現(xiàn)場可編程外圍芯片在微機(jī)繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：PSD；接口電路；微機(jī)繼電保護(hù)

引言
一個(gè)典型的微機(jī)繼電保護(hù)裝置通常由CPU模塊、I/O模塊、人機(jī)對話模塊、電源模塊，以及通信模塊等組成。其中CPU模塊是系統(tǒng)的核心部分，通常由微控制器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、 A/D轉(zhuǎn)換芯片、串行EEPROM、看門狗電路等組成。微控制器完成所有保護(hù)功能和保護(hù)算法，目前最常用的是80C196，當(dāng)然也有用80c552、8031等芯片的。程序存儲器存儲保護(hù)程序；數(shù)據(jù)存儲器作為數(shù)據(jù)緩存，保存保護(hù)算法中的各類中間結(jié)果；A/D轉(zhuǎn)換器完成互感器輸出模擬信號和微控制器處理用的數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；串行EEPROM通常用來存儲定值。繼電保護(hù)產(chǎn)品的工作環(huán)境是非常惡劣的，干擾信號的頻率高，幅度大，而且持續(xù)的時(shí)間短。因此設(shè)計(jì)微機(jī)繼電保護(hù)裝置的主要任務(wù)，除了完成保護(hù)功能外就是提高產(chǎn)品的抗干擾能力，保證裝置不誤動和不拒動。提高產(chǎn)品的可靠性有各種各樣的方法，如采用冗余設(shè)計(jì)，精選元器件，軟件自動檢測等各種方法。但精簡電路，用最簡潔的電路完成同樣的功能是提高裝置可靠性的一個(gè)最有效的方法。很明顯，電路簡單了，數(shù)據(jù)總線和地址總線的長度短了，甚至不出線路板，不出芯片，那么受干擾的可能性就少了。本文介紹的PSD311芯片在微機(jī)繼電保護(hù)裝置中的應(yīng)用，就提供了一種改進(jìn)原有微機(jī)保護(hù)CPU模塊，簡化電路，提高裝置可靠性的方法，

PSD311簡介
PSD311是目前迅速崛起的現(xiàn)場可編程外圍芯片家族中的一員，它是市場上第一個(gè)用于微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中的低電壓、單片的接口芯片。它內(nèi)部集成了高性能的用戶可配置部件：EPROM、SRAM 和可編程邏輯。其主要功能塊包括兩個(gè)可編程邏輯陣列(PAD A和PAD B)、256KB EPROM、16KB SRAM 、輸入鎖存器以及輸出端口。其中，兩個(gè)可編程陣列共有40個(gè)乘積項(xiàng)，最多16個(gè)輸入，24個(gè)輸出，有高達(dá)1MB空間的地址譯碼；256KB的EPROM可配置為32K×8位，可分為8個(gè)相等的可映像塊，120ns的存取時(shí)間；16KB的SRAM可配置為2K×8位，120ns的存取時(shí)間；I/O口共有19個(gè)，都可獨(dú)立配置，可用于微控制器的I/O端口擴(kuò)展，可編程地址譯碼器(PAD)I/O, 鎖存的地址輸出，并可分別設(shè)置為開漏或CMOS驅(qū)動。PSD311十分適合于要求低功耗與極小體積的應(yīng)用系統(tǒng)。它們包括硬盤控制、無線或汽車產(chǎn)品、調(diào)制解調(diào)器、移動電話、儀表、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、軍事以及類似的應(yīng)用。采用PSD311組成的應(yīng)用系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
?I/O重構(gòu)(當(dāng)微控制器訪問外部資源時(shí)，至少損失兩個(gè)I/O端口)，獲得更多的I/O口；
?比微控制器內(nèi)部存儲器中可用空間更大的EPROM；
?提供芯片選擇、控制或鎖存地址線，用其它方法時(shí)，它們需要分散實(shí)現(xiàn)，要增加譯碼電路；
?擴(kuò)展的微控制器地址空間。
另外，PSD311還具有內(nèi)在的安全性，可對其配置單元和PAD譯碼器加鎖。一個(gè)經(jīng)過加密的PSD311能在系統(tǒng)中發(fā)揮正常的功能，即微控制器可以訪問EPROM、SRAM、PAD和I/O口，但用外部硬件讀取或驗(yàn)證PSD311內(nèi)容的任何企圖都將失敗，只能得到無效的隨機(jī)數(shù)據(jù)，從而保護(hù)了系統(tǒng)開發(fā)者的勞動不被侵犯。

圖 1 硬件原理結(jié)構(gòu)圖

圖 2 硬件接口電路

PSD311在微機(jī)繼電保護(hù)裝置中的接口電路
圖1是某型微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件原理結(jié)構(gòu)圖，該硬件結(jié)構(gòu)同時(shí)適用于微機(jī)線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、電容器組保護(hù)、總線保護(hù)、系統(tǒng)接地保護(hù)和自動重合閘等多種類型保護(hù)。
從它的硬件結(jié)構(gòu)圖中可以看出，該系統(tǒng)和常規(guī)保護(hù)裝置相比，用PSD311取代了EPROM、端口擴(kuò)展電路、地址譯碼電路。在某些應(yīng)用中還可以由PSD311取代 SRAM，但在系統(tǒng)考慮到其他保護(hù)程序硬件的通用性和保證全周付氏算法的精度和保護(hù)算法的復(fù)雜性時(shí)，需要較大容量SRAM，所以保留了對SRAM的擴(kuò)展。與PSD311有關(guān)的詳細(xì)接口電路如圖2所示。

PSD311的軟件配置
PSD311芯片的工作方式、總線寬度、端口配置以及地址譯碼等信息可以很容易地通過MAPLE軟件來設(shè)置完成。首先進(jìn)入MAPLE的CONFIGURATION菜單，配置地址總線和數(shù)據(jù)總線的使用方式、數(shù)據(jù)總線寬度、讀寫控制方式等，然后分別進(jìn)入端口A、B、C的配置菜單分別配置各端口的功能，可將各端口的功能配置為傳送地址、片選輸出或I/O口。把端口配置為片選輸出，還需要指定片選地址、把端口配置為I/O口，需要指定端口的驅(qū)動方式。進(jìn)入ADDRESS MAP 菜單指定EPROM數(shù)據(jù)的地址，其中輸入的文件名為程序編譯后的目標(biāo)代碼。最后回到MAPLE的主菜單，用COMPILE選項(xiàng)對配置進(jìn)行編譯，生成供編程器使用的JEDEC文件。圖2所示的硬件接口電路，配置為8位地址總線，多路復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線，RESET低電平有效。端口A配置為傳送地址,端口B配置為I/O口,提供與人機(jī)對話模塊鍵盤的接口,端口C配置為片選，用來選通外部RAM和AD1674。其中外部RAM的地址是8000-FFFFH，AD1674高位地址(ADH)是1000H,低位地址(ADL)是0800H。程序目標(biāo)代碼文件為wxl.hex。具體軟件配置文件請見本刊網(wǎng)站。
結(jié)語
通過實(shí)際的運(yùn)行情況來看，用PSD311芯片改造原有的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，在理論上和實(shí)踐上都是可行的。不僅大大簡化了電路，而且提高了電路的抗干擾性能。文中所介紹的方法對于其他基于微控制器的系統(tǒng)智能儀器儀表也有很大的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)
1 陳德樹.計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)原理與技術(shù),北京：中國電力出版社.1992
2 孫涵芳.單片機(jī)現(xiàn)場可編程外圍芯片PSD的原理與應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1998
3 PSD Programmable Peripherals Design and Applications Handbook.1994,WSI,U.S.A

作者簡介: 鄭海波，男，畢業(yè)于空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，信號與信息處理專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)為海軍航空工程學(xué)院青島分院電子工程系講師，研究方向?yàn)楹娇针娮訉埂?