第五章電力變壓器直流電阻測試儀的硬件設計和軟件設計

基于上一章所提出的助磁法結合恒流源的改進方法，本論文利用單片機進行了系統設計來實現電力變壓器直流電阻的快速測量。

5.1電力變壓器直流電阻測試儀的硬件設計

5.1.1系統整體結構

本裝置以80C196單片機為核心組成單片機控制單元，通過數據存儲器和I/O口擴展，完成測試與控制功能。本測試系統的總體結構如圖5-1所示

電源部分是通過一個開關電源產生單片機工作電源+5V和±12V，其中，繼電器工作電源+12V由變壓器降壓，整流橋整流產生。鍵盤只有四個按鍵，通過按鍵來實現功能選擇，完成測試、存儲和打印功能。測試結果通過LCD顯示輸出。

單片機控制單元主要由80C196單片機為核心，外部擴展程序存儲器EPROM27128，數據存儲器RAM6264和E2PROM2864，譯碼電路由兩片74LS138實現。地址鎖存由74LS373完成。I/O口擴展由一片8255實現，實現對打印機的控制，輸出繼電器的控制，鍵盤的輸入和液晶顯示的控制。

恒流源電路主要由恒流源的采樣電路、比較電路等，將交流電通過整流橋將交流電變為直流電，經電流調整和電流反饋，最后實現0.1A~10A范圍的穩流輸出。

測量回路主要由恒流源輸出穩定電流直接通過電力變壓器繞組，不接入標準電阻（將串入電阻用繼電器短接），測量充電電流，當充電電流達到設定值時將繼電器斷開，將電阻串入測量回路中。為了保證單片機供電穩定性，繼電器控制電源單獨供電。

由于繞組電感的存在，殘余電流對使用者和測試設備將構成威脅，因此必須有電流放電回路，電流放電回路由放電電阻和一個反向二極管構成，充電時二極管關斷，電源對繞組充電，斷電時二極管導通，繞組通過二極管和放電電阻放電。

5.1.2單片機控制單元電路

80C196單片機特別適用于各類自動控制系統，如工業過程控制系統，伺服系統，分布式控制系統，變頻調速電機控制系統等，還適用于一般的信號處理系統和高級智能儀器，以及高性能的計算機外部設備控制器和辦公自動化設備控制器，和MCS-51系列相比，80C196單片機在以下幾個方面提高了性能：CPU中的算術邏輯單元不采用常規的累加器結構，改用寄存器-寄存器結構CPU的操作直接面向256字節的寄存器。消除了一般CPU結構中存在的累加器的瓶頸效應，提高了操作速度和數據吞吐能力。

256字節寄存器中24字節是專用寄存器。其余232字節均為通用寄存器，其通用寄存器的數量遠比一般CPU的寄存器數量多。這樣就有可能為各中斷服務程序中的局部變量指定專門的寄存器，免除了中斷服務過程中保護寄存器現場和恢復寄存器現場所支付的軟件開銷，并大大方便了程序設計。

有一套效率更高，執行速度更快的指令系統。可以對帶符號數和不帶符號數操作；16位乘16位指令的執行時間為14個狀態周期，32位除16位指令的執行時間為26個狀態周期；還有符號擴展，數據規格化（用于浮點計算中）等指令。此外，三操作數指令大大提高了指令效率。

除上述幾點外80C196單片機還集成了更為豐富的外設裝置，如時鐘發生器，定時器/計數器，標準輸入/輸出口，全雙工異步串行輸入/輸出口，監視定時器（Watchdog），用于提高系統抗干擾能力，模擬/數字轉換器，高速輸入/輸出器，脈寬調制輸出等。

5.1.2.1地址分配與譯碼電路

80C196具有一個邏輯上完全統一的寄存器空間，即把程序存儲器空間，數據存儲器空間及I/O口統一編址，可尋址范圍為64KB.因此在應用系統的設計中，應全面考慮程序存儲器，數據存儲器的容量，占用的地址，I/O端口及其地址，以及其它芯片的擴展，并將它們合理進行安排。本裝置所用芯片較多，因此用譯碼法進行系統擴展，譯碼電路由兩片3/8譯碼器74LS138構成，如圖5-2所示

5.1.2.2外部存儲器的擴展
80C196沒有片內ROM，在進行應用系統設計時，必須進行外部程序存儲器擴展，以便用來存放用戶程序等。考慮到應用程序的大小，選用EPROM27128作為程序存儲器。在與80C196單片機的擴展連接中，EPROM的連線主要由三類：地址線，數據線和控制線。如圖5-3所示

在80C196單片機中，P4口被用作地址總線，負責傳遞高8位地址碼，P3口作地址/數據總線，當P3﹑P4共同指定地址后，P3還要成為數據總線。EPROM的控制線主要有：片選線﹑輸出允許線，片選線直接連接于Y1和Y2的相與輸出，地址為2000H—5FFFH，輸出允許線與讀選通信號直接相連。當EPROM的片選線為低，該芯片被選通，在讀信號有效期間，EPROM輸出允許有效，數據總線上為指定某單元的程序代碼，在讀信號的上升沿出現時，CPU讀入這一數據。

80C196單片機內部只有256字節的RAM，其中包括了24字節的SFR（專用寄存器），堆棧指針占用了2個字節，數據存儲器的容量遠遠不夠，因此需要進行外部數據存儲器擴展。本裝置選用6264作為外部數據存儲器。6264數據線和地址線的連接與EPROM的連接方法相同，控制線有兩個片選端和讀寫信號線。兩個片選端其中一個CS2接正電源VCC，另一個接片選信號Y3.

E²PROM是電可擦除的可編程只讀存儲器，它的主要優點是可以自動擦除并能在線改寫，且能在斷電情況下保存數據，而不需要保護電源。本裝置選用2864作為E²PROM，它的連接方法與RAM的連接方法相同。

5.1.2.3 I/O擴展電路

80C196單片機I/O口線不多，在本裝置中顯示器﹑鍵盤和繼電器的控制都需占用口地址，因此必須進行I/O口的擴展。8255在在單片機應用系統中廣泛采用，其內部包含有三個端口，具有三種工作方式，由于它編程選擇，使用靈活方便，通用性強。在本裝置中選用一片8255進行I/O口擴展。電路如圖5-4所示