微处理器dsPIC33F在微机保护装置中的应用

1 引言

随着电网供电负荷的日趋加重，电力系统对微机保护装置提出更高要求，一般低档单片机已很难满足设计要求。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，使得DSP器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户所接受 Microchip公司推出的数字信号处理器dsPIC33F集A/D转换、通讯、看门狗、保护和数据存储于一体，同时还支持SPI模式和I2C模式数据传输，便于扩展容量。因此，开发基于dsPIC33F的微机保护装置，不仅提升保护系统的整体性能和硬件平台的通用性，而且还能缩短开发时间，降低开发及硬件成本，对提高电力系统的稳定运行水平具有一定意义。

2 数字信号控制器dsPIC33F系列简介

dsPIC33F系列是高性能16位数字信号控制器，具有扩展的数字信号处理器(DSP)功能和高性能16位微控制器 (MCU)的架构。它是一种16位改进型哈佛结构RISC器件，融合了高性能16位单片机的控制优势和数字信号处理器的高速运算能力，是一款高性能的数字信号控制器(DSC)。dsPIC33F系列器件具有以下性能特点：

(1)DSP内核和指令系统dsPIC33F的DSP引擎具有1个高速的17位×17位的乘法器，1个40位的ALU，2个40位的饱和累加器以及1个 40位的双向移位器，其运算速度可达40 MI／s，指令字为24位，指令系统包含MCU指令集和DSP指令集。此外，这些指令对C语言编译器做了专门优化，采用C语言编写的程序代码效率很高。 dsPIC33F允许工作电压±10％的偏差，即工作电压为3．0～3．6 V。

(2)直接存储器访问(DMA)和中断能力dsPIC33F内部集成了8通道直接存储器访问模块，允许CPU执行代码期间在RAM和外设间传输数据，不额外占用周期。2 KB双端口DMA缓冲区(DMA RAM)，用于存储通过DMA传输的数据。可通过软件对DMA中断源进行设定，从而达到设计要求。dsPIC33F含有最多由118个区分优先级的中断向量组成的异常处理结构，中断优先级分为7级。最多67个中断源，5个外部中断和5个处理器异常。

(3)存储空间和外围器件程序计数器为23位宽，可寻址4 Mx24位的程序存储空间。对于DSP指令分别对2个数据区进行寻址；而MCU指令，数据空间可以整体作为64Kx8位进行寻址。dsPIC33F内部集成SRAM和Flash等必需的存储器件，提供10 bit和12 bit A／D转换模块(可选)，8 bit看门狗，以及UART、SPI、I2C、CAN等通信模块。

(4)开发工具Microchip高性能开发系统支持dsPIC33F系列控制器。该开发系统包括MPLAB集成开发环境(IDE)、MPLAB C30 C编译器、MPIAB SIM 30软件仿真器、MPIABICD 2在线调试器及MPLAB ICE 4000在线仿真器。dsPIC33F系列数字信号控制器还配备一系列的应用库。

3 dsPIC33F在微机保护硬件系统中的应用

该装置按功能分为CPU模块、交流插件、数字量I／O微机保护、通信、人机接口单元和电源单元。通信接口直接与上位机或通信管理机连接，人机接口采用 128x64点阵式液晶显示器和专用键盘，显示信息量大，操作方便，硬件设计框图如图1所示。该微机保护装置具有16路开入量，16路开出量，15路模拟量，CPU模块原理框图如图2所示。由于dsPIC33F具有强大的汁算能力和完善的控制功能，可单独完成计算、控制、通信、人机接口等功能，减少了器件数量，简化硬件结构。又因dsPIC33F内部集成RAM、Flash、A／D转换器等，使得外同扩展电路很少，进一步简化硬件结构，基本实现了总线不出芯片没计，极大提高保护装置的抗干扰性和可靠性。

3．1 存储器扩展及实时时钟接口

dsPIC33Fj256GP710内部集成30 KB的SRAM用作数据存储空间，256 KB的增强型Flash作为程序或数据存储区。由于微机保护，存储保护定值、事件记录和故障录波数据都需较大存储空间，因此该装置扩展1 MB的外部存储空间，将串行闪速存储器AT45DB081通过SPI总线同dsPIC33FJ256GP71O相连。AT45DB081的工作电压为2． 7～3．6 V，在系统重复擦写并兼容SPI的Flash存储器。内部有4 096页，每页264个字节，共计8MB的主存储器容量以及2个264字节的SRAM数据缓存器。AT45DB081与dsPIC33FJ256GP710的接口设计电路如图3所示。图3中dsPIC33Fj256GP710的SDO1、SOI1、SCK1分别与 AT45DB081的串行输入(SI)、串行输出(SO)和时钟(SCK)引脚相连，RE4，RE2，RE5，RE6分别与AT45DB081的片选 (CS)、复位(RESET)、忙闲状态(RDY／BUSY)和写保护(WP)引脚相连。dsPIC33F通过RE5读取AT45DB081的忙闲状态引脚判断存储器是否空闲，若RE5为“1”表示存储器空闲，否则表示存储器忙。当存储器空闲时，通过RE4引脚输出“0”作为存储器的片选信号，选中存储器后通过SPI发送命令字完成对AT45DB081的相应读写操作。微机保护需配置3个定值，且存储在不同的3个区间，运行时校验其定值是否正确。为此，对 AT45DB081的空间分配如下：定值、控制字、工厂设置和调节系数共分为4个区，存储在AT45DB081的第0～9页，即第一区为 AT45DB081的第0，1，2页，分别存储保护装置的第1，2，3个定值；第二区为AT45DB081的第3，4，5页，分别存储保护装置的第1， 2，3个定值；第三区为AT45DB081的第6，7，8页，分别存储保护装置的第1．2．3个定值；第4区为AT45DB081的第9页，存储调节系数。事件记录存储在AT45DB081的第10～1 000页。故障录波数据存储在AT45DB081的第1 001～4 000页。

PCF8583是串行总线扩展方式，通过DSP的I2C时钟线SCL和数据线SDA完成对PCF8583的参数设置、日期和时间读取等操作，同时 PCF8583具有接口简单、占用DSP资源少和可靠性高等优点，并在掉电时仍能进行时间计数。扩展的时钟器件用来记录系统的工作时间。除此之外，为避免装置频繁读写EEPROM，对于保护装置频繁读写的信号如事故、预告、脉冲量、重启次数、装置故障信号及出口标志都存放在RAM寄存器，时钟器件在读取当前时间的同时也调用这些内容，在装置断电又重新上电时能够获得这些信息。