基于雙CPU的電力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

　　目前，國內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)所使用的電力保護(hù)系統(tǒng)大部分采用單CPU結(jié)構(gòu)，來自電壓、電流互感器的信號(hào)經(jīng)過采樣保持、模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入微處理器進(jìn)行處理，而數(shù)據(jù)處理的整個(gè)過程都需要CPU的參與控制。在單CPU系統(tǒng)中，CPU除了提供采樣脈沖、觸發(fā)多路選通信號(hào)、啟動(dòng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換以外，還負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波和實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法。此外，為確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性而定期執(zhí)行的自檢程序，為方便運(yùn)行人員的操作而設(shè)置的人機(jī)接口程序，也都由CPU執(zhí)行?？梢?，在單CPU系統(tǒng)中，全部的控制、監(jiān)測(cè)和運(yùn)算都由CPu來完成，致使CPU只能串行地完成任務(wù)，這將造成兩方面的結(jié)果：一是保護(hù)的運(yùn)行速度很大程度上取決于CPU的速度，CPU成為系統(tǒng)性能提高的瓶頸，對(duì)于要求高速采樣的應(yīng)用，系統(tǒng)顯得力不從心；二是選擇算法時(shí)必須放棄雖有較滿意的性能，但計(jì)算量大的方案。因此，采用多CPU型的微機(jī)保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)是必然的。
　　高速數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)技術(shù)的發(fā)展，為開發(fā)一種速度快，處理能力強(qiáng)的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。今年來，人們已經(jīng)開始將DSP芯片用于某些電力系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)研究，并獲得了成功。因此，本文采用DSP和單片機(jī)構(gòu)成雙CPU結(jié)構(gòu)的電力保護(hù)系統(tǒng)。充分利用DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力和單片機(jī)較強(qiáng)的控制能力，由DSP完成數(shù)據(jù)采集和各種保護(hù)算法的運(yùn)算等，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)各種參數(shù)的設(shè)置和液晶顯示。DSP和單片機(jī)之間通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾剩志哂休^好的抗干擾性能。
　　1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　1.1硬件設(shè)計(jì)
　　
　　本保護(hù)系統(tǒng)采用運(yùn)算速度快，擅長數(shù)字信號(hào)處理的DSP芯片TMS320LF2407作為主CPU控制模擬量的采集和計(jì)算、保護(hù)的判斷、開關(guān)量的輸入和輸出。由于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求很高，功能配置也較多，所以為了分擔(dān)主CPU的負(fù)擔(dān)，增加了一塊8051單片機(jī)作為從CPU負(fù)責(zé)人機(jī)對(duì)話，處理鍵盤掃描、LCD顯示、信號(hào)燈顯示及與上位機(jī)通信等實(shí)時(shí)性要求不高1的系統(tǒng)任務(wù)。此DSP(TMS320LF2407)+單片機(jī)(AT89C52)的雙CPU結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)裝置計(jì)算速度慢、計(jì)算精度低和保護(hù)功能不完善的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了雙CPU結(jié)構(gòu)并行工作、分工合作的優(yōu)點(diǎn)以及DSP芯片運(yùn)算速度快、擅長數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)，既滿足繼電保護(hù)速動(dòng)性、選擇性和可靠性的要求，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量的高精度。保護(hù)系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。
　　1.1.1數(shù)據(jù)采集與處理模塊
　　數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊以DSP為核心，通過對(duì)ADC的控制實(shí)現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換，然后完成預(yù)定的保護(hù)算法的運(yùn)算，同時(shí)，在數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果滿足的情況下，控制開關(guān)量的輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部回路的實(shí)時(shí)控制。
　　除DSP主處理器外，A／D轉(zhuǎn)換芯片也是數(shù)據(jù)采集與處理模塊的核心。由于系統(tǒng)的模擬輸入量較多，而且其中的零序電流和零序電壓還必須同步采樣，所以采用了ADS8364芯片。它是16位的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)部集成6個(gè)獨(dú)立的帶采樣保持地ADC，提供6個(gè)獨(dú)立的差分輸入口，每兩個(gè)通道共用一個(gè)轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)，三個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)同時(shí)觸發(fā)可實(shí)現(xiàn)6通道同步采樣，最高采樣頻率為250kHz，ADS8364內(nèi)部集成6×16bit數(shù)據(jù)緩沖寄存器，通過向A、A、A寫控制字可選擇直接尋址模式、循環(huán)讀數(shù)、FIFO三種方式讀取單次模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。我們采用控制邏輯最簡單的FIFO方式，即讓A0、A1、A2直接接高電平，同時(shí)，讓所有的轉(zhuǎn)換信號(hào)共用一個(gè)同步脈沖啟動(dòng)信號(hào)，這樣6個(gè)通道同時(shí)工作，等所有通道都發(fā)出轉(zhuǎn)換完畢中斷低電平后，DSP可按邏輯分別從FIFO中讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
　　1.1.2DSP與89C52數(shù)據(jù)通信
　　由于本系統(tǒng)采用了DSP與單片機(jī)雙CPU結(jié)構(gòu)，因此他們之間的數(shù)據(jù)交換接口成為影響整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用了雙口RAM實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，這種通信方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎芨?，而且抗干擾性能較好。
　　雙端口RAM提供了兩個(gè)完全獨(dú)立的端口，每個(gè)端口具有自己的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，兩側(cè)CPU都可以將雙口RAM看作自己的本地存儲(chǔ)器，獨(dú)立地讀寫雙口RAM的任一存儲(chǔ)單元。
　　
　　使用雙口RAM時(shí)有一個(gè)問題需要特別注意，即當(dāng)兩側(cè)CPU同時(shí)對(duì)雙口RAM的同一個(gè)單元進(jìn)行操作時(shí)，有可能出現(xiàn)爭用沖突。通常，解決爭用沖突的方案有四種：硬件仲裁方案、中斷方案、令牌傳遞方案和軟件仲裁方案。前三種方案必須有器件內(nèi)部相應(yīng)的硬件功能的支持，而軟件仲裁方案適用于任何雙口RAM器件。
　　在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了盡可能減少雙方讀寫沖突，將雙口RAM空間分為低地址區(qū)和高地址區(qū)兩部分，規(guī)定低地址區(qū)空間用于單片機(jī)寫入和DSP讀出，高地址區(qū)空間用于DSP寫入和單片機(jī)讀出。
　　1.1.3DeviceNet通信接口
　　本文利用DSP內(nèi)部集成的CAN控制器，提供了DeviceNet通信接口。為提高通信通道的抗干擾能力和可靠性，CAN收發(fā)器和CAN控制器之間加有雙通道的高速光耦6N137，以實(shí)現(xiàn)裝置和DeviceNet總線之間的電氣隔離。CAN收發(fā)器選用Philips公司生產(chǎn)的具有多種保護(hù)的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器PCA82C250，并使其工作于高速工作方式。利用本系統(tǒng)的DeviceNet通信接口可與上位機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人化管理。
　　1.2軟件設(shè)計(jì)
　　整個(gè)系統(tǒng)需要完成保護(hù)、測(cè)量、通信、故障記憶、自診斷和人機(jī)交互等眾多功能，這就需要合理設(shè)計(jì)軟件，科學(xué)安排程序流程。系統(tǒng)所有軟件均采用C語言編寫，采用模塊化編程技術(shù)，整個(gè)程序具有結(jié)構(gòu)清晰、可移植性強(qiáng)和升級(jí)容易等特點(diǎn)。
　　DSP主程序流程如(圖2)(a)所示，主要完成初始化、保護(hù)器自檢、掃描斷路器狀態(tài)、電力參數(shù)計(jì)算、各種故障的判斷、處理以及與單片機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等操作。其中，初始化部分主要完成裝置內(nèi)各個(gè)模塊的初始化(包括DSP本身初始化、ADC模塊初始化、捕獲單元初始化、SCI模塊初始化以及保護(hù)器系統(tǒng)參數(shù)、保護(hù)參數(shù)和故障記憶值的初始化)和將保護(hù)器的初始化數(shù)據(jù)(系統(tǒng)參數(shù)、保護(hù)參數(shù)及故障記憶值)經(jīng)雙DRAM通信發(fā)送給單片機(jī)等操作。三相電流、電壓值和零序電流、電壓值的采樣在DSP的定時(shí)中斷子程序中完成。有關(guān)DeviceNet通信的數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送都在DSP的通信接收、發(fā)送中斷子程序中完成。
　　單片機(jī)主程序流程如圖2(b)所示，主要完成液晶顯示和按鍵的識(shí)別與處理，采用全漢化液晶顯示，通過按鍵可以隨時(shí)查詢或設(shè)置保護(hù)器的系統(tǒng)參數(shù)、保護(hù)參數(shù)和時(shí)鐘參數(shù)等信息。
　　DSP經(jīng)雙NRAM通信發(fā)送給單片機(jī)的數(shù)據(jù)有：初始化數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)，故障信息(包括故障類型、故障發(fā)生時(shí)間以及故障發(fā)生時(shí)的電流、電壓值等)。其中初始化數(shù)據(jù)單片機(jī)以查詢方式接收，而測(cè)量數(shù)據(jù)和故障信息單片機(jī)以中斷方式接收。
　　2　結(jié)語
　　本系統(tǒng)采用基于DSP和單片機(jī)的雙CPU結(jié)構(gòu)作為硬件平臺(tái)，充分利用了兩種CPU的各自特點(diǎn)，軟件采用模塊化編程技術(shù)，可移植性強(qiáng)、升級(jí)容易。本系統(tǒng)集保護(hù)、測(cè)量、控制和通信等多種功能于一體，具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，并成功將DeviceNet總線應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信，對(duì)提高電力保護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動(dòng)化水平具有重要意