基于SPI總線技術的同步422接口設計

　　本文中將介紹一種新型嵌入式微處理器MCF5282以及由它設計出的嵌人式主模板，能夠滿足多種通信方式的要求，而且其處理速度和實現(xiàn)多通道交直流采樣的精度比起上述三類芯片都要高得多，其實時性也更完美。

　　1 MCF5282微處理器的主要特點

　　MCF5282微處理器是迄今為止Motorola推出的最高集成度的ColdFire系列32位微處理器，內含有2 KB的高速緩沖存儲器Cache、64 KB的隨機存儲器RAM和512KB的閃存Flash，其I/0口總數(shù)達到152個。它還采用智能DigjtalDNA技術，在66 MHz下工作速度為59Dhrystone2.1 MIPS。此外，MCF5282微處理器還具有新型設備：

　　◆快速以太網(wǎng)媒體存取控制(MAC)，支持100 MbpsMII，10 Mlaps MII和10 Mbps 7線實際接口，它使以太網(wǎng)連接從板級擴展到芯片級，這是MCF5282區(qū)別于其他類型處理器的特色之一。

　　◆QSPI模塊，提供帶有序列傳輸性能的串行外圍接口。

　　◆3個通用異步串行接口模塊UART。

　　◆I2C系統(tǒng)總線模塊。

　　◆CAN 2.0B標準接口模塊。

　　◆4個32位的DMA定時/計數(shù)器、8個16位通用定時/計數(shù)器、4個周期中斷定時/計數(shù)器。

　　◆8路10位A/D轉換器模塊(QADC)。

　　◆DMA控制模塊，可對8位、16位、32位的數(shù)據(jù)進行操作。

　　◆2個中斷控制模塊，每個中斷控制模塊可管理7級中斷，每級又有9個中斷源，共可管理126個中斷源。

　　◆帶沖突檢測的復位控制模塊。

　　◆電源管理模塊(PWW)共有四種運行模式：Run.Wait，Doze-和Stop。

　　2 微機保護裝置的嵌入式主模板

　　2.1 微機保護裝置的工作原理

　　由待保護系統(tǒng)送來的電流電壓信號，經(jīng)電流電壓互感器變換后產(chǎn)生低電壓信號(±10 V內)送入主模板。主模板內的MCF5282微處理器運行片內的保護軟件，進行信號采樣，完成各種數(shù)值運算、分析及處理，從而確定待保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)。如有故障，則由MCF5282經(jīng)輸出模板發(fā)出跳閘動作信號，達到保護系統(tǒng)的目的;同時，由各種通信方式將保護動作信息送入管理模板和上位機，記錄、保存數(shù)據(jù)并報警，完成微機保護裝置的工作過程。

　　2. 2 MCF5282構成的嵌入式主模板

　　筆者在設計110 kV高電壓的微機保護裝置中，選擇以MCF5282為核心，構成嵌入式系統(tǒng)的硬件主模板。它主要由數(shù)據(jù)采樣、存儲器、開關量輸入輸出、通信以及串行時鐘和E2PROM等電路組成，如圖1所示。

　　以下將對MCF5282與各個部分的連接及工作原理加以敘述。

　　2.2.1 MCF5282電路

　　為提高主模板的可靠性，應盡量減少MCF5282的外圍器件，設計MCF5282以單片方式運行，MCF5282采用I/O端口或功能端口，與外部進行信息交換。系統(tǒng)的復位電路采用帶電源監(jiān)視的復位電路芯片IMP706R，在裝置上電、電源電壓異常、手動復位和程序運行混亂或超時而產(chǎn)生“死鎖”時可使系統(tǒng)復位，其電路如圖2所示。

　　2.2.2 存儲器和數(shù)據(jù)采樣電路

　　存儲器選用2片F(xiàn)Ml8L08，數(shù)據(jù)采樣選用AD976A，兩種器件的數(shù)據(jù)線、地址線共用，控制線除片選線外，其他線共用，如圖3所示。MCF5282微處理器中的軟件以I/O端口方式操作這些信號線。

　　FM18L08是采用先進的鐵電技術制造的32 KB非易失性鐵電隨機存儲器FRAM，其數(shù)據(jù)掉電后可以保存10年之久。它的高速寫操作以及擦寫次數(shù)多使得它比其他非易失性存儲器具有更高的優(yōu)勢。FMl8L08與MCF5282的連接如圖3所示，2片F(xiàn)Ml8L08采用并聯(lián)的方式構成32 K×16位的存儲器.它可以進行8位和16位的數(shù)據(jù)操作。MCF5282片內已有64 KB的隨機存儲器，足以存放嵌入式系統(tǒng)中軟件處理的各種數(shù)據(jù)，擴展FMl8L08的主要目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄波和動作參數(shù)的存放。

　　MCF5282中有8路10位隊列式A/D轉換器模塊(QAE)C)，但其路數(shù)和精度均達不到要求，因此采用了2片美信公司的16選1模擬電子開關芯片MAX306與AD976A構成31路16位、信號范圍為土10 V的數(shù)據(jù)采集電路。

　　AD3976A是ADI公司生產(chǎn)的模數(shù)轉換器，其分辨率為16位，最高采樣速率可達200 ksps，它是采用電荷重分布技術的逐次逼近型模數(shù)轉換器，其結構比傳統(tǒng)逼近型ADC簡單，且不再需要完整的模數(shù)轉換器作為核心。由于電容網(wǎng)絡直接使用電荷作為轉換參量，而且這些電容已經(jīng)達到了采樣電容的作用，因而不必另加采樣保持器，從而大大簡化了前置電路。在濾波電路中，交、直流信號分別采用傳統(tǒng)的RC和RLC濾波電路進行濾波。

　　2.2.3開關量輸入輸出電路

　　MCF5282主模板設計了34路的開關量信號輸入和17路開關量輸出信號。每一路開關量輸入均通過光隔芯片TLP521，再到達MCF5282的I/O端口。控制軟件由MCF5282的I/0口送出輸出信號，經(jīng)過74LVXC3245和ULN2004兩級驅動器，控制輸出模板中的繼電器，如圖4所示。

　　2.2.4 通信電路

　　根據(jù)MCF5282微處理器的通信端口，設計了以太網(wǎng)、CAN、RS一232和RS—485通信的外圍電路，構成多種通信方式與上位機系統(tǒng)和管理模板進行信息交流。CAN、RS一232和RS一485通信的收發(fā)器分別使用PCA82C250、MAX3232和MAX485，為了提高通信質量，中間用光電隔離器件6N137進行隔離。為了滿足高端用戶的需要，設計有以太網(wǎng)通信，外圍驅動芯片選用VT6103芯片。

　　2.2.5 串行時鐘和E2PROM電路

　　筆者選擇1片I2C總線接口的時鐘芯片PCF8563和1片I2C總線接口存儲器芯片24LC256，它們都掛接在MCF5282微處理器的12C總線上，如圖5所示。PCF8563是Phlips公司設計生產(chǎn)的工業(yè)級實時時鐘芯片，具有功耗低、精度高的特點，使嵌入式系統(tǒng)的硬件主模板有長時期穩(wěn)定的時間信號。24LC256是一個256。KB的串行E2PROM，可用電擦除，主要作用是存放嵌入式系統(tǒng)的軟件在運行過程中所需要的重要參數(shù)，例如保護定值等。

　　3 軟件實現(xiàn)

　　軟件程序的整體結構主要包括主程序、采樣中斷服務程序和故障處理程序。正常運行主程序，每周期(正弦波)采樣24點，每執(zhí)行一次采樣中斷服務程序并判斷相電流差突變量啟動元件DIl是否動作。如果DI1不動作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，正常返回主程序;如果DI1動作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，轉入執(zhí)行故障處理程序，完成相應保護功能，直到整組復歸，返回正常運行的主程序。程序流程如圖6所示。

　　4 小 結

　　本文介紹了利用微處理器MCF5282構成的嵌入式保護裝置的主模塊及其與外圍電路的連接。由于此模塊中采樣電路是多通道高速采樣，所以要合理地設計參考電壓VREF。在設計PCB板時，要注意合理布局和設置良好的靜電屏蔽，以防電磁干擾問題。另外，在開關量輸入、輸出控制以及各種控制信號線中，可根據(jù)PCB布線的遠近，靈活選擇MCF5282處理器的原因之一。將上述設計的嵌入式主模板外加其他模板可配置成具有母線保護、線路保護、發(fā)電機保護和變壓器保護功能的微機保護裝置。此保護裝置已運用于實際的電力監(jiān)控中(110V)，如發(fā)電機組、變電站和鐵路線上，且運行效果良好。