單片機協(xié)處理器在電力系統中的應用

摘要：單片機協(xié)處理器能分擔主處理器的部分工作，使電力測控系統在運行速度、功能需求等性能上有明顯的改善。 關(guān)鍵詞：單片機協(xié)處理器 硬件略圖 軟件 前言 在電力測量及保護系統中，通常是由單片機構成數個(gè)乃至數十個(gè)前端處理器。它們通過(guò)串行通信與微機構成的中央處理器相連接，形成一個(gè)完整的系統，以實(shí)現對電力系統的遙測、遙信、遙調、遙控等功能。 前端處理器的核心就是單片機，從目前的情況來(lái)看，以Intel公司的16位單片機80C196系列(KB、KC等)應用最廣。單片機要處理的問(wèn)題很多。如 I/O量、A/D模數轉換、鍵盤(pán)、通信、顯示等，處理一圈所花費的時(shí)間常稱(chēng)之為前端處理器的運行周期。在整個(gè)系統中，前端處理器的數量較多，中央處理器對其進(jìn)行巡檢時(shí)會(huì )花去較多的時(shí)間。若能將前端處理器的運行周期縮短，毫無(wú)疑問(wèn)能提高整個(gè)系統的運行及處理速度，使系統的性能得以改善。

被處理的各量中，以模擬量的處理較為復雜且耗時(shí)較長(cháng)。模擬量的處理內容較多，如模擬量周期(即工頻)的測定、模擬通道的選擇(多個(gè)模擬量同一時(shí)刻選通一個(gè))、A/D轉換及存儲等，有時(shí)還須采樣/保持控制等。如能將模擬量交給一個(gè)協(xié)處理器去處理，勢必會(huì )減輕主處理器的負擔，縮短主處理器的運行周期，同時(shí)還能為增強某些功能需求創(chuàng )造條件。模擬量的計算通常是用傅氏算法，其精度又與模擬信號一周期內采樣點(diǎn)的多少有關(guān)。采樣點(diǎn)多，精度就高，但耗費的時(shí)間也多。若前端處理器采用單一的CPU，由于受到時(shí)間和模擬通道數量的限制，采樣點(diǎn)大約在12～24點(diǎn)。若采用協(xié)處理器，采樣點(diǎn)可多至30～36點(diǎn)，模擬通道多至 16個(gè)，也同樣可正常工作。由于主處理器與協(xié)處理器的軟件各自獨立，使得在編制軟件思想清晰，容易理順。 一、硬件 圖1給出了前端處理器中采用協(xié)處理器的硬件略圖(只畫(huà)出有關(guān)部分)。它的主處理器仍采用了當前流行的16位單片機80C196KB(IC6)，協(xié)處理器采用了W78E51單片機(IC3)。W78E51的指令及性能同89C51，只是它的工作頻率可以達到40MHz。由于有兩個(gè)CPU同時(shí)運行，而且它們之間還有數據交換，如何去協(xié)調它們的工作是至關(guān)重要的，這需要通過(guò)硬件和軟件的設計來(lái)加強保證。 圖1中，IC1是8選1的模擬通道芯片MAX338，若通道數量超過(guò)8，可選用MAX306，其通道數量可達16個(gè)。IC2為12位帶采樣保持功能的 A/D模數變換芯片AD1674。IC4為地址鎖存片74LS373，IC5為RAM存儲芯片6264，它們附屬于IC3，作為IC3的片外數據存儲器。

硬件的工作過(guò)程是：工頻電壓或電流經(jīng)處理后(經(jīng)傳感器或者電壓/電流互感器、放大器、濾波器等處理)變?yōu)橄鄳哪M信號，分別從CI1的8個(gè)輸入端(IN1～IN8)輸入，具體選通哪路則取決于A(yíng)0～A2的二進(jìn)制數。而A0～A2又是由IC3的P10～P12決定。被選中通道的模擬量由IC1的 OUT輸出，經(jīng)跟隨器后進(jìn)入IC2進(jìn)行A/D變換，由R/C、A0控制變換的過(guò)程，STA給出變換結束的信號，它們分別由IC3的P15～P17實(shí)施控制和測試。變換完成的數字量為12位，分兩次輸出，第一次為高8位(DB11～DB4)，第二次為低8位(DB3～DB0，后加4個(gè)0)。這些數據經(jīng)整理后依次存入數據存儲器IC5中。IC3的P14是IC2的片選信號，P33是IC4、IC5的片選信號，通常為高電平，選不中。當進(jìn)行A/D變換時(shí)，須先將 P14置低電平，選中該片，變換完成后，再置加高電平。當向IC5存、取數據時(shí)，須通過(guò)P33進(jìn)行控制，過(guò)程同上。這樣，可以防止A/D變換、IC5存取數據、IC3通過(guò)P0口向IC6傳送數據這三者之間的相互交叉干擾。 周期值的測量是由一模擬通道提供工頻信號，經(jīng)斯密特觸發(fā)器至IC3的P13進(jìn)行。P13相鄰兩次電平下降的時(shí)間隔即可周期值。 IC3的P30、P31與IC6的P10、P11構成握手信號，將存放IC5中的各量依次取出，由IC3的P0口傳至IC6的P0口，并存入指定的區間，再進(jìn)行傅氏運算、處理和控制。IC5中存儲的數據個(gè)數是1周期內各采樣點(diǎn)的、各通道測得的數據個(gè)數的總和。設采樣點(diǎn)為Rn，通道數為Rm，再加上前述的周期值(各量均為2字節)，總的字節數C=2RnRm+2。當Rn=32，Rm=8，則C=2%26;#215;32%26;#215;8+2=514字節。當少于200字節時(shí)，也即采樣點(diǎn)、通道數較少時(shí)，如Rn=16，Rm=6，IC3可用W78E52代替。W78E52可以利用片內的256個(gè)RAM來(lái)存儲數據而省去片外的數據存儲器，在硬件上更為簡(jiǎn)潔。 二、軟件 圖2是協(xié)處理器主程序軟件框圖。首先對有關(guān)的量進(jìn)行說(shuō)明：T0和T1是W78E51片內的兩個(gè)定時(shí)器。T、Ta和Tb均為2字節寄存器，T用來(lái)存儲測量出的周期值;

Ta存儲兩相鄰采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔，因本例中采樣點(diǎn)為32，將T右移5位即得Ta值;Tb是Ta對應的溢出值，用來(lái)產(chǎn)生T0中斷。注意：以上諸量都須機器周期來(lái)表示，本例中采用24MHz晶振，一個(gè)機器周期的時(shí)間為0.5μs。Rm是模擬通道數，范圍是1～8。Rn是采樣點(diǎn)數，范圍是1～32。 工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：當P13電位下跌時(shí)，周期測試開(kāi)始，到第二次P13下跌時(shí)，周期測試結束(區間為AA～AD)。兩次下跌的時(shí)間間隔即為工頻的周期，具有準確的跟蹤特性。在周期測試開(kāi)始后4μs，T0溢出產(chǎn)生中斷，執行中斷子程序，總共32次。中斷子程序都是在A(yíng)D～AC間執行的，也即在第一周期內所有需要測量的量都已測出。從AD往后便是第二周期，主要用來(lái)計算Ta、Tb的值，并將IC5內的數據傳送出去。由此可見(jiàn)，協(xié)處理器的運行為2個(gè)周期，約 40ms。應說(shuō)明的是：在上電的第一個(gè)周期內，因周期值還未測出，故須對Tb值先行設置。圖3是中斷子程序軟件框圖。 8個(gè)通道的A/D轉換數據是先存入片內的RAM。這樣來(lái)得快，以減少通道之間的相差(鄰近通道之間的相差約為0.4%26;#176;)，之后，再一次性地由片內RAM轉存于片外RAM。執行一次T0中斷子程序的時(shí)間約為256μs。當采樣點(diǎn)為32時(shí)，時(shí)間間隔為625μs，綽綽有余。若將采樣點(diǎn)增至 36，通道增至16個(gè)，則采樣點(diǎn)間隔約為555μs，執行中斷子程序的時(shí)間約為445μs，仍有足夠的余量。 軟件可以用匯編語(yǔ)言ASM51編寫(xiě)，也可以用對應的高級語(yǔ)言PL/M51或C51編寫(xiě)，但前者代碼率高一些。 結束語(yǔ) 以上是協(xié)處理器的一般用法，在此基礎上是否能進(jìn)一步縮短運行周期和提高測量精度，是一個(gè)值得研究的課題。提高主處理器IC6和協(xié)處理器IC3的工作頻率(如IC6采用16MHz，IC3采用36MHz)可以提高CPU的運行速度，以達到縮短運行周期的目的。但有兩點(diǎn)需要注意：一是CPU的外圍芯片的速度必須跟得上;二是頻率提高后，輻射增強，交叉干擾變得明顯。因面，在印刷電路板的設計上須謹慎處理。 提高測量精度可以從3個(gè)方面著(zhù)手。一是提高A/D轉換精度，采用14位A/D變換芯片。不過(guò)，位數越多，變換所需的時(shí)間也越長(cháng)。這在單一CPU中因時(shí)間限制，效果不好，而在協(xié)處理器中卻容易實(shí)現。這里還有一個(gè)附帶的問(wèn)題，目前大都采用開(kāi)關(guān)式穩壓電源，耗電量省，但工作頻率高，噪波大，通常有5～10mV, 這無(wú)疑限制了精度的提高。因而，必須有一套優(yōu)良的電源濾波系統，將噪波濾到1mV以下。有時(shí)這部分的電源干擾采用串聯(lián)式穩壓電源，其噪波可以做到 0.5mV以下。 二是采用同時(shí)式采樣保持電路。在前述電路中，8個(gè)模擬通道的采樣并不是同時(shí)進(jìn)行而是按序進(jìn)行的，后面的通道對前面的通道而言有一個(gè)時(shí)間上的滯后，這會(huì )給測量帶來(lái)某些誤差。常用的方法是將各模擬量的位置進(jìn)行調整，將關(guān)系密切的量逐個(gè)緊排，以減少滯后帶來(lái)的影響。當然，提高協(xié)處理器的速度和采用高速A/D變換器也有助于滯后的減小(可做到0.2%26;#176;以?xún)?。然而，最終解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是采用同時(shí)式采樣保持電路，也即在圖1的IC1前加入8片采樣保持芯片，并由IC3實(shí)施控制。 三是各模擬量輸入通道(包括傳感器或電壓/電流互感器、放大器、濾波電路等)均會(huì )形成一定的附加相移。若各通道的附加相移相等，則對測量的精度不會(huì )有影響。輸入工頻三相電A，B，C，各相相差應為120%26;#176;，由于附加相移不相等，顯然會(huì )給測量帶來(lái)影響，尤以測功率時(shí)明顯。因而，應對各模擬通道的附加相移進(jìn)行測量調整，使其盡可能相等。