微機繼電保護的主要芯片介紹課件

1、微機繼電保護的主要芯片介紹概 述 微機繼電保護是一個智能化的工業(yè)控制設(shè)備。它關(guān)鍵的器件有微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字運算器和邏輯運算器等。早期微機繼電保護用8位單片機，運算速度低，性能較差，不能滿足要求。后來人們采用16位，運算速度更高、性能更強的單片機。為了實現(xiàn)復雜的數(shù)字濾波計算，輔以數(shù)字信號處理器(DSP)。目前出現(xiàn)的ARM系列的32位的單片機，它的功能又遠遠超過16位的單片機；芯片中有極大的數(shù)據(jù)、程序存儲空間，有與DSP相比擬的運算速度。早期微機繼電保護用12位，轉(zhuǎn)換速度為25s的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)。為了提高精度和便于采樣數(shù)據(jù)共享，人們又采用壓頻轉(zhuǎn)換器(VFC)代替12位AD?，F(xiàn)在14位和

2、16位的AD器件具有更高精度和速度，23s的轉(zhuǎn)換速度，又取代了VFC。 早期微機繼電保護用通用的邏輯芯片構(gòu)成微機系統(tǒng)，如并行接口，串行接口，時鐘，與非門等芯片。目前采用可編程邏輯器件，一片就可以實現(xiàn)所有邏輯功能。高技術(shù)的應用使微機繼電保護可靠性更高、性能更強、體積和功耗更小，可以實現(xiàn)非常復雜的保護功能，軟件開發(fā)可以采用高級語言。 一、VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) VFC： 電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC(Voltage Frequency Converter)是另一種實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件。可以將VFC器件與其他電路一起構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能。電壓、電流信號經(jīng)電壓形成回路后，均變換成與輸入信號

3、成比例的電壓量，經(jīng)過VFC，將模擬電壓量變換為脈沖信號，該脈沖信號的頻率與輸入電壓成正比，經(jīng)快速光電耦合器隔離后，由計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)，隨后，微型機按采樣間隔Ts讀取的計數(shù)值就與輸入模擬量在Ts內(nèi)積分成正比，達到了將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的目的，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。1、VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖 二、常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 1、AD7665轉(zhuǎn)換器簡介 ： 在AD轉(zhuǎn)換器件中，AD7665是一種逐次逼近型的16位快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率為500KSPS(Samples Per Second)或570KSPS。器件內(nèi)部包含了一個高速的16位數(shù)轉(zhuǎn)換電路，一個適用于不同輸入范圍的電阻電路，一個用于控制轉(zhuǎn)換

4、的內(nèi)部時鐘，一個糾錯電路。輸出方式既可以是串行接口也可以是并行接口，以便于和各種微機接口。 AD7665的溫度為一40+85，最大的非線性誤差在25LSB以內(nèi)，轉(zhuǎn)換噪聲的典型值為07LSB，其功能如圖所示。 2、MAXl25簡介 MAXl25是美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種八通道高速14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，它采用逐次逼近轉(zhuǎn)換技術(shù)。其內(nèi)部集成了一個8通道的多路開關(guān)，一個具有14位分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，4個同步采樣保持器，一個可編程序發(fā)生器，兩組14路的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果可以補碼的形式存入于4個14位RAM中。MAXl25的八路輸入通道均有17V的輸入故障保護電路。此器件需要5V的雙極性供電，采樣電壓的范圍是一

5、5+5V，廣泛應用電機控制系統(tǒng)監(jiān)控及數(shù)字信號處理等領(lǐng)域之中。 MAXl25的主要特點： (1)八個模擬量輸人通通，即八種轉(zhuǎn)換工作模式和一種節(jié)電模式。(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為3s；模擬量輸入電壓范圍為-5+5V。(3)參考電壓可選用器件內(nèi)部提供的2.5V，也可選用外部參考電壓。(4)內(nèi)部集成一個可編程序列發(fā)生器。時鐘頻率為O1MHz16MHz。(5)具有高速并行的單片機或微處理機接口。 三、微機繼電保護常用的單片機 1、8XCl96KB單片機簡介 ： 8XC196KB單片機內(nèi)容介紹 U1中央處理單元CPU U2時鐘發(fā)生器 U3中斷控制單元 U4程序存儲器 U5存儲器控制器MCR、從程序計數(shù)器

6、SPC和隊列QUEUE U6端口3(P3)和端口4(P4) U7總線交換協(xié)議與端口1(P1) U8高速輸入輸出通道 U9定時器單元 U10串行通信單元 U11DA轉(zhuǎn)換單元 U12端口2(P2)多路轉(zhuǎn)換器 U13端口0 (P0) 和端口2 (P2) U14AD轉(zhuǎn)換單元 LPC2212LPC2214采用144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達9個的外部中斷，這款微控制器特別適合工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、收款機控制等應用領(lǐng)域。其可用GPIO范圍為76腳 (外部存儲區(qū)) 到112腳 (單片)。由于內(nèi)設(shè)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入

7、式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其他各種類型的應用。 3、TMS320VC5470 TMS320VC5470(簡稱5470)是集成了基于TMS320C54x體系結(jié)構(gòu)的DSP子系統(tǒng)和基于ARM7TDMI核的RISC微控制器子系統(tǒng)的CPU定點數(shù)字信號處理器。具有雙CPU、功耗小、速度快等特點，為數(shù)字信號處理領(lǐng)域提供了一種更先進的可選器件。 TMS320VC5470功能框圖 TMS320VC5470特性 集成了1個TMS320C54x體系結(jié)構(gòu)的DSP和1個ARM7TIDMI RISC MCU的雙CPU處理器。 帶有72Kx 16位集成SRAM的16位低功耗DSP。速度可高達100MHz。 集成的DSP子系統(tǒng)外圍

8、，包括2個高速的全雙工多通道緩沖串口McBSPs，使DSP核可以與編解碼器(CODEC)直接接口；具有6個獨立通道的DMA控制器；ARM端接口(port interface)為MCU子系統(tǒng)和DSP子系統(tǒng)的CPU之間進行有效的信息交換提供了2K16位的共享存儲器接口；外存儲器接口；可以將外部總線周期擴展到14個機器周期的軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器；1個用于控制功能的軟件可編程的硬件定時器；可編程的鎖相環(huán)PLL時鐘發(fā)生器。 帶有16KB集成SRAM和仿真性能增強型的ARM7TDMI RISC微控制器核，使運行速度可高達475MHz。集成的MCU子系統(tǒng)外圍，包括通用異步收發(fā)器UART、支持SIR協(xié)議的

9、UARTIrDA接口、串行外圍接SPI、36個通用I/O引腳、I2C接口、2個通用定時器、1個看門狗定時器、中斷處理器、支持FlasnSRAMSDRAMROM的外部存儲接口、對MCU外圍靈活的時鐘管理、可編程的鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器?；谄蠏呙璧姆抡孢壿?，DSP和MCU核的IEEE標準11491+(JTAG)邊界掃描邏輯；支持DSP和MCU核的基于掃描的仿真。 DSP技術(shù)的實現(xiàn)主要基于DSP芯片。DSP芯片是基于超大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展起來的一種高速專用微處理器，其程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是完全隔離的，解決了總線擁擠的問題，由于具有雙地址發(fā)生器、獨立的乘法器和累加器、多總線 (CPU總線

10、和DMA總線) 結(jié)構(gòu)和流水線處理指令方法，具有強大的運算功能和高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，能方便地處理以運算為主的不允許時延的實時信號，有獨具一格的逆尋址方式，能高效地進行快速傅里葉變換，它采用內(nèi)存映射方式管理IO，能靈活方便地擴充外圍電路。目前DSP芯片已經(jīng)在微機繼電保護中廣泛應用。 DSP在微機保護中的應用 電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)在近幾年日趨成熟的過程中由于看到了DSP芯片的高速和并行處理能力強的優(yōu)點，也在考慮應用DSP替代原來的多CPU單片的方式；另外，隨著數(shù)字信號處理理論的新發(fā)展(小波理論)，電力系統(tǒng)暫態(tài)諧波的測量處理都可得到解決，從而對于電力系統(tǒng)故障瞬間許多無法解決的難題也會逐個突破。 對于正

11、常運行狀態(tài)下的電力系統(tǒng)，主要是對穩(wěn)態(tài)下的基波和諧波進行分析，傅里葉變換是一個十分有效的工具。但有些保護功能需要提取和識別電力系統(tǒng)故障信息，如行波和超高速保護、小電流接地選線等傅里葉變換就顯得無能為力，必須用到更高級的DSP算法，例如20世紀90年代興起的一種稱為小波變換的分析方法。它與傅里葉變換的主要差別在于傅里葉變換是一個純頻域的分析方法，在時域上沒有任何分辨能力，小波變換是一個時域和頻域局部化的分析方法，它把一個信號波形分成不同尺度和位置的小波之和，是分析非平穩(wěn)變化信號或突變信號最有效的方法。相信隨著DSP理論中的小波方法的發(fā)展，DSP技術(shù)必將在電力系統(tǒng)暫態(tài)控制的應用中得到進一步深化。 四

12、、復雜可編程邏輯器件CPLD簡介 CPLD(Complex Programmable Logic Device)即復雜可編程邏輯器件，由早期的PLD發(fā)展而來，是當今應用最廣泛的可編程專用集成電路(ASIC)。它的出現(xiàn)，使得硬件系統(tǒng)工程師可以在實驗室里自己設(shè)計出符合特定需要的專用集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品的上市時間，降低了開發(fā)成本。此外，可編程邏輯器件還具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和通用性。 對同一個問題可以有不同的解決方案。從功能上來說，微處理器、DSP和CPLD都可以完成相同的系統(tǒng)設(shè)計，但它們實現(xiàn)的方法不同

13、。微處理器和DSP的編程是所謂的“軟件”問題，它們將一個具體的問題分解成許多指令來實現(xiàn)。而CPLD則是通過對具體問題進行分析，將其分解為乘積項或與查找表類似的結(jié)構(gòu)用硬件來實現(xiàn)。 對于同一功能，一般通過CPLD實現(xiàn)要比微處理器實現(xiàn)快得多。原因有以下兩點： 微處理器通常要處理很多任務，對某一任務只能分給一定的時間片，而CPLD是專門化的； 微處理器是通過通用的硬件結(jié)構(gòu)用指令來實現(xiàn)的，而CPLD是采用專門設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)來完成的。DSP之所以在作乘法運算時比相同時鐘的單片機要快，主要是因為在DSP中集成了一個專用乘法器。為了滿足某些大量乘法運算任務(如數(shù)字濾波器的設(shè)計)的速度需要，可以在CPLD中設(shè)計

14、多個乘法器同時并行工作。 目前，世界上最大的兩家CPLD制造廠家是Altra和Xilinx。它們的產(chǎn)品占據(jù)全球CPLD市場的60以上。 1、XC9500系列CPLD特點 (1)高性能。5ns引腳間邏輯延遲；fCNT可達125MHz。(2)寬密度范圍：36288個宏單元帶有8006400個門。(3)5V在線系統(tǒng)編程：10000次編程擦除周期；(4)增強的引腳鎖定結(jié)構(gòu)。(5)靈活的36V18功能模塊。90個乘積項可驅(qū)動功能塊內(nèi)任意或全部18個宏單元，全局和乘積項時鐘、輸出使能、設(shè)置和復位信號。 (6)IEEE Std 11491邊界掃描(JTAG)支持。(7)每個宏單元都有可編程低功耗模式。(8)

15、單個輸出的斜率控制。(9)用戶可編程接地引腳。(10)擴展模式的保密特性，用于設(shè)計的保護。(11)24mA輸出驅(qū)動能力。(12)相容33V或5V的I0口。(13)先進的CMOS高速的Flash工藝。(14)支持對多個XC9500器件的并行編程。 （15）每個XC9500器件都是一個子系統(tǒng)，包括多個功能模塊(FB)和IO模塊(IOB)，并通過FastCONNECT開關(guān)矩陣實現(xiàn)內(nèi)部連接。IOB提供器件輸入和輸出的緩沖。每個FB提供36個輸入和18個輸出的可編程邏輯。FastCONNECT開關(guān)矩陣將所有FB輸出和輸入信號連接到FB輸入。對于每一個FB，1218個輸出(取決于封裝引腳數(shù))和相關(guān)的輸出使

16、能信號直接驅(qū)動IOB，如下圖所示： XC9500 的結(jié)構(gòu)框圖2、CPLD在微機保護中的應用 （1）CPLD在微機保護數(shù)據(jù)采集中的應用。 微機保護裝置中，模擬量輸入系統(tǒng)的主要功能是采集被保護設(shè)備的電流電壓互感器輸入的模擬信號，經(jīng)過適當?shù)奶幚?，然后轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)字量。CPU執(zhí)行存放在EPPROM中的程序，對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至RAM區(qū)的原始數(shù)采集速度的提高，原有的設(shè)計可能不滿足要求。而CPLD可以應用在高速甚至超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用來構(gòu)成種數(shù)據(jù)總線控制器和地址總線發(fā)生器和控制器，并能實現(xiàn)復雜的邏輯和時序控制。 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理如下：正常采樣時，模擬信號經(jīng)過高速AD轉(zhuǎn)換后，直接經(jīng)過數(shù)據(jù)總線

17、送人高速RAM中。與此同時，地址總線發(fā)生器產(chǎn)生相應的地址信號和控制信號(如片選信號、寫信號等)。整個采樣過程可以不經(jīng)過微處理器干預，大大提高了采樣速度?，F(xiàn)在一般的微處理器內(nèi)部都集成了AD器件，將模擬信號引入微處理器可以判斷保護設(shè)備是否發(fā)生故障，從而產(chǎn)生相應觸發(fā)信號。 采集系統(tǒng)中，直接將采樣數(shù)據(jù)存到高速緩沖RAM中而存儲器尋址則由地址總線CPLD構(gòu)成的地址發(fā)生器來完成。數(shù)據(jù)總線CPLD負責協(xié)調(diào)高速RAM、CPU以及其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送，因此可以用在高速、超高速微機保護的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。 用CPLD編程還可以構(gòu)成多個高速串行計數(shù)器，用于采用VFC的模數(shù)轉(zhuǎn)換。 （2）CPLD在微機保護數(shù)據(jù)處理中的

18、應用 在電力系統(tǒng)微機保護中，數(shù)字濾波器是必不可少的部分，這主要是因為，在系統(tǒng)發(fā)生故障的最初階段，由于電流和電壓信號中含有衰減的直流和各次諧波，使故障的暫態(tài)信號的頻譜十分復雜。若其動作原理是基于信號的某部分或單一頻率分量(如工頻分量、二次諧波分量等)，由于對保護動作快速性的要求，必須在故障的暫態(tài)過程中動作，因此不可避免地要對輸入信號進行濾波處理。 傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器用軟件實現(xiàn)，微機通過執(zhí)行相應的程序來對數(shù)字信號進行某種數(shù)學運算，去掉信號中的無用成分，從而達到濾波器(減法濾波器)、加法濾波器、積分濾波器、串聯(lián)濾波器等。采用CPLD來設(shè)計數(shù)字濾波器有其獨特優(yōu)越性。我們知道，數(shù)字濾波器主要是完成大量的加

19、法及乘法運算。在用CPLD設(shè)計的數(shù)字濾波器中，采用多個乘法運算和加法器來并行工作，可以大幅提高運算的速度。其實時性遠遠優(yōu)于用軟件實現(xiàn)。由于采用硬件來實現(xiàn)數(shù)字濾波器，所以抗干擾性好，不會因為干擾而拒絕工作，從而提高了保護動作的可靠性。CPLD的系統(tǒng)編程功能，允許對功能進行重新配置，為以后的升級提供了方便。 （3）CPLD在微機保護數(shù)據(jù)通信中的應用 目前開發(fā)的微機保護裝置中，一般都具有通信功能。采用CPLD同樣可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)通用異步收發(fā)器是使用較為廣泛的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它允許不同的系統(tǒng)通過它進行

20、全雙工數(shù)據(jù)通信。使用CPLD可以設(shè)計具有UART全部功能的專用集成電路。這樣以后如果網(wǎng)絡(luò)進行升級，通過對CPLD進行重新配置即可實現(xiàn)，而不需要更改硬件電路，從而大大延長了產(chǎn)品的使用壽命。還可以在CPLD內(nèi)通過編程設(shè)計與異步收發(fā)器配套的校驗碼發(fā)生和檢測硬件電路。 （4）CPLD在微機保護研發(fā)保密方面的應用 新的保護裝置研發(fā)成功后，為了防止核心技術(shù)不被他人竊取，開發(fā)公司想盡辦法來開展保密工作。CPLD在這方面具有很強的優(yōu)越性。以Altra公司的MAX7000系列為例，在器件的內(nèi)部包含有一個可編程的保密位，該保密位控制能否讀出器件內(nèi)的配置數(shù)據(jù)。當保密位被編程時，器件內(nèi)的配置不能被復制和讀出。由于在E

21、PROM內(nèi)的編程是不可見的，所以可以實現(xiàn)設(shè)計的加密。當對器件重新編程時，保密位連同其他的數(shù)據(jù)均可以實現(xiàn)擦除和重寫。 五、主要芯片指令執(zhí)行速度簡單比較 8XCl96KB單片機工作頻率可達16MHz，有的8XCl96單片機工作頻率可達30MHz。而32位單片機ARM7TDMI(一S)的工作頻率可達60MHz，ARM9系列的工作頻率可達233MHz。DSP中的TMS320C5x系列，例如：TMS320C54xx的工作頻率可達160MHz，而TMS320C55xx的工作頻率可達300MHz，所以顯然這三種芯片在執(zhí)行指令中，DSP執(zhí)行速度最高，32位單片機執(zhí)行速度次之，8XC196KB單片機執(zhí)行速度最慢

22、。 8XC196KB單片機120ns單一周期的定點數(shù)指令執(zhí)行時間。ARM7TDMI(一S)處理器167ns單一周期的定點數(shù)指令執(zhí)行時間，ARM7TDMI(一S)處理器使用流水線來增加處理器指令流的速度。這樣可使幾個操作同時進行，并使處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供0.9MIPSMHz的指令執(zhí)行速度。DSP中的TMS320C5x系列3550ns單一周期的定點數(shù)指令執(zhí)行時間(28620MIPS)。ARM9系列單片機的執(zhí)行速度高達11MIPSMHz，而主頻為100233MHz，有的集成有2MB高速Flash存儲器。 六、嵌人式技術(shù)的特點與發(fā)展現(xiàn)狀 1、嵌入式系統(tǒng)的含義與特點 廣義地說，一個嵌入式系統(tǒng)

23、是一個特定功能或用途的計算機硬件的集合體；嵌入式技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的最高形式一一片上系統(tǒng)(SoC)將是這些技術(shù)的集大成者。狹義的嵌入式系統(tǒng)僅指裝入另一設(shè)備并控制該設(shè)備的專用計算機系統(tǒng)，包括目標機與宿主機兩部分，其中的目標機是一種功能單一的、處于從屬地位的計算機系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的最大特點是其所具有的目的性或針對性，即每一套嵌入系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計都有其特殊的應用場合與特定功能，這也是嵌入式系統(tǒng)與通用的計算機系統(tǒng)最主要的區(qū)別。 2、嵌入式硬件技術(shù) 單片機(微控制器)曾是構(gòu)成嵌入式硬件平臺的主要器件之一，但嵌入式硬件技術(shù)的發(fā)展已使其不僅限于以往的單片機、單板機或PLC(可編程邏輯控制)的范疇，而且還廣泛地使用了各種新型器件。 3、嵌入式處理器 目前嵌入式系統(tǒng)中的處理分為微處理器、微控制器、)SP處理器等幾大類，應用最廣泛的還是各種檔次的8163264位微控制器，但Intel X86、RISC芯片、DSP芯片等高性能微處理器的應用也逐漸開始引人注目。嵌入式系