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(duì)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(lái)，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(lái)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(hào)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(chǔ)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(tái)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(duì)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(hào)控制器dsPIC33F系列簡(jiǎn)介

dsPIC33F系列是高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器，具有擴(kuò)展的數(shù)字信號(hào)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(shì)和數(shù)字信號(hào)處理器的高速運(yùn)算能力，是一款高性能的數(shù)字信號(hào)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(duì)C語(yǔ)言編譯器做了專門優(yōu)化，采用C語(yǔ)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(chǔ)器訪問(DMA)和中斷能力dsPIC33F內(nèi)部集成了8通道直接存儲(chǔ)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(chǔ)通過DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)?？赏ㄟ^軟件對(duì)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(jí)的中斷向量組成的異常處理結(jié)構(gòu)，中斷優(yōu)先級(jí)分為7級(jí)。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(chǔ)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(chǔ)空間。對(duì)于DSP指令分別對(duì)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(chǔ)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(hào)控制器還配備一系列的應(yīng)用庫(kù)。

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(jiǎn)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(jiǎn)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(chǔ)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(chǔ)空間，256 KB的增強(qiáng)型Flash作為程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。由于微機(jī)保護(hù)，存儲(chǔ)保護(hù)定值、事件記錄和故障錄波數(shù)據(jù)都需較大存儲(chǔ)空間，因此該裝置擴(kuò)展1 MB的外部存儲(chǔ)空間，將串行閃速存儲(chǔ)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(chǔ)器。內(nèi)部有4 096頁(yè)，每頁(yè)264個(gè)字節(jié)，共計(jì)8MB的主存儲(chǔ)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(chǔ)器是否空閑，若RE5為“1”表示存儲(chǔ)器空閑，否則表示存儲(chǔ)器忙。當(dāng)存儲(chǔ)器空閑時(shí)，通過RE4引腳輸出“0”作為存儲(chǔ)器的片選信號(hào)，選中存儲(chǔ)器后通過SPI發(fā)送命令字完成對(duì)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(chǔ)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(duì) 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(chǔ)在AT45DB081的第0～9頁(yè)，即第一區(qū)為 AT45DB081的第0，1，2頁(yè)，分別存儲(chǔ)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(yè)，分別存儲(chǔ)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(yè)，分別存儲(chǔ)保護(hù)裝置的第1．2．3個(gè)定值；第4區(qū)為AT45DB081的第9頁(yè)，存儲(chǔ)調(diào)節(jié)系數(shù)。事件記錄存儲(chǔ)在AT45DB081的第10～1 000頁(yè)。故障錄波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在AT45DB081的第1 001～4 000頁(yè)。

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(duì)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(jiǎn)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(lái)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(duì)于保護(hù)裝置頻繁讀寫的信號(hào)如事故、預(yù)告、脈沖量、重啟次數(shù)、裝置故障信號(hào)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。