微处理器 在微机保护装置中的应用

随着电网供电负荷的日趋加重，电力系统对微机保护装置提出更高要求，一般低档单片机已很难满足设计要求。近来，各种集成化的单片dsp的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，使得dsp器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户所接受microchip公司推出的数字信号处理器dspic33f集a/d转换、通讯、看门狗、保护和数据存储于一体，同时还支持spi模式和i2c模式数据传输，便于扩展容量。因此，开发基于dspic33f的微机保护装置，不仅提升保护系统的整体性能和硬件平台的通用性，而且还能缩短开发时间，降低开发及硬件成本，对提高电力系统的稳定运行水平具有一定意义。

dsp内核和指令系统dspic33f的dsp引擎具有1个高速的17位×17位的乘法器，1个40位的alu，2个40位的饱和累加器以及1个40位的双向移位器，其运算速度可达40mi／s，指令字为24位，指令系统包含mcu指令集和dsp指令集。此外，这些指令对c语言编译器做了专门优化，采用c语言编写的程序代码效率很高。dspic33f允许工作电压±％的偏差，即工作电压为0～6v。

2数字信号控制器dspic33f系列简介

直接存储器访问(dma)和中断能力dspic33f内部集成了8通道直接存储器访问模块，允许cpu执行代码期间在ram和外设间传输数据，不额外占用周期。2kb双端口dma缓冲区(dmaram)，用于存储通过dma传输的数据。可通过软件对dma中断源进行设定，从而达到设计要求。dspic33f含有最多由118个区分优先级的中断向量组成的异常处理结构，中断优先级分为7级。最多67个中断源，5个外部中断和5个处理器异常。

开发工具microchip高性能开发系统支持dspic33f系列控制器。该开发系统包括mplab集成开发环境(ide)、mplabc30c编译器、mpiabsim30软件仿真器、mpiabicd2在线调试器及mplabice4000在线仿真器。dspic33f系列数字信号控制器还配备一系列的应用库。

该装置按功能分为cpu模块、交流插件、数字量i／o微机保护、通信、人机接口单元和电源单元。通信接口直接与上位机或通信管理机连接，人机接口采用128x64点阵式液晶显示器和专用键盘，显示信息量大，操作方便，硬件设计框图如图1所示。该微机保护装置具有16路开入量，16路开出量，15路模拟量，cpu模块原理框图如图2所示。由于dspic33f具有强大的汁算能力和完善的控制功能，可单独完成计算、控制、通信、人机接口等功能，减少了器件数量，简化硬件结构。又因dspic33f内部集成raflasa／d转换器等，使得外同扩展电路很少，进一步简化硬件结构，基本实现了总线不出芯片没计，极大提高保护装置的抗干扰性和可靠性。

1存储器扩展及实时时钟接口

dspic33fj256gp7内部集成30kb的sram用作数据存储空间，256kb的增强型flash作为程序或数据存储区。由于微机保护，存储保护定值、事件记录和故障录波数据都需较大存储空间，因此该装置扩展1mb的外部存储空间，将串行闪速存储器at45db1通过spi总线同dspic33fj256gp71o相连。at45db1的工作电压为7～6v，在系统重复擦写并兼容spi的flash存储器。内部有46页，每页264个字节，共计8mb的主存储器容量以及2个264字节的sram数据缓存器。at45db1与dspic33fj256gp7的接口设计电路如图3所示。图3中dspic33fj256gp7的sdosoisck1分别与at45db1的串行输入(si)、串行输出(so)和时钟(sck)引脚相连，re4，re2，re5，re6分别与at45db1的片选(cs)、复位(reset)、忙闲状态(rdy／busy)和写保护(wp)引脚相连。dspic33f通过re5读取at45db1的忙闲状态引脚判断存储器是否空闲，若re5为“1”表示存储器空闲，否则表示存储器忙。当存储器空闲时，通过re4引脚输出“0”作为存储器的片选信号，选中存储器后通过spi发送命令字完成对at45db1的相应读写操作。微机保护需配置3个定值，且存储在不同的3个区间，运行时校验其定值是否正确。为此，对at45db1的空间分配如下：定值、控制字、工厂设置和调节系数共分为4个区，存储在at45db1的0～9页，即一区为at45db1的0，1，2页，分别存储保护装置的1，2，3个定值；二区为at45db1的3，4，5页，分别存储保护装置的1，2，3个定值；三区为at45db1的6，7，8页，分别存储保护装置的3个定值；4区为at45db1的9页，存储调节系数。事件记录存储在at45db1的～1000页。故障录波数据存储在at45db1的10～4000页。

2基于dma的a／d转换

dspic33fj256gp7集成32路12bit高精度的a／d转换模块，其转换速度可达1ms／s，可灵活设定采样通道。采样模式可选用手动和自动两种，通道停止采样并开始转换的方式也有多种，如手动清除samp开始采样、内部计数器计数触发采样、定时器timer3溢出触发采样、中断引脚into触发等。其中定时器timer3溢出触发采样适合保护装置的定点采样。a／d转换采用直接存储器访问(dma)方式。采样结束后直接将数据存放于dmaram(有2kb空间)，不占用cpu周期。a／d转换结束并且数据已经存储于dmaram后会产生dma中断，寄存器ad1con2可用于选择多路采样结束后将产生中断。本装置共采集15路模拟量，采用自动采样和timer3触发转换的模式，在每个采样周期内触发转换一次，全部15路采样结束后产生中断并一次从dmaram区读取所有15路数据。在这种工作模式下，cpu只需启动一次a/d转换，在不占用cpu指令周期的情况下，通过dma方式将采样数据从外设转存于ram中，采样处理效率大大提高。给cpu空出了足够的时间来计算和故障判断。

3以太网接口的扩展

以太网接口扩展电路如图4所示。本装置采用i／o口模拟spi实现主控制器和enc28j60的连接，enc28j60收满一帧后，通过int引脚发中断信号通知dspic33f。so为主机读命令引脚，si为主机写命令引脚。microchip公司提供了一组专门针对dspic33f系列数字信号控制器的嵌入式tcp／ip协议栈cmx-micronet，该协议栈针对dspic33f系列器件的flash和ram资源进行优化，为以太网功能的实现提供软件支持。该协议栈既可以单独运行也可以嵌入实时操作系统(rtos)中使用。microchipcmx-micronet协议栈采用分层结构，用户可以在不十分熟悉tcp／ip的情况下实现网络应用。

在主程序中，对dspic33f自带看门狗时间初始化，即需设置：2个8位的计数器wdtprescalerwdtprescalerb，溢出时间可在2ms～16s之间调整。在对dspic33f的定时器初始化中，需考虑dspic33fj256gp7具有9个16位定时器。本装置软件使用3个定时器：tt3和t5。其中定时器t1的中断时间为1ms，完成时钟的读写、开入量采集、开出量输出、开关变位事件记录等功能。

定时器t3中断完成a／d转换的启动。在不占用cpu周期的情况下，通过dma方式将采样数据存入dmaram中，避免cpu和外设之间数据交换而占用宝贵的cpu时间，使程序的运行速度提高，采样数据的读取在dmao中断中进行。t5中断完成保护的计算和判断。

在收发两个通信中断函数中，主要完成微机保护装置上传开关量、保护定值、事件记录和遥测量(电流、电压、有功功率、无功功率和功率因数等)等，下传修改保护定值、时间信息和遥控操作等。本装置通讯采用iec670-5-1传输规约和mdbus规约(可选)，以便达到标准化通讯接口要求。

5基于dspic33f的保护装置抗干扰设计

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