上连接片位置、轻瓦斯、重瓦斯继电器接点§开关量输入电路的基本功能：开关量输入电路的基本功能：将测控对象需要的状将测控对象需要的状态信号引入微机系统态信号引入微机系统§开关量输出电路的基本功能：开关量输出电路的基本功能：将将CPUCPU送出的数字信号送出的数字信号或数据进行显示、控制或调节或数据进行显示、控制或调节§开关量的输入电路由开关量的输入电路由信号调节电路、控制逻辑电路、信号调节电路、控制逻辑电路、驱动电路、地址译码电路、隔离电路组成如图驱动电路、地址译码电路、隔离电路组成如图2-2-2121所示 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道图图2-212-21开关量输人电路配置图开关量输人电路配置图 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道图图2-222-22消抖电路说明消抖电路说明（（a a）消噪声电路（）消噪声电路（b b）未采用消噪电路的输出波形（）未采用消噪电路的输出波形（c c）采用消噪电路的输出波形）采用消噪电路的输出波形一、滤波消抖电路与信号调节电路一、滤波消抖电路与信号调节电路 开关量在长距离或空间产生干扰会导致状态发生错误（如开关量在长距离或空间产生干扰会导致状态发生错误（如1-01-0或或0-10-1），为此，需要增加滤波消除噪声电路。
为此，需要增加滤波消除噪声电路 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道二、电隔离技术的应用二、电隔离技术的应用采用隔离的原因：采用隔离的原因：§①①使低压输入电路与大功率的电源隔离；使低压输入电路与大功率的电源隔离；§②②外部现场器件与传输线同数字电路隔离，外部现场器件与传输线同数字电路隔离，以免计算机受损；以免计算机受损；§③③限制地回路电流与地线的错接而带来的限制地回路电流与地线的错接而带来的干扰；干扰；§④④多个输入电路之间的隔离多个输入电路之间的隔离 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道（（1 1）光电隔离）光电隔离图图2-23 2-23 光电耦合器原理接线图光电耦合器原理接线图（（a a）输出为低电平）输出为低电平 （（b b）输出为高电平）输出为高电平（（a a））（（b b））光电耦合器光电耦合器的作用？的作用？ 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道（（2 2）继电器隔离）继电器隔离 断路器、隔离开关、继电器的辅助触点和变压器断路器、隔离开关、继电器的辅助触点和变压器分接头开关位置等开关信号，输入至微机时，可分接头开关位置等开关信号，输入至微机时，可通过继电器隔离。
通过继电器隔离图图2-242-24采用继电器隔离的开关原理接线图采用继电器隔离的开关原理接线图（（a a）现场开关辅助触点输入电路）现场开关辅助触点输入电路 （（b b）继电器触点输出）继电器触点输出二极管的二极管的作用？作用？ 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道三、驱动控制与端口地址译码问题三、驱动控制与端口地址译码问题问题：问题：§1 1、什么是总线隔离？、什么是总线隔离？§2 2、微机系统的三组总线、微机系统的三组总线? ?§3 3、什么是缓冲器和锁存器以及它们的区别、什么是缓冲器和锁存器以及它们的区别？？§4 4、微处理器内部各功能部件不满足要求时，、微处理器内部各功能部件不满足要求时，需进行哪些功能扩展？需进行哪些功能扩展？ 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道四、简单的开关量输入四、简单的开关量输入/ /输出电路输出电路（一）开关量输入电路（一）开关量输入电路 开关量输入电路包括：断路器和隔离开关的辅助开关量输入电路包括：断路器和隔离开关的辅助触点，某些数值的限内或越限以及人机联系的功触点，某些数值的限内或越限以及人机联系的功能键的状态，跳合闸位置继电器接点，有载调压能键的状态，跳合闸位置继电器接点，有载调压变压器分接头位置，装置上连接片位置、轻瓦斯、变压器分接头位置，装置上连接片位置、轻瓦斯、重瓦斯继电器接点。
重瓦斯继电器接点§（（1 1）安装在装置面板上的接点）安装在装置面板上的接点 §（（2 2）从装置外部经过端子排引入装置的接点）从装置外部经过端子排引入装置的接点 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道图图2-25 2-25 开关量输入电路原理图开关量输入电路原理图（（a a）装置内接点输入电路）装置内接点输入电路 （（b b）装置外接点输入电路）装置外接点输入电路 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道（二）开关量输出电路（二）开关量输出电路开关量输出主要包括自动装置的跳闸出口以及信号开关量输出主要包括自动装置的跳闸出口以及信号图图2-26 2-26 装置开关输出回路接线图装置开关输出回路接线图0 01 10 0 2.4 2.4 变电站开关量输入及输出通道变电站开关量输入及输出通道§设置反相器设置反相器B1B1和与非门和与非门H1H1的作用？的作用？§设置反相器设置反相器B1B1和与非门和与非门H1H1而不将发光二极而不将发光二极管直接同并行口相连，一方面是因为并行管直接同并行口相连，一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管，另一方面是因为采用与非门后要满足管，另一方面是因为采用与非门后要满足两个条件才能使两个条件才能使K K动作，增强了抗干扰能力。
动作，增强了抗干扰能力 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式一、典型的数字量输入一、典型的数字量输入/ /输出接口电路输出接口电路 外部设备与外部设备与CPUCPU交换信息必须通过输入交换信息必须通过输入/ /输出接口电路输入输出接口电路输入/ /输出的信息有输出的信息有数据、数据、状态和控制状态和控制三类不同的信息，为了区别不三类不同的信息，为了区别不同类型的信息需设置不同的端口同类型的信息需设置不同的端口 因此一个典型的数字量输入因此一个典型的数字量输入/ /输出接口电输出接口电路必须包括路必须包括数据端口、状态端口和控制端数据端口、状态端口和控制端口口, ,如图如图2-272-27所示 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式图图2-27 2-27 典型的数字量输入典型的数字量输入/ /输出接口电路输出接口电路选通不同端口选通不同端口选择某个外设选择某个外设决定信息读写决定信息读写 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式二、二、CPUCPU对数字量输入对数字量输入/ /输出的控制方式输出的控制方式 同步传递方式、查询传递方式、中断控制方式和同步传递方式、查询传递方式、中断控制方式和直接存储器访问方式直接存储器访问方式（（1 1）同步传递方式（无条件程序控制方式））同步传递方式（无条件程序控制方式）§这种控制方式这种控制方式只适合于只适合于CPUCPU与比较简单而且其数与比较简单而且其数据状态变化速度缓慢或变化速度是固定的外设交据状态变化速度缓慢或变化速度是固定的外设交换信息时采用。
换信息时采用如：如：7 7段码显示、开关、隔离开段码显示、开关、隔离开关、断路器、继电器、发光二极管等关、断路器、继电器、发光二极管等§CPUCPU与外设传送数据时必须保证同步，即执行输与外设传送数据时必须保证同步，即执行输入命令时，外设一定是准备好的，执行输出操作入命令时，外设一定是准备好的，执行输出操作时，外设一定是空的时，外设一定是空的 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式图图2-28 2-28 同步传递输入方式同步传递输入方式图图2-29 2-29 同步传递输出方式同步传递输出方式问题：问题：什么是缓冲器？什么是锁存器，二者有何什么是缓冲器？什么是锁存器，二者有何 区别？区别？ 0 00 00 0 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式（（2 2）查询传递方式（条件传递方式））查询传递方式（条件传递方式）§一些数据变化不规则的外设，如果传送数据一些数据变化不规则的外设，如果传送数据时，时，CPUCPU不与外设同步，则传送数据便要出不与外设同步，则传送数据便要出错，为此采用查询传送方式查询传送方式错，为此采用查询传送方式。
查询传送方式能使能使CPUCPU能与各种速度的外设配合工作能与各种速度的外设配合工作§查询的优点：在简化硬件接口的情况下，传查询的优点：在简化硬件接口的情况下，传送数据更加准确，控制程序容易编制送数据更加准确，控制程序容易编制§缺点：缺点：CPUCPU需要不断的查询外设的状态，占需要不断的查询外设的状态，占用了用了CPU CPU 的工作空间的工作空间§适用于适用于CPUCPU与单个或较少外设交换信息与单个或较少外设交换信息 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式图图2-30 2-30 查询式输入接口电路查询式输入接口电路图图2-312-31查询式输入程序流图查询式输入程序流图 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式图图2-32 2-32 查询式输出接口电路查询式输出接口电路图图2-33 2-33 查询式输出程序流图查询式输出程序流图 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式（（3 3）中断控制方式）中断控制方式§能提高能提高CPUCPU工作效率和及时处理外设的请求，工作效率和及时处理外设的请求，可与多个外设同时工作。
可与多个外设同时工作 §中断：指中断：指CPUCPU暂时中止其正在执行的程序，暂时中止其正在执行的程序，转至执行请求中断的某个外部设备或事件转至执行请求中断的某个外部设备或事件的服务、程序，待处理完毕后再返回原来的服务、程序，待处理完毕后再返回原来中止的程序顺序进行（程序在执行过程中中止的程序顺序进行（程序在执行过程中由于外界的原因而中间打断的情况）称中由于外界的原因而中间打断的情况）称中断 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式 当当CPUCPU需要与外设交换信息时，需要与外设交换信息时，若外设要输入若外设要输入CPUCPU的数据已准备好，的数据已准备好，存放于寄存器中，或在输出时，存放于寄存器中，或在输出时，若外设已把数据取走，即输出寄若外设已把数据取走，即输出寄存器已空，则由外设向存器已空，则由外设向CPUCPU发出中发出中断请求，断请求，CPUCPU接到外设的申请后，接到外设的申请后，若没有更重要的处理，若没有更重要的处理，CPUCPU就暂停就暂停当前执行的程序（即实现中断），当前执行的程序（即实现中断），转去执行输入或输出操作（称中转去执行输入或输出操作（称中断服务），待输入或输出操作完断服务），待输入或输出操作完成后即返回，成后即返回，CPUCPU再继续执行原来再继续执行原来的程序。
的程序现行程序现行程序中断服务中断服务程序程序继续执行继续执行中断示意图中断示意图 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式（（4 4）直接存储器访问方式）直接存储器访问方式§外设与内存之间，外设与外设之间进行数外设与内存之间，外设与外设之间进行数据传送时，要经过据传送时，要经过CPUCPU中转，这对高速外设中转，这对高速外设（如磁盘）在进行大批量数据传送时，会（如磁盘）在进行大批量数据传送时，会造成中断次数过于频繁，这不仅影响速度造成中断次数过于频繁，这不仅影响速度而且耗费大量而且耗费大量CPUCPU的时间，故采用直接存储的时间，故采用直接存储器访问方式器访问方式§由由DMADMA来实现内存与外设，或外设与外设之来实现内存与外设，或外设与外设之间的直接快速传送，减轻了间的直接快速传送，减轻了CPUCPU的负担 2.5 2.5 数字量的输入输出控制方式数字量的输入输出控制方式 上述的四种控制方式在一个微机系统中上述的四种控制方式在一个微机系统中可能全被选用在不同的信息传送过程中，可能全被选用在不同的信息传送过程中，也可能只选用其中的二、三种，这需根据也可能只选用其中的二、三种，这需根据不同的硬件结构及接口功能来选择，应具不同的硬件结构及接口功能来选择，应具体问题具体分析。
体问题具体分析 第六节第六节 脉冲量输入电路脉冲量输入电路§电度（能）表按原理分为分别为电度（能）表按原理分为分别为感应电能表、感应电能表、电子式电能表、机电脉冲式电子电能表电子式电能表、机电脉冲式电子电能表§一、感应式（机械式）电能表一、感应式（机械式）电能表§感应式电能表是以电磁感应为基础的，用来计量电感应式电能表是以电磁感应为基础的，用来计量电能的一种专用仪表，由于它使用的全是机械部件，能的一种专用仪表，由于它使用的全是机械部件，所以又称机械式电能表所以又称机械式电能表§它主要由计度器、转动元件、驱动元件、制动磁铁、它主要由计度器、转动元件、驱动元件、制动磁铁、上下轴承、基架、端钮盒等组成上下轴承、基架、端钮盒等组成§转动的速度和输入的功率成正比转动的速度和输入的功率成正比 第六节第六节 脉冲量输入电路脉冲量输入电路§二、电子式电能表二、电子式电能表§电子式电能表是以微电子电路为基础的用来计量电子式电能表是以微电子电路为基础的用来计量电能的一种专门仪表，由于没有转动元件又称静电能的一种专门仪表，由于没有转动元件又称静止式电能表止式电能表§工作原理：工作原理： 高电压高电压 低电压低电压 大电流大电流 小电流小电流 （脉冲信号的频率正比于被测功率）。
脉冲信号的频率正比于被测功率）§这样，在单位时间内对脉冲计数，就可测得功率这样，在单位时间内对脉冲计数，就可测得功率大小通过计数、显示、控制器将与功率成正比大小通过计数、显示、控制器将与功率成正比的标准脉冲累计起来就可测得电能值，并显示出的标准脉冲累计起来就可测得电能值，并显示出来脉冲信号脉冲信号 第六节第六节 脉冲量输入电路脉冲量输入电路§三、机电脉冲式电子电能表三、机电脉冲式电子电能表§由由机械部件机械部件( (即感应系测量机构即感应系测量机构) )和和电子元器件电子元器件( (即即光电转换器、分频器及计数器组成部分光电转换器、分频器及计数器组成部分) )两部分组两部分组成的电能表，称之为机电式电能表成的电能表，称之为机电式电能表§感应系测量机构的主要功能感应系测量机构的主要功能，是将电能信号转变为，是将电能信号转变为转盘的转数，其工作原理同感应式电能表一样转盘的转数，其工作原理同感应式电能表一样§光电转换器的功能光电转换器的功能是将正比于电能的转盘转数转换是将正比于电能的转盘转数转换为电脉冲为电脉冲§分频器和计数器的主要功能分频器和计数器的主要功能是将经光电转换成的脉是将经光电转换成的脉冲信号进行分频、计数，从而得到所用的电能量。
冲信号进行分频、计数，从而得到所用的电能量 第六节第六节 脉冲量输入电路脉冲量输入电路§ 电能的计量的常用方法电能脉冲计量法，电能的计量的常用方法电能脉冲计量法，即电能表转盘每转动一圈便输出一个或两即电能表转盘每转动一圈便输出一个或两个脉冲，用输出的脉冲数代替转盘转动的个脉冲，用输出的脉冲数代替转盘转动的圈数，并将脉冲量通过计数器计数后输入圈数，并将脉冲量通过计数器计数后输入微机系统，由微机系统，由CPUCPU进行存储、计算进行存储、计算 § 转盘式脉冲电度表发送的脉冲数与转盘转盘式脉冲电度表发送的脉冲数与转盘所转的圈数即电度量成所转的圈数即电度量成正比正比将脉冲量数将脉冲量数累计，再乘以系数就得到相应的电度量累计，再乘以系数就得到相应的电度量 第六节第六节 脉冲量输入电路脉冲量输入电路 为了防止读取计数器的累为了防止读取计数器的累计值时不应妨碍正常计数计值时不应妨碍正常计数工作因而采用工作因而采用两套计数两套计数器§正常计数时，主副计数器正常计数时，主副计数器保持一致保持一致§收到统一读数的收到统一读数的“电度冻电度冻结结”命令时，副计数器就命令时，副计数器就停止更新，保持当前的数停止更新，保持当前的数据不变，而主计数器仍照据不变，而主计数器仍照常计数。
常计数 §“解冻解冻”命令到达时，副命令到达时，副计数器又重新计数，两者计数器又重新计数，两者保持一致保持一致图图2-35 2-35 脉冲计数脉冲计数 器工作流程图器工作流程图 第六节第六节 脉冲量输入电路脉冲量输入电路图图2-37 2-37 脉冲量计数原理图脉冲量计数原理图 下面以下面以PWSPWS型综合自动化系统脉冲量计数电路图为型综合自动化系统脉冲量计数电路图为例，说明计数电路的工作原理例，说明计数电路的工作原理 计数计数器器 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路 人机对话的主要内容有：人机对话的主要内容有：显示画面与数据、输入显示画面与数据、输入数据、人工控制操作和诊断与维护数据、人工控制操作和诊断与维护§（（1 1）显示画面与数据包括时间日期、报警画面与）显示画面与数据包括时间日期、报警画面与提示信息、装置工作状态显示、装置整定值、控制提示信息、装置工作状态显示、装置整定值、控制系统的配置显示和控制系统的设定显示等系统的配置显示和控制系统的设定显示等§（（2 2）输入数据包括运行人员的代码和密码，运行）输入数据包括运行人员的代码和密码，运行人员的秘密更改、置整定值得更改、控制范围及设人员的秘密更改、置整定值得更改、控制范围及设定的变化、报警界限、告警设置与退出、手动定的变化、报警界限、告警设置与退出、手动/ /自自动设置和趋势控制等。
动设置和趋势控制等 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路§（（3 3）人工控制操作包括断路器及隔离开关操作、开）人工控制操作包括断路器及隔离开关操作、开关操作排序、变压器分接头位置控制、控制闭锁与关操作排序、变压器分接头位置控制、控制闭锁与允许、装置的投入与退出、设备运行允许、装置的投入与退出、设备运行/ /检修的设置、检修的设置、当地当地/ /远方控制的选择和信号复归等远方控制的选择和信号复归等§（（4)4)诊断和维护包括故障数据记录显示、统计误差诊断和维护包括故障数据记录显示、统计误差显示和诊断检测功能的启动显示和诊断检测功能的启动 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路 按功能划分，人机对话的硬件电路主要包按功能划分，人机对话的硬件电路主要包括：括：键盘响应电路、液晶显示电路、打印键盘响应电路、液晶显示电路、打印机的接口电路和硬件自动复位电路机的接口电路和硬件自动复位电路一）键盘响应电路（一）键盘响应电路功能有两种：功能有两种：§（（1 1）修改现场参数的数字键）修改现场参数的数字键§（（2 2）完成某种操作或某种控制功能的功能）完成某种操作或某种控制功能的功能键键 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路§就键盘而言，就键盘而言，有编码键盘和非编码键盘有编码键盘和非编码键盘，在简单的，在简单的控制系统中，也可用一组控制系统中，也可用一组按钮开关作为功能键按钮开关作为功能键（用（用中断查询方式加以识别）。
非编码键盘以矩阵方式中断查询方式加以识别）非编码键盘以矩阵方式组合，需要对键盘设置特征码，常采用扫描方式进组合，需要对键盘设置特征码，常采用扫描方式进行识别图行识别图2-382-38的键盘响应电路采用非编码矩阵式的键盘响应电路采用非编码矩阵式键盘§键盘响应处理包括以下三个内容：键盘响应处理包括以下三个内容：§（（1 1）落键识别）落键识别§（（2 2）键号的识别）键号的识别§（（3 3）落键处理）落键处理 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路图图2-38 2-38 键盘响应电路原理图键盘响应电路原理图 00 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路§图图2-392-39是以一组开关作为功能键的按键电路原理图是以一组开关作为功能键的按键电路原理图 图图2-39 2-39 按键电路原理图按键电路原理图 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路表表2-1 2-1 按键真值表按键真值表消抖方法：消抖方法：采用软件延时采用软件延时10ms10ms左右，等候按键通左右，等候按键通断引起的抖动消失断引起的抖动消失 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路二、液晶显示电路二、液晶显示电路显示的模式：显示的模式：（（1 1））液晶显示液晶显示(LCD):(LCD):结构简单、体积小、功结构简单、体积小、功耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，耗低，响应速度快，易于匹配，寿命长，可靠性高。
可靠性高2 2））七段码显示七段码显示( (二极管二极管LED):LED):低功耗低功耗（（3 3））CRTCRT显示终端显示终端（（4 4））大屏幕显示器大屏幕显示器 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路§液晶显示必须有液晶显示必须有相应的相应的LCDLCD控制器控制器及一定空间的及一定空间的ROM(RAM)ROM(RAM)，显示，显示模块就是把模块就是把LCDLCD控控制器和制器和ROMROM（（RAMRAM）及）及LCDLCD的显示印刷板连的显示印刷板连在一起的产品在一起的产品液晶显示电路如液晶显示电路如图图2-402-40所示图图2-402-40液晶显示模块硬件液晶显示模块硬件电路图电路图控制控制线线 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路§如如VLCM320240BVLCM320240B液晶显示模块，点数为液晶显示模块，点数为320320××240,240,采采用用5V5V供电该液晶显示器模块由单片机串行控制，供电该液晶显示器模块由单片机串行控制，内含内含512KB Flash512KB Flash显示资料闪存，最多可存放五十显示资料闪存，最多可存放五十幅整屏资料，同时内有幅整屏资料，同时内有GB_2312GB_2312二级字库和二级字库和127127个半个半角角ASCIIASCII码可供调用。
另外码可供调用另外VLCM320240BVLCM320240B液晶显示模液晶显示模块还配备块还配备Visual LCMVisual LCM可视化仿真软件，通过它可在可视化仿真软件，通过它可在电脑上独立完成显示界面的编辑、资料下载及界面电脑上独立完成显示界面的编辑、资料下载及界面生成液晶显示接口电路液晶显示接口电路 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路以许继电气公司的以许继电气公司的35kV35kV及以上主变得微机保护箱为例及以上主变得微机保护箱为例说明液晶显示界面的内容：说明液晶显示界面的内容： §about… 装置型号、版本号、日期装置型号、版本号、日期§time：显示当前实时时间；：显示当前实时时间；§chang time：设置实时时间：设置实时时间 §display rundata：显示实时运行参数：显示实时运行参数§display reports：显示保护动作信号：显示保护动作信号§change setting：整定值修改：整定值修改 §change password：更改密码：更改密码 §trip test：出口传动试验：出口传动试验§clear reports：清除保护动作报告记录：清除保护动作报告记录 WBH-152 XJ elec corpCR main_menu 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路三、打印机接口电路三、打印机接口电路 打印机与微处理器的联络主要有两个方面的内容：打印机与微处理器的联络主要有两个方面的内容：一是数据线之间联系的接口电路；二是打印机与一是数据线之间联系的接口电路；二是打印机与微处理器的应答控制信号之间的接口电路设计。
微处理器的应答控制信号之间的接口电路设计0 00 01 1 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路图图2-41 2-41 打印机接口电路图打印机接口电路图 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路四、复位电路四、复位电路上电复位上电复位断电后复位断电后复位发生故障复位发生故障复位硬件自动复位：硬件自动复位：防止人机接口防止人机接口CPUCPU程序出轨而装设程序出轨而装设 看门狗复位：看门狗复位：防止整个程序跑飞防止整个程序跑飞 开始工作时要求的，复位后使开始工作时要求的，复位后使单片机内的各寄存器进入规定单片机内的各寄存器进入规定的初始状态的初始状态复位电路复位电路 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路上电复位电路上电复位电路 R1 R1，，C1C1上电复位之用；上电复位之用； C2 C2，，R1R1是按键复位时构是按键复位时构成微分正脉冲电路；成微分正脉冲电路； C2 C2，，R2R2是复位完后放电，是复位完后放电，等待下一次复位按键等待下一次复位按键 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路图图2-42 2-42 硬件自动复位电路硬件自动复位电路 第七节第七节 人机对话电路人机对话电路§MC146818MC146818的的SWQSWQ端每隔端每隔500ms500ms发一个准脉冲给发一个准脉冲给1A1A，， 2QL2QL就计数一次，每隔一定时间通过就计数一次，每隔一定时间通过P1.6P1.6端定时端定时对对2QL2QL检测是否计数已满，如已满，通过检测是否计数已满，如已满，通过P1.7P1.7端端对计数器（对计数器（CLPCLP）清零。
如果接口插件由于程序）清零如果接口插件由于程序出轨，出轨，CPUCPU就不能对计数器正常检测清零，那么就不能对计数器正常检测清零，那么经过一定的时间，经过一定的时间，74LS39374LS393计数器因计数溢出，计数器因计数溢出，将通过其将通过其2QD2QD端向端向80318031发复位信号，使接口插件发复位信号，使接口插件重新投入正常工作重新投入正常工作 本章小结本章小结 本章主要讲述变电站综合自动化系统本章主要讲述变电站综合自动化系统硬件结硬件结构、模拟量输入输出电路、开关量输入及输出通构、模拟量输入输出电路、开关量输入及输出通道、脉冲量输入电路、人机对话回路道、脉冲量输入电路、人机对话回路，，数字量的数字量的输入输出控制方式输入输出控制方式以及硬件的数字核心部分以及硬件的数字核心部分 2次作业：次作业： 1 1、画出变电站综合自动化系统的典型硬件结构，、画出变电站综合自动化系统的典型硬件结构，并简述各部分的功能并简述各部分的功能 2 2、叙述变电站自动化系统的基本功能叙述变电站自动化系统的基本功能重点重点掌握掌握掌握掌握 。