（控制理论与控制工程专业论文）基于μcosⅡ的嵌入式微机保护装置的研究.pdf

摘要 伴随着我国经济的飞速发展，各行业对电力的需求也日益增大，并且对供电 质量的要求也越来越高。通过加强对电力系统的监控，达到改善供电质量的要求 变得刻不容缓。微机保护技术对于电力系统的监控意义重大。尤其是近几年来计 算机领域的软硬件技术的快速发展，更是给微机保护技术带来了新的活力。 微机保护技术是指通过实时的监控被保护对象的电压电流值，根据相应的算 法判据得出被保护对象是否发生电力故障，再根据故障的类型做出相应的保护动 作，以此达到保护对象的目的。 以往的微机保护装置的软件设计因要特别考虑实时性，大都使用汇编程序编 写，代码维护困难。本装置通过采用汇编语言与c 语言混合编程以及将i r t c o s h 嵌入式操作系统引入到微机保护装置当中，兼顾了软件编写上的效率以及代码维 护的问题。另外微机保护装置的研究难点在于保护算法的改进，要改进保护算法 必须要有相关的算法检验平台，本装置的实现可为将来保护算法的研究提供软硬 基础平台。 本文涵盖的内容包括系统装置的硬件设计、软件设计、保护算法研究、通讯 协议分析以及t t c o s h 嵌入式操作系统在m c u 中的移植内容。 关键词：微机保护：i ，t c o s i f ；通讯协议 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m yo fo u rc o u n t r y ，t h er e q u i r e m e n to ft h e e l e c t r i cp o w e ri n c r e a s eq u i c k l yi na l le n t e r p r i s e s ，a n dt h ed e m a n d i n go ft h ee l e c t r i c q u a l i t yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ea tt h es a m et i m e s oi tb e c o m e s as e r i a lp r o b l e mf o r i m p r o v i n gt h ee l e c t r i cq u a l i t yb ye n h a n c i n gt h ec o n t r o l l i n ga n ds c o u t i n gt h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m t h et e c h n o l o g yo ft h ep r o t e c t i n gb ym i c r o c o m p u t e ri sv e r yi m p o r t a n tf o r c o n t r o l l i n ga n ds c o u t i n g ，s p e c i a l t h ef a s td e v e l o p m e n ti ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e t e c h n o l o g yf o rm i c r o c o m p u t e rb yr e c e n t l yy e a r s ，i ts h o w s m o r ea n dm o r ee n e r g y t h et e c h n o l o g yo ft h ep r o t e c t i n gb ym i c r o c o m p u t e ri st h a tr e a lt i m es c o u t i n gt h e o b je c t sv o l t a g ea n dc u r r e n tt h a tw a n t e dt ob es c o u t e db yp e o p l eu s e d t h ed e v i c e st h a t t h em i c r o c o m p u t e ri n s i d e ，a n dt h e nb a s e ss o m em a t h e m a t i cf o r m u l at oj u d g ew h e t h e r t h ee l e c t r i cf a i l u r eh a p p e n ，f i n a l l yo p e r a t e sc o r r e s p o n ds t e pt op r o t e c tt h eo b j e c tt h a t n e e d e dt ob ep r o t e c t e dd e p e n d i n go nw h i c hk i n d so ft h ee l e c t r i cf a i l u r e s a n c i e n t l y ，b e c a u s eo fc a r i n gt h ea s p e c to ft h er e a lt i m e ，s om a n yt h e s ek i n d s s o f t w a r ed e s i g n e du s i n gt h ea s s e m b l e rl a n g u a g e ，t h o u g hi tm a yc a u s et h ep r o b l e mo f m a i n t e n a n c et h ec o d e t h es o f t w a r eo ft h ed e v i c ei sd e s i g n e db yca n da s s e m b l e r l a n g u a g e sa n di n c l u d e sa r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m b o t ht h e mw i l lm a k et h es o f t w a r e n oo n l yb em o r ee f f i c i e n c yb u ta l s oe a s i l ym a i n t e n a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，o n eo ft h e d i f f i c u l t i e si ns t u d y i n gt h et e c h n o l o g yo ft h ep r o t e c t i n gb ym i c r o c o m p u t e ri s t h e i m p r o v i n gt h ea r i t h m e t i co ft h ep r o t e c t i n g ，a n di fw a n tt oi m p r o v et h ea r i t h m e t i co ft h e p r o t e c t i n g ，i tm u s tn e e da t e s tp l a tr o o f t h er e a l i z a t i o no ft h ed e v i c ec a np r o v i d et h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r et e s tp l a tr o o ff o rt e s t i n gt h ea r i t h m e t i co ft h ep r o t e c t i n g t h ec o n t a i n so ft h ep a p e rc o v e rt h es o f t w a r eo ft h ed e v i c e ，t h eh a r d w a r eo ft h e d e v i c e ，t h ea r i t h m e t i co ft h ep r o t e c t i n g ，t h ep r o t o c o lo ft h ec o m m u n i c a t i o n s ，a n dh o w t o p o r tt h ee m b e do p e r a t i o ns y s t e mo fl a c o s 一t o8 0 c 19 6 k cs y s t e m k e yw o r d s ：p r o t e c tw i t hm i c r o c o m p u t e r ；t t c o s - ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：“ 叼年。么月哆日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子 版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有 权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用 本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密0 ( 请在以上相应括号内打“d ) 作者签名：j l 威 导师签名： 日期：3 t ，刁年9 f j 弓0 3 日 日期又p ；7 年口月谚e t 第一章引言 第一章引言 1 1 问题的提出 对于本专业的研究生，算法领域的研究，由于实验条件的限制，通常停留在 计算机仿真的水平之上。为了能够使高校的理论研究更贴近于实际，并且能尽快 的转化为实际的生产力，故提出能否开发出一些实际硬件平台来检验理论研究成 果这一课题。一方面可以节省科研经费，另一方面通过对平台的开发，可以增加 学生的动手实践能力。 另外由于在微机保护领域，算法的研究已经达到了一定的水平，能够满足大 部分的工程需要，企业将不会投入过多的资源进行理论算法改进，故算法的研究 速度也有所放慢甚至停滞不前。在这种情况之下高校的理论研究优势将可以得到 较大的发挥，所以本论文选择该课题进行研究。 1 2 研究内容 能够初步实现微机保护装置软硬件设计的相关内容，硬件部分包括l c d 显 示模块、通讯模块、继电器输出模块、开关量输入模块以及模拟量采集模块。软 件部分包括实时操作系统的引入、通讯协议的实现、以及初步保护算法的实现。 1 3 研究价值 该装置初步搭建了进行保护算法研究所需要的软硬件基础框架。特别是成功 的弓i a 4 t c o s 。i i 操作系统，使得嵌入式的软件开发变得简单起来，为后续的开发 者奠定了较好的基础。 1 4 本文的组织 本文将从以下六个方面对该设计进行讨论： 第一部分总体概念。该章节对嵌入式以及微机保护的基本概念做一下总体的 介绍。 基于“c o s i i 的嵌入式微机保护装置的研究 第二部分硬件设计。该章节对微机保护装置的硬件组成以及基本原理进行详 细介绍。 第三部分软件设计。该章节详细介绍了构成该装置的相关软件设计内容，特 别是嵌入式操作系统的移植以及各个相关硬件部分的初始化代码如p l d 与l c d 等等。 第四部分关于保护算法的简介。 第五部分关于通讯协议分析。该章节对电力部门几种经常使用的通讯协议进 行比较，以此说明进行协议分析的方法与过程。 第六部分全文总结。 2 第二章概述 第二章概述 2 1 嵌入式系统概念介绍 随着我国社会信息化时代的来临，丰富多彩的数字产品已经开始继p c 机之 后进入人民生活的各个领域，并且逐步形成一个充满商机的巨大产业链条，“后 p c 时代 来临。随着“后p c 时代 的来临，嵌入式系统越来越广泛的被运用于 社会的各个领域，与我们的生活变得越来越息息相关。嵌入式技术成为当今信息 技术发展的热点。 嵌入式系统可以描述为：以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专业计算机系统【2 】。 与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有以下几个特征： 1 面向特定的应用场景。其软硬件设计可以量体裁衣，去除冗余。而通用计 算机则是一个通用的、统一的平台，它需要能够满足各种应用的需求，因而使用 效率将不能够达到最大。 2 得到多种处理器类型和体系结构的支持。通用计算机采用少数的处理器类 型和体系结构，其相关处理器技术掌握在少数大公司手里；而嵌入式系统可以采 用多种类型的处理器和体系结构，比较容易获得相关技术资料。目前主流的体系 结构有a r m ，m i p s ，p o w e r p c 和s h 等。 3 有实时性和可靠性要求的场合。普通的桌面系统因为其使用领域不同，不 需要很强的实时性，甚至也不需要很高的可靠性，因为它可以通过简单的重新启 动的操作方式来恢复错误。而对于应用在控制领域的实时操作系统，特别是与人 生命息息相关的控制领域，这种处理错误的方式是不可忍受的，因此要有严格的 可靠性要求。而嵌入式系统恰好能够满足其要求。 4 系统大小可剪裁。普通的操作系统因其要满足各种应用需要，常常带有庞 大的驱动程序库，种类繁多的系统功能，因此常常体积庞大，并且运行起来要耗 费巨大的硬件资源，如r o m 与r a m ，并且对于处理器的速度也有一定的要求。 而嵌入式操作系统，可以根据需要进行裁减以及配置，达到几k b 的规模，所需 3 基 - - p c o s i i 的嵌入式微机保护装置的研究 要的硬件资源较少，并可根据实际需要挑选相应的c p u 处理速度，故应用范围广 通过以上比较可以看出嵌入式系统，应用前景十分广阔。 2 。2 嵌入式发展的趋势 过去，由于条件所限，大部分的嵌入式系统硬件结构复杂，需要用户自行外 扩总线，连接如r o m 、r a m 、通讯口等等的电路。系统设计在硬件方面花费较 大，并且整机的可靠性、抗干扰性方面也有待提高。随着硬件技术的不断发展， 如今的微控制器内部往往集成了几乎一个嵌入式系统所必须拥有的所有硬件资 源，使得硬件设计的成本与难度降低，嵌入式整机的开发工作已从传统的硬件为 主变为以软件为主f 2 1 。 嵌入式软件包括嵌入式操作系统、嵌入式软件开发工具和嵌入式中间构件。 其中嵌入式操作系统是嵌入式软件的基础和龙头，嵌入式操作系统的使用将使嵌 入式系统的开发发生翻天覆地的变化。因此嵌入式操作系统将是未来“后p c ” 时代研究的热点。 2 3 微机保护的概念介绍 随着电子技术和计算机技术的发展，电力系统的继电保护也突破了传统的以 继电器为主要执行机构的系统构成方式，出现了以数字微处理器为核心的电力系 统继电保护形式。我们把以数字微处理器为核心构成的电力系统继电保护称为电 力系统微机保护。 电力系统的继电保护基本要求包括了：可靠性、选择性、快速性、灵敏性。 可靠性指的是要求保护系统在被保护对象发生故障的时候能够可靠的进行保护。 选择性是指在发生电力故障的时候，保护装置能够在最靠近故障点的地方进行保 护动作，使因故障产生的损失最小。快速性是指保护装置能够在故障产生的时候 快速的进行动作，保护电网暂态稳定性。灵敏性是保护装置可靠动作的需要1 3 1 。 4 第二章概述 2 3 1 微机保护的历史 上世纪初随着电力系统的发展，继电器开始广泛应用于电力系统的保护。这 个时期可认为是继电保护技术发展的开端。到上世纪2 0 年代初，距离保护装置 出现。 5 0 年代，微波中继通讯开始应用于电力系统继电保护。同时在继电保护原理 的发展过程中，构成继电保护装置的元件、材料等发生了巨大的变革。从机电式 保护装置，到晶体管式继电保护装置，再到集成电路式继电保护装置。 在2 0 世纪6 0 年代末期，在美国与澳大利亚的一些学者的倡导之下，提出了 能否利用小型计算机构成继电保护的构想。但是由于当时计算机价格昂贵，同时 也无法满足高速继电保护的技术要求，因此在微机保护方面没有取得实质的应 用。但由此开始了对计算机继电保护理论算法和程序结构的大量研究，为后来的 继电保护的发展奠定了理论基础。 计算机技术在7 0 年代初中期出现重大突破，大规模集成电路技术的飞速发 展，使得微行计算机与微型处理器进入实用阶段。7 0 年代后期，出现了比较完善 的微机保护样机，并投入到电力系统当中试运行。 8 0 年代微机保护在硬件结构与软件技术等方面日趋成熟并已在一些国家推广 与应用。 7 。 9 0 年代电力系统的微机保护已经全面发展到微机保护时代，它是继电保护技 术发展历史过程当中的第四代p 1 。 2 3 2 我国微机保护的发展史 我国的微机保护研究起步于2 0 世纪7 0 年代末期、8 0 年代初期，尽管起步 晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过1 0 年左右的奋 斗，到了8 0 年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量 实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先 导的作用。从7 0 年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西 安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。 1 9 8 4 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中 获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道 5 基于g c o s i i 的嵌入式微机保护装置的研究 路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电 机保护和发电机一变压器组保护也相继于1 9 8 9 年、1 9 9 4 年通过鉴定，投入运 行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天 津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西 安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3 年、1 9 9 6 年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具 特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护 装置。因此到了9 0 年代，我国继电保护进入了微机时代。随着微机保护装置的 研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之 中【3 l 。 目前，微机保护技术已经趋于成熟，各种类型的微机保护装置已在全国各大 电网中投入运行。随着时间的推移微机保护所拥有巨大的潜力必将越来越被人们 所认可。 6 第三章硬件设计相关内容 第三章硬件设计相关内容 微机保护系统的硬件组成一般由数据采集系统、主机系统和开关输入输出系 统三部分构成。 数据采集系统的作用是将输入至保护装置的电压、电流等模拟量准确地转换 成所需要的数字量以供微机系统进行分析判断。该部分的主要作用是完成被测对 象的电量参数的采集功能。主机系统则包括中央处理器( c p u ) ，只读存贮器 ( r o m ) ，随机存贮器( r a m ) ，人机界面模块以及通讯模块和电可擦除芯片等等。 该部分的作用是提供程序运行的介质，以及人机对话，机机通讯以及重要参数的 保存与读取等功能。输入输出系统则包括一些执行机构。当装置检测到发生故障 的时候能够及时发出信号，或者控制开关动作。 3 1 系统框架介绍 本装置的硬件设计物理上分为三块电路板：电源板，系统主板，输入输出 板。电源板的功能是把标准工频电压变换成装置所需要的+ 5 v 与+ 1 2 v 电源。系 统板的功能有实现液晶显示、通讯以及关键运行参数的“掉电存储 功能等。输 入输出板的功能包括有开关量的输入与输出，电流、电压的采集电路。见图3 1 1 系统框架示意图。 图3 1 1 系统框架示意图 1 2 8 6 4 液晶模块 群蹴 带内部li 。：= ：。 时钟l “、“ 4 路开入量 4 路继电器 三相电流采集 单相电压采集 模块 7 基于g c o s i i 的嵌入式微机保护装置的研究 3 1 1 电源模块 本装置的供电模块采用含有t o p 2 2 1 芯片的开关电路。t o p 2 2 1 芯片由三个管 脚组成，分别为漏级端( d r a i n ) 、控制端( c o n t r o l ) 、源极端( s o u r c e ) 。漏极 端与输出m o s f e t 漏极连接，启动时，提供内部偏置电流。控制端有三项功能： 首先该端电压为片内并联调整器和门驱动级提供偏压；其次该电流大小决定输出 占空比；再次该端还可以作为电源支路与自动重启补偿电容的连接点，通过外接 旁路电容来决定自动重启动的频率，并对控制回路进行补偿。源极端是开关电源 初级电路的公共点和参考点1 4 5 1 6 1 。详细电路见图3 1 2 。图中r z l 为压敏电 阻，防止过压交流电进入电源模块，r 1 为自恢复熔断电阻，当电源模块流入过大 的电流时，切断电流回路。l 2 为共模遏流环，消除电网对模块的尖峰干扰， d 1 、d 2 、d 6 、d 7 为整流桥，把工频交流电转变为3 8 0 v 直流电压。d 8 为瞬变电 压抑n - 极管( t v s ) ，d 6 为超快速恢复二极管( s r d ) ，二者共同组成高频变压器 的保护电路，用以吸收漏感引起的尖峰电压1 5 l 。 图3 1 2 电源模块电路图 3 2 系统模块 3 2 1c p u 介绍 8 第三章硬件设计相关内容 图3 2 18 0 c 1 9 6 k c 引脚图 l ll ；苫 资料来源：8 0 c 1 9 6 k cd a t a s h e e t1 9 9 6 年。 p l ， - ，l a j t m i , a7 ， i ， k i 目前广泛使用的微处理器内存体系结构有两大类，一类是冯诺伊曼式体系结 构，另外一种是哈佛体系结构。冯诺伊曼式体系结构的特点是允许代码和数据混 合存贮，无论是r o m 或是r a m 都可以存储程序或者是数据。而哈佛体系结构 的微处理器则要求用户把程序和数据分别存贮在不同的存贮区域当中。大多数的 微处理器都采用经过改进的哈佛体系结构1 6 | 。虽然代码和数据的存贮区域是分开 的，但该体系支持从代码区域载入有限的数据。例如l c d 的点阵字库的存贮， 用于计算c r c 数值的c r c 表就放在r o m 区域内。 本装置使用的8 0 c 1 9 6 k c 2 0 单片机也是一种采用经过改进的哈佛体系结构的 微处理器，是i n t e l 公司的1 9 6 系列单片机的第二代产品。内部拥有丰富的硬件资 源，并且价格低廉，拥有良好的性能价格比。内部资源如下： 1 拥有5 1 2 个字节的r a m ，其中4 8 8 个字节可供用户自由使用。 2 有2 8 个中断源1 6 个中断向量。 3 有5 个不同的8 位i o 口。 4 有一个时间参数为1 6 位的内部“看门狗”。 5 一个全双工的串行口。 6 一个高速输入输出子系统。 9 基 ：u c o s i i 的嵌入式微机保护装置的研究 7 两个可编程硬件定时器。 8 4 个可编程软件定时器。 9 8 路8 位或1 0 位的a d 转换通道。 1 0 以及3 路“调宽脉冲”输出通道。 1 1 可动态配置的1 6 位或8 位的数据总线。 该型号c p u 的“最小系统连接图 见图3 2 28 x c l 9 6 k c 模块最小系统图。 图3 2 28 x c l 9 6 k c 模块最小系统图 谢舳 资料来源：8 0 c 1 9 6 k cd a t a s h e e t1 9 9 6 年。 选取该型号单片机有以下理由。一、生命力旺盛。i n t e l 公司的1 9 6 系列的单 片机不断的推陈出新，后续型号有1 9 6 k d 、1 9 6 k r 、1 9 6 n t 等等，并且i n t e l 公司 还发展出具有与该系列相同指令集的下代产品2 9 6 系列单片机。二、容易学习。 与其它型号的单片机相比，更容易学习。该系列型号的c p u 与以5 1 内核为核心 的c p u 有许多相似的地方，管脚数目适中，开发工具容易获得，价格较低。三、 外部资源较多。同时该系列单片机拥有5 个i o 口，可以扩展出更多的功能，供 系统使用。四、芯片规模适中，适合u c o s i i 操作系统的移植。5 l 系列这样的单 片机，因其结构简单，常常在控制任务简单的环境下使用，控制任务单纯，因此 不需要内嵌一个操作系统就可以很好的满足工作需要。而像a r m ，p o w e r p c 这 样的c p u 因为是3 2 位的c p u ，构架相对复杂，常常应用在任务复杂，需要有丰 1 0 第二章硬件设计相关内容 富界面的工作要求之下，需要安装更加高级的操作系统例如v x w o r k s 、g c l i n u x 等等。1 9 6 系列的单片机是1 6 位的单片机，它所肩负的任务较8 位单片机复杂， 又比3 2 位单片机简单，安装较简单的操作系统就可以很好的工作。综上所述， 采用该型号的单片机作为装置的c p u 。 3 2 2c p u 资源分配介绍 c p u 外部引脚资源分配如下：p 1 0 p 1 2 为继电器输出，p 1 4 是继电器输出信 号锁存信号，使用7 4 h c 2 7 3 芯片锁存。p 1 7 为液晶背光灯开关信号引脚。p 2 0 p 2 1 为串行口输入输出引脚。p 2 2 为a d 转换完成信号输入引脚。p 2 3 p 2 7 为 s p i 总线存储芯片控制引脚。h s i 0 h s i 3 为4 路外部开入量输入引脚。h s o 0 - h s o 2 分别为系统运行指示灯、“看门狗喂狗”信号、采样保持控制信号输出引 脚。其它为控制总线引脚、电源系统引脚，详见图3 2 3c p u 模块电路图。 图3 2 3c p u 模块电路图 基t - p c o s i i 的嵌入式微机保护装置的研究 3 2 3 通讯接口电路 本装置采用r s 4 8 5 总线与外界进行通讯。r s 4 8 5 总线是一种异步串行总线， 它采用平衡式发送、差分式接收，抗干扰能力强、传输距离远，理论传输距离可 达1 2 0 0 米，并且在同一个r s 4 8 5 网络中，可以有多达3 2 个模块( 有中继的情况下 可多达2 5 6 个终端) ，因此它在工业系统中应用广泛。通讯接口电路见图3 2 4 通讯 模块电路图。值得注意的是通常r s 4 8 5 传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷 击等原因引入过电压。而r s 4 8 5 收发器工作电压较低( 5 v 左右) ，其本身耐压 也非常低( 7 v 计1 2 v ) ，一旦过压引入，容易引起击穿损坏。在有强烈的浪涌能 量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。因此通常在该电路中 加装一些保护通讯芯片的措施。例如为防止通讯线路当中的尖峰脉冲电压的影 响，一般在线路末端加装t v s 瞬变电压抑制器。为阻止线路当中的过电流对芯片 的热损坏，在通讯电路当中串联p t c 热敏电阻。并且常在通讯芯片与单片系统的 接口出加装光电隔离芯片，减少外界对系统的干扰【7 1 。 图3 2 - 4 通讯接口电路图 宝 1 2 第三章硬件设计相关内容 3 2 4g a l 芯片介绍 在许多系统当中，快速微处理器必须与低速外部设备进行通讯。在这种情况 底下，外部低速设备不能够对微处理器内部产生的快速正常读、写或数据选通信 号进行及时响应。为此解决这种问题的常用方法是在微处理器访问外部设备期间 插入等待状态。 i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 单片机与其它的慢速存储芯片可能存在速度匹配问题，故该 款芯片专门提供一个r e a d y 信号线用于解决慢速芯片的速度匹配问题。即当慢 速芯片的“片选使能”的时候，该信号线同时被“拉低 ，使c p u 的指令周期 被插入等待周期( 最多插入3 个等待周期) ，直到芯片等待周期结束，以此来解决 速度匹配问题。 另外考虑到该系统将来的系统扩展能力，普通的如1 3 8 等传统的“片选”芯 片已经不能满足要求，故在该装置当中使用g a l 芯片作为“片选 芯片。 g a l 芯片是可编程逻辑器件当中的一种。所谓的可编程逻辑器件总体上分为 两大类别。一类被称为p l d 即可编程逻辑器件。另外一类被称为f p g a 即现场可 编程门阵列。二者功能相同只是规模与实现略有不同，因此有时可以忽略二者的 不同，统称二者都为可编程逻辑器件【8 j 。 可编程逻辑器件功能十分的强大可以实现任何数字芯片的功能。大到c p u 的 功能，小到各种逻辑关系的实现。p l d 如同一张白纸，工程师可以通过传统的原 理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，可以 事先验证设计的正确性。在p c b 完成以后，还可以利用p l d 的在线修改能力， 随时修改设计而不必改动硬件电路。使用p l d 来开发数字电路，可以大大缩短设 计时间，减少p c b 面积，提高系统的可靠性。 g a l 可编程逻辑阵列采用高性能c m o s 工艺，可以反复擦写，使用非常方 便。本装置采用g a l 2 2 v 1 0 d 芯片。使用过程如下： 1 根据实际需要，写出逻辑关系表达式。 2 通过专门的编辑软件进行编辑，并编译生成j e d e c 文件。 3 通过刻录工具下载到g a l 器件当中。 对p l d 器件进行开发需要使用开发商提供的设计系统，例如a l t e r a 的 m a x p l u s 2 q u a r t u s 、x i l i n x 的i s e5 2 i f o u n d a t i o n 、l a t t i c e 公司的i s p 1 3 基tj _ t c o s i i 的嵌入式微机保护装置的研究 e x p e r t i s p l e v e rv 3 0 ，以及a c t e l 公司的a c t e ld e s i g n e rr 1 - 2 0 0 3 等1 9 1 。而本装 置采用a l t i u m 公司的p r o t e l 9 9 s e 软件进行编程，并且使用c u p l 语言，该语言属 于v h d l 硬件描述语言的一种分支。 c u p l 的编写有一套规则，用户只须按照相应的规则编程即可。这里仅仅给 出一个实例，用户只需要根据实际需要做相应修改即可。 例如系统要求当地址范围在0 0 0 0 h 7 f f f h 时，e p r o m 的“片选 有效；当地址 范围在8 1 0 0 h f f f f h 时，r a m 的“片选有效；液晶的数据口和命令口分别为 8 0 0 0 h 和8 0 4 0 h ；在8 0 8 0 h 时m a x l 9 7 a d 转换芯片的“片选有效；并且当 r a m 、m a x l 9 7 或是液晶片选有效的时候c p u 需要插入等待时序。 n a m e 1 1 5 p l d 一3 ； n a m el15 p l d d e s i g n _ 3 ； p a r t n o0 1 ； r e v i s i o n1 ； d a t e2 0 0 7 0 1 0 6 ； d e s i g n e rw a n g w e i ； c o m p a n y x m u ； a s s e m b l y ； l o c a t i o n ； j d e v i c e 9 2 2 v 1 0； f o r m a t j ； p i nl = a 6； p i n2 = a 7 ； p i n3 = a 8 ； p i n4=a9； p i n5 = a 1 0 ； p 洫7 = a 1 2 ； p i n8 = a 1 3 ； p i n9 = a 1 4 ： p i n1 0 = a 1 5 ； p i n11 = a 1 1 ； p i i l1 3 = i n s t ； p i n1 4 = r e a d y ； 1 4 第三章硬件设计相关内容 p i n1 8 = ! c s 5 1 2 p i n2 0 = ! c s l 5 5 4 p i n2 1 = ! c s l 9 7 p i n2 2 = l c d d c p m 2 3 = ! c s l c d f i e l da d d e s s = 【a 6 1 5 】 ； f i e l dd e c o d e = 【c s 512 ，c s15 5 4 ，c s19 7 ，c s l c d ； t a b l ea d d e s s = d e c o d e 【0 0 0 0 7 f f f - b 10 0 0 ； 【8 1 0 0 8 1 f f 】= f 0 1 0 0 ； 8 2 0 0 c f f f = b 0 1 0 0 ； d 0 0 0 f f f f = b 0 1 0 0 ； 8 0 8 0砒0 0 10 ； 8 0 0 0 付0 0 0 1 ； 8 0 4 0 = ，b 0 0 0 1 ： ) l c d d c = r e a d y o e = r e a d y = 3 2 5 数模转换( a d ) 与采样保持电路 产r o m ：0 0 0 0 h 7 f f f h 宰 严r _ 6 蝴：8 1 0 0 h f f f f h 宰r 6 l m ：8 1 0 0 h f f f f h 奉 产r 心：8 1 0 0 h f f f f h 严n 嗽19 7 ：8 0 8 0 h 幸 严l c d d a t a ：8 0 0 0 h 木 l c d c o d e ：8 0 4 0 h 木 在8 0 c 1 9 6 k c 2 0 单片机内部已经含有一个1 0 位的采样保持与数模转换模 块，但考虑到系统的扩展性，以及采样精度等问题，所以本装置采用外部芯片完 成采样保持以及数模转换功能。 在a d 转换上装置采用m a x i n 公司的8 通道1 2 位的数模转换芯片m a x l 9 7 来完成数模转换功能。该芯片转换精度高，转换时间短，与m c u 的硬件接口连 接简单，软件接口指令较少，并且可以采用芯片内部提供参考电位，电路连接图 易实现并且成本较低，其连接示意图见图3 2 5 。 1 5 6 塔 0 舶 ! 三 帅 基于“c o s i i 的嵌入式微机保护装置的研究 图3 2 5 内部参考电压连接示意图 艇 疆 j 镶群二l ? ；7 j ： 上竺，、 上 f l f m j譬 t _ j 娥圭 ： ：慕 ； 资料来源：m a x l 9 7d a t a s h e e t1 9 9 6 年。 该型号的a d 转换芯片可根据实际情况有4 个不同档位的量程选择。o - 5 v ，0 1 0 v ，5 v + 5 v ，i o v + i o v 。档位的选择通过命令字的第3 与第4 位决定。 根据表3 2 1 可以得出m a x l 9 7 芯片在不同档位时候的测量范围。 由于本装置采用内部参考电平接线方式，故取4 0 9 6 v 。当采用后两种档 位的时候被读取数据的最高位为符号位。 表3 2 1 档位量程对应表 u n i t ：v r a n g e z e r os c a l ef u l ls c a l e+ f u l ls c a l e 0t o5o x 1 2 2 0 7 0t 0l o0 x 1 2 2 0 7 5t o + 5 。x1 2 2 0 7x 2 4 4 1 4 一1 0t o + 1 0 。x 2 4 4 1 4x 2 4 4 1 4 资料来源：m a x l 9 7d a t a s h e e t1 9 9 6 年。 当进行数模转换的时候，首先写控制命令字节进入芯片，同时芯片的2 4 脚会 被自动拉高，当转换完成之后2 4 脚将被拉低，m c u 依次从芯片读取数据的低8 位与高4 位转换结果。 在实际电路当中有四路模拟量通道，其中三路为电流量一路为电压量。因各 路保持电路都相同，在不影响理解的情况下只画出一路的采样保持电路。详细电 路图见图3 2 5 采样保持以及数模转换电路图。 1 6 第三章硬件设计相关内容 图3 2 5 采样保持以及数模转换电路图 值得注意 必须遵循一定 的是为了使该数模转换电路能够获得最佳的运行效果，电路板的布置 的规则，根据该芯片的d a t a s h e e t 资料，p c b 应如图3 2 _ 6 进行排版。 图3 2 6a d 转换模块理想电路板图 。0 p t l 0 l n 幔c r 6 哪栅钳m 6 f 叫帕尸l 雌硼 9 嘲佃旺 资料来源：m a x l 9 7d a t a s h e e t1 9 9 6 年。 3 2 6 看门狗电路 一个稳定的硬件系统必须要有一个可靠的上电复位系统，以及“看门狗电 路。在发生由于外界干扰而使程序运行出现异常时，能够使芯片可靠重新启动， 1 7 避免故障进一步加剧。本装置采用t c l 2 3 2 e o a 芯片，该芯片通过硬件连接的不 同可以产生1 5 0 m s ，6 0 0 m s 以及1 2 0 0 m s 三档不同的延迟复位时间，能够满足实际 需要，详细电路图见图3 2 6 看门狗电路图。 图3 2 6 看门狗电路图 1 _ 8t i p b r s tv c c 7 d o gi 3 t ds t 6r s t1 1 广丁 t o lr s t - 卜。-g n d r s t 5 一 l g n dt c l 2 3 2 e o a 3 2 7 液晶显示接口电路 g 鼢 做为一个保护装置必须要有友好的用户显示界面，能够给用户提供必要的信息 以利于用户使用，本装置采用s y m l 2 8 6 4 b 型号的l c d 作为显示接口，显示一些 重要数据，例如电流量，电压量，继电器开出量，以及开关输入量。接口电路见 图3 2 7 。 ， ，二 图3 。2 7 液晶显示接口电路 g n d 1 8 第三章硬件设计相关内容 其中r c 2 为一个可调电阻，用于调整l c d 的显示对比程度。t 1 三级管的作 用是开关作用。当c p u 发送打开l c d 背光灯指令时，t 1 导通，电流流过d 1 、 t l 进入l c d 模块，为l c d 的背光灯提供电流。 3 3 输入输出模块 3 3 1 开关量输入电路 该装置有四路开关量输入模块，用于反馈开关的开合状态。此四路开关量输 入模块与c p u 的高速输入模块( h s i ) 相连接，可精确记录开关动作时间，供用户 查询。为方便用户使用，接口采用内部供电方式，并且为了提高系统的稳定性防 止由于输入开关的频繁开关引起系统电源不稳定以及外部强电意外输入，用d c d c 模块对开关量的输入供电系统与系统的供电系统进行隔离。另外电路当中采 用“光隔”芯片t l p 6 2 7 4 与“斯密特”触发器7 4 h c l 4 芯片用于屏蔽干扰，减少 系统误判断信号输入而频繁进入中断函数的情况发生。电阻r 1 0 用于限制电流， 减少功率损耗。r 9 为上拉电阻使电平跳变平稳。r 1 1 为限流电阻，因为 8 0 c 1 9 6 k c 的h i s 输入引脚的灌电流为1 2 m a 左右。在不影响理解的情况下仅列 出一路接口电路，见图3 3 1 。 图3 3 1 开关量输入接口电路图 3 3 2 继电器输出电路 本装置采用“单刀双掷型继电器。为了防止继电器在上电期间产生不必要 的误动作，故采用s n 7 4 h c 2 7 3 芯片进行“锁存 。使用s n 7 4 h c 2 7 3 芯片还须注 意两点，一、s n 7 4 h c 2 7 3 芯片的复位端应与系统复位端可靠连接。二、程序初始 化时应该给继电器开关一个稳定的状态。 1 9 基t - p c o s i i 的嵌入式微机保护装置的研究 继电器驱动芯片采用通用的继电器接口芯片u l n 2 0 0 3 a d ，该芯片驱动能力 强，在单通道条件下可以通过5 0 0 m a 电流，对于绝大部分的电路板级继电器都 可以驱动。 d 5 为续流二级管，当继电器断开的时候，线圈要放电，该二级管提供电流释 放路径，从而保护光耦的输出端。在不影响理解的情况下电路图仅列出一路，见 图3 3 2 继电器输出模块电路图。 图3 3 2 继电器输出模块电路图 置s t2 7 3l 翟露v i 。c 2 0 丁l l 置e l a 了c u 1 1 1 浩 u ， c l 置 relayl32l1 6 r e l a 二 ，u e l a y ：4 q 0 j2 ai c 1 5r e l a y 置e l a yj7 d l q l 6， 暑2 c 置e l a y4暑 d 2 q ： 94 b ，c 1 4 r 二 y 一 1 3 d ，q 3 1 2， b 4 c 1 3 r e l y 丌 1 3 4 q 4 l ， b5 c 1 2 1 7 d 5q 5 l 7 暑c 1 rd q b7 c 1 0v c cc d 7 q 7j l 广土ec o m- 1 广丁| l o：u i n 2 0 0 3 a d f _ _ _ - _ _ _ _ _ g n d 盖il z - - q 盖是。虹u ，u ：l ( 1 坚士2 j 洲 t l p 6 1 7 - 4 v i 广_c_c,okttt,crpi 一 【申_ i b v 丞 4 ，o c = j c = = ) 置e 肛y _ o i , t j 3 3 3 采样电压电流i - v