第二章--数字式保护的硬件系统

1、1,第二章 数字式保护硬件系统,一、硬件系统概述 二、数据采集系统 三、数据处理系统 四、开关量输入输出系统 五、通信模块与电源,2,数字式保护硬件示意框图,三、数据处理系统,3,1.微处理器简介,三、数据处理系统,电子计算机的组成,微处理器,4,数字式保护装置硬件的核心是微处理器。微处理器的选择遵循以下原则：,1. 速度,速度选择以能在两个相邻采样间隔内完成必要的工作为准。,2. 功能,3. 通用性,4. 工作环境的适应性,1.微处理器简介,5,1. 往功能强的方向发展,2. 往功能全的方向发展,在同样的集成度下，不集成高功能的快速的微处理器，而是把许多其它功能如AD转换、通信接口、定时器等

2、集成在一个芯片上,微处理器的发展方向,1.微处理器简介,6,继电保护对可靠性、安全性要求很高，且保护装置工作环境恶劣。为了便于购买和升级换代，一定要选择大公司的主流工业级芯片。目前，国内外数字式保护装置所用的微处理器有两大类：,一类是单片机,一类是数据处理芯片,1.微处理器简介,7,单片机,CPU,定时器计数器,IO接口电路,ROM或EPROM,RAM,串行通讯接口,结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故称单片微控制器，又称单片微型计算机。,Single Chip Microcontroller Single Chip Microcomputer,2. 单片机,8,单片机的发展阶段,第一

3、阶段（1971-1974年）：INTEL公司设计成集成度为每片上有2000只晶体管的4位微处理器 Intel 4004。1972年又研制成了功能较强的 8位微处理器Intel 8008。,2. 单片机,9,单片机的发展阶段,第二阶段（1974-1978年）：初级单片机阶段。以INTEL公司的MCS48为代表：8位CPU、并行IO口、8位定时器计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。,2. 单片机,10,第三阶段（1978-1983年）：高性能单片机阶段。串行口，多级中断处理系统、16位定时器计数器、片内RAM、ROM容量大，且寻址范围可达64K字节，典型芯片有MCS-51。,单片机的发展阶段,

4、2. 单片机,11,单片机的发展阶段,第四阶段（1983年以后）：8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，典型芯片有MCS-96。,2. 单片机,12,2.单片机,单片机的应用,单机应用,在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式。,多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。,多机应用,13,2.单片机,单机 应用,l）测控系统：用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。,2）智能仪表。单片机能促进仪表向数字化、智能化、多功能化发展。通过采

5、用单片机软件编程技术，使测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。,3）机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化。,4）智能接口。大型数据采集系统中用单片机对模数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。,14,2.单片机,多机 应用,1）多功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。 2）并行多机控制系统。并行数据采集、处理系统、实时图像处理系统。 3）局部网络系统。分布式测、控系统。,15,举例,随着应用领域的扩展，MCS51以及MCS96系列仍然是单片机中应

6、用的主流产品。但8位单片机在很多场合下已经不能满足工业控制的需要。MCS-96系列的16位单片机是功能较强，性能优良的单片机,它在一个芯片上集成了13万个晶体管，功能较强。尤其是该系列MCS-80C196性能更好。国内很多继电保护装置都采用此类单片机。,16,(1)16位的 CPU（中央处理器） 该CPU在结构上最大特点是：没有采用老的累加器结构，改用“寄存器寄存器”结构。消除了一般结构中存在的累加器的瓶颈问题，提高了操作速度和数据吞吐能力。 16位CPU支持位、字节和字操作，在部分指令中还支持32位双字操作，如32位除以16位。,单片机(MCS-96系列)的主要性能特点,17,(2)高效的指

7、令系统 典型指令有16位乘16位和32位除以16位的乘除指令，有数据规格化指令（有利于浮点计算），很多指令既可用双操作数，也可用3操作数。后者包括2个源操作数和 1个目的操作数，这样就大大提高了编程的效率。,单片机(MCS-96系列)的主要性能特点,当采用 12MHz外接晶振时，一条指令的最短执行时间为 1s，16位乘16位乘法指令和32位除以16位除法指令的执行时间只有625s。,18,(3)10位A/D转换器 在 96系列部分产品中，有一个8通道或4通道的10位AD转换器，使得这些型号产品特别适用于多路数据采集系统、智能仪器等应用领域。A/D转换周期为22s。,单片机(MCS-96系列)的

8、主要性能特点,19,(4)脉宽调制输出 作为 D/A转换器输出，分辨率为8位。96单片机可以直接提供脉宽调制信号，某些电机可以用它直接驱动。脉宽调制输出信号经过积分就可以获得直流输出。,单片机(MCS-96系列)的主要性能特点,20,(5)全双工串行口 96系列单片机具有与MCS-5l兼容的全双工串行口。这个串行口可方便地用于I/O扩展、与CRT终端等设备进行通信以及多处理机通信。,(6)5个8位标准输入/输出口 96系列单片机还有5个8位I/O口。,单片机(MCS-96系列)的主要性能特点,21,(7)高速输入/输出器 高速输入器可以相对于内部定时器产生的实时时钟，记下某个外部事件发生的时间

9、，共可记下8个事件；而高速输出器可以按规定的时刻去触发某一事件，任何时候都可以存储起8个事件。 “高速”意味着这些功能是自动地（相对于定时器）实现的，无需CPU的干预。,单片机(MCS-96系列)的主要性能特点,22,(8)8个中断源 8个中断源对应有8个中断矢量，而有些中断矢量又对应着多个中断事件，共对应20种中断事件。,(9)看门狗 软硬件发生故障时，监视定时器（Watchdog timer）将系统复位，提供了一种软硬件故障的自恢复能力。,单片机(MCS-96系列)的主要性能特点,23,(10)可动态配置的总线 在运行过程中，96系列单片机的总线可以动态地配置成8位的或16位的，以便适应对

10、外部寄存器进行字节操作或字操作的不同需求。,单片机(MCS-96系列)的主要性能特点,24,(11)8K/16K字节的内部ROM 96系列单片机寄存器的空间为64K字节，在带内部ROM的芯片中，内部ROM的容量为8K字节或16K字节。内部ROM/EPROM可以加密，并可在运行中对EPROM编程。,(12)256字节的寄存器阵列和专用寄存器,单片机(MCS-96系列)的主要性能特点,25,(14)4个软件定时器,下面举一个以80c196KB为CPU的保护系统加以说明。,(13)2个16位定时器 定时器1在系统中作实时时钟用，定时器2根据外部引脚的触发信号而计数.,单片机(MCS-96系列)的主要

11、性能特点,26,应用80C196的保户CPU板工作原理说明,总线驱动器,EEPROM,EPROM,CPU,译码器,RAM,并行接口,74LS245,74LS2864,74LS27256,MCS80C196,74LS139,74LS62235,74LS8255,27,CPU,扩展并口,EPROM,RAM,译码器,EEPROM,28,3. 数据处理芯片(DSP),DSP（Digital Signal Processor）数字信号微处理器。DSP芯片专门用于完成各种实时数字信息处理。 它建立在数字信号处理的各种理论和算法的基础上。 DSP器件不仅使数字信号处理从理论研究发展到实际应用，还从信号处理领

12、域拓宽到系统控制领域，从而诞生了一大批新型的电子产品。,29,DSP的发展阶段,3. 数据处理芯片(DSP),5060年代：在通用计算机上进行算法的研究和处理系统的模拟与仿真。 70年代：快速傅氏变换FFT、数字滤波、频谱分析，可采用通用计算机实现。,30,DSP的发展阶段,3. 数据处理芯片(DSP),80年代：现代DSP采用哈佛结构，即将程序指令与数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线。 90年代：先进的流水线、并行指令。,31,3. 数据处理芯片(DSP),DSP 应用,(1)通用数字信号处理。数字滤波 、卷积算法、FFT、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数、波形生成。 (2)通信。

13、高速调制解调器、编/解码器、蜂房网移动电话、数字留言机。 (3)声音/语音信号处理。 (4)图形/图象信号处理。三维图形变换处理、模式识别、图象增强。 (5)控制。 磁盘/光盘伺服控制、激光打印机伺服控制、机器人控制、发动机控制、电机调速、无刷直流电机。 (6)仪器。 谱分析、函数发生、波形发生、数据采集、暂态分析、模态分析等。,32,3. 数据处理芯片(DSP),DSP 性能特点,1)在单个指令周期内完成乘法/累加运算； 2)速度达到101103MIPS(每秒百万指令million instruction per second)的定点运算； 3)指令中有循环寻址、位倒序等指令； 4)数据交换

14、达到每秒数百兆字节的传输速率，主要是受片外存储器速度的限制； 5)并行性：DSP可在每个周期内可以完成多个操作。,33,DSP在片上设置仿真模块或仿真调试接口。TI在TMS320系列芯片上设置了符合IEEE 1149标准的JTAG标准测试接口及相应的控制器。接通JTAG接口，就可以在PC上运行一个软件去控制它，不但能控制和观察多微处理器中每一个处理器的运行，还可以用这个接口来装入程序。,3. 数据处理芯片(DSP),34,DSP举例,3. 数据处理芯片(DSP),目前国内已广泛采用DSP为核心芯片的数字式保护装置。以TMS320F206为例介绍：,35,(1)CPU芯片,先进的多总线结构：程序

15、总线、数据总线、地址总线。 32位的算术逻辑单元（ALU） 硬件乘法器 桶形移位器,3. 数据处理芯片(DSP),36,(2)存储器 192k16bit可寻址存贮器空间（64k的程序，64k的数据，64k的I/O口空间）。 (3)指令集 有单指令循环和块循环操作；有块存储器搬移指令，更便于程序和数据管理。 (4)标准串行口 (5)16个中断源 (6)速度：单周期为50ns执行时间。,3. 数据处理芯片(DSP),37,用单片机较强的输入、输出接口实现保护的信号、跳闸和控制功能。,DSP,单片机,数字式保护硬件系统,DSP强大的运算能力进行保护的数据处理和快速进行复杂运算的能力实现复杂的保护原理

16、。,3. 数据处理芯片(DSP),38,DSP 应 用,DSP,以DSP为核心，通过对ADC的控制实现模拟量转换，然后完成预定的保护算法的运算，同时，在数据计算结果满足出口跳闸条件的情况下，控制开关量的输出，以实现对外部回路的实时控制。,3. 数据处理芯片(DSP),39,单 片 机 应 用,单片机,单片机外围扩展电路较多，而其I/O口资源有限。I2C总线是一种两线制的串行总线，它通过一根时钟线SCL和一根数据线SDA实现总线上挂接器件之间的两两通讯。,40,在设计中只要占用51单片机的两个I/O口用于模拟I2C总线操作，即可实现对总线上所有符合I2C总线协议的器件进行控制，而且单片机作为总线

17、上唯一的主器件控制总线操作，不存在总线冲突的问题，数据传输的可靠性较高。可见，这种方案不但节省了51单片机的I/O口资源，也简化了电路，这在外围电路扩展较多而数据传输速率又不要求太高的场合十分适合。,而要实现装置的所有功能，这两个CPU间需要进行多方面的数据交换， 下面介绍一种采用双端口RAM实现两个CPU高速数据通信的结构。,41,提供双口RAM了两个完全独立的端口，每个端口具有自己的地址线、数据线和控制线，两侧的CPU都可以将双口RAM看作自己的外扩存储器，独立地读写双口RAM的任一存储单元。双口RAM与两侧CPU的接口电路如下图所示：,42,DSP应用举例,双口RAM,DSP,单片机,4

18、3,80C51为8位机，而TMS320F206为16位机，为了方便读写操作，选用了两片容量为4K8的高速双口RAMIDT7134。这样两侧CPU可以完全独立地读写双口RAM，双方的信息很容易实现交互传递。,DSP应用举例,44,数据处理单元,当单片机用于实现保护功能时，首先需要就是存储器的扩展。单片机内部虽然设置了一定容量的存储器，但这种存储器一般容量较小，需要从外部进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。 为了满足继电保护定值设置的需求，还配置了电可擦除的可编程只读存储器（EEPROM）存储定值等。程序常驻于只读存储器（EPROM）中，计算过程和故障数据记录所需要的临时存储是由

19、随机读写存储器（RAM）实现。 处理器通过其数据线、地址线、控制线及译码器来与存储器部件进行通讯。根据不同保护功能的要求，一般还要扩展一些并行口等。,45,一、硬件系统概述 二、数据采集系统 三、数据处理系统 四、开关量输入输出系统 五、通信模块与电源,第二章 数字式保护硬件系统,46,（1）开关量输入回路,四、开关量输入输出系统,数字式保护装置的开关量输入即接点状态（接通或断开）。 开光量输入包括断路器和隔离开关的辅助接点或跳合闸位置继电器接点，外部装置闭锁接点，气体继电器接点。还包括某些装置上压板位置输入等。,47,当外部接点K1接通时，有电流通过发光二极管回路，光敏三极管导通。因此三极管

20、的导通和截止反映了外部接点的状态。,四、开关量输入输出系统,（1）开关量输入回路,48,光电耦合芯片的两个隔离部分间分布电容仅是几个微微法，大大削弱干扰。,四、开关量输入输出系统,（1）开关量输入回路,由于一般光电耦合芯片发光二极管的反向击穿电压较低，为防止开关量输入回路电源极性接反时损坏光电耦合器，图中二极管V对光隔芯片起保护作用。,49,（2）开关量输出回路,四、开关量输入输出系统,开关量输出主要包括保护的跳闸出口信号以及本地和中央信号等。一般都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法。 但为提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离。,50,（2）开关量输出回路

21、,四、开关量输入输出系统,软件使并行口的PB0输出“0”，PB1输出“1”，便可使与非门输出低电平，光敏三极管导通。继电器K被吸合。,设置反相器B及与非门H而不是将发光二极管直接同并行口相连，一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二级管，另一方面采用与非门后要满足两个条件才能使K动作，增加了抗干扰能力。,51,（2）开关量输出回路,四、开关量输入输出系统,图中的PB0经一反相器，而PB1却不经反相器，这样可防止拉合直流电源的过程中继电器K的短时误动。,在拉合直流电源过程中，当5V电源处在中间某一临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护误动作，特别是保护装置的电源往往接有大量

22、的电容器，所以拉合直流电源时，无论是5V电源还是驱动继电器用的电源E，都可能相当缓慢的上升或下降，从而完全可能来得及使继电器K的接点短时闭合，采用图中的接法，两个相反的条件的互相制约，防止继电器的误动作。,52,（3）打印机并行接口,四、开关量输入输出系统,打印机作为数字式保护装置的输出设备，在调试状态下，输入相应的键盘命令，数字式保护装置可将执行结果通过打印机打印出来，以了解装置是否正常。在运行状态下，系统发生故障后，可将有关故障信息，保护动作行为及采样报告打印出来，为分析事故提供依据。,53,（3）打印机并行接口,四、开关量输入输出系统,由于继电保护对可靠性要求特别高，而它的工作环境电磁干

23、扰比较严重，打印机引线可引入干扰，因此，数字式保护装置与打印机数据线连接均经光电隔离。,对显示器和键盘的控制，为调试、整定与运行提供简易的人机对话功能。,54,一、硬件系统概述 二、数据采集系统 三、数据处理系统 四、开关量输入输出系统 五、通信模块与电源,第二章 数字式保护硬件系统,55,在微型计算机系统中，CPU与外部的基本通信方式有两种： 并行通信数据各位同时传送 串行通信一数据一位一位顺序传送,五、通信模块与电源,1. 通信接口,56,并行通讯与串行通讯,五、通信模块与电源,57,在并行通信中，数据有多少位就需要多少根数据传送线。串行通信只需要一对数据传送线，故串行通信能节省传送线，尤

24、其是当数据位数很多和远距离数据传送时，这一优点更突出。串行通信的主要缺点是传送速度比并行通信要慢。,并行通信的硬件连接及数据传送比较简单。基于串行通信的特点，它常用于保护与上位机之间的数据传送。,五、通信模块与电源,58,在串行通信中，有二种基本的通信方式： 1）异步通信 异步串行通信规定了字符数据的传送格式，即每个数据以相同的帧格式传送。每一帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。,五、通信模块与电源,59,a. 起始位：在通信线上没有数据传送时处于逻辑“ l”状态。当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“0”信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位所起的作用就是表示字符传送

25、开始。 b. 数据位：当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5、6、7或8位的数据。在字符数据传送过程中，数据位从最小有效位（最低位）开始传送。 c. 奇偶校验位：数据位发送完之后，可以发送奇偶校验位。 d. 停止位：在奇偶位或数据位（当无奇偶校验时）之后发送的是停止位。可以是1位或2位。停止位是一个字符数据的结束标志。,五、通信模块与电源,60,2) 同步通信,在异步通信中，每一个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，以致占用了时间。所以在数据块传送时，为了提高通信速度，常去掉这些标志，而采用同步传送。同步通信不像异步通信那样，靠起始位在每个字符数据开始时

26、使发送和接收同步，而是通过同步字符在每个数据块传送开始时使收发双方同步。,五、通信模块与电源,61,同步通信的特点是： a以同步字符作为传送的开始，从而使收发双方取得同步； b每位占用的时间都相等； c字符数据之间不允许有空隙，当线路空闲或没有字符可发时，发送同步字符。,五、通信模块与电源,62,同步字符可由用户选择一个或二个特殊的8位二进制码作为同步字符。与异步通信收/发双方必须使用相同的字符格式一样，同步通信的收发双方必须使用相同的同步字符。 异步通信常用于传输信息量不太大、传输速度比较低的场合。在信息量很大，传输速度要求较高的场合，常采用同步通信。,五、通信模块与电源,63,波特率（Ba

27、ud rate）,通信线上的字符数据是按位传送的，每一位宽度（位信号持续时间）由数据传送速率确定。波特率即是对数据传送速率的规定：单位时间内传送的信息量，以每秒传送的位（Bit）表示，单位为波特。,l波特=1位秒（1bps） 例如：电传打字机最快传送速率为10字符秒，每个字符11位，则波特率为： 11位10字符秒=110位秒=110波特,五、通信模块与电源,64,在异步串行通信中，接收设备和发送设备保持相同的传送波特率，并使每个字符数据的起始位与发送设备保持同步。起始位、数据位、奇偶位和停止位的约定，在同一次传送过程中必须保持一致，这样才能成功地传送数据。 实现串行通信方式的硬件电路称为串行通信接口电路芯片。串行通讯接口电路至少包括一个接收