串行時(shí)鐘PCF8583在微機保護裝置中的應用

引言
微機保護裝置配備的高性能實(shí)時(shí)時(shí)鐘，用來(lái)記錄微機保護動(dòng)作、開(kāi)關(guān)變位、事故與預告等事件的時(shí)間信息，從而形成完整的事件順序記錄，對分析繼電保護的動(dòng)作行為、提高電力系統運行的可靠性具有重要意義。與先前的時(shí)鐘器件(如DS12C887)相比，PCF8583是串行總線(xiàn)擴展方式的實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件，只需通過(guò)DSP的I2C時(shí)鐘線(xiàn)SCL和數據線(xiàn)SDA就可完成其參數設置、讀取日期和時(shí)間等操作，同時(shí)PCF8583接口簡(jiǎn)單，占用DSP資源少和可靠性高，且掉電時(shí)仍能夠進(jìn)行時(shí)間計數。dsPIC33F系列微處理器是將單片機與DSP技術(shù)相結合的高性能16位數字信號控制器，將該控制器與串行時(shí)鐘PCF8583同時(shí)應用于微機保護裝置，可進(jìn)一步提高微機保護裝置的整體性能。因此，這里提出一種基于PCF8583和dsPIC33F系列微處理器的微機保護裝置設計方案。

2 PCF8583簡(jiǎn)介
2．1 PCF8583的結構與功能
PCF8583是帶有256x8 bit RAM的8引腳日歷／時(shí)鐘器件。內置完整的振蕩、分頻、上電復位電路，具有4年日歷時(shí)鐘，12或24 b格式，帶可編程的鬧鐘、定時(shí)和中斷功能，并具有體積小、硬件連線(xiàn)少、帶有256字節的靜態(tài)RAM等特點(diǎn)。它采用I2C兩線(xiàn)串行總線(xiàn)接口傳輸地址和數據，在每次讀寫(xiě)數據字節后，內部字地址寄存器自動(dòng)遞增；地址引腳A0用于編程設置硬件地址，這樣可在不增加硬件的情況下使總線(xiàn)上允許掛接兩個(gè)器件；內置32．768 kHz振蕩器RAM區的前8個(gè)字節用于時(shí)鐘／日歷和計數器功能，接下來(lái)的8個(gè)字節作為報警寄存器或RAM使用，剩下的240個(gè)字節RAM則由用戶(hù)自由分配。其中00H為控制狀態(tài)寄存器，01H為1／100 s寄存器，02H為秒寄存器，03H為分寄存器，04H為時(shí)寄存器，05H為年／日寄存器，06H為星期／月寄存器，07H為定時(shí)寄存器，08~0F單元可設置為空閑單元或鬧鐘寄存器，在日歷時(shí)鐘方式中，百分之一秒、秒、分、時(shí)、日、月、年和星期都是以BCD碼存放。I2C總線(xiàn)的主器件可通過(guò)對其控制／狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀，寫(xiě)操作。
2．2 PCF8583的PC總線(xiàn)及其讀寫(xiě)操作
I2C總線(xiàn)是Philips推出的串行傳輸總線(xiàn)，以?xún)筛B線(xiàn)實(shí)現完善的全雙工同步數據傳輸，可構成多機系統和外圍器件擴展系統。I2C總線(xiàn)采用器件地址的硬件設置方法，通過(guò)軟件尋址，完全避免器件的片選線(xiàn)尋址方法，從而使硬件系統具有簡(jiǎn)單靈活的擴展方法。由于I2C總線(xiàn)是同步串行數據傳輸總線(xiàn)。其內部為雙向傳輸電路，端口為漏極開(kāi)路輸出，故總線(xiàn)上必須掛接上拉電阻，該上拉電阻阻值通?？扇?-10kΩ。系統中的所有外圍器件及模塊都是總線(xiàn)上的節點(diǎn)，當I2C工作時(shí)，任何一個(gè)主器件節點(diǎn)都能控制總線(xiàn)，當某個(gè)主器件節點(diǎn)控制總線(xiàn)，則成為主控制器。系統中所有節點(diǎn)采用器件地址或引腳地址的編址方法。I2C總線(xiàn)規定起始信號后的第一個(gè)字節為尋址字節，用于尋址被控器件，并規定數據傳輸方向。I2C總線(xiàn)在數據傳輸中共有開(kāi)始信號、結束信號和應答信號3種類(lèi)型。其中，開(kāi)始信號是當SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變；結束信號是當SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變。結束數據傳輸；而應答信號則是接收數據的器件在接收到8位數據后，向發(fā)送數據的器件發(fā)出待定的低電平脈沖，表示已接收數據。
主器件節點(diǎn)讀寫(xiě)從節點(diǎn)(這里將PCF8583設為從節點(diǎn))數據的示意圖如圖1所示。發(fā)送到SDA線(xiàn)上的每個(gè)字節必須為8位，每次可發(fā)送的字節數不限，但每個(gè)字節后必須跟一個(gè)應答信號。首先傳輸最高數據位，數據全部傳輸完后，主控制器發(fā)送停止信號。

3 PCF8583與微機保護裝置的接口設計
3．1 硬件系統設計
該系統設計采用dsPIC33F系列dsPIC33FJ256GP7 10型系列微處理器，其內部集成了RAM，Flash及各種外設模塊，包括2個(gè)A／D轉換模塊、2個(gè)SPI接口模塊、2個(gè)I2C模塊、2路CAN和UART通信模塊等，因而外嗣擴展電路少，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了硬件結構。
基于dsPIC33FJ256GP710的保護測控裝置分為CPU模塊單元、交流插件、數字量I／O單元、通信單元、人機接口單元和電源單元等，通信接口直接與上位機或通信管理機連接，人機接口采用128×~64點(diǎn)陣式液晶顯示器和專(zhuān)用鍵盤(pán)，顯示信息量大，操作方便。
圖2為CPU模塊原理框圖。該微機保護裝置具有16路開(kāi)關(guān)輸入量，16路開(kāi)關(guān)輸出量，15路模擬量。由于dsPIC33F強大的計算能力和完善的控制功能，可單獨完成計算、控制、通信、人機接口等功能，減少了元件數，簡(jiǎn)化了硬件結構設計。又因dsPIC33F微處理器內部集成有RAM，Flash、A／D轉換等，使得外圍擴展電路很少，大大簡(jiǎn)化了硬件結構設計，極大提高了保護裝置的抗干擾性和可靠性。

圖3為PCF8583與dsPIC33FJ256GP710的接口電路。dsPIC33FJ256GP710的I2C數據信號SDA1和時(shí)鐘信號SCK1分別與PCF8583的SDA和SCL連接，I／O端口RG0與INT請求信號連接；R1，R2為上拉電阻，G為時(shí)鐘晶振，在通常情況下該電路由VDD供電。保護裝置掉電時(shí)則南電池BT1供電保證時(shí)鐘持續運行，二極管VD1和VD2用于隔離內部電池和VDD。擴展的串行時(shí)鐘PCF8583用于記錄系統工作時(shí)間，其內含一個(gè)鋰電池，斷電情況下可運行十年以上而不會(huì )丟失數據。與同類(lèi)并行時(shí)鐘(如DS12C887)相比，PCF8583結構簡(jiǎn)單，可靠性高。