MCF5282在電力系統(tǒng)監(jiān)控中的應(yīng)用

目前，在作為微機(jī)保護(hù)心臟的微處理器中，一般采用高性能單片機(jī)（如intel公司的87c196cb，87c196cb，78c196nt），數(shù)字信號(hào)處理器dsp（如ti公司的tms320f2812）和可編程邏輯器件pld（如xilinx公司的xc9572）等來(lái)提高繼電保護(hù)的處理速度，但是，隨著繼電保護(hù)向著多功能、智能化、可視化的方向發(fā)展，上述幾種單一的芯片已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足這些要求，如使用多種通信方式去實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)調(diào)度。在本文中將介紹一種新型嵌入式微處理器mcf5282以及由它設(shè)計(jì)出的嵌入式主模板，能夠滿(mǎn)足多種通信方式的要求，而且其處理速度和實(shí)現(xiàn)多通道交直流采樣的精度比起上述三類(lèi)芯片都要高得多，其實(shí)時(shí)性也更完美。

1 mcf5282微處理器的主要特點(diǎn)

mcf5282微處理器是迄今為止motorola推出的最高集成度的coldfir系列32位處理器，內(nèi)含有2kb的高速緩沖存儲(chǔ)器cache、64kb的隨機(jī)存儲(chǔ)器ram和512kb的閃存flash，其i/o口總數(shù)達(dá)到152個(gè)，它還采用智能digitaldna技術(shù)，在66mhz下工作速度為59dhrystone2.1 mips。此外，mcf5282微處理器還具有新型設(shè)備。
快速以太網(wǎng)媒體存取控制（mac），支持100 mbps mii，10 mbps mii和10 mbps7線(xiàn)實(shí)際接口，它使以太網(wǎng)連接從板級(jí)擴(kuò)展到芯片級(jí)，這是mcf5282區(qū)別于其他類(lèi)型處理器的特色之一。

qspi模塊，提供帶有序列傳輸性能的串行外圍接口。
3個(gè)通用異步串行接口模塊uart。
i2c系統(tǒng)總線(xiàn)模塊。
can2.0b標(biāo)準(zhǔn)接口模塊。
4個(gè)32位的dma定時(shí)/計(jì)數(shù)器、8個(gè)16位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4個(gè)周期中斷定時(shí)/計(jì)數(shù)器。
8路10位a/d轉(zhuǎn)換器模塊（qadc）。
dma控制模塊、可對(duì)8位、16位、32位的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。
2個(gè)中斷控制模塊、每個(gè)中斷控制模塊可管理7級(jí)中斷，每級(jí)又有9個(gè)中斷源，共可管理126個(gè)中斷源。
帶沖突檢測(cè)的復(fù)位控制模塊。
電源管理模塊（pww）共有四種運(yùn)行模式：run，wait，doze和stop。

2 微機(jī)保護(hù)裝置的嵌入式主模板

2.1 微機(jī)保護(hù)裝置的工作原理

由待保護(hù)系統(tǒng)送來(lái)的電流電壓信號(hào)，經(jīng)電流電壓互感器變換后產(chǎn)生低電壓信號(hào)（±10v內(nèi)）送入主模板，主模板內(nèi)的mcf522微處理器運(yùn)行片內(nèi)的保護(hù)軟件，進(jìn)行信號(hào)采樣，完成各種數(shù)值運(yùn)算、分析及處理，從而確定待保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如有故障，則由mcf5282經(jīng)輸出模板發(fā)出跳閘動(dòng)作信號(hào)，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的，同時(shí)，由各種通信方式保護(hù)動(dòng)作信息送入管理模板和上位機(jī)，記錄、保存數(shù)據(jù)并報(bào)警，完成微機(jī)保護(hù)裝置的工作過(guò)程。

2.2 mcf5282構(gòu)成的嵌入式主模板

筆者在設(shè)計(jì)110kv高電壓的微機(jī)保護(hù)裝置中，選擇以mcf5282為核心，構(gòu)成嵌入式硬件主模板，它主要由數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)器，開(kāi)關(guān)量輸入輸出，通信以及串行時(shí)鐘和e2prom等電路組成，如圖1所示。

以下將對(duì)mcf5282與各個(gè)部分的連接及工作原理加以敘述。

2.2.1 mcf5282電路

為提高主模板的可靠性，應(yīng)盡量減少mc5282的外圍器件，設(shè)計(jì)mcf5282以單片方式運(yùn)行，mcf5282采用i/o端口或功能端口，與外部進(jìn)行信息交換，系統(tǒng)的復(fù)位電路采用帶電源監(jiān)視的復(fù)位電路芯片imp706r，在裝置上電，電源電壓異常，手動(dòng)復(fù)位和程序運(yùn)行混亂或超時(shí)而產(chǎn)生"死鎖"時(shí)可使系統(tǒng)復(fù)位，其電路如圖2所示。

2.2.2 存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)采樣電路

存儲(chǔ)器選用2片fm18l08，數(shù)據(jù)采樣選用ad976a，兩種器件的數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)共用，控制線(xiàn)除片選線(xiàn)外，其他線(xiàn)共用，如圖3所示，mcf5282微處理器中的軟件以i/o端口方式操作這些信號(hào)線(xiàn)。

fm18l08是采用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造的32kb非易失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器fram，其數(shù)據(jù)掉電后可以保存10年之久。它的高速寫(xiě)操作以及擦寫(xiě)次數(shù)多使得它比其他非易失性存儲(chǔ)器具有更高的優(yōu)勢(shì)。fm18l08與mcf5282的連接如圖3所示，2片fm18l08采用并聯(lián)的方式構(gòu)成32k×16位的存儲(chǔ)器，它可以進(jìn)行8位和16位的數(shù)據(jù)操作，mcf5282片內(nèi)已有64kb的隨機(jī)存儲(chǔ)器，足以存放嵌入式系統(tǒng)中軟件處理的各種數(shù)據(jù)，擴(kuò)展fm18l08的主要目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波和動(dòng)作參數(shù)的存放。
mcf5282中有8路10位隊(duì)列式a/d轉(zhuǎn)換器模塊（qadc），但其路數(shù)和精度均達(dá)不到要求，因此采用了2片美信公司的16選1模擬電子開(kāi)關(guān)芯片max306與ad976a構(gòu)成的31路16位、信號(hào)范圍為±10v的數(shù)據(jù)采集電路。

ad976a是adi公司生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其分辨率為16位，最高采樣速率可達(dá)到200ksps，它是采用電荷重分布技術(shù)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)逼近型adc簡(jiǎn)單，且不再需要完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為核心，由于電容網(wǎng)絡(luò)直接使用電荷作為轉(zhuǎn)換參量，而且這些電容已經(jīng)達(dá)到了采樣電容的作用，因而不必另加采樣保持器，從而大大簡(jiǎn)化了前置電路，在濾波電路中，直流信號(hào)分別采用傳統(tǒng)的rc和rlc濾波電路進(jìn)行濾波。

2.2.3 開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路

mcf5282主模板設(shè)計(jì)了34路的開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入和17路開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)，每一路開(kāi)關(guān)量輸入均通過(guò)光隔芯片tlp521，再到達(dá)mcf5282的i/o端口，控制軟件由mcf5282的i/o口送出輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)74lvxc3245和uln2004兩級(jí)驅(qū)動(dòng)器，控制輸出模板中的繼電器，如圖4所示。

2.2.4 通信電路

根據(jù)mcf5282微處理器的通信端口，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)、can、rs－232和rs－485通信的外圍電路，構(gòu)成多種通信方式與上位機(jī)系統(tǒng)和管理模塊進(jìn)行信息交流。can、rs－232和rs－485通信的收發(fā)器分別使用pca82c250、max3232和max485，為了提高通信質(zhì)量，中間用光電隔離器件6n137進(jìn)行隔離，為了滿(mǎn)足高端用戶(hù)的需要，設(shè)計(jì)有以太網(wǎng)通信，外圍起動(dòng)芯片選用vt6103芯片。

2.2.5 串行時(shí)鐘和e2prom電路

筆者選擇1片i2c總線(xiàn)接口的時(shí)鐘芯片pcf8563和1片i2c總線(xiàn)接口存儲(chǔ)器芯片24lc256，它們都掛接在mcf5282微處理器的i2c總線(xiàn)上，如圖5所示，pcf8563是philips公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有功耗低，精度高的特點(diǎn)，使嵌入式系統(tǒng)的硬件主模板有長(zhǎng)時(shí)期穩(wěn)定的時(shí)間信號(hào)，24lc256是一個(gè)256kb的串行e2prom，可用電擦除，主要作用是存放嵌入式系統(tǒng)的軟件在運(yùn)行過(guò)程中所需要的重要參數(shù)，例如保護(hù)定值等。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件程序的整體結(jié)構(gòu)主要包括主程序、采樣中斷服務(wù)程序和故障處理程序，正常運(yùn)行主程序，每周期（正弦波）采樣24點(diǎn)，每執(zhí)行一次采樣中斷服務(wù)程序并判斷相電流差突變量啟動(dòng)元件di1是否動(dòng)作，如果di1不動(dòng)作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，正常返回主程序；如果di1動(dòng)作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，轉(zhuǎn)入執(zhí)行故障處理程序，完成相應(yīng)保護(hù)功能，直到整組復(fù)歸，返回正常運(yùn)行的主程序，程序流程如圖6所示。

4 小結(jié)

本文介紹了利用微處理器mcf5282構(gòu)成的嵌入式保護(hù)裝置的主模塊及其與外圍電路的連接，由于此模塊中采樣電路是多通道高速采樣，所以要合理地設(shè)計(jì)參考電壓vref。在設(shè)計(jì)pcb板時(shí)，要注意合理布局和設(shè)置良好的靜電屏蔽，以防電磁干擾問(wèn)題，另外，在開(kāi)關(guān)量輸入、輸出控制以及各種控制信號(hào)線(xiàn)中，可根據(jù)pcb布線(xiàn)的遠(yuǎn)近，靈活選擇mcf528的i/o口，決不拘泥于某種固定的連接方式，這也是選用mcf5282處理器的原因之一。將上述設(shè)計(jì)的嵌入式主板外加其他模板可配置成具有母線(xiàn)保護(hù)、線(xiàn)路保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)和變壓器保護(hù)功能的微機(jī)保護(hù)裝置，此保護(hù)裝置已運(yùn)用于實(shí)際的電力監(jiān)控中（110kv），如發(fā)電機(jī)組、變電站和鐵路線(xiàn)上，且運(yùn)行效果良好。