（电力系统及其自动化专业论文）新型数字保护装置主板的应用研究.pdf

- 。屎理z 大掌硬研究生掌位论文 i i 结合数字保护设计要求，分析了传统的数字保护交流量采集单元 存在的问题，指出单一模数转换器( a d ) 的处理能力较差，v f c 型模 数转换器在高速高精度采样时，精度的提高是以扩大积分面积和延长 转换时间为代价的，m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 的片内a d 又不能满足精度要求， 最后介绍了新型保护装置所采用的集成芯片a d 7 8 9 0 ，它是一个集多路 转换开关、采样保持、a d 转换为一体的数据采集芯片，能满足保护 装置对速度和精度要求( 1 2 位精度、5 9 u s 转换时间) ，同时和s p i 接口简单，易于对其进行操作。 传统的开关量输出电路结构一般由并行接口、光电隔离和中间继 电器组成，光耦多，电路复杂，可靠性差，我们采用m c 3 3 2 9 1 作为开 出接口芯片，大大提高了保护动作的可靠性，提高了驱动能力，m c 3 3 2 9 1 的s p i 接口也简化了开出电路，减少了p c b 板面积。此外，交流量采 集完成后数据的处理将尤为重要，本文提出了用差分法消除傅氏所不 能滤除的衰减直流分量，采用傅氏和差分相结合的算法；对于保护中 经常遇到的开方运算，提出了逐次比较法对其进行计算。这些算法显 著提高了计算速度和精度。最后从软硬件方面介绍了整个装置所采取 的可靠性措施。 数字保护的发展趋势是高速化、智能化、一体化，本文所提出的 这些硬件和软件措施，对于数字保护技术来说，是一个比较大的突破 显著提高了数字保护装置快速性、经济性和抗干扰能力，对于电力系统 更安全可靠运行提供了有力的技术支持 关键词：数字保护，s p i 串行扩展，交流量采集，开出电路 a l z 掌* 究生学位* 衰 一1 1 1 t h ea p p l i c a t i o no fm a i nb o a r d i nn e wd i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e a b s t r a c t i ti su n a v o i d a b l et h a ta l ls o r t so ff a u l t sh a p p e ni nt h er u n n i n go f p o w e rs y s t e m s ，s o t h ei n s t a l l a t i o no f p r o t e c t i o n d e v i c e si ne l e c t r i c e q u i p m e n t si s ap o w e r f u lm e a s u r ef o rt h es a f e t yo fp o w e rs y s t e m s t h e d e v e l o p m e n t a lr e q u i r e m e n t o f p o w e rs y s t e m s a n dt h ec o n t i n u o u s a p p e a r a n c eo f n e wt e c h n o l o g ya r et h es o u r c eo f t h ee v o l u t i o n o f t h e t h e o r y a n d t e c h n o l o g y i n r e l a yp r o t e c t i o n o f p o w e rs y s t e m s w i t h t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , r e l a yp r o t e c t i o nh a se n t e r e di n t o d i g i t a la g e i nr e c e n t y e a r s ，t h e r e h a v e b e e n a b u n d a n t e x p e r i e n c e s i nt h e a p p l y i n ga n dd e v e l o p m e n t o f d i g i t a lp r o t e c t i o n c u r r e n td e v i c e sh a v eh i g h p e r f o r m a n c ei nr e l i a b i l i t y , e c o n o m ya n ds p e e d ，h o w e v e r , t h e r ea r es t i l l m a n yd i s a d v a n t a g e si nt h ee x i s t i n gm i c r o p r o c e s s o r b a s e dp r o t e c t i o nw i t h t h ei n c r e a s i n gm a t u r a t i o no fp o w e rs y s t e m s ，t h eg r o w i n gd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h eh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rp r o t e c t i o nd e v i c e s s ot h i sp a p e rp r e s e n t san e ws c h e m eo f u s i n gd o u b l ec p u ：c p u s i nm a i n b o a r da n d m a n a g i n gb o a r d a r el i n k e dv i ac a nb u s e s t h em a n a g i n gb o a r d r e a l i z e st h e p e r s o n c o m p u t e rd i a l o g s t h i sp a p e rw i l l i n t r o d u c em c u c h i p 、s p i 、d a t as a m p l i n g a n di t sa l g o r i t h m 、d i g i t a lo n t p n tc i r c u i ti nm a i n 太原理z 太掌硬士研究生掌位诗文 一i v b o a r da n da n t i - j a m m i n gm e t h o di nt h ed e v i c e m c ui st h ec o r eo f p r o t e c t i o nd e v i c e s ，m c u s i nb o t hm a n a g i n g a n dm a i nb o a r d sa r eb o t hm c 9 s 1 2 d g 2 5 6c h i p s t h ea p p l y i n go fs p i i m p r o v e st h er e l i a b i l i t y , s i m p l i f i e s t h ec i r c u i ta n de x p a n d st h ee x t e r n a l d e v i c e s t h ep a p e rw i l li n t r o d u c es p is e p a r a t e l y a c c o r d i n g t ot h ed e s i g n i n g r e q u i r e m e n t o fr e l a y p r o t e c t i o n ，t h e p a p e ra n a l y s e s t h eb a dh a n d l i n ga b i l i t yo fs i n g l ea dc o n v e r t e r s ，t h e c o n f l i c tb e t w e e nh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o no fv f c ，l o wp r e c i s i o ni n i n s i d ea do fm c 9 s 1 2 d g 2 5 6 ，t h e nb r i n g sf o r w a r dt h ea d 7 8 9 0w h i c h i n c l u d em u l t i p a t hs w i t c h e s 、t r a c k h o l da n da dc i r c u i t s i na d d i t i o n ，t h e t r a d i t i o n a l d i g i t a lo u t p u t c i r c u i tc o n s i s t so f p a r a l l e l i n t e r f a c e s 、 p h o t o e l e c t r i c i t ys e g r e g a t i o na n dm i d d l er e l a y s ，w h i c ha r ec o m p l e xa n d l o wr e l i a b l e t h eu s eo fm c 3 3 2 9 1c h i pi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e d e v i c e m o r e o v e r ，f o r d a t a d i s p o s a l ，w e s e l e c tt h e a l g o r i t h m o ft h e c o m b i n a t i o no ff o u r i e ra n dd i f f e r e n c ea l g o r i t h m i nt h ee n d ，w ep r e s e n t t h ei n t e r f e f e n c e f r e em e t h o d si ns o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fd e v i c e s t h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fn e wr e l a yp r o t e c t i o ni s h i g hs p e e d 、 i n t e l l i g e n c ea n di n t e g r i t y m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 ，s p i ，t h ed a t as a m p l i n ga n d i t s a l g o r i t h m ，t h ed i g i t a lo u t p u tc i r c u i tp r e s e n t e di nt h i sp a p e rg r e a t l ye n h a n c e t h es p e e d 、p r e c i s i o n 、r e l i a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n g t h o s ei m p r o v e m e n t s a r e p o w e r f u lt e c h n o l o g ys u p p o r t s i n r u n n i n gm o r es a f e l y a n dm o r e r e l i a b l yo fp o w e rs y s t e m s k e yw o r d s ：d i g i t a lp r o t e c t i o n ，s p i ，d a t as a m p l i n g ，d i g i t a lo u t p u t c i r c u i t 理z 掌_ 士研究掌m 论文- 3 - 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可 能性外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是 保证电力系统安全运行的最有效方法之一，所以应在电力系统主要电 气设备( 发电机、变压器、输电线路、电容器等) 上装设相应的保护 装置，才能满足快速切除故障的要求。 数字保护系统是二十世纪九十年代初开始在我国电网中得到应 用。计算机技术、网络技术、通信技术的飞速发展，极大地促进了数 字保护系统的发展，其保护功能日趋完善，速度和可靠性越来越高。 经过多年的实际运行经验表明，数字保护装置与传统继电保护装置相 比，不仅能够完成继电保护所要求完成的计算和逻辑判断性能，同时， 对于每一个被保护对象来讲，数字保护具有方便、灵活、保护完善、 功能齐全、可靠性高、维护少，便于统一管理和调度等诸多独特的优 点。它将逐步取代传统继电保护，成为继电保护系统未来发展的主要 方向。 现代电力系统中，一方面，随着电力系统向大容量、高电压的方 向发展对电力系统保护提出了高可靠性、多功能性及良好的适应性 等更高的要求。另一方面，计算机技术的飞速发展、新型保护原理的 层出不穷也使得数字保护正逐步从面向保护功能的设计思想发展成 为面向保护对象、面向系统数字信号处理流程的设计趋向。在当前条 件下，国内各数字保护生产厂家多采用面向变电站综合自动化应用的 4 l z * t 究掌* x4 - 研发方向，并在近年来的实际运行中获得了丰富的运行经验，实现了 较好的经济效能比，但对于某些保护原理( 如一些涉及被测信号为暂 态信号的保护原理等) 而言，现有的保护系统在实现上尚存有诸多困 难；首先，必须实现高速数据采集，以便详细地记录故障突变。其次， 必须解决由于高速数据采集所带来的对数据的实时处理及存储。其 三。必须确保保护系统数据处理各环节的高可靠性并计及对系统数据 处理同步性的要求。其四，具有增强的系统自检功能和灵活多样的分 析和检测手段。其五，保护系统在软硬件方面应有较高的可靠性和升 级、扩展能力等0 1 。基于这一出发点，开拓思路，充分发挥现有保护 数字化、国产化的实现条件构想并实践一种新型数字式数字保护的 工作就尤显得必要与急迫。 数字保护在我国的研制、开发和推广应用经历了近二十年的时 间，目前己进入了全面推广使用的阶段。初步统计，w x b 一1 1 型和1 5 型保护用于11 0 k v 及以上电压等级输电线路已达到6 0 0 0 多套。与此 同时，国际上数字保护也得到快速发展，a b b 、g e 等各大公司和研究 单位都相继推出了其最新产品“1 。另外，电子技术尤其是计算机网络 通讯技术的发展日新月异，为新型数字保护的研制创造了良好的环境 条件。为此，我们开发出了新型的数字保护装置，本装置采用双c p u ， 分别在管理板和主板上，之间通过c a n 总线连接。装置功能可分为两 大块：管理板主要实现人机对话功能本文将重点介绍主板上的微处 理器、交流量采集及其算法，以及开关量输出电路的应用研究。 1 2 新型保护装置概述 近几年来，国内外不断涌现出许多数字保护装置，国内具有代 图卜1新型保护装置管理板硬件结构图 f i g 1 1 f r a m eo fm a n a g i n gb o a r di nn e wp r o t e c ti o nd e v i c e 图1 - 2新型保护装置主板硬件原理结构图 f i g 1 2f r a m eo fm a i nb o a r d i nn e wp r o t e c ti v ed e v ic e 1 z $ 女目，。l $ m * x - 6 - 表性的保护有南京电力自动化设备总厂的w x b - i i 型数字保护装置、 四方公司推出的新型c s l ( i ) 一1 0 0 系列保护。我们研制的装置选用 双c p u 结构，双c p u 结构提高了数据的处理能力，满足了系统对抗干 扰能力的要求，又发挥了多c p u 配置的资源优势，便于采用高级编程语 言、用户使用与维护以及系统整体性能的优化。1 其管理板和主板硬件 原理图上页图所示。 从以上的主板和管理板硬件结构图可以看出，本保护装置采用了 新型的设计理念，综合考虑了装置的可靠性，抗干扰性、快速性和经 济性，是一套更方便、灵活的保护配置方案。该装置的主要特点为： ( 1 ) 采用双c p u 结构，主板上的m c u 和管理板上的m c u 通过c a n 总线相连。两个c p u 通信内容包括：测量量( 模拟量、数字量等) 、 保护定值查询和修改、装置状态、故障信息及滤波数据等； ( 2 ) 采用m o t o r o l 公司的1 6 位m c u 核心处理单元m s 9 1 2 d g 2 5 6 ， 片内配置有大容量的f l a s hm e m o r y 和r a m 。有三个串行外围接口 s p i ，大大扩展了外设，减轻了m c u 口线压力。 ( 3 ) 数据采集单元采用2 个8 通道1 2 位精度a d 7 8 9 0 芯片为核心， 片内有m u x 和s h 单元，满足了保护、录波、监视对输入通道数和采 集速度精度的综合要求。 ( 4 ) 开关量输入、输出单元采用m c 3 3 8 8 4 和m c 3 3 2 9 1 芯片，提高 了装置可靠性和抗干扰能力，减少了p c b 板空间。 ( 5 ) 1 2 8 6 4 点阵大屏幕汉字液晶显示屏。根据菜单和当前能响 应键的显示即可得心应手地操作，信息显示详尽，能自动搜索显示对 比度，所有调试均通过显示界面和键盘完成，工作量小。 ( 6 ) 人机接口由面板上旋转鼠标加2 个按键( 报告键和退出键) 原l 大掌* r $ m x 。7 。 和汉字化菜单组成，对用户十分方便。装置还设有p c 机的接口，装 置的调试可以更加方便地在微机上实现。 ( 7 ) 增加了u s b 接口，可以随时读取d a t a f l a s h 里的内容，及时 获取所需要的信息。u s b 只用作与f l a s h 接口，不作为与p c 机的通讯 接口。与p c 机的连机通过c a n 等网络连机。 ( 8 ) 完善的通讯功能，提供了c a n 网络、光纤通讯功能。 1 3 本文所解决的问题和所做的主要工作 本文广泛收集和分析了国内外数字保护资料，阐述了本课题的研 究意义，对整个装置进行整体介绍后，将着重对装置以下几个方面进 行介绍： ( 1 ) m c u 是整个数字保护的核心，新型装置的主板和管理板上的 微处理器都选用m o t o r o l a 公司的m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 ，本文将首先对其各模 块功能及其优势进行介绍。 ( 2 ) 其中s p i 串行扩展总线的使用，使得m c u 与外设接口简化， 印刷电路板空间减少，可靠性得到提高，在装置中起着举足轻重的作 用，本文将介绍s p i 相对与并行扩展总线的优势、s p i 工作原理，以 及s p i 接口。 ( 3 ) 结合数字保护设计要求，分析了逐次比较模数转换器a d 和 v f c 型模数转换器在精度和速度方面存在的问题，指出采用a d 7 8 9 0 数据采集单元的优势，并对其内部结构、主要特点和工作原理作详细 介绍。 ( 4 ) 传统的开关量输出电路主要由并行接口、光耦和中间继电器 组成，电路复杂，可靠性差，采用m c 3 3 2 9 1 开出接口芯片后，驱动能 l $ * ，巴 m x- 8 - 力增强，与m c u 接口简单，对保护装置的可靠性有了很大改善。 ( 5 ) 交流量采集完成后数据的处理将直接关系到保护是否正确 动作，本文将提出了一种新型交流量处理算法：在傅氏算法前，对其 不能滤除的衰减直流分量采用差分法进行处理。另外对保护中经常遇 到的开方运算，采用逐次比较法进行计算，显著提高了计算速度和精 度。 ( 6 ) 最后本文对整个装置所采取的可靠性的措施，作了软硬件方 面的介绍。 第二章主板上微处理器m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 2 1 概述 m c u ( m i c r o c o n t r o lu n i t ) 是电力系统数字保护装置的核心。本 装置使用的m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 微控制器是m o t o r o l a 公司2 0 0 1 年推出的1 6 位m c u 。内部含有一个1 6 位的c p u 、2 5 6 k 的f l a s he e p r o m 、1 2 k 的 r a m 、4 k 的e e p r o m ：两个串行通讯接口s c i 、三个串行外围接口s p i ； 一个8 通道i c o c 改进定时器、两个8 通道，l o 位的数模转换器、一 个8 通道的脉宽调制器、一个数字位数据连接控制器；2 9 个离散数字 i o 通道( p o r ta ，p o r tb ，p o r t k 和p o r t e ) 、2 0 个具有中断和唤醒 功能的离散数字i o 线、5 个m s c a n l 22 o a ，b 和一个i i c 总线。 m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 有1 6 位的数据通道，然而外部总线可以工作在8 位的窄 模式下，因此8 位宽存储器可以和低成本系统接口。锁相环电路使得 m c u 的功率消耗和特性可以调节来适应工作需要。m c u 指令和m 6 8 h c l l 指令兼容，中断堆栈和程序模式与m 6 8 h c l l 相似。从以下的介绍可以 看出，m s 9 1 2 d g 2 5 6 在各方面都明显优于以前所采用的m c l 2 d g l 2 8 芯片 拍】 2 2m c 9 s 12 d g 2 5 6 主要管脚介绍 e x t a l 和x t a l 是晶振驱动和外部时钟口，复位时所有的设备时钟 都取自e x t a l 输入频率。x t a l 是晶振输出。 r e s e t 是一个低电平有效的双向控制信号，作为输入时用来初始 一。一一一。一一 图2 - 1m c g s i2 d g 2 5 6 结构图 f i g 2 - i f r a m eo fm c g s l 2 d g 2 5 6 萤燕 i王lt上i-誓ll鼍tjttl 化m c u 起始状态，当内部的m c u 引起中断时口作为输出。 p a d l 5 、p a d 1 4 ：0 8 是通用输入口和模数转换器a t d i 的模拟输 入口a n 7 ：0 ，同时p a d l 5 也能作为a t d l 的外部触发输入。 p a d 7 、p a d 0 6 ：0 0 是通用输入口和数摸转换器a t d o 的模拟输入 口a n 7 ：0 。同时p a d 7 也可以作为a t d o 的一个外部触发输入。 p a 7 ：o 、p b 7 ：0 是通用输入和输出口，在m c u 扩展模式下， 这些口被用作多元外部地址和数据总线。 p e 7 n o a c c x c “s 是一个通用输入输出口，在m c u 扩展模式下， n o a c c 信号，被允许时，被用来暗示目前的总线循环是否空闲。这个 信号将确定什么时候c p u 不用总线。x c l k s 输入在外部时钟和晶振配 置。在r e s e t 的上升沿时，这个口的状态被锁定。如果这个输入是逻 辑低时，e x t a l 被配置为外部时钟驱动，假如输入是逻辑高时，晶振 电路配置在e x t a l 和x t a l 。默认为晶振电路。 p e 6 m o d b i p i p e l 、p e 5 m o d a i p i p e o 是通用输入输出口。在复位 时被用作m c u 工作模式选择口。在r e s e t 上升沿时，这个口的状态被 锁定在m o d b 、m o d a 位。这个口也用作指令串跟踪信号。 p e 4 e c l k 是一个通用输入输出口，它被配置来驱动内部总线时钟 e c l k 。e c l k 也被用作一个时间参考。 p e 3 l s t r b t a g l 0 是通用输入输出口，在m c u 扩展模式下，l s t r b 可被用作低位捕捉功能来暗示总线存取的类型和什么时候指令开始。 t a g l o 被用来标志读迸指令串的低半个指令字。 p e 2 r w 是一个通用输入输出口，在m c u 扩展模式，这个口驱动 外部总线的读写输出信号。它暗示了外部总线的数据方向。 l z * t 目z # 二t- 1 2 p e i i r q 、p e o x i r q 是通用输入口和可屏蔽中断请求输入，提供 了一种请求同步中断的方式。可使m c u 从停止和等待模式唤醒。 p h 7 ：0 是通用输入输出口，它用来产生一个引起m c u 退出等待 和停止模式的中断。同时它被用作串行外围接口s p l 2 的接口功能。 p j 7 、p j 6 和p j 1 ：0 是通用输入输出口，它用来产生一个引起 m c u 退出等待和停止模式的中断。p j 7 和p j 6 分别被用作c a n 4 的传输 口线t x c a n 和接收口线r x c a n 或i i c 的串行时钟口和串行数据口s d a 。 p m 7 和p m 6 可分别被配置作为c a n 3 或4 的传送和接收口线t x c a n 和r x c a n 。 p m 5 和p m 4 可分别被配置为c a n 2 、0 或4 的传输口t x c a n 和接收 口r x c a n ，这两个口也可用于s p i o 接口。 p m 3 和p m 2 可分别被配置为c a n l 或0 的传输口t x c a n 和接收口 r x c a n ，这两个口也可用于s p i o 接口。 p m i 和p m o 可分别被配置为c a n o 的传输口t x c a n 和接收口r x c a n ， 这两个口也可用于b d l c 的传输和接收口。 p p 7 ：o 可被配置来产生引起m c u 退出停止和等待模式的中断， 也可被用作脉宽调制通道和s p l 2 的接口。 p s 7 ：4 可被配置为s p i o 接口；p s 3 ；2 被配置为串行通信接 口s c l l 的传输和接收口。p s 1 ；o 被配置为串行通信接口s c i o 的传 输和接收口。 p t 7 ：o 被配置作为定时器的输入捕捉和输出比较口i o c 7 一i o c o 。 2 3 m s 9 1 2 c p u 介绍。1 h c s 9 1 2 c p u 是一个使用6 8 h c l 2 指令的1 6 位处理核，这使得指令 m 4 z $ t r $ $ m * 二- 1 3 - 和m c 6 8 h c l l 兼容，6 8 h c l l 源代码可直接被用于h c s l 2 的c p u ；高速、 1 6 位处理单元，和6 8 h c l 2c p u 有一样的编程模式和指令：完备的1 6 位数据通道，提高了运算速度和效率；为了有效的使用程序存储器空 间，允许使用奇位运算指令，包括许多单字节指令；设置了三个堆栈 指令串缓冲程序信息，以便c p u 更有效的执行；扩展了变址寻址方式： 在所有的变址操作中用堆栈指针作为变址寄存器，在( 除了自动) 加、 减操作中使用程序计数器作为变址寄存器，用a 、b 、d 累加器作为累 加器偏移：5 位、9 位或1 6 位有符号常数偏移；有2 到1 2 2 个i 位屏 蔽中断向量、一个x 位屏蔽中断向量和两个非屏蔽c p u 中断向量和三 个复位向量；可配置最高优先级i 位屏蔽中断；有片内的存储器和与 内部存储器扩展和外部数据选择接口的外部模块；可配置系统存储器 和其映射。 2 4 各模块及其在新型保护装置中作用 ( 1 ) s 1 2 c a n 模块”1 m s 9 1 2 d g 2 5 6 片内有五个每秒1 m 、c a n 2 o a ，b 软件可兼容的c a n ， m s c a n 模块通过两个口线r x c a n 和t x c a n 接收和传送数据，在装置中 主要实现主板和管理板m c u 间数据通讯。 标识符屏蔽寄存器c a n i d m r 指定标识符接收寄存器c a n i d a r 的那 些位和标识符寄存器i d r 相关联，以及标识符是标准还是扩展模式。 只有i d r 和c a n i d a r 寄存器相关联的位都对应时，才进行数据间的通 讯。s 1 2 m s c a n 能够满足实时、快速、可靠要求；遵循c a n 2 o a 8 协议： 标准和扩展数据帧、0 到8 字节数据长度、支持远距离帧、5 个有先 进先出存储单元的接收缓冲区；三个有内部优先级的传输缓冲区；灵 太原i l i 掌硕研究生掌位* x1 4 一 活的可屏蔽标识符过滤器支持两种扩展标识符；四个独立的传输、接 收、错误和唤醒中断通道：具有集成低通滤波器的可编程唤醒功能； 可编程自循环模式支持自测试操作：可编程只听模式用来检测c a n 总 线；对所有的c a n 接收和传输错误状态具有独立的采样和中断能力； 可以对配置寄存器全局初始化； ( 2 ) s 1 2 a t d 模块 本装置采用精度为1 2 位，转化时间更短的片外a d 7 8 9 0 来实现数 据采集和转换。在此只对片内s 1 2 a t d 作简单介绍。 片内有两个8 通道、l o 位、近似连续的多输入模数转换器s 1 2 a t d ， 和6 8 h c ll 标准的8 位a d 转换器兼容。具有时钟分频、模式和时间 控制、采样保持和快速转换等功能；寄存器有控制寄存器、模拟量输 入允许寄存器、a d 数据寄存器、可调整对齐和符号方式的结果寄存器； 对8 个模拟输入通道有模拟输入多路复用器；1 到8 个转换序列长度； 外部触发控制；产生转换完成中断；采样时间可编程控制；可选择一 次转换和连续转换、单通道和多通道采样； ( 3 ) 串行s c i 接口模块。1 片内有两个异步串行通讯接口s c i 、三个串行外围接口s p i 。装 置中的a t 9 0 s 2 3 2 3 、f t 2 3 2 b m 都是通过串行通讯接口s c i 来和m c u 通 讯的。 m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 的串行通信接口s c i 是一种异步的不归零通信系统 ( 1 个开始位、8 位或9 位数据位、位停止位) 。它使用内部独立的 波特率发生器、发送器和接收器。发送的数据格式可配置为8 位或9 位数据( 其中有一位奇偶检验位) 。发送或接收的奇偶检验位可由硬 件电路产生。接收时奇偶检验位发生错误可由硬件设置标志位。波特 m a i ，； q 女 r l 口xij 率发生器是通过一个计数器模块产生波形，它可灵活的选择波特率。 另外接收器还具备唤醒功能、线路空闲检测功能、反馈环模式( 自测 试) 和一系列的错误检测功能。使用发送数据( t x d ) 和接收数据( r x d ) 两根口线提供了对外接口。 ( 4 ) 1 1 c 总线 本装置的时钟芯片8 5 8 3 通过i i c 总线和m c u 连接，对时钟芯片 进行初始化和读操作。 i i c 总线是p h i l i p s 推出的芯片间串行传输总线，它以两根连线 实现了完善的全双工同步数据传输，可以方便地构成多机系统和外围 器件扩展系统。i i c 总线采用器件地址的硬件设置方法，通过软件寻 址，避免了器件的片选线寻址方法。它提供了种两个设备间数据交 换的简单有效的方法，作为一个两线设备，i i c 总线使得设备间大量 连接最少，消除了地址译码的需要。这种接口非常适合大量设备间短 距离间的偶然通讯，允许其它设备连到总线上进一步的扩展和系统开 发；可工作在最高波特率下；允许多主机运行；可软件编程2 5 6 种不 同的串行时钟频率；中断驱动字节数据传输；产生开始、停止和重复 开始信号；产生总线忙位和标识位。 ( 5 ) m e m o r y 模块 m c 9 s 1 2 d g2 5 6 有4 k 字节的e e p r o m 。e e p r o m 模块用来存放经常操作 的静态数据和可快速读取的程序代码，e e p r o m 中的存储组织是以8 位进 行配置的。它可以字节、对齐的字和非对齐的字进行读操作。以字节、 对齐的字操作需要使用一个总线周期。对非对齐的字操作需要两个总 线周期。 2 5 6 片内有2 5 6 k 字节的f l a s he e p r o m 。它电可擦除、编程，能作 l l z $ t 目j 。掌 x1 6 - 为非易失性的r o m 使用。它适应于存放需要经常执行和快速执行的程序 代码，如操作系统内核和标准子程序，它也可存放需要经常读取的静 态数据。f l a s he e p r o m 是单片模式应用中程序代码理想的存储区，而 且它允许多次编程。 2 5 6 片内又有1 2 k 的r a m ，用来存放经常要用到的动态数据。 总之，在内存上，2 5 6 大大扩展了存储空间，提供了了防止存储器内 容不必要的读写操作的安全特性。用户可以通过对在f l a s h 模式中的 安全位进行编程，来保护f l a s h 和e e p r o f f 。 ( 6 ) 增强的定时器模块“” 在增强的定时器模块中，通过一个分频器驱动一个1 6 位的软件 可编程计数器。它包含8 路完整的1 6 路输入捕捉和输出比较通道以 及一个复用的脉冲累加模块。 定时器有很多用途，其中包括输入波形的测量的同时产生一个输 出波形。脉冲的宽度可以从不到l m s 到很多秒。它可以不用c p u 干预而 产生p w m 信号。 脉宽调制自系统提供4 路8 位独立的脉宽调制波形，或2 路1 6 位的p w m 波形，或1 路8 位，l 路1 6 位。每一个波形输出通道的周期 和占空均可编程，并且还有一个专用的计数器。有4 个时钟源可供选 择使用。每个脉宽调制通道均可输出独立、连续的波形，而且占空比 可从0 9 6 3 01 0 0 9 6 中任意选择。p c l m 输出可通过编程选择左对齐和中间对 齐方式。 时钟产生电路产生了内部和外部的e 时钟信号，内部的时钟信号 被c p u 和芯片的外围器件使用，时钟监视电路，用于监视系统是否工 作正常的看门狗电路，周期中断等模块。 4 z 掌研究生掌t * i1 ，- 一个兼容的外部时钟信号可接在e x t a l 引脚，或通过片内的振荡 电路和外部的陶瓷晶振m c u 产生一个时钟信号。m c u 使用了3 个从主 时钟派生来的信号，它们分别是：t 时钟、e 时钟和p 时钟。c p u 使用 t 时钟，e 时钟和p 时钟分别被使用在总线接口、背景调试、同步串 行外围接口和a d 转换模块中。p 时钟同时还用来驱动片内的其它模 块，例如：时钟链、s c i 、r t i 、c o p 和从s t o p 模式中恢复的延时时间。 c o p 或看门狗定时器是一个检查程序正常运行的电路。当使用c o p 时， 软件应不停的复位c o p ，以防止自由运行的看门狗定时器时钟溢出后 复位m c u 。如果看门狗定时器时钟溢出，那就说明软件没有按照预定 的顺序去执行，这样系统被复位。通过三个控制位可从7 个时钟溢出 周期中选择一个或禁止c o p 工作。当允许c o p 工作时，在选择的时钟 周期期间，程序必须向c o p r s t 寄存器写入$ 5 5 着h s a a 。如果程序没有 能按预期写入寄存器这些数据或写入别的数据，系统将被复位。 系统为用户提供了周期中断( 实时中断) 。这些中断能以固定的 时间周期发生，周期的长短可通过控制位从7 个中选取一个。时钟的监 视功能可通过c o p c t l 寄存器中的c m e 控制位禁止或允许。周期的长短是 通过r c 延时电路来控制，所以不论有没有m c u 时钟，监视电路都能正常 工作。 从以上各个模块的介绍，可以看出，m c 9 s 1 2 d g 2 5 6 比起以前所用 的m 6 8 h c l 2 d g l 2 8 无论在内存、和外部设备的接口，还是和外部的通 讯方面，都有不可比拟的优势。 第三章 s p l 串行扩展在保护装置中的应用 3 1 单片机并行扩展的缺点 单片机自诞生以来，就在工业、民用、军用等工程领域得到了广 泛的应用。随着电子信息技术的发展，单片机应用领域不断的扩大，以 及电子产品市场竞争的愈演愈烈，就如何设计出一个体积小、性能价 格比高、工作可靠性好的单片机优化系统，已成为单片机控制系统开 发工作者所面临的紧迫任务。传统的单片机系统设计广泛采用由中央 处理器c p u 、程序存储器r o m 、数据存储器r a m 、输入输出电路，外加 逻辑译码电路，以及并行扩展外部器件电路等组成。这种设计，芯片问 连线十分复杂，系统工作可靠性不高，已越来越不适应单片机系统集 成化、小型化的发展要求1 。特别是系统的外部器件并行扩展，其缺 点十分明显： ( 1 ) 线太多，系统连线复杂，印制板布线不方便： ( 2 ) 外部器件与r a m 混合编址，独立性差，系统的操作和编程都不 方便： ( 3 ) 并行总线上挂靠的器件太多，系统工作的稳定性和可靠性 低： ( 4 ) 体积较大，集成度不高。 正是由于上述原因，近年来，各厂家相继开发出各种串行接口芯 片，并形成了串行总线的概念。其中m o t o r o l a 公司的s p i ( s e r i a l p e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 总线应用较广。支持这种总线的器件也很多， 包括i o 扩展、e e p r o i 、a d 、d a 、时钟，以及l c d 驱动器件等“。 3 2 装置采用b p i 串行扩展的优势 s p i 总线是m o t o r o l a 公司提出的一个高速高效率同步串行外设 接口，允许m c u 与各种外围接口器件( 包括模数转换器、数模转换器、 液晶显示驱动器等) 以串行方式进行通信、交换信息。在数字保护装 置中，有许多芯片被用作数据交换的重要器件，以起到承上启下进行 数据交换的枢纽作用，或者是在集成电路之间进行数据的显示存储等 这些芯片同m c u 的接口，有许多都通过s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 。它采用单独的三根信号线( c l k 、m i s o 、m o s i ) 传送数 据及同步时钟，可以实现全双工通信；由c s 片选实现多机通信或扩 展多片s p i 芯片。这样，仅需3 4 根数据线和控制线即可扩展具有s p i 接口的各种i o 器件。 本装置采用的s 1 2 系列单片机中的s p i 是一种高性能的s p i 接口， 它除了可以实现主从选择( 多机通信) 以及全双工通信以外，还具 有以下特点： ( 1 ) 串行数据同时输入和输出。 ( 2 ) 一个m c u 芯片中有三个s p i 接口，提高了扩展外设的能力。 ( 3 ) 可以选择6 4 种波特率，最高波特率可达总线速度的一半。 ( 4 ) 可程序控制串行时钟的极性和相位，实现与不同公司的各种 s p i 芯片接口。 ( 5 ) 具有数据传输结束标志。 ( 6 ) 具有写冲突保护，可防止发送时再次写入移位寄存器造成数 据丢失。 ( 7 ) 具有多主机方式出错保护，可防止多主机同时成为总线的主 太最理_ 工夫掌硬研究生掌位论文- 2 0 - 机。 ( 8 ) 可构成多主机的全分布式系统。 在本保护装置中，m s l 2 d g 2 5 6 有三个串行外围接口s p i ，主板上 的输入芯片m c 3 3 8 8 4 、输出芯片m c 3 3 2 9 1 、a d 7 8 9 0 芯片和管理板上的 d a t a f l a s h 芯片和m c 3 3 3 8 9 电源芯片都是通过s p i 和m c u 相连接，s p i 模块主要实现m c u 和这些外部芯片间双向、同步、串行通讯。显然， 本新型装置使用s p i 总线扩展方法，与并行扩展相比有着无可比拟的 优点n 3 1 ： ( 1 ) 非常适合光电隔离设计，使保护装置的可靠性增加。 ( 2 ) 可以扩展外设，减轻m c u 处理数据的压力。 ( 3 ) 器件操作遵循统一的规范，使系统软硬件具有良好的通用 性。 ( 4 ) 器件统一编址，并与系统地址无关，操作独立性好“。 ( 5 ) 占用m c u 口线大大减少，简化p c b 电路设计。由于s p i 系统 总线只需3 4 数据和控制线即可扩展具有s p i 接口的各种i o 器件， 而并行总线扩展方法需8 根数据线、8 1 6 位地址线、2 3 位控制线， 因而s p i 总线的使用可以简化电路设计。 3 3s p l 介绍“5 1 3 3 1s p i 的内部结构及其功能 s p i 是m c u 和外部设备进行串行通信的协议，其内部构成和寄存 器影射如图所示，主要包括一个s p i 波特率寄存器s p i b r 、两个s p i 控制寄存器s p i c r x 、一个s p i 状态寄存器s p i s r 、一个数据寄存器 m 4 i 掌砸 2 # * i 。2 1 s p d r 和一个供传送和接收缓冲操作的转换寄存器组成。m c u 和外部 芯片通信时，正是通过p o r t s 的四个位和外部芯片接e l ，通过控制s p i 内部的各个寄存器来对外部芯片进行控制，来进行数据读写操作的。 下面介绍一下s p i 内部的各个寄存器以及在和外部芯片进行数据交换 时时所起的作用。 图3 - 1s p i 内部结构框图 f i g 3 - 1 i n t e rf r a m eo fs f i a d d l