MCF5282在電力系統(tǒng)監(jiān)控中的應用

目前，在作為微機保護心臟的微處理器中，一般采用高性能單片機（如intel公司的87c196cb，87c196cb，78c196nt），數(shù)字信號處理器dsp（如ti公司的tms320f2812）和可編程邏輯器件pld（如xilinx公司的xc9572）等來提高繼電保護的處理速度，但是，隨著繼電保護向著多功能、智能化、可視化的方向發(fā)展，上述幾種單一的芯片已經(jīng)不能完全滿足這些要求，如使用多種通信方式去實現(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以及由它設計出的嵌入式主模板，能夠滿足多種通信方式的要求，而且其處理速度和實現(xiàn)多通道交直流采樣的精度比起上述三類芯片都要高得多，其實時性也更完美。

1 mcf5282微處理器的主要特點

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的高速緩沖存儲器cache、64kb的隨機存儲器ram和512kb的閃存flash，其i/o口總數(shù)達到152個，它還采用智能digitaldna技術，在66mhz下工作速度為59dhrystone2.1 mips。此外，mcf5282微處理器還具有新型設備。
快速以太網(wǎng)媒體存取控制（mac），支持100 mbps mii，10 mbps mii和10 mbps7線實際接口，它使以太網(wǎng)連接從板級擴展到芯片級，這是mcf5282區(qū)別于其他類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個通用異步串行接口模塊uart。
i2c系統(tǒng)總線模塊。
can2.0b標準接口模塊。
4個32位的dma定時/計數(shù)器、8個16位通用定時/計數(shù)器，4個周期中斷定時/計數(shù)器。
8路10位a/d轉換器模塊（qadc）。
dma控制模塊、可對8位、16位、32位的數(shù)據(jù)進行操作。
2個中斷控制模塊、每個中斷控制模塊可管理7級中斷，每級又有9個中斷源，共可管理126個中斷源。
帶沖突檢測的復位控制模塊。
電源管理模塊（pww）共有四種運行模式：run，wait，doze和stop。

2 微機保護裝置的嵌入式主模板

2.1 微機保護裝置的工作原理

由待保護系統(tǒng)送來的電流電壓信號，經(jīng)電流電壓互感器變換后產(chǎn)生低電壓信號（±10v內(nèi)）送入主模板，主模板內(nèi)的mcf522微處理器運行片內(nèi)的保護軟件，進行信號采樣，完成各種數(shù)值運算、分析及處理，從而確定待保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如有故障，則由mcf5282經(jīng)輸出模板發(fā)出跳閘動作信號，達到保護系統(tǒng)的目的，同時，由各種通信方式保護動作信息送入管理模板和上位機，記錄、保存數(shù)據(jù)并報警，完成微機保護裝置的工作過程。

2.2 mcf5282構成的嵌入式主模板

筆者在設計110kv高電壓的微機保護裝置中，選擇以mcf5282為核心，構成嵌入式硬件主模板，它主要由數(shù)據(jù)采樣、存儲器，開關量輸入輸出，通信以及串行時鐘和e2prom等電路組成，如圖1所示。

以下將對mcf5282與各個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，應盡量減少mc5282的外圍器件，設計mcf5282以單片方式運行，mcf5282采用i/o端口或功能端口，與外部進行信息交換，系統(tǒng)的復位電路采用帶電源監(jiān)視的復位電路芯片imp706r，在裝置上電，電源電壓異常，手動復位和程序運行混亂或超時而產(chǎn)生"死鎖"時可使系統(tǒng)復位，其電路如圖2所示。

2.2.2 存儲器和數(shù)據(jù)采樣電路

存儲器選用2片fm18l08，數(shù)據(jù)采樣選用ad976a，兩種器件的數(shù)據(jù)線、地址線共用，控制線除片選線外，其他線共用，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線。

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

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

2.2.3 開關量輸入輸出電路

mcf5282主模板設計了34路的開關量信號輸入和17路開關輸出信號，每一路開關量輸入均通過光隔芯片tlp521，再到達mcf5282的i/o端口，控制軟件由mcf5282的i/o口送出輸出信號，經(jīng)過74lvxc3245和uln2004兩級驅動器，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，設計了以太網(wǎng)、can、rs－232和rs－485通信的外圍電路，構成多種通信方式與上位機系統(tǒng)和管理模塊進行信息交流。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進行隔離，為了滿足高端用戶的需要，設計有以太網(wǎng)通信，外圍起動芯片選用vt6103芯片。

2.2.5 串行時鐘和e2prom電路

筆者選擇1片i2c總線接口的時鐘芯片pcf8563和1片i2c總線接口存儲器芯片24lc256，它們都掛接在mcf5282微處理器的i2c總線上，如圖5所示，pcf8563是philips公司設計生產(chǎn)的工業(yè)級實時時鐘芯片，具有功耗低，精度高的特點，使嵌入式系統(tǒng)的硬件主模板有長時期穩(wěn)定的時間信號，24lc256是一個256kb的串行e2prom，可用電擦除，主要作用是存放嵌入式系統(tǒng)的軟件在運行過程中所需要的重要參數(shù)，例如保護定值等。

3 軟件實現(xiàn)

軟件程序的整體結構主要包括主程序、采樣中斷服務程序和故障處理程序，正常運行主程序，每周期（正弦波）采樣24點，每執(zhí)行一次采樣中斷服務程序并判斷相電流差突變量啟動元件di1是否動作，如果di1不動作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，正常返回主程序；如果di1動作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，轉入執(zhí)行故障處理程序，完成相應保護功能，直到整組復歸，返回正常運行的主程序，程序流程如圖6所示。

4 小結

本文介紹了利用微處理器mcf5282構成的嵌入式保護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，所以要合理地設計參考電壓vref。在設計pcb板時，要注意合理布局和設置良好的靜電屏蔽，以防電磁干擾問題，另外，在開關量輸入、輸出控制以及各種控制信號線中，可根據(jù)pcb布線的遠近，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。將上述設計的嵌入式主板外加其他模板可配置成具有母線保護、線路保護、發(fā)電機保護和變壓器保護功能的微機保護裝置，此保護裝置已運用于實際的電力監(jiān)控中（110kv），如發(fā)電機組、變電站和鐵路線上，且運行效果良好。