基于單片機(jī)和CPLD的數(shù)字繼電保護(hù)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

ATMEL公司的ATMEGAl28，有豐富的片內(nèi)資源：它帶有8路10位的AD轉(zhuǎn)換器，128K的FLAsH程序存儲(chǔ)空間，4K的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，4K的EEPROM掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可通過SPI實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，高級(jí)語言編程采用功能強(qiáng)大且高效率的GCC編譯器和GDB調(diào)試器，ATMEGAl28單片機(jī)是目前為止GCC所支持的唯一一種8位處理器。ATMEGAl28采用了Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線，從而使得處理器指令和數(shù)據(jù)并行，大大提高了處理效率。程序存儲(chǔ)器的指令通過一級(jí)流水線運(yùn)行。CPU在執(zhí)行一條指令的同時(shí)讀取下一條指令(而傳統(tǒng)的51系列的單片機(jī)一般沒有帶內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器，沒有FLASH程序存儲(chǔ)空間，只有128KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，沒有EEPROM掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

CPLD由完全可編程的與／或門陣列以及宏單元構(gòu)成。與／或陣列是可重新編程的，可以實(shí)現(xiàn)多種邏輯功能。宏單元?jiǎng)t是可實(shí)現(xiàn)組合或時(shí)序邏輯的功能模塊，同時(shí)還提供了真值或補(bǔ)碼輸出和以不同的路徑反饋等額外的靈活性。xilinx設(shè)計(jì)的CPLD采用了一種創(chuàng)新的全數(shù)字內(nèi)核，能夠以極低的功耗達(dá)到同樣的性能水平。這使得我們?cè)诟咝阅芎偷凸脑O(shè)計(jì)中使用同一種CPLD結(jié)構(gòu)。CPLD有可重新編程、簡單易用、低成本、非易失和高保密等特點(diǎn)。選用Xinlin公司的X9572利用VHDL語言可以實(shí)現(xiàn)245、573、GAL等等多種外圍芯片的設(shè)置。

在微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品中采用ATMEGAl28處理器取代傳統(tǒng)的8位或16位單片機(jī)，可以在硬件資源、開發(fā)平臺(tái)等方面取得很多優(yōu)越性，并通過與CPLD的配合，完成一些復(fù)雜的算法，所以基于ATMEGAl28和X9572這種CPLD平臺(tái)電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置除完成電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)功能外，還能夠完成電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子籠條斷條故障診斷等一些比較復(fù)雜的功能，從而大大提高保護(hù)裝置的性能。

1 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字繼電保護(hù)裝置原理是：AD采樣模擬量電流電壓，CPU把原始數(shù)據(jù)讀出存放在RAMt辛，再對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT計(jì)算，然后與參考值進(jìn)行比較計(jì)算，如果達(dá)到設(shè)置動(dòng)作值就發(fā)出出口信息。然后把這條信息保存在EEPROM中，以便調(diào)出分析。

硬件系統(tǒng)由AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、EEPROM、I／0接口、人機(jī)對(duì)話窗口和程序存儲(chǔ)器等功能模塊構(gòu)成。ATEMEL的ATMEGA128自帶10位AD、128KFLASH、4KRAM、4KEEPROM，能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)功能。I／O接口通過CPLD擴(kuò)展，人機(jī)對(duì)話窗口通過一塊128*64液晶顯示模塊、鍵盤和指示燈來實(shí)現(xiàn)。CPU的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與擴(kuò)展I／O的鎖存及地址譯碼分配都由CPLDX9572來完成。

數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)匹配由245芯片完成，讀取開入量8路需要一片245，讀取鍵盤6個(gè)鍵需要一片245。由于液晶是慢速器件，高速的CPU來操作可能存在時(shí)序比配問題，操作液晶一般不用總線方式而采用I／O讀寫，液晶的8位數(shù)據(jù)就用一片573來鎖存，還有液晶的控制線也要用一片573鎖存。數(shù)字開出部分7路也用一片573鎖存，信號(hào)指示等6個(gè)用一片573鎖存。這些芯片的讀寫對(duì)CPU來說都是獨(dú)立的存儲(chǔ)單元，所以就要有各自的地址范圍。以前的系統(tǒng)一般是通過138或GAL來實(shí)現(xiàn)地址譯碼。本系統(tǒng)都是由CPLD通過硬件描述語言VHDL來這些組織一些虛擬芯片實(shí)驗(yàn)他們的硬件功能。

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 CPLD和VHDL設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3．1 CPLD設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中用X9572通過VHDL語言實(shí)現(xiàn)了3片245IC和4片573IC和一片i6V8DIC。

跟傳統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡化了電路，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，特別是提高抗EMC的能力。