單片機(jī)協(xié)處理器在電力測量及保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

在電力測量及保護(hù)系統(tǒng)中，通常是由單片機(jī)構(gòu)成數(shù)個(gè)乃至數(shù)十個(gè)前端處理器。它們通過串行通信與微機(jī)構(gòu)成的中央處理器相連接，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的遙測、遙信、遙調(diào)、遙控等功能。

　　前端處理器的核心就是單片機(jī)，從目前的情況來看，以Intel公司的16位單片機(jī)80C196系列（KB、KC等）應(yīng)用最廣。單片機(jī)要處理的問題很多。如I/O量、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、鍵盤、通信、顯示等，處理一圈所花費(fèi)的時(shí)間常稱之為前端處理器的運(yùn)行周期。在整個(gè)系統(tǒng)中，前端處理器的數(shù)量較多，中央處理器對(duì)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(yùn)行周期縮短，毫無疑問能提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行及處理速度，使系統(tǒng)的性能得以改善。

　　被處理的各量中，以模擬量的處理較為復(fù)雜且耗時(shí)較長。模擬量的處理內(nèi)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(zhuǎn)換及存儲(chǔ)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(fù)擔(dān)，縮短主處理器的運(yùn)行周期，同時(shí)還能為增強(qiáng)某些功能需求創(chuàng)造條件。模擬量的計(jì)算通常是用傅氏算法，其精度又與模擬信號(hào)一周期內(nèi)采樣點(diǎn)的多少有關(guān)。采樣點(diǎn)多，精度就高，但耗費(fèi)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(shù)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(dú)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（只畫出有關(guān)部分）。它的主處理器仍采用了當(dāng)前流行的16位單片機(jī)80C196KB（IC6），協(xié)處理器采用了W78E51單片機(jī)（IC3）。W78E51的指令及性能同89C51，只是它的工作頻率可以達(dá)到40MHz。由于有兩個(gè)CPU同時(shí)運(yùn)行，而且它們之間還有數(shù)據(jù)交換，如何去協(xié)調(diào)它們的工作是至關(guān)重要的，這需要通過硬件和軟件的設(shè)計(jì)來加強(qiáng)保證。

圖1中，IC1是8選1的模擬通道芯片MAX338，若通道數(shù)量超過8，可選用MAX306，其通道數(shù)量可達(dá)16個(gè)。IC2為12位帶采樣保持功能的A/D模數(shù)變換芯片AD1674。IC4為地址鎖存片74LS373，IC5為RAM存儲(chǔ)芯片6264，它們附屬于IC3，作為IC3的片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

硬件的工作過程是：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?yīng)的模擬信號(hào)，分別從CI1的8個(gè)輸入端（IN1～I(xiàn)N8）輸入，具體選通哪路則取決于A0～A2的二進(jìn)制數(shù)。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控制變換的過程，STA給出變換結(jié)束的信號(hào)，它們分別由IC3的P15～P17實(shí)施控制和測試。變換完成的數(shù)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(shù)據(jù)經(jīng)整理后依次存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器IC5中。IC3的P14是IC2的片選信號(hào)，P33是IC4、IC5的片選信號(hào)，通常為高電平，選不中。當(dāng)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(dāng)向IC5存、取數(shù)據(jù)時(shí)，須通過P33進(jìn)行控制，過程同上。這樣，可以防止A/D變換、IC5存取數(shù)據(jù)、IC3通過P0口向IC6傳送數(shù)據(jù)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(hào)，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(gòu)成握手信號(hào)，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(qū)間，再進(jìn)行傅氏運(yùn)算、處理和控制。IC5中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是1周期內(nèi)各采樣點(diǎn)的、各通道測得的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的總和。設(shè)采樣點(diǎn)為Rn，通道數(shù)為Rm，再加上前述的周期值（各量均為2字節(jié)），總的字節(jié)數(shù)C=2RnRm+2。當(dāng)Rn=32，Rm=8，則C=2×32×8+2=514字節(jié)。當(dāng)少于200字節(jié)時(shí)，也即采樣點(diǎn)、通道數(shù)較少時(shí)，如Rn=16，Rm=6，IC3可用W78E52代替。W78E52可以利用片內(nèi)的256個(gè)RAM來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而省去片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在硬件上更為簡潔。

　　二、軟件

　　圖2是協(xié)處理器主程序軟件框圖。首先對(duì)有關(guān)的量進(jìn)行說明：T0和T1是W78E51片內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)器。T、Ta和Tb均為2字節(jié)寄存器，T用來存儲(chǔ)測量出的周期值；Ta存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的溢出值，用來產(chǎn)生T0中斷。注意：以上諸量都須機(jī)器周期來表示，本例中采用24MHz晶振，一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間為0.5μs。Rm是模擬通道數(shù)，范圍是1～8。Rn是采樣點(diǎn)數(shù)，范圍是1～32。

工作過程簡述如下：當(dāng)P13電位下跌時(shí)，周期測試開始，到第二次P13下跌時(shí)，周期測試結(jié)束（區(qū)間為AA～AD）。兩次下跌的時(shí)間間隔即為工頻的周期，具有準(zhǔn)確的跟蹤特性。在周期測試開始后4μs，T0溢出產(chǎn)生中斷，執(zhí)行中斷子程序，總共32次。中斷子程序都是在AD～AC間執(zhí)行的，也即在第一周期內(nèi)所有需要測量的量都已測出。從AD往后便是第二周期，主要用來計(jì)算Ta、Tb的值，并將IC5內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送出去。由此可見，協(xié)處理器的運(yùn)行為2個(gè)周期，約40ms。應(yīng)說明的是：在上電的第一個(gè)周期內(nèi)，因周期值還未測出，故須對(duì)Tb值先行設(shè)置。圖3是中斷子程序軟件框圖。

8個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是先存入片內(nèi)的RAM。這樣來得快，以減少通道之間的相差（鄰近通道之間的相差約為0.4°），之后，再一次性地由片內(nèi)RAM轉(zhuǎn)存于片外RAM。執(zhí)行一次T0中斷子程序的時(shí)間約為256μs。當(dāng)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(zhí)行中斷子程序的時(shí)間約為445μs，仍有足夠的余量。

　　軟件可以用匯編語言ASM51編寫，也可以用對(duì)應(yīng)的高級(jí)語言PL/M51或C51編寫，但前者代碼率高一些。

　　結(jié)束語

　　以上是協(xié)處理器的一般用法，在此基礎(chǔ)上是否能進(jìn)一步縮短運(yùn)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(yùn)行速度，以達(dá)到縮短運(yùn)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(qiáng)，交叉干擾變得明顯。因面，在印刷電路板的設(shè)計(jì)上須謹(jǐn)慎處理。

提高測量精度可以從3個(gè)方面著手。一是提高A/D轉(zhuǎn)換精度，采用14位A/D變換芯片。不過，位數(shù)越多，變換所需的時(shí)間也越長。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(xiàn)。這里還有一個(gè)附帶的問題，目前大都采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，耗電量省，但工作頻率高，噪波大，通常有5～10mV,這無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(tǒng)，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(wěn)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(duì)前面的通道而言有一個(gè)時(shí)間上的滯后，這會(huì)給測量帶來某些誤差。常用的方法是將各模擬量的位置進(jìn)行調(diào)整，將關(guān)系密切的量逐個(gè)緊排，以減少滯后帶來的影響。當(dāng)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°以內(nèi)）。然而，最終解決這個(gè)問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(duì)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(yīng)為120°，由于附加相移不相等，顯然會(huì)給測量帶來影響，尤以測功率時(shí)明顯。因而，應(yīng)對(duì)各模擬通道的附加相移進(jìn)行測量調(diào)整，使其盡可能相等。