現(xiàn)場可編程外圍芯片在微機繼電保護裝置中的應用

關鍵詞：PSD；接口電路；微機繼電保護

引言
一個典型的微機繼電保護裝置通常由CPU模塊、I/O模塊、人機對話模塊、電源模塊，以及通信模塊等組成。其中CPU模塊是系統(tǒng)的核心部分，通常由微控制器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、 A/D轉換芯片、串行EEPROM、看門狗電路等組成。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(shù)據(jù)存儲器作為數(shù)據(jù)緩存，保存保護算法中的各類中間結果；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(shù)字信號的轉換；串行EEPROM通常用來存儲定值。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(xù)的時間短。因此設計微機繼電保護裝置的主要任務，除了完成保護功能外就是提高產(chǎn)品的抗干擾能力，保證裝置不誤動和不拒動。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，軟件自動檢測等各種方法。但精簡電路，用最簡潔的電路完成同樣的功能是提高裝置可靠性的一個最有效的方法。很明顯，電路簡單了，數(shù)據(jù)總線和地址總線的長度短了，甚至不出線路板，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，就提供了一種改進原有微機保護CPU模塊，簡化電路，提高裝置可靠性的方法，

PSD311簡介
PSD311是目前迅速崛起的現(xiàn)場可編程外圍芯片家族中的一員，它是市場上第一個用于微控制器應用系統(tǒng)中的低電壓、單片的接口芯片。它內部集成了高性能的用戶可配置部件：EPROM、SRAM 和可編程邏輯。其主要功能塊包括兩個可編程邏輯陣列(PAD A和PAD B)、256KB EPROM、16KB SRAM 、輸入鎖存器以及輸出端口。其中，兩個可編程陣列共有40個乘積項，最多16個輸入，24個輸出，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個相等的可映像塊，120ns的存取時間；16KB的SRAM可配置為2K×8位，120ns的存取時間；I/O口共有19個，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，并可分別設置為開漏或CMOS驅動。PSD311十分適合于要求低功耗與極小體積的應用系統(tǒng)。它們包括硬盤控制、無線或汽車產(chǎn)品、調制解調器、移動電話、儀表、計算機外圍設備、軍事以及類似的應用。采用PSD311組成的應用系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點：
?I/O重構(當微控制器訪問外部資源時，至少損失兩個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，用其它方法時，它們需要分散實現(xiàn)，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。一個經(jīng)過加密的PSD311能在系統(tǒng)中發(fā)揮正常的功能，即微控制器可以訪問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，只能得到無效的隨機數(shù)據(jù)，從而保護了系統(tǒng)開發(fā)者的勞動不被侵犯。

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，該硬件結構同時適用于微機線路保護、變壓器保護、電容器組保護、總線保護、系統(tǒng)接地保護和自動重合閘等多種類型保護。
從它的硬件結構圖中可以看出，該系統(tǒng)和常規(guī)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(tǒng)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，需要較大容量SRAM，所以保留了對SRAM的擴展。與PSD311有關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、總線寬度、端口配置以及地址譯碼等信息可以很容易地通過MAPLE軟件來設置完成。首先進入MAPLE的CONFIGURATION菜單，配置地址總線和數(shù)據(jù)總線的使用方式、數(shù)據(jù)總線寬度、讀寫控制方式等，然后分別進入端口A、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方式。進入ADDRESS MAP 菜單指定EPROM數(shù)據(jù)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，多路復用地址/數(shù)據(jù)總線，RESET低電平有效。端口A配置為傳送地址,端口B配置為I/O口,提供與人機對話模塊鍵盤的接口,端口C配置為片選，用來選通外部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本刊網(wǎng)站。
結語
通過實際的運行情況來看，用PSD311芯片改造原有的微機繼電保護裝置，在理論上和實踐上都是可行的。不僅大大簡化了電路，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(tǒng)智能儀器儀表也有很大的參考價值。

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

作者簡介: 鄭海波，男，畢業(yè)于空軍工程大學工程學院，信號與信息處理專業(yè)，獲工學碩士學位，現(xiàn)為海軍航空工程學院青島分院電子工程系講師，研究方向為航空電子對抗。