微處理器dsPIC33F在微機(jī)保護(hù)裝置中的應(yīng)用

1 引言
    隨著電網(wǎng)供電負(fù)荷的日趨加重，電力系統(tǒng)對微機(jī)保護(hù)裝置提出更高要求，一般低檔單片機(jī)已很難滿足設(shè)計(jì)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(fā)工具也越來越多，使得DSP器件及技術(shù)更容易使用，價(jià)格也能夠?yàn)閺V大用戶所接受 Microchip公司推出的數(shù)字信號處理器dsPIC33F集A/D轉(zhuǎn)換、通訊、看門狗、保護(hù)和數(shù)據(jù)存儲于一體，同時(shí)還支持SPI模式和I2C模式數(shù)據(jù)傳輸，便于擴(kuò)展容量。因此，開發(fā)基于dsPIC33F的微機(jī)保護(hù)裝置，不僅提升保護(hù)系統(tǒng)的整體性能和硬件平臺的通用性，而且還能縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)及硬件成本，對提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行水平具有一定意義。

2 數(shù)字信號控制器dsPIC33F系列簡介
    dsPIC33F系列是高性能16位數(shù)字信號控制器，具有擴(kuò)展的數(shù)字信號處理器(DSP)功能和高性能16位微控制器 (MCU)的架構(gòu)。它是一種16位改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)RISC器件，融合了高性能16位單片機(jī)的控制優(yōu)勢和數(shù)字信號處理器的高速運(yùn)算能力，是一款高性能的數(shù)字信號控制器(DSC)。dsPIC33F系列器件具有以下性能特點(diǎn)：
    (1)DSP內(nèi)核和指令系統(tǒng)dsPIC33F的DSP引擎具有1個(gè)高速的17位×17位的乘法器，1個(gè)40位的ALU，2個(gè)40位的飽和累加器以及1個(gè) 40位的雙向移位器，其運(yùn)算速度可達(dá)40 MI／s，指令字為24位，指令系統(tǒng)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(yōu)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(nèi)部集成了8通道直接存儲器訪問模塊，允許CPU執(zhí)行代碼期間在RAM和外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)，不額外占用周期。2 KB雙端口DMA緩沖區(qū)(DMA RAM)，用于存儲通過DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)?？赏ㄟ^軟件對DMA中斷源進(jìn)行設(shè)定，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。dsPIC33F含有最多由118個(gè)區(qū)分優(yōu)先級的中斷向量組成的異常處理結(jié)構(gòu)，中斷優(yōu)先級分為7級。最多67個(gè)中斷源，5個(gè)外部中斷和5個(gè)處理器異常。
    (3)存儲空間和外圍器件程序計(jì)數(shù)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(gè)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行尋址；而MCU指令，數(shù)據(jù)空間可以整體作為64Kx8位進(jìn)行尋址。dsPIC33F內(nèi)部集成SRAM和Flash等必需的存儲器件，提供10 bit和12 bit A／D轉(zhuǎn)換模塊(可選)，8 bit看門狗，以及UART、SPI、I2C、CAN等通信模塊。
    (4)開發(fā)工具M(jìn)icrochip高性能開發(fā)系統(tǒng)支持dsPIC33F系列控制器。該開發(fā)系統(tǒng)包括MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、MPLAB C30 C編譯器、MPIAB SIM 30軟件仿真器、MPIABICD 2在線調(diào)試器及MPLAB ICE 4000在線仿真器。dsPIC33F系列數(shù)字信號控制器還配備一系列的應(yīng)用庫。

3 dsPIC33F在微機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)中的應(yīng)用
    該裝置按功能分為CPU模塊、交流插件、數(shù)字量I／O微機(jī)保護(hù)、通信、人機(jī)接口單元和電源單元。通信接口直接與上位機(jī)或通信管理機(jī)連接，人機(jī)接口采用 128x64點(diǎn)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(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該微機(jī)保護(hù)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(qiáng)大的汁算能力和完善的控制功能，可單獨(dú)完成計(jì)算、控制、通信、人機(jī)接口等功能，減少了器件數(shù)量，簡化硬件結(jié)構(gòu)。又因dsPIC33F內(nèi)部集成RAM、Flash、A／D轉(zhuǎn)換器等，使得外同擴(kuò)展電路很少，進(jìn)一步簡化硬件結(jié)構(gòu)，基本實(shí)現(xiàn)了總線不出芯片沒計(jì)，極大提高保護(hù)裝置的抗干擾性和可靠性。

3．1 存儲器擴(kuò)展及實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口
    dsPIC33Fj256GP710內(nèi)部集成30 KB的SRAM用作數(shù)據(jù)存儲空間，256 KB的增強(qiáng)型Flash作為程序或數(shù)據(jù)存儲區(qū)。由于微機(jī)保護(hù)，存儲保護(hù)定值、事件記錄和故障錄波數(shù)據(jù)都需較大存儲空間，因此該裝置擴(kuò)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(tǒng)重復(fù)擦寫并兼容SPI的Flash存儲器。內(nèi)部有4 096頁，每頁264個(gè)字節(jié)，共計(jì)8MB的主存儲器容量以及2個(gè)264字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)緩存器。AT45DB081與dsPIC33FJ256GP710的接口設(shè)計(jì)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(shí)鐘(SCK)引腳相連，RE4，RE2，RE5，RE6分別與AT45DB081的片選 (CS)、復(fù)位(RESET)、忙閑狀態(tài)(RDY／BUSY)和寫保護(hù)(WP)引腳相連。dsPIC33F通過RE5讀取AT45DB081的忙閑狀態(tài)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(dāng)存儲器空閑時(shí)，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(fā)送命令字完成對AT45DB081的相應(yīng)讀寫操作。微機(jī)保護(hù)需配置3個(gè)定值，且存儲在不同的3個(gè)區(qū)間，運(yùn)行時(shí)校驗(yàn)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(shè)置和調(diào)節(jié)系數(shù)共分為4個(gè)區(qū)，存儲在AT45DB081的第0～9頁，即第一區(qū)為 AT45DB081的第0，1，2頁，分別存儲保護(hù)裝置的第1，2，3個(gè)定值；第二區(qū)為AT45DB081的第3，4，5頁，分別存儲保護(hù)裝置的第1， 2，3個(gè)定值；第三區(qū)為AT45DB081的第6，7，8頁，分別存儲保護(hù)裝置的第1．2．3個(gè)定值；第4區(qū)為AT45DB081的第9頁，存儲調(diào)節(jié)系數(shù)。事件記錄存儲在AT45DB081的第10～1 000頁。故障錄波數(shù)據(jù)存儲在AT45DB081的第1 001～4 000頁。

    PCF8583是串行總線擴(kuò)展方式，通過DSP的I2C時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA完成對PCF8583的參數(shù)設(shè)置、日期和時(shí)間讀取等操作，同時(shí) PCF8583具有接口簡單、占用DSP資源少和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并在掉電時(shí)仍能進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)。擴(kuò)展的時(shí)鐘器件用來記錄系統(tǒng)的工作時(shí)間。除此之外，為避免裝置頻繁讀寫EEPROM，對于保護(hù)裝置頻繁讀寫的信號如事故、預(yù)告、脈沖量、重啟次數(shù)、裝置故障信號及出口標(biāo)志都存放在RAM寄存器，時(shí)鐘器件在讀取當(dāng)前時(shí)間的同時(shí)也調(diào)用這些內(nèi)容，在裝置斷電又重新上電時(shí)能夠獲得這些信息。
3．2 基于DMA的A／D轉(zhuǎn)換
    dsPIC33FJ256GP710集成32路12 bit高精度的A／D轉(zhuǎn)換模塊，其轉(zhuǎn)換速度可達(dá)1 Ms／s，可靈活設(shè)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(zhuǎn)換的方式也有多種，如手動清除SAMP開始采樣、內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)觸發(fā)采樣、定時(shí)器Timer3溢出觸發(fā)采樣、中斷引腳INTO觸發(fā)等。其中定時(shí)器Timer3溢出觸發(fā)采樣適合保護(hù)裝置的定點(diǎn)采樣。A／D轉(zhuǎn)換采用直接存儲器訪問(DMA)方式。采樣結(jié)束后直接將數(shù)據(jù)存放于DMA RAM(有2 KB空間)，不占用CPU周期。A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束并且數(shù)據(jù)已經(jīng)存儲于DMA RAM后會產(chǎn)生DMA中斷，寄存器AD1CON2可用于選擇多路采樣結(jié)束后將產(chǎn)生中斷。本裝置共采集15路模擬量，采用自動采樣和Timer3觸發(fā)轉(zhuǎn)換的模式，在每個(gè)采樣周期內(nèi)觸發(fā)轉(zhuǎn)換一次，全部15路采樣結(jié)束后產(chǎn)生中斷并一次從DMA RAM區(qū)讀取所有15路數(shù)據(jù)。在這種工作模式下，CPU只需啟動一次A/D轉(zhuǎn)換，在不占用CPU指令周期的情況下，通過DMA方式將采樣數(shù)據(jù)從外設(shè)轉(zhuǎn)存于 RAM中，采樣處理效率大大提高。給CPU空出了足夠的時(shí)間來計(jì)算和故障判斷。
3．3 以太網(wǎng)接口的擴(kuò)展
    以太網(wǎng)接口擴(kuò)展電路如圖4所示。本裝置采用I／O口模擬SPI實(shí)現(xiàn)主控制器和 ENC28J60的連接，ENC28J60收滿一幀后，通過INT引腳發(fā)中斷信號通知dsPIC33F。SO為主機(jī)讀命令引腳，SI為主機(jī)寫命令引腳。 Microchip公司提供了一組專門針對dsPIC33F系列數(shù)字信號控制器的嵌入式TCP／IP協(xié)議棧CMX-MicroNet，該協(xié)議棧針對 dsPIC33F系列器件的Flash和RAM資源進(jìn)行優(yōu)化，為以太網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)提供軟件支持。該協(xié)議棧既可以單獨(dú)運(yùn)行也可以嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS)中使用。Microchip CMX-MicroNet協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)，用戶可以在不十分熟悉TCP／IP的情況下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

    在主程序中，對dsPIC33F自帶看門狗時(shí)間初始化，即需設(shè)置：2個(gè)8位的計(jì)數(shù)器WDT Prescaler A、WDT Prescaler B，溢出時(shí)間可在2 ms～16 s之間調(diào)整。在對dsPIC33F的定時(shí)器初始化中，需考慮dsPIC33FJ256GP710具有9個(gè)16位定時(shí)器。本裝置軟件使用3個(gè)定時(shí)器：T1、 T3和T5。其中定時(shí)器T1的中斷時(shí)間為1 ms，完成時(shí)鐘的讀寫、開入量采集、開出量輸出、開關(guān)變位事件記錄等功能。
    定時(shí)器T3中斷完成A／D轉(zhuǎn)換的啟動。在不占用CPU周期的情況下，通過DMA方式將采樣數(shù)據(jù)存入DMA RAM中，避免CPU和外設(shè)之間數(shù)據(jù)交換而占用寶貴的CPU時(shí)間，使程序的運(yùn)行速度提高，采樣數(shù)據(jù)的讀取在DMAO中斷中進(jìn)行。T5中斷完成保護(hù)的計(jì)算和判斷。
    在收發(fā)兩個(gè)通信中斷函數(shù)中，主要完成微機(jī)保護(hù)裝置上傳開關(guān)量、保護(hù)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(shù)等)等，下傳修改保護(hù)定值、時(shí)間信息和遙控操作等。本裝置通訊采用IEC60870-5-103傳輸規(guī)約和Mdbus規(guī)約(可選)，以便達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化通訊接口要求。

5 基于dsPIC33F的保護(hù)裝置抗干擾設(shè)計(jì)
    在微機(jī)保護(hù)裝置的工作環(huán)境中，電磁干擾(如雷擊)相當(dāng)嚴(yán)重，系統(tǒng)故障、系統(tǒng)設(shè)備誤操作以及控制、過電流和浪涌干擾等都可能侵入保護(hù)裝置。在微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)部，由于輔助繼電器的動作或直流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過程中的高頻信號，也會產(chǎn)生干擾。這些干擾的特點(diǎn)是頻率高、幅值大，而且持續(xù)時(shí)間短，能通過各種途徑侵入微機(jī)保護(hù)裝置中的電子電路，干擾微機(jī)保護(hù)的正常工作。dsPIC33F內(nèi)部集成的WDT模塊，由內(nèi)部振蕩電路提供專門時(shí)鐘信號。如果沒有清除脈沖，它將產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的輸出脈沖，使整個(gè)CPU系統(tǒng)復(fù)位重啟。啟動看門狗只需在MPLAB ICD 2集成開發(fā)環(huán)境中，將看門狗Timer設(shè)置為使能即可。為增強(qiáng)抗干擾性能，軟件還增設(shè)4個(gè)非屏蔽中斷錯(cuò)誤處理函數(shù)來處理晶振、地址、堆棧和算術(shù)出錯(cuò)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(jié)束語
    研究了一種新型的基于dsPIC33F微處理器的微機(jī)繼電保護(hù)硬件平臺，給出詳細(xì)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案和軟件流程。該方案結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比及可靠性高和開發(fā)周期短，在該軟硬件平臺上開發(fā)的發(fā)電廠及變電站成套微機(jī)保護(hù)裝置，已通過國家繼電器檢測中心的型式試驗(yàn)，并已投入現(xiàn)場運(yùn)行，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場要求。