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目前，在作為微機保護心臟的微處理器中，一般采用高性能單片機（如Intel公司的87C196CB，87C196CB，78C196NT），數字信號處理器DSP（如TI公司的TMS320F2812）和可編程邏輯器件PLD（如Xilinx公司的XC9572）等來(lái)提高繼電保護的處理速度，但是，隨著(zhù)繼電保護向著(zhù)多功能、智能化、可視化的方向發(fā)展，上述幾種單一的芯片已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足這些要求，如使用多種通信方式去實(shí)現組網(wǎng)調度。在本文中將介紹一種新型嵌入式微處理器MCF5282以及由它設計出的嵌入式主模板，能夠滿(mǎn)足多種通信方式的要求，而且其處理速度和實(shí)現多通道交直流采樣的精度比起上述三類(lèi)芯片都要高得多，其實(shí)時(shí)性也更完美。 1 MCF5282微處理器的主要特點(diǎn) MCF5282微處理器是迄今為止Motorola推出的最高集成度的ColdFir系列32位處理器，內含有2KB的高速緩沖存儲器Ca che、64KB的隨機存儲器RAM和512KB的閃存Flash，其I/O口總數達到152個(gè)，它還采用智能DigitalDNA技術(shù)，在66MHz下工作速度為59Dhrystone2.1 MIPS。此外，MCF5282微處理器還具有新型設備。 快速以太網(wǎng)媒體存取控制（MAC），支持100 Mbps MII，10 Mbps MII和10 Mbps7線(xiàn)實(shí)際接口，它使以太網(wǎng)連接從板級擴展到芯片級，這是MCF5282區別于其他類(lèi)型處理器的特色之一。 QSPI模塊，提供帶有序列傳輸性能的串行外圍接口。 3個(gè)通用異步串行接口模塊UART。 I2C系統總線(xiàn)模塊。 CAN2.0B標準接口模塊。 4個(gè)32位的DMA定時(shí)/計數器、8個(gè)16位通用定時(shí)/計數器，4個(gè)周期中斷定時(shí)/計數器。 8路10位A/D轉換器模塊（QADC）。 DMA控制模塊、可對8位、16位、32位的數據進(jìn)行操作。 2個(gè)中斷控制模塊、每個(gè)中斷控制模塊可管理7級中斷，每級又有9個(gè)中斷源，共可管理126個(gè)中斷源。 帶沖突檢測的復位控制模塊。 電源管理模塊（PWW）共有四種運行模式：Run，Wait，Doze和Stop。 2 微機保護裝置的嵌入式主模板 2.1 微機保護裝置的工作原理 由待保護系統送來(lái)的電流電壓信號，經(jīng)電流電壓互感器變換后產(chǎn)生低電壓信號（±10V內）送入主模板，主模板內的MCF522微處理器運行片內的保護軟件，進(jìn)行信號采樣，完成各種數值運算、分析及處理，從而確定待保護系統的運行狀態(tài)，如有故障，則由MCF5282經(jīng)輸出模板發(fā)出跳閘動(dòng)作信號，達到保護系統的目的，同時(shí)，由各種通信方式保護動(dòng)作信息送入管理模板和上位機，記錄、保存數據并報警，完成微機保護裝置的工作過(guò)程。 2.2 MCF5282構成的嵌入式主模板 筆者在設計110kV高電壓的微機保護裝置中，選擇以MCF5282為核心，構成嵌入式硬件主模板，它主要由數據采樣、存儲器，開(kāi)關(guān)量輸入輸出，通信以及串行時(shí)鐘和E2PROM等電路組成，如圖1所示。 以下將對MCF5282與各個(gè)部分的連接及工作原理加以敘述。 2.2.1 MCF5282電路 為提高主模板的可靠性，應盡量減少MC5282的外圍器件，設計MCF5282以單片方式運行，MCF5282采用I/O端口或功能端口，與外部進(jìn)行信息交換，系統的復位電路采用帶電源監視的復位電路芯片IMP706R，在裝置上電，電源電壓異常，手動(dòng)復位和程序運行混亂或超時(shí)而產(chǎn)生"死鎖"時(shí)可使系統復位，其電路如圖2所示。 2.2.2 存儲器和數據采樣電路 存儲器選用2片FM18L08，數據采樣選用AD976A，兩種器件的數據線(xiàn)、地址線(xiàn)共用，控制線(xiàn)除片選線(xiàn)外，其他線(xiàn)共用，如圖3所示，MCF5282微處理器中的軟件以I/O端口方式操作這些信號線(xiàn)。 FM18L08是采用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造的32KB非易失性鐵電隨機存儲器FRAM，其數據掉電后可以保存10年之久。它的高速寫(xiě)操作以及擦寫(xiě)次數多使得它比其他非易失性存儲器具有更高的優(yōu)勢。FM18L08與MCF5282的連接如圖3所示，2片FM18L08采用并聯(lián)的方式構成32K×16位的存儲器，它可以進(jìn)行8位和16位的數據操作，MCF5282片內已有64KB的隨機存儲器，足以存放嵌入式系統中軟件處理的各種數據，擴展FM18L08的主要目的是實(shí)現數據濾波和動(dòng)作參數的存放。 MCF5282中有8路10位隊列式A/D轉換器模塊（QADC），但其路數和精度均達不到要求，因此采用了2片美信公司的16選1模擬電子開(kāi)關(guān)芯片MAX306與AD976A構成的 31路16位、信號范圍為±10V的數據采集電路。 AD976A是ADI公司生產(chǎn)的模數轉換器，其分辨率為16位，最高采樣速率可達到200ksps，它是采用電荷重分布技術(shù)的逐次逼近型模數轉換器，其結構比傳統逼近型ADC簡(jiǎn)單，且不再需要完整的模數轉換器作為核心，由于電容網(wǎng)絡(luò )直接使用電荷作為轉換參量，而且這些電容已經(jīng)達到了采樣電容的作用，因而不必另加采樣保持器，從而大大簡(jiǎn)化了前置電路，在濾波電路中，直流信號分別采用傳統的RC和RLC濾波電路進(jìn)行濾波。 2.2.3 開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路 MCF5282主模板設計了34路的開(kāi)關(guān)量信號輸入和17路開(kāi)關(guān)輸出信號，每一路開(kāi)關(guān)量輸入均通過(guò)光隔芯片TLP521，再到達MCF5282的I/O端口，控制軟件由MCF5282的I/O口送出輸出信號，經(jīng)過(guò)74LVXC3245和ULN2004兩級驅動(dòng)器，控制輸出模板中的繼電器，如圖4所示。 2.2.4 通信電路 根據MCF5282微處理器的通信端口，設計了以太網(wǎng)、CAN、RS－232和RS－485通信的外圍電路，構成多種通信方式與上位機系統和管理模塊進(jìn)行信息交流。CAN、RS－232和RS－485通信的收發(fā)器分別使用PCA82C250、MAX3232和MAX485，為了提高通信質(zhì)量，中間用光電隔離器件6N137進(jìn)行隔離，為了滿(mǎn)足高端用戶(hù)的需要，設計有以太網(wǎng)通信，外圍起動(dòng)芯片選用VT6103芯片。 2.2.5 串行時(shí)鐘和E2PROM電路 筆者選擇1片I2C總線(xiàn)接口的時(shí)鐘芯片PCF8563和1片I2C總線(xiàn)接口存儲器芯片24LC256，它們都掛接在MCF5282微處理器的I2C總線(xiàn)上，如圖5所示，PCF8563是Philips公司設計生產(chǎn)的工業(yè)級實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有功耗低，精度高的特點(diǎn)，使嵌入式系統的硬件主模板有長(cháng)時(shí)期穩定的時(shí)間信號，24LC256是一個(gè)256KB的串行E2PROM，可用電擦除，主要作用是存放嵌入式系統的軟件在運行過(guò)程中所需要的重要參數，例如保護定值等。 3 軟件實(shí)現 軟件程序的整體結構主要包括主程序、采樣中斷服務(wù)程序和故障處理程序，正常運行主程序，每周期（正弦波）采樣24點(diǎn)，每執行一次采樣中斷服務(wù)程序并判斷相電流差突變量啟動(dòng)元件DI1是否動(dòng)作，如果DI1不動(dòng)作，采樣中斷程序執行完后，正常返回主程序；如果DI1動(dòng)作，采樣中斷程序執行完后，轉入執行故障處理程序，完成相應保護功能，直到整組復歸，返回正常運行的主程序，程序流程如圖6所示。 4 小結 本文介紹了利用微處理器MCF5282構成的嵌入式保護裝置的主模塊及其與外圍電路的連接，由于此模塊中采樣電路是多通道高速采樣，所以要合理地設計參考電壓VREF。在設計PCB板時(shí)，要注意合理布局和設置良好的靜電屏蔽，以防電磁干擾問(wèn)題，另外，在開(kāi)關(guān)量輸入、輸出控制以及各種控制信號線(xiàn)中，可根據PCB布線(xiàn)的遠近，靈活選擇MCF528的I/O口，決不拘泥于某種固定的連接方式，這也是選用MCF5282處理器的原因之一。將上述設計的嵌入式主板外加其他模板可配置成具有母線(xiàn)保護、線(xiàn)路保護、發(fā)電機保護和變壓器保護功能的微機保護裝置，此保護裝置已運用于實(shí)際的電力監控中（110KV），如發(fā)電機組、變電站和鐵路線(xiàn)上，且運行效果良好。 |
