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1 引言 隨著電網供電負荷的日趨加重，電力系統對微機保護裝置提出更高要求，一般低檔單片機已很難滿足設計要求。近年來，各種集成化的單片DSP的性能得到很大改善，軟件和開發工具也越來越多，使得DSP器件及技術更容易使用，價格也能夠為廣大用戶所接受 Microchip公司推出的數字信號處理器dsPIC33F集A/D轉換、通訊、看門狗、保護和數據存儲于一體，同時還支持SPI模式和I2C模式數據傳輸，便于擴展容量。因此，開發基于dsPIC33F的微機保護裝置，不僅提升保護系統的整體性能和硬件平臺的通用性，而且還能縮短開發時間，降低開發及硬件成本，對提高電力系統的穩定運行水平具有一定意義。 2 數字信號控制器dsPIC33F系列簡介 dsPIC33F系列是高性能16位數字信號控制器，具有擴展的數字信號處理器(DSP)功能和高性能16位微控制器 (MCU)的架構。它是一種16位改進型哈佛結構RISC器件，融合了高性能16位單片機的控制優勢和數字信號處理器的高速運算能力，是一款高性能的數字信號控制器(DSC)。dsPIC33F系列器件具有以下性能特點： (1)DSP內核和指令系統dsPIC33F的DSP引擎具有1個高速的17位×17位的乘法器，1個40位的ALU，2個40位的飽和累加器以及1個 40位的雙向移位器，其運算速度可達40 MI／s，指令字為24位，指令系統包含MCU指令集和DSP指令集。此外，這些指令對C語言編譯器做了專門優化，采用C語言編寫的程序代碼效率很高。 dsPIC33F允許工作電壓±10％的偏差，即工作電壓為3．0～3．6 V。 (2)直接存儲器訪問(DMA)和中斷能力dsPIC33F內部集成了8通道直接存儲器訪問模塊，允許CPU執行代碼期間在RAM和外設間傳輸數據，不額外占用周期。2 KB雙端口DMA緩沖區(DMA RAM)，用于存儲通過DMA傳輸的數據。可通過軟件對DMA中斷源進行設定，從而達到設計要求。dsPIC33F含有最多由118個區分優先級的中斷向量組成的異常處理結構，中斷優先級分為7級。最多67個中斷源，5個外部中斷和5個處理器異常。 (3)存儲空間和外圍器件程序計數器為23位寬，可尋址4 Mx24位的程序存儲空間。對于DSP指令分別對2個數據區進行尋址；而MCU指令，數據空間可以整體作為64Kx8位進行尋址。dsPIC33F內部集成SRAM和Flash等必需的存儲器件，提供10 bit和12 bit A／D轉換模塊(可選)，8 bit看門狗，以及UART、SPI、I2C、CAN等通信模塊。 (4)開發工具Microchip高性能開發系統支持dsPIC33F系列控制器。該開發系統包括MPLAB集成開發環境(IDE)、MPLAB C30 C編譯器、MPIAB SIM 30軟件仿真器、MPIABICD 2在線調試器及MPLAB ICE 4000在線仿真器。dsPIC33F系列數字信號控制器還配備一系列的應用庫。 3 dsPIC33F在微機保護硬件系統中的應用 該裝置按功能分為CPU模塊、交流插件、數字量I／O微機保護、通信、人機接口單元和電源單元。通信接口直接與上位機或通信管理機連接，人機接口采用 128x64點陣式液晶顯示器和專用鍵盤，顯示信息量大，操作方便，硬件設計框圖如圖1所示。該微機保護裝置具有16路開入量，16路開出量，15路模擬量，CPU模塊原理框圖如圖2所示。由于dsPIC33F具有強大的汁算能力和完善的控制功能，可單獨完成計算、控制、通信、人機接口等功能，減少了器件數量，簡化硬件結構。又因dsPIC33F內部集成RAM、Flash、A／D轉換器等，使得外同擴展電路很少，進一步簡化硬件結構，基本實現了總線不出芯片沒計，極大提高保護裝置的抗干擾性和可靠性。 3．1 存儲器擴展及實時時鐘接口 dsPIC33Fj256GP710內部集成30 KB的SRAM用作數據存儲空間，256 KB的增強型Flash作為程序或數據存儲區。由于微機保護，存儲保護定值、事件記錄和故障錄波數據都需較大存儲空間，因此該裝置擴展1 MB的外部存儲空間，將串行閃速存儲器AT45DB081通過SPI總線同dsPIC33FJ256GP71O相連。AT45DB081的工作電壓為2． 7～3．6 V，在系統重復擦寫并兼容SPI的Flash存儲器。內部有4 096頁，每頁264個字節，共計8MB的主存儲器容量以及2個264字節的SRAM數據緩存器。AT45DB081與dsPIC33FJ256GP710的接口設計電路如圖3所示。圖3中dsPIC33Fj256GP710的SDO1、SOI1、SCK1分別與 AT45DB081的串行輸入(SI)、串行輸出(SO)和時鐘(SCK)引腳相連，RE4，RE2，RE5，RE6分別與AT45DB081的片選 (CS)、復位(RESET)、忙閑狀態(RDY／BUSY)和寫保護(WP)引腳相連。dsPIC33F通過RE5讀取AT45DB081的忙閑狀態引腳判斷存儲器是否空閑，若RE5為“1”表示存儲器空閑，否則表示存儲器忙。當存儲器空閑時，通過RE4引腳輸出“0”作為存儲器的片選信號，選中存儲器后通過SPI發送命令字完成對AT45DB081的相應讀寫操作。微機保護需配置3個定值，且存儲在不同的3個區間，運行時校驗其定值是否正確。為此，對 AT45DB081的空間分配如下：定值、控制字、工廠設置和調節系數共分為4個區，存儲在AT45DB081的第0～9頁，即第一區為 AT45DB081的第0，1，2頁，分別存儲保護裝置的第1，2，3個定值；第二區為AT45DB081的第3，4，5頁，分別存儲保護裝置的第1， 2，3個定值；第三區為AT45DB081的第6，7，8頁，分別存儲保護裝置的第1．2．3個定值；第4區為AT45DB081的第9頁，存儲調節系數。事件記錄存儲在AT45DB081的第10～1 000頁。故障錄波數據存儲在AT45DB081的第1 001～4 000頁。 PCF8583是串行總線擴展方式，通過DSP的I2C時鐘線SCL和數據線SDA完成對PCF8583的參數設置、日期和時間讀取等操作，同時 PCF8583具有接口簡單、占用DSP資源少和可靠性高等優點，并在掉電時仍能進行時間計數。擴展的時鐘器件用來記錄系統的工作時間。除此之外，為避免裝置頻繁讀寫EEPROM，對于保護裝置頻繁讀寫的信號如事故、預告、脈沖量、重啟次數、裝置故障信號及出口標志都存放在RAM寄存器，時鐘器件在讀取當前時間的同時也調用這些內容，在裝置斷電又重新上電時能夠獲得這些信息。 3．2 基于DMA的A／D轉換 DSPIC33FJ256GP710集成32路12 bit高精度的A／D轉換模塊，其轉換速度可達1 Ms／s，可靈活設定采樣通道。采樣模式可選用手動和自動兩種，通道停止采樣并開始轉換的方式也有多種，如手動清除SAMP開始采樣、內部計數器計數觸發采樣、定時器Timer3溢出觸發采樣、中斷引腳INTO觸發等。其中定時器Timer3溢出觸發采樣適合保護裝置的定點采樣。A／D轉換采用直接存儲器訪問(DMA)方式。采樣結束后直接將數據存放于DMA RAM(有2 KB空間)，不占用CPU周期。A／D轉換結束并且數據已經存儲于DMA RAM后會產生DMA中斷，寄存器AD1CON2可用于選擇多路采樣結束后將產生中斷。本裝置共采集15路模擬量，采用自動采樣和Timer3觸發轉換的模式，在每個采樣周期內觸發轉換一次，全部15路采樣結束后產生中斷并一次從DMA RAM區讀取所有15路數據。在這種工作模式下，CPU只需啟動一次A/D轉換，在不占用CPU指令周期的情況下，通過DMA方式將采樣數據從外設轉存于 RAM中，采樣處理效率大大提高。給CPU空出了足夠的時間來計算和故障判斷。 3．3 以太網接口的擴展 以太網接口擴展電路如圖4所示。本裝置采用I／O口模擬SPI實現主控制器和 ENC28J60的連接，ENC28J60收滿一幀后，通過INT引腳發中斷信號通知dsPIC33F。SO為主機讀命令引腳，SI為主機寫命令引腳。 Microchip公司提供了一組專門針對dsPIC33F系列數字信號控制器的嵌入式TCP／IP協議棧CMX-MicroNet，該協議棧針對 dsPIC33F系列器件的Flash和RAM資源進行優化，為以太網功能的實現提供軟件支持。該協議棧既可以單獨運行也可以嵌入實時操作系統 (RTOS)中使用。Microchip CMX-MicroNet協議棧采用分層結構，用戶可以在不十分熟悉TCP／IP的情況下實現網絡應用。 在主程序中，對dsPIC33F自帶看門狗時間初始化，即需設置：2個8位的計數器WDT Prescaler A、WDT Prescaler B，溢出時間可在2 ms～16 s之間調整。在對dsPIC33F的定時器初始化中，需考慮dsPIC33FJ256GP710具有9個16位定時器。本裝置軟件使用3個定時器：T1、 T3和T5。其中定時器T1的中斷時間為1 ms，完成時鐘的讀寫、開入量采集、開出量輸出、開關變位事件記錄等功能。 定時器T3中斷完成A／D轉換的啟動。在不占用CPU周期的情況下，通過DMA方式將采樣數據存入DMA RAM中，避免CPU和外設之間數據交換而占用寶貴的CPU時間，使程序的運行速度提高，采樣數據的讀取在DMAO中斷中進行。T5中斷完成保護的計算和判斷。 在收發兩個通信中斷函數中，主要完成微機保護裝置上傳開關量、保護定值、事件記錄和遙測量(電流、電壓、有功功率、無功功率和功率因數等)等，下傳修改保護定值、時間信息和遙控操作等。本裝置通訊采用IEC60870-5-103傳輸規約和Mdbus規約(可選)，以便達到標準化通訊接口要求。 5 基于dsPIC33F的保護裝置抗干擾設計 在微機保護裝置的工作環境中，電磁干擾(如雷擊)相當嚴重，系統故障、系統設備誤操作以及控制、過電流和浪涌干擾等都可能侵入保護裝置。在微機保護裝置內部，由于輔助繼電器的動作或直流轉換器轉換過程中的高頻信號，也會產生干擾。這些干擾的特點是頻率高、幅值大，而且持續時間短，能通過各種途徑侵入微機保護裝置中的電子電路，干擾微機保護的正常工作。dsPIC33F內部集成的WDT模塊，由內部振蕩電路提供專門時鐘信號。如果沒有清除脈沖，它將產生一個固定頻率的輸出脈沖，使整個CPU系統復位重啟。啟動看門狗只需在MPLAB ICD 2集成開發環境中，將看門狗Timer設置為使能即可。為增強抗干擾性能，軟件還增設4個非屏蔽中斷錯誤處理函數來處理晶振、地址、堆棧和算術出錯在硬件的抗干擾措施上采取接地、隔離、屏蔽等措施，有效確保裝置的電磁兼容性能。 6 結束語 研究了一種新型的基于dsPIC33F微處理器的微機繼電保護硬件平臺，給出詳細的系統硬件設計方案和軟件流程。該方案結構簡單，性價比及可靠性高和開發周期短，在該軟硬件平臺上開發的發電廠及變電站成套微機保護裝置，已通過國家繼電器檢測中心的型式試驗，并已投入現場運行，各項技術指標符合有關行業標準和現場要求。 |
