微機保護中DSP與時(shí)鐘DS12CR887的接口設計

微機繼電保護技術(shù)不斷發(fā)展，使用的算法也日趨復雜，與網(wǎng)絡(luò )的通信和前沿的監測都希望由保護裝置實(shí)現，這對繼電保護硬件的速度和處理能力提出了更高的要求。DSP技術(shù)的不斷發(fā)展使其在電力系統中逐漸得到了廣泛的運用，為開(kāi)發(fā)處理能力強大的微機保護系統奠定了基礎。

DSP雖然在算法處理上功能強大，但其控制功能較弱。而CPLD的強項在于時(shí)序和邏輯控制。

在微機繼電保護系統中，需配備時(shí)鐘芯片，以使系統的保護動(dòng)作、事件變位、告警信息的時(shí)間得到記錄和上傳，便于以后進(jìn)行事故分析和處理。而目前較常用的時(shí)鐘芯片一般以Intel總線(xiàn)時(shí)序工作，硬件上存在地址和數據線(xiàn)復用的特點(diǎn)，在保護裝置中如果采用DSP作控制器，會(huì )出現DSP地址和數據線(xiàn)無(wú)法與時(shí)鐘芯片直接配合的情況，這時(shí)通過(guò)CPLD的可編程邏輯控制模擬時(shí)鐘芯片的工作時(shí)序。系統中其他外圍電路的控制方法和原理與時(shí)鐘芯片完全類(lèi)似，以此方法可以搭建一個(gè)通用性強、性能穩定的硬件平臺，再通過(guò)各種具體的保護應用軟件，從而實(shí)現各種具體功能的微機保護裝置。

2 裝置的硬件設計

2.1 微機保護裝置總體結構

微機保護裝置總體結構如圖1所示，主要由數據處理單元(DSP)、數據采集單元(A／D轉換器)、人機接口單元(MMI模塊)以及開(kāi)入開(kāi)出單元等組成。其中，DSP選用TI公司的TMS320VC33，CPLD采用Altera公司的EPM3256A，A／D轉換器采用AnalogDevice公司的AD676，時(shí)鐘芯片采用Dallas公司的DS12CR887。

2.2 DSl2CR887與TMS320VC33的硬件接口

時(shí)鐘芯片的接口原理圖如圖2所示，為使系統硬件結構簡(jiǎn)單，軟件易于實(shí)現，由CPLD產(chǎn)生時(shí)鐘芯片所需的時(shí)序信號，以控制時(shí)鐘芯片的讀寫(xiě)。DSP數據總線(xiàn)直接引人DS12CR887地址數據總線(xiàn)，部分地址總線(xiàn)及控制線(xiàn)PAGE3、時(shí)鐘輸出H1等經(jīng)CPLD輸出到DS12CR887所需的控制線(xiàn)引腳。

3 DS12CR887的特性和功能

3.1 性能特點(diǎn)

DS12CR887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片功能豐富，其正常工作電壓為3.3 V，工作電壓范圍為2.97 V～3.63 V，是應用在DSP硬件電路中的理想時(shí)鐘芯片。DSl2CR887的具體的特性如下：

(1) 具有10字節RAM用來(lái)存儲時(shí)間信息。能夠自動(dòng)產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等時(shí)間信息，并且有時(shí)、分、秒的鬧鈴功能，溫度25℃時(shí)每個(gè)月的時(shí)間誤差在1分鐘以?xún)取?/P>

(2) 內部自帶電池，外部掉電時(shí)，溫度25℃時(shí)其內部時(shí)間信息能夠保持5年之久。

(3) 對于一天內的時(shí)間記錄，有12小時(shí)制和24小時(shí)制兩種模式。在12小時(shí)制模式中，用AM和PM區分上午和下午。

(4) 時(shí)間有二進(jìn)制數和BCD碼兩種表示方法。

(5) 內置128字節RAM，其中10字節RAM用來(lái)存儲時(shí)間信息，4字節RAM用來(lái)存儲控制信息，稱(chēng)為控制寄存器，114字節的通用RAM可供用戶(hù)使用。

(6) 用戶(hù)還可對DS12C887進(jìn)行編程以實(shí)現多種方波輸出，并可對其內部的三路中斷通過(guò)軟件進(jìn)行屏蔽。

3.2 內部RAM及寄存器功能

DS12CR887片內地址空間為00H～7FH，其中00H為秒單元，01H為鬧秒單元，02H為分鐘單元，03H為鬧分單元，04H為時(shí)單元，05H為鬧時(shí)單元，06H為星期單元，07H為日單元，08H為月單元，09H為年單元，0AH～0DH單元分別為控制寄存器A、B、C、D。0EH～7FH為用戶(hù)RAM區，可用來(lái)在系統掉電時(shí)保存數據。通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)A、B、C、D四個(gè)寄存器，可隨時(shí)設置和了解DS12CR887的工作方式。

3.3 引腳功能

DS12CR887的引腳排列如圖2所示。各引腳的功能說(shuō)明如下：

GND、VCC：工作電源。其中VCC接+3.3 V輸入，GND接地，當VCC的輸入小于+2.97 V時(shí)DS12CR887會(huì )自動(dòng)將電源切換到內部自帶的鋰電池上，以保證內部時(shí)鐘電路能正常工作，但此時(shí)不能讀寫(xiě)數據。

MOT：模式選擇引腳。DA12CR887有兩種工作模式，即Motorola模式和Intel模式，MOT接VCC選用Motorola模式；MOT接GND時(shí)，選用Intel模式。本文主要討論Intel模式。

SQW：方波輸出引腳。用戶(hù)可以通過(guò)對控制寄存器編程獲得13種方波信號輸出。

AD0～AD7：復用地址數據總線(xiàn)。該總線(xiàn)采用時(shí)分復用技術(shù)，在總線(xiàn)周期的前半部分，出現在A(yíng)D0～AD7上的是地址信息，用于選通DS12CR887的RAM，而在總線(xiàn)周期的后半部分，出現在A(yíng)D0～AD7上的是數據信息。

AS：地址選通輸入引腳。在進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，AS的下降沿將AD0～AD7的地址信息鎖存至DS12CR887。

DS：數據選擇或讀輸入引腳。該引腳有兩種工作模式，選用Intel工作模式時(shí)，該引腳是讀使能輸入引腳，即Read Enable。

R／W：讀／寫(xiě)輸入引腳。該引腳也有兩種工作模式，選用Intel模式時(shí)，該引腳可作為寫(xiě)使能輸入，即Write Enable。

CS：片選輸入引腳。低電平有效。

IRQ：中斷請求輸出引腳。低電平有效。

RESET：復位輸入引腳。低電平有效，該引腳有效對DS12CR887的時(shí)鐘、日歷和RAM中的內容無(wú)影響，僅對內部控制寄存器有影響，在典型應用中，RESET可以直接接至VCC，這樣可以保證在DS12CR887掉電時(shí)，其內部控制寄存器不受影響。

4 時(shí)序分析及軟件功能的實(shí)現

DS12CR887有兩種接口總線(xiàn)時(shí)序工作方式，此系統中DSl2CR887工作在Intel總線(xiàn)時(shí)序方式，其寫(xiě)命令時(shí)序如圖3所示，讀命令時(shí)序如圖4所示。

從DS12CR887的時(shí)序圖可以看出，在一次讀或寫(xiě)操作中，地址／數據復用總線(xiàn)上先出現地址，后出現數據。寫(xiě)操作時(shí)，當片選信號CS有效時(shí)，地址鎖存信號AS的下降沿將AD0～AD7上的數據鎖存作為地址(AS高電平的寬度PWASH不小于45 ns時(shí)，鎖存地址有效)；隨后讀寫(xiě)信號R／W為低電平(低電平寬度PWEH不小于90 ns)，在R／W的上升沿將AD0～AD7上的數據寫(xiě)入DSl2CR887，在R／W的上升沿要求AD0～AD7的數據穩定時(shí)間不為小于70ns(即tdsw>70 ns)，通過(guò)上述時(shí)序，才完成一次寫(xiě)操作。讀操作同樣首先將數據線(xiàn)(AD0～AD7)上的信號鎖存為DS12CR887需要的地址，然后DS12CR887才能在A(yíng)D0～AD7上輸出有效數據。

DSP TMS320VC33在一次操作中，數據線(xiàn)輸出數據，地址線(xiàn)輸出地址。從這個(gè)特點(diǎn)出發(fā)，設想用TMS320VC33的兩次操作產(chǎn)生的時(shí)序來(lái)完成DS12CR887的一次操作。具體思路如下：首先在TMS320VC33的數據線(xiàn)D0～D7上輸出DS12CR887需要的地址：如果是寫(xiě)操作，經(jīng)過(guò)一定延遲后在數據線(xiàn)D0～D7上輸出需要寫(xiě)入到DS12CR887的數據：如果是讀操作，則經(jīng)過(guò)一定延遲后通過(guò)數據線(xiàn)D0～D7讀人數據。

下面給出CPLD中的源程序，采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)。其中Address[5：0]分別對應A21、A20、A3、A2、A1、A0；在DSP的程序中設置總線(xiàn)控制寄存器為軟件等待2個(gè)H1時(shí)鐘周期。

DSP源程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，讀寫(xiě)時(shí)鐘芯片所分配地址如下：

5 結束語(yǔ)

由于DS12CR887是地址／數據復用總線(xiàn)時(shí)序，與DSP的讀寫(xiě)時(shí)序不同，所以在接口設計時(shí)對DSP、時(shí)鐘芯片的時(shí)序分析就非常重要。與時(shí)鐘的控制類(lèi)似，此系統可以方便地控制人機接口、A／D采樣、開(kāi)關(guān)量等外圍接口電路。DSP+CPLD系統可以搭建簡(jiǎn)單、穩定、靈活的微機保護系統硬件平臺。在此硬件平臺上已成功開(kāi)發(fā)出微機保護系統軟件．取得了良好的效果。