現場(chǎng)可編程外圍芯片在微機繼電保護裝置中的應用

關(guān)鍵詞：PSD；接口電路；微機繼電保護

引言
一個(gè)典型的微機繼電保護裝置通常由CPU模塊、I/O模塊、人機對話(huà)模塊、電源模塊，以及通信模塊等組成。其中CPU模塊是系統的核心部分，通常由微控制器、程序存儲器、數據存儲器、 A/D轉換芯片、串行EEPROM、看門(mén)狗電路等組成。微控制器完成所有保護功能和保護算法，目前最常用的是80C196，當然也有用80c552、8031等芯片的。程序存儲器存儲保護程序；數據存儲器作為數據緩存，保存保護算法中的各類(lèi)中間結果；A/D轉換器完成互感器輸出模擬信號和微控制器處理用的數字信號的轉換；串行EEPROM通常用來(lái)存儲定值。繼電保護產(chǎn)品的工作環(huán)境是非常惡劣的，干擾信號的頻率高，幅度大，而且持續的時(shí)間短。因此設計微機繼電保護裝置的主要任務(wù)，除了完成保護功能外就是提高產(chǎn)品的抗干擾能力，保證裝置不誤動(dòng)和不拒動(dòng)。提高產(chǎn)品的可靠性有各種各樣的方法，如采用冗余設計，精選元器件，軟件自動(dòng)檢測等各種方法。但精簡(jiǎn)電路，用最簡(jiǎn)潔的電路完成同樣的功能是提高裝置可靠性的一個(gè)最有效的方法。很明顯，電路簡(jiǎn)單了，數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)的長(cháng)度短了，甚至不出線(xiàn)路板，不出芯片，那么受干擾的可能性就少了。本文介紹的PSD311芯片在微機繼電保護裝置中的應用，就提供了一種改進(jìn)原有微機保護CPU模塊，簡(jiǎn)化電路，提高裝置可靠性的方法，

PSD311簡(jiǎn)介
PSD311是目前迅速崛起的現場(chǎng)可編程外圍芯片家族中的一員，它是市場(chǎng)上第一個(gè)用于微控制器應用系統中的低電壓、單片的接口芯片。它內部集成了高性能的用戶(hù)可配置部件：EPROM、SRAM 和可編程邏輯。其主要功能塊包括兩個(gè)可編程邏輯陣列(PAD A和PAD B)、256KB EPROM、16KB SRAM 、輸入鎖存器以及輸出端口。其中，兩個(gè)可編程陣列共有40個(gè)乘積項，最多16個(gè)輸入，24個(gè)輸出，有高達1MB空間的地址譯碼；256KB的EPROM可配置為32K×8位，可分為8個(gè)相等的可映像塊，120ns的存取時(shí)間；16KB的SRAM可配置為2K×8位，120ns的存取時(shí)間；I/O口共有19個(gè)，都可獨立配置，可用于微控制器的I/O端口擴展，可編程地址譯碼器(PAD)I/O, 鎖存的地址輸出，并可分別設置為開(kāi)漏或CMOS驅動(dòng)。PSD311十分適合于要求低功耗與極小體積的應用系統。它們包括硬盤(pán)控制、無(wú)線(xiàn)或汽車(chē)產(chǎn)品、調制解調器、移動(dòng)電話(huà)、儀表、計算機外圍設備、軍事以及類(lèi)似的應用。采用PSD311組成的應用系統和常規系統相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
?I/O重構(當微控制器訪(fǎng)問(wèn)外部資源時(shí)，至少損失兩個(gè)I/O端口)，獲得更多的I/O口；
?比微控制器內部存儲器中可用空間更大的EPROM；
?提供芯片選擇、控制或鎖存地址線(xiàn)，用其它方法時(shí)，它們需要分散實(shí)現，要增加譯碼電路；
?擴展的微控制器地址空間。
另外，PSD311還具有內在的安全性，可對其配置單元和PAD譯碼器加鎖。一個(gè)經(jīng)過(guò)加密的PSD311能在系統中發(fā)揮正常的功能，即微控制器可以訪(fǎng)問(wèn)EPROM、SRAM、PAD和I/O口，但用外部硬件讀取或驗證PSD311內容的任何企圖都將失敗，只能得到無(wú)效的隨機數據，從而保護了系統開(kāi)發(fā)者的勞動(dòng)不被侵犯。

圖 1 硬件原理結構圖

圖 2 硬件接口電路

PSD311在微機繼電保護裝置中的接口電路
圖1是某型微機繼電保護裝置的硬件原理結構圖，該硬件結構同時(shí)適用于微機線(xiàn)路保護、變壓器保護、電容器組保護、總線(xiàn)保護、系統接地保護和自動(dòng)重合閘等多種類(lèi)型保護。
從它的硬件結構圖中可以看出，該系統和常規保護裝置相比，用PSD311取代了EPROM、端口擴展電路、地址譯碼電路。在某些應用中還可以由PSD311取代 SRAM，但在系統考慮到其他保護程序硬件的通用性和保證全周付氏算法的精度和保護算法的復雜性時(shí)，需要較大容量SRAM，所以保留了對SRAM的擴展。與PSD311有關(guān)的詳細接口電路如圖2所示。

PSD311的軟件配置
PSD311芯片的工作方式、總線(xiàn)寬度、端口配置以及地址譯碼等信息可以很容易地通過(guò)MAPLE軟件來(lái)設置完成。首先進(jìn)入MAPLE的CONFIGURATION菜單，配置地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)的使用方式、數據總線(xiàn)寬度、讀寫(xiě)控制方式等，然后分別進(jìn)入端口A(yíng)、B、C的配置菜單分別配置各端口的功能，可將各端口的功能配置為傳送地址、片選輸出或I/O口。把端口配置為片選輸出，還需要指定片選地址、把端口配置為I/O口，需要指定端口的驅動(dòng)方式。進(jìn)入ADDRESS MAP 菜單指定EPROM數據的地址，其中輸入的文件名為程序編譯后的目標代碼。最后回到MAPLE的主菜單，用COMPILE選項對配置進(jìn)行編譯，生成供編程器使用的JEDEC文件。圖2所示的硬件接口電路，配置為8位地址總線(xiàn)，多路復用地址/數據總線(xiàn)，RESET低電平有效。端口A(yíng)配置為傳送地址,端口B配置為I/O口,提供與人機對話(huà)模塊鍵盤(pán)的接口,端口C配置為片選，用來(lái)選通外部RAM和AD1674。其中外部RAM的地址是8000-FFFFH，AD1674高位地址(ADH)是1000H,低位地址(ADL)是0800H。程序目標代碼文件為wxl.hex。具體軟件配置文件請見(jiàn)本刊網(wǎng)站。
結語(yǔ)
通過(guò)實(shí)際的運行情況來(lái)看，用PSD311芯片改造原有的微機繼電保護裝置，在理論上和實(shí)踐上都是可行的。不僅大大簡(jiǎn)化了電路，而且提高了電路的抗干擾性能。文中所介紹的方法對于其他基于微控制器的系統智能儀器儀表也有很大的參考價(jià)值。

參考文獻
1 陳德樹(shù).計算機繼電保護原理與技術(shù),北京：中國電力出版社.1992
2 孫涵芳.單片機現場(chǎng)可編程外圍芯片PSD的原理與應用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1998
3 PSD Programmable Peripherals Design and Applications Handbook.1994,WSI,U.S.A

作者簡(jiǎn)介: 鄭海波，男，畢業(yè)于空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，信號與信息處理專(zhuān)業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，現為海軍航空工程學(xué)院青島分院電子工程系講師，研究方向為航空電子對抗。