目前，在作為微機(jī)保護(hù)心臟的微處理器中，一般采用高性能單片機(jī)（如InteI公司的87（：196CB，87C196NT）、數(shù)字信號(hào)處理器DSP（如TI公司的TMS320F2812）和可編程邏輯器件PLD（如Xilink公司的XC9572）等來(lái)提高繼電保護(hù)的處理速度。但是，隨著繼電保護(hù)向著多功能、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*這些要求，如使用多種通信方式去實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)調(diào)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(shè)計(jì)出的嵌人式主模板，能夠滿足多種通信方式的要求，而且其處理速度和實(shí)現(xiàn)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。
     
     
    1MCF5282微處理器的主要特點(diǎn) 
     
    MCF5282微處理器是迄今為止MOTOROLA推出的高集成度的ColdFire系列32位微處理器，內(nèi)含有2 KB的高速緩沖存儲(chǔ)器Cache、64 KB的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和512KB的閃存Flash，其I／0口總數(shù)達(dá)到152個(gè)。它還采用智能DigjtalDNA技術(shù)，在66 MHz下工作速度為59Dhrystone2．1 MIPS。此外，MCF5282微處理器還具有新型設(shè)備：
     
    ◆快速以太網(wǎng)媒體存取控制（MAC），支持100 MbpsMII，10 Mlaps MII和10 Mbps 7線實(shí)際接口，它使以太網(wǎng)連接從板級(jí)擴(kuò)展到芯片級(jí)，這是MCF5282區(qū)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(tǒng)總線模塊。
     
    ◆CAN 2．0B標(biāo)準(zhǔn)接口模塊。
     
    ◆4個(gè)32位的DMA定時(shí)／計(jì)數(shù)器、8個(gè)16位通用定時(shí)／計(jì)數(shù)器、4個(gè)周期中斷定時(shí)／計(jì)數(shù)器。
     
    ◆8路10位A／D轉(zhuǎn)換器模塊（QADC）。
     
    ◆DMA控制模塊，可對(duì)8位、16位、32位的數(shù)據(jù)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(jí)中斷，每級(jí)又有9個(gè)中斷源，共可管理126個(gè)中斷源。
     
    ◆帶沖突檢測(cè)的復(fù)位控制模塊。
     
    ◆電源管理模塊（PWW）共有四種運(yùn)行模式：Run．Wait，Doze-和Stop。   
     
    2微機(jī)保護(hù)裝置的嵌入式主模板 
     
    2．1微機(jī)保護(hù)裝置的工作原理 
     
    由待保護(hù)系統(tǒng)送來(lái)的電流電壓信號(hào)，經(jīng)電流電壓互感器變換后產(chǎn)生低電壓信號(hào)（±10 V內(nèi)）送入主模板。主模板內(nèi)的MCF5282微處理器運(yùn)行片內(nèi)的保護(hù)軟件，進(jìn)行信號(hào)采樣，完成各種數(shù)值運(yùn)算、分析及處理，從而確定待保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)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(hào)，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的；同時(shí)，由各種通信方式將保護(hù)動(dòng)作信息送入管理模板和上位機(jī)，記錄、保存數(shù)據(jù)并報(bào)警，完成微機(jī)保護(hù)裝置的工作過(guò)程。
     
    2. 2MCF5282構(gòu)成的嵌入式主模板 
     
    筆者在設(shè)計(jì)110 kV高電壓的微機(jī)保護(hù)裝置中，選擇以MCF5282為核心，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的硬件主模板。它主要由數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)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(duì)MCF5282與各個(gè)部分的連接及工作原理加以敘述。
     
    2.2.1MCF5282電路 
     
    為提高主模板的可靠性，應(yīng)盡量減少M(fèi)CF5282的外圍器件，設(shè)計(jì)MCF5282以單片方式運(yùn)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(tǒng)的復(fù)位電路采用帶電源監(jiān)視的復(fù)位電路芯片IMP706R，在裝置上電、電源電壓異常、手動(dòng)復(fù)位和程序運(yùn)行混亂或超時(shí)而產(chǎn)生“死鎖”時(shí)可使系統(tǒng)復(fù)位，其電路如圖2所示。     
     
    2.2.2存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)采樣電路 
     
    存儲(chǔ)器選用2片F(xiàn)Ml8L08，數(shù)據(jù)采樣選用AD976A，兩種器件的數(shù)據(jù)線、地址線共用，控制線除片選線外，其他線共用。MCF5282微處理器中的軟件以I／O端口方式操作這些信號(hào)線。     
     
    FMl8L08是采用的鐵電技術(shù)制造的32 KB非易失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器FRAM，其數(shù)據(jù)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(shù)多使得它比其他非易失性存儲(chǔ)器具有更高的優(yōu)勢(shì)。FMl8L08與MCF5282的連接如圖3所示，2片F(xiàn)Ml8L08采用并聯(lián)的方式構(gòu)成32 K×16位的存儲(chǔ)器．它可以進(jìn)行8位和16位的數(shù)據(jù)操作。MCF5282片內(nèi)已有64 KB的隨機(jī)存儲(chǔ)器，足以存放嵌入式系統(tǒng)中軟件處理的各種數(shù)據(jù)，擴(kuò)展FMl8L08的主要目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄波和動(dòng)作參數(shù)的存放。
     
    MCF5282中有8路10位隊(duì)列式A／D轉(zhuǎn)換器模塊（QAE）C），但其路數(shù)和精度均達(dá)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(gòu)成31路16位、信號(hào)范圍為土10 V的數(shù)據(jù)采集電路。
     
    AD3976A是ADI公司生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其分辨率為16位，高采樣速率可達(dá)200 ksps，它是采用電荷重分布技術(shù)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)逼近型ADC簡(jiǎn)單，且不再需要完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為核心。由于電容網(wǎng)絡(luò)直接使用電荷作為轉(zhuǎn)換參量，而且這些電容已經(jīng)達(dá)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，交、直流信號(hào)分別采用傳統(tǒng)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(shè)計(jì)了34路的開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入和17路開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)。每一路開(kāi)關(guān)量輸入均通過(guò)光隔芯片TLP521，再到達(dá)MCF5282的I／O端口。控制軟件由MCF5282的I／0口送出輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)74LVXC3245和ULN2004兩級(jí)驅(qū)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(jù)MCF5282微處理器的通信端口，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)、CAN、RS一232和RS—485通信的外圍電路，構(gòu)成多種通信方式與上位機(jī)系統(tǒng)和管理模板進(jìn)行信息交流。CAN、RS一232和RS一485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。為了滿足用戶的需要，設(shè)計(jì)有以太網(wǎng)通信，外圍驅(qū)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總線接口的時(shí)鐘芯片PCF8563和1片I2C總線接口存儲(chǔ)器芯片24LC256，它們都掛接在MCF5282微處理器的12C總線上，如圖5所示。PCF8563是Phlips公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)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(tǒng)的硬件主模板有長(zhǎng)時(shí)期穩(wěn)定的時(shí)間信號(hào)。24LC256是一個(gè)256。KB的串行E2PROM，可用電擦除，主要作用是存放嵌入式系統(tǒng)的軟件在運(yùn)行過(guò)程中所需要的重要參數(shù)，例如保護(hù)定值等。   
     
    3軟件實(shí)現(xiàn) 
     
    軟件程序的整體結(jié)構(gòu)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(yùn)行主程序，每周期（正弦波）采樣24點(diǎn)，每執(zhí)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DIl是否動(dòng)作。如果DI1不動(dòng)作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，正常返回主程序；如果DI1動(dòng)作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，轉(zhuǎn)入執(zhí)行故障處理程序，完成相應(yīng)保護(hù)功能，直到整組復(fù)歸

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