单片机在电力系统监控中的应用

目前，在作为微机保护心脏的微处理器中，一般采用高性能单片机（如Intel公司的87C196CB，87C196CB，78C196NT），数字信号处理器DSP（如TI公司的TMS320F2812）和可编程逻辑器件PLD（如Xilinx公司的XC9572）等来提高继电保护的处理速度，但是，随着继电保护向着多功能、智能化、可视化的方向发展，上述几种单一的芯片已经不能完全满足这些要求，如使用多种通信方式去实现组网调度。在本文中将介绍一种新型嵌入式微处理器MCF5282以及由它设计出的嵌入式主模板，能够满足多种通信方式的要求，而且其处理速度和实现多通道交直流采样的精度比起上述三类芯片都要高得多，其实时性也更完美。 

1 MCF5282微处理器的主要特点

MCF5282微处理器是迄今为止Motorola推出的最高集成度的ColdFir系列32位处理器，内含有2KB的高速缓冲存储器Ca che、64KB的随机存储器RAM和512KB的闪存Flash，其I/O口总数达到152个，它还采用智能DigitalDNA技术，在66MHz下工作速度为59Dhrystone2.1 MIPS。此外，MCF5282微处理器还具有新型设备。 

快速以太网媒体存取控制（MAC），支持100 Mbps MII，10 Mbps MII和10 Mbps7线实际接口，它使以太网连接从板级扩展到芯片级，这是MCF5282区别于其他类型处理器的特色之一。 

QSPI模块，提供带有序列传输性能的串行外围接口。 

3个通用异步串行接口模块UART。 

I2C系统总线模块。

CAN2.0B标准接口模块。

4个32位的DMA定时/计数器、8个16位通用定时/计数器，4个周期中断定时/计数器。

8路10位A/D转换器模块（QADC）。

DMA控制模块、可对8位、16位、32位的数据进行操作。

2个中断控制模块、每个中断控制模块可管理7级中断，每级又有9个中断源，共可管理126个中断源。

带冲突检测的复位控制模块。

电源管理模块（PWW）共有四种运行模式：Run，Wait，Doze和Stop。 

2 微机保护装置的嵌入式主模板 

2.1 微机保护装置的工作原理 

由待保护系统送来的电流电压信号，经电流电压互感器变换后产生低电压信号（±10V内）送入主模板，主模板内的MCF522微处理器运行片内的保护软件，进行信号采样，完成各种数值运算、分析及处理，从而确定待保护系统的运行状态，如有故障，则由MCF5282经输出模板发出跳闸动作信号，达到保护系统的目的，同时，由各种通信方式保护动作信息送入管理模板和上位机，记录、保存数据并报警，完成微机保护装置的工作过程。 

2.2 MCF5282构成的嵌入式主模板 

笔者在设计110kV高电压的微机保护装置中，选择以MCF5282为核心，构成嵌入式硬件主模板，它主要由数据采样、存储器，开关量输入输出，通信以及串行时钟和E2PROM等电路组成，如图1所示。 



以下将对MCF5282与各个部分的连接及工作原理加以叙述。 

2.2.1 MCF5282电路 

为提高主模板的可靠性，应尽量减少MC5282的外围器件，设计MCF5282以单片方式运行，MCF5282采用I/O端口或功能端口，与外部进行信息交换，系统的复位电路采用带电源监视的复位电路芯片IMP706R，在装置上电，电源电压异常，手动复位和程序运行混乱或超时而产生"死锁"时可使系统复位，其电路如图2所示。 [page]



2.2.2 存储器和数据采样电路 

存储器选用2片FM18L08，数据采样选用AD976A，两种器件的数据线、地址线共用，控制线除片选线外，其他线共用，如图3所示，MCF5282微处理器中的软件以I/O端口方式操作这些信号线。 




FM18L08是采用先进的铁电技术制造的32KB非易失性铁电随机存储器FRAM，其数据掉电后可以保存10年之久。它的高速写操作以及擦写次数多使得它比其他非易失性存储器具有更高的优势。FM18L08与MCF5282的连接如图3所示，2片FM18L08采用并联的方式构成32K×16位的存储器，它可以进行8位和16位的数据操作，MCF5282片内已有64KB的随机存储器，足以存放嵌入式系统中软件处理的各种数据，扩展FM18L08的主要目的是实现数据滤波和动作参数的存放。 

MCF5282中有8路10位队列式A/D转换器模块（QADC），但其路数和精度均达不到要求，因此采用了2片美信公司的16选1模拟电子开关芯片MAX306与AD976A构成的 31路16位、信号范围为±10V的数据采集电路。 

AD976A是ADI公司生产的模数转换器，其分辨率为16位，最高采样速率可达到200ksps，它是采用电荷重分布技术的逐次逼近型模数转换器，其结构比传统逼近型ADC简单，且不再需要完整的模数转换器作为核心，由于电容网络直接使用电荷作为转换参量，而且这些电容已经达到了采样电容的作用，因而不必另加采样保持器，从而大大简化了前置电路，在滤波电路中，直流信号分别采用传统的RC和RLC滤波电路进行滤波。 

2.2.3 开关量输入输出电路 

MCF5282主模板设计了34路的开关量信号输入和17路开关输出信号，每一路开关量输入均通过光隔芯片TLP521，再到达MCF5282的I/O端口，控制软件由MCF5282的I/O口送出输出信号，经过74LVXC3245和ULN2004两级驱动器，控制输出模板中的继电器，如图4所示。 




2.2.4 通信电路

根据MCF5282微处理器的通信端口，设计了以太网、CAN、RS－232和RS－485通信的外围电路，构成多种通信方式与上位机系统和管理模块进行信息交流。CAN、RS－232和RS－485通信的收发器分别使用PCA82C250、MAX3232和MAX485，为了提高通信质量，中间用光电隔离器件6N137进行隔离，为了满足高端用户的需要，设计有以太网通信，外围起动芯片选用VT6103芯片。 [page]

2.2.5 串行时钟和E2PROM电路

笔者选择1片I2C总线接口的时钟芯片PCF8563和1片I2C总线接口存储器芯片24LC256，它们都挂接在MCF5282微处理器的I2C总线上，如图5所示，PCF8563是Philips公司设计生产的工业级实时时钟芯片，具有功耗低，精度高的特点，使嵌入式系统的硬件主模板有长时期稳定的时间信号，24LC256是一个256KB的串行E2PROM，可用电擦除，主要作用是存放嵌入式系统的软件在运行过程中所需要的重要参数，例如保护定值等。



3 软件实现 

软件程序的整体结构主要包括主程序、采样中断服务程序和故障处理程序，正常运行主程序，每周期（正弦波）采样24点，每执行一次采样中断服务程序并判断相电流差突变量启动元件DI1是否动作，如果DI1不动作，采样中断程序执行完后，正常返回主程序；如果DI1动作，采样中断程序执行完后，转入执行故障处理程序，完成相应保护功能，直到整组复归，返回正常运行的主程序，程序流程如图6所示。 



4 小结 

本文介绍了利用微处理器MCF5282构成的嵌入式保护装置的主模块及其与外围电路的连接，由于此模块中采样电路是多通道高速采样，所以要合理地设计参考电压VREF。在设计PCB板时，要注意合理布局和设置良好的静电屏蔽，以防电磁干扰问题，另外，在开关量输入、输出控制以及各种控制信号线中，可根据PCB布线的远近，灵活选择MCF528的I/O口，决不拘泥于某种固定的连接方式，这也是选用MCF5282处理器的原因之一。将上述设计的嵌入式主板外加其他模板可配置成具有母线保护、线路保护、发电机保护和变压器保护功能的微机保护装置，此保护装置已运用于实际的电力监控中（110KV），如发电机组、变电站和铁路线上，且运行效果良好。