微机继电保护的主要芯片介绍.ppt

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1、微机继电保护的主要芯片介绍,概 述,微机继电保护是一个智能化的工业控制设备。它关键的器件有微处理器、模数转换器、数字运算器和逻辑运算器等。早期微机继电保护用8位单片机，运算速度低，性能较差，不能满足要求。后来人们采用16位，运算速度更高、性能更强的单片机。为了实现复杂的数字滤波计算，辅以数字信号处理器(DSP)。目前出现的ARM系列的32位的单片机，它的功能又远远超过16位的单片机；芯片中有极大的数据、程序存储空间，有与DSP相比拟的运算速度。早期微机继电保护用12位，转换速度为25s的模数转换器(AD)。为了提高精度和便于采样数据共享，人们又采用压频转换器(VFC)代替12位AD。现在14位

2、和16位的AD器件具有更高精度和速度，23s的转换速度，又取代了VFC。,早期微机继电保护用通用的逻辑芯片构成微机系统，如并行接口，串行接口，时钟，与非门等芯片。目前采用可编程逻辑器件，一片就可以实现所有逻辑功能。高技术的应用使微机继电保护可靠性更高、性能更强、体积和功耗更小，可以实现非常复杂的保护功能，软件开发可以采用高级语言。,一、VFC型数据采集系统,VFC：电压频率转换器VFC(Voltage Frequency Converter)是另一种实现模数转换功能的器件。可以将VFC器件与其他电路一起构成数据采集系统，从而实现模数转换的功能。电压、电流信号经电压形成回路后，均变换成与输入信号

3、成比例的电压量，经过VFC，将模拟电压量变换为脉冲信号，该脉冲信号的频率与输入电压成正比，经快速光电耦合器隔离后，由计数器对脉冲进行计数，随后，微型机按采样间隔Ts读取的计数值就与输入模拟量在Ts内积分成正比，达到了将模拟量转换为数字量的目的，实现了数据采集系统的功能。,1、VFC型数据采集系统示意图,2、VFC型数据采集系统的特点,低通滤波特性 抗干扰能力强位数可调 与微型机的接口简单 实现多微型机共享 易于实现同时采样 不适用于高频信号的采集 有不可消除的误差,二、常用的模数转换器,1、AD7665转换器简介：在AD转换器件中，AD7665是一种逐次逼近型的16位快速模数转换器，转换速率为

4、500KSPS(Samples Per Second)或570KSPS。器件内部包含了一个高速的16位数转换电路，一个适用于不同输入范围的电阻电路，一个用于控制转换的内部时钟，一个纠错电路。输出方式既可以是串行接口也可以是并行接口，以便于和各种微机接口。,AD7665的温度为一40+85，最大的非线性误差在25LSB以内，转换噪声的典型值为07LSB，其功能如图所示。,AD7665功能框图,2、MAXl25简介,MAXl25是美国MAXIM公司生产的一种八通道高速14位模数转换器件，它采用逐次逼近转换技术。其内部集成了一个8通道的多路开关，一个具有14位分辨率的AD转换器，4个同步采样保持器，

5、一个可编程序发生器，两组14路的模数转换结果可以补码的形式存入于4个14位RAM中。MAXl25的八路输入通道均有17V的输入故障保护电路。此器件需要5V的双极性供电，采样电压的范围是一5+5V，广泛应用电机控制系统监控及数字信号处理等领域之中。,MAXl25的主要特点：,(1)八个模拟量输人通通，即八种转换工作模式和一种节电模式。(2)模数转换器的转换时间为3s；模拟量输入电压范围为-5+5V。(3)参考电压可选用器件内部提供的2.5V，也可选用外部参考电压。(4)内部集成一个可编程序列发生器。时钟频率为O1MHz16MHz。(5)具有高速并行的单片机或微处理机接口。,三、微机继电保护常用的

6、单片机,1、8XCl96KB单片机简介：,8X196KB单片机硬件总体框图,8XC196KB单片机内容介绍,U1中央处理单元CPU U2时钟发生器 U3中断控制单元 U4程序存储器 U5存储器控制器MCR、从程序计数器SPC和队列QUEUE U6端口3(P3)和端口4(P4),U7总线交换协议与端口1(P1)U8高速输入输出通道 U9定时器单元 U10串行通信单元 U11DA转换单元 U12端口2(P2)多路转换器 U13端口0(P0)和端口2(P2)U14AD转换单元,2、32位单片机,ARM系列的32位单片机的运算速度和其他功能远远超过16位单片机，具有很高的性能价格比。最高性能的ARM9

7、系列单片机的执行速度高达11MIPSMHz，而主频为100233MHz，有的集成有2MB高速Flash存储器。例如ARM7系列单片机LPC2212LPC2214，是一款基于1632位ARM7TDMIS，并支持实时仿真和跟踪的CPU，带有128256KB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30，而性能的损失却很小。下图为LPC2212LPC2214的结构方框图:,LPC2212LPC2214采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、PWM输出以及多达9个的外部

8、中断，这款微控制器特别适合工业控制、医疗系统、收款机控制等应用领域。其可用GPIO范围为76脚(外部存储区)到112脚(单片)。由于内设置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其他各种类型的应用。,3、TMS320VC5470,TMS320VC5470(简称5470)是集成了基于TMS320C54x体系结构的DSP子系统和基于ARM7TDMI核的RISC微控制器子系统的CPU定点数字信号处理器。具有双CPU、功耗小、速度快等特点，为数字信号处理领域提供了一种更先进的可选器件。,TMS320VC5470功能框图,TMS320VC5470特性,集成了

9、1个TMS320C54x体系结构的DSP和1个ARM7TIDMI RISC MCU的双CPU处理器。带有72Kx 16位集成SRAM的16位低功耗DSP。速度可高达100MHz。集成的DSP子系统外围，包括2个高速的全双工多通道缓冲串口McBSPs，使DSP核可以与编解码器(CODEC)直接接口；具有6个独立通道的DMA控制器；ARM端接口(port interface)为MCU子系统和DSP子系统的CPU之间进行有效的信息交换提供了2K16位的共享存储器接口；外存储器接口；可以将外部总线周期扩展到14个机器周期的软件可编程等待状态发生器；1个用于控制功能的软件可编程的硬件定时器；可编程的锁相

10、环PLL时钟发生器。,带有16KB集成SRAM和仿真性能增强型的ARM7TDMI RISC微控制器核，使运行速度可高达475MHz。集成的MCU子系统外围，包括通用异步收发器UART、支持SIR协议的UARTIrDA接口、串行外围接SPI、36个通用I/O引脚、I2C接口、2个通用定时器、1个看门狗定时器、中断处理器、支持FlasnSRAMSDRAMROM的外部存储接口、对MCU外围灵活的时钟管理、可编程的锁相环时钟发生器。基于片上扫描的仿真逻辑，DSP和MCU核的IEEE标准11491+(JTAG)边界扫描逻辑；支持DSP和MCU核的基于扫描的仿真。,4、数字信号处理器DSP简介,DSP是数

11、字信号处理的简称，它是一门涉及电子学、计算机、应用数学等许多学科且广泛应用于许多领域的新兴技术。数字信处理是利用计算机或专用设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以达到符合人们需要的信号形式。,DSP技术的实现主要基于DSP芯片。DSP芯片是基于超大规模集成电路技术和计算机技术发展起来的一种高速专用微处理器，其程序存储器和数据存储器是完全隔离的，解决了总线拥挤的问题，由于具有双地址发生器、独立的乘法器和累加器、多总线(CPU总线和DMA总线)结构和流水线处理指令方法，具有强大的运算功能和高速的数据传输能力，能方便地处理以运算为主的不允许时延的实时信号，有独具

12、一格的逆寻址方式，能高效地进行快速傅里叶变换，它采用内存映射方式管理IO，能灵活方便地扩充外围电路。目前DSP芯片已经在微机继电保护中广泛应用。,DSP在微机保护中的应用,电力系统继电保护技术在近几年日趋成熟的过程中由于看到了DSP芯片的高速和并行处理能力强的优点，也在考虑应用DSP替代原来的多CPU单片的方式；另外，随着数字信号处理理论的新发展(小波理论)，电力系统暂态谐波的测量处理都可得到解决，从而对于电力系统故障瞬间许多无法解决的难题也会逐个突破。,早期应用于电力系统的微机保护产品采用的CPU大多为8位或16位单片机，由于受硬件资源及功能较简单的限制，微机产品的优势难以充分发挥，其采样能

13、力及采样精度上无法满足一些复杂的原理和算法的要求，基于常规CPU的保护产品也都难以胜任。基于DSP的数据采集和处理系统由于其强大的数学运算能力和特殊设计，使得它在继电保护各种原理的实现上得心应手。,对于正常运行状态下的电力系统，主要是对稳态下的基波和谐波进行分析，傅里叶变换是一个十分有效的工具。但有些保护功能需要提取和识别电力系统故障信息，如行波和超高速保护、小电流接地选线等傅里叶变换就显得无能为力，必须用到更高级的DSP算法，例如20世纪90年代兴起的一种称为小波变换的分析方法。它与傅里叶变换的主要差别在于傅里叶变换是一个纯频域的分析方法，在时域上没有任何分辨能力，小波变换是一个时域和频域局

14、部化的分析方法，它把一个信号波形分成不同尺度和位置的小波之和，是分析非平稳变化信号或突变信号最有效的方法。相信随着DSP理论中的小波方法的发展，DSP技术必将在电力系统暂态控制的应用中得到进一步深化。,四、复杂可编程逻辑器件CPLD简介,CPLD(Complex Programmable Logic Device)即复杂可编程逻辑器件，由早期的PLD发展而来，是当今应用最广泛的可编程专用集成电路(ASIC)。它的出现，使得硬件系统工程师可以在实验室里自己设计出符合特定需要的专用集成电路，从而大大缩短了产品的上市时间，降低了开发成本。此外，可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，

15、使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，极大地提高了系统设计的灵活性和通用性。,对同一个问题可以有不同的解决方案。从功能上来说，微处理器、DSP和CPLD都可以完成相同的系统设计，但它们实现的方法不同。微处理器和DSP的编程是所谓的“软件”问题，它们将一个具体的问题分解成许多指令来实现。而CPLD则是通过对具体问题进行分析，将其分解为乘积项或与查找表类似的结构用硬件来实现。,对于同一功能，一般通过CPLD实现要比微处理器实现快得多。原因有以下两点：微处理器通常要处理很多任务，对某一任务只能分给一定的时间片，而CPLD是专门化的；微处理器是通过通用的硬件结构用指令来实现的，而CPLD是采用专

16、门设计的硬件结构来完成的。DSP之所以在作乘法运算时比相同时钟的单片机要快，主要是因为在DSP中集成了一个专用乘法器。为了满足某些大量乘法运算任务(如数字滤波器的设计)的速度需要，可以在CPLD中设计多个乘法器同时并行工作。,目前，世界上最大的两家CPLD制造厂家是Altra和Xilinx。它们的产品占据全球CPLD市场的60以上。,1、XC9500系列CPLD特点,(1)高性能。5ns引脚间逻辑延迟；fCNT可达125MHz。(2)宽密度范围：36288个宏单元带有8006400个门。(3)5V在线系统编程：10000次编程擦除周期；(4)增强的引脚锁定结构。(5)灵活的36V18功能模块。

17、90个乘积项可驱动功能块内任意或全部18个宏单元，全局和乘积项时钟、输出使能、设置和复位信号。,(6)IEEE Std 11491边界扫描(JTAG)支持。(7)每个宏单元都有可编程低功耗模式。(8)单个输出的斜率控制。(9)用户可编程接地引脚。(10)扩展模式的保密特性，用于设计的保护。(11)24mA输出驱动能力。(12)相容33V或5V的I0口。(13)先进的CMOS高速的Flash工艺。(14)支持对多个XC9500器件的并行编程。,（15）每个XC9500器件都是一个子系统，包括多个功能模块(FB)和IO模块(IOB)，并通过FastCONNECT开关矩阵实现内部连接。IOB提供器件

18、输入和输出的缓冲。每个FB提供36个输入和18个输出的可编程逻辑。FastCONNECT开关矩阵将所有FB输出和输入信号连接到FB输入。对于每一个FB，1218个输出(取决于封装引脚数)和相关的输出使能信号直接驱动IOB，如下图所示：,XC9500 的结构框图,2、CPLD在微机保护中的应用,（1）CPLD在微机保护数据采集中的应用。,微机保护装置中，模拟量输入系统的主要功能是采集被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，经过适当的处理，然后转换成所需的数字量。CPU执行存放在EPPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数采集速度的提高，原有的设计可能不满足要求。而CPLD可以应

19、用在高速甚至超高速数据采集系统中，用来构成种数据总线控制器和地址总线发生器和控制器，并能实现复杂的逻辑和时序控制。,高速数据采集系统工作原理如下：正常采样时，模拟信号经过高速AD转换后，直接经过数据总线送人高速RAM中。与此同时，地址总线发生器产生相应的地址信号和控制信号(如片选信号、写信号等)。整个采样过程可以不经过微处理器干预，大大提高了采样速度。现在一般的微处理器内部都集成了AD器件，将模拟信号引入微处理器可以判断保护设备是否发生故障，从而产生相应触发信号。,采集系统中，直接将采样数据存到高速缓冲RAM中而存储器寻址则由地址总线CPLD构成的地址发生器来完成。数据总线CPLD负责协调高速

20、RAM、CPU以及其他系统之间的数据传送，因此可以用在高速、超高速微机保护的数据采集系统中。用CPLD编程还可以构成多个高速串行计数器，用于采用VFC的模数转换。,（2）CPLD在微机保护数据处理中的应用,在电力系统微机保护中，数字滤波器是必不可少的部分，这主要是因为，在系统发生故障的最初阶段，由于电流和电压信号中含有衰减的直流和各次谐波，使故障的暂态信号的频谱十分复杂。若其动作原理是基于信号的某部分或单一频率分量(如工频分量、二次谐波分量等)，由于对保护动作快速性的要求，必须在故障的暂态过程中动作，因此不可避免地要对输入信号进行滤波处理。,传统的数字滤波器用软件实现，微机通过执行相应的程序来

21、对数字信号进行某种数学运算，去掉信号中的无用成分，从而达到滤波器(减法滤波器)、加法滤波器、积分滤波器、串联滤波器等。采用CPLD来设计数字滤波器有其独特优越性。我们知道，数字滤波器主要是完成大量的加法及乘法运算。在用CPLD设计的数字滤波器中，采用多个乘法运算和加法器来并行工作，可以大幅提高运算的速度。其实时性远远优于用软件实现。由于采用硬件来实现数字滤波器，所以抗干扰性好，不会因为干扰而拒绝工作，从而提高了保护动作的可靠性。CPLD的系统编程功能，允许对功能进行重新配置，为以后的升级提供了方便。,（3）CPLD在微机保护数据通信中的应用,目前开发的微机保护装置中，一般都具有通信功能。采用C

22、PLD同样可以实现数据通信。UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)通用异步收发器是使用较为广泛的串行数据传输协议，它允许不同的系统通过它进行全双工数据通信。使用CPLD可以设计具有UART全部功能的专用集成电路。这样以后如果网络进行升级，通过对CPLD进行重新配置即可实现，而不需要更改硬件电路，从而大大延长了产品的使用寿命。还可以在CPLD内通过编程设计与异步收发器配套的校验码发生和检测硬件电路。,（4）CPLD在微机保护研发保密方面的应用,新的保护装置研发成功后，为了防止核心技术不被他人窃取，开发公司想尽办法来开展保密工作。CPLD

23、在这方面具有很强的优越性。以Altra公司的MAX7000系列为例，在器件的内部包含有一个可编程的保密位，该保密位控制能否读出器件内的配置数据。当保密位被编程时，器件内的配置不能被复制和读出。由于在EPROM内的编程是不可见的，所以可以实现设计的加密。当对器件重新编程时，保密位连同其他的数据均可以实现擦除和重写。,五、主要芯片指令执行速度简单比较,8XCl96KB单片机工作频率可达16MHz，有的8XCl96单片机工作频率可达30MHz。而32位单片机ARM7TDMI(一S)的工作频率可达60MHz，ARM9系列的工作频率可达233MHz。DSP中的TMS320C5x系列，例如：TMS320C

24、54xx的工作频率可达160MHz，而TMS320C55xx的工作频率可达300MHz，所以显然这三种芯片在执行指令中，DSP执行速度最高，32位单片机执行速度次之，8XC196KB单片机执行速度最慢。,8XC196KB单片机120ns单一周期的定点数指令执行时间。ARM7TDMI(一S)处理器167ns单一周期的定点数指令执行时间，ARM7TDMI(一S)处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPSMHz的指令执行速度。DSP中的TMS320C5x系列3550ns单一周期的定点数指令执行时间(28620MIPS)。AR

25、M9系列单片机的执行速度高达11MIPSMHz，而主频为100233MHz，有的集成有2MB高速Flash存储器。,六、嵌人式技术的特点与发展现状,1、嵌入式系统的含义与特点,广义地说，一个嵌入式系统是一个特定功能或用途的计算机硬件的集合体；嵌入式技术系统发展的最高形式一一片上系统(SoC)将是这些技术的集大成者。狭义的嵌入式系统仅指装入另一设备并控制该设备的专用计算机系统，包括目标机与宿主机两部分，其中的目标机是一种功能单一的、处于从属地位的计算机系统。嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入系统开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统最

26、主要的区别。,2、嵌入式硬件技术,单片机(微控制器)曾是构成嵌入式硬件平台的主要器件之一，但嵌入式硬件技术的发展已使其不仅限于以往的单片机、单板机或PLC(可编程逻辑控制)的范畴，而且还广泛地使用了各种新型器件。,3、嵌入式处理器,目前嵌入式系统中的处理分为微处理器、微控制器、)SP处理器等几大类，应用最广泛的还是各种档次的8163264位微控制器，但Intel X86、RISC芯片、DSP芯片等高性能微处理器的应用也逐渐开始引人注目。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下四个特点：对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间；具有功能较强的存储区保

27、护功能；可扩展生长的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的各种性能的嵌人式微处理器；功耗很低。,4、存储器与外围设备,传统的RAM存储器有SRAM、DRAM，ROM存储器有掩膜ROM、PROM、EPROM；而新兴的混合型存储器(如EEPROM、FLASH、NVRAM等)则似乎显得更符合嵌入式系统的要求。其中采用代码驻留或就地运行技术(XIP)，用大块的FLASH来代替磁盘驱动器构成所谓的“电子盘”或“固态盘”，这在工业过程实时控制中有很好的应用前景。嵌入式系统的外围设备根据具体的设计要求而定，一般有微型打印机、不同用途的串行通信口、微型键盘、微型显示器等。,5、嵌入式技术在微机保护中的应用,

28、嵌入式技术在电力系统中的应用有着悠久的历史，较为典型的是数据采集与监控(SCADA)、暂稳控制(自动装置)等方面。同样可以用于微机保护。从国内的第一套微机保护装置诞生至今，微机保护已大致经历了几代的发展：从插件式(总线出插件)、多单板机式(总线不出插件)发展到多单片机式(总线不出芯片)，不仅在可靠性、功能上有了长足的进步，而且采用了工业计算机领域、微电子领域、网络通信领域的许多新技术，满足了新形势、新环境下对装置的新要求。另外，不仅微机保护的硬件、软件，甚至连微机保护本身都可以作为一个标准模块融入到(发电)厂(变电)站综合自动化中。,最新一代的微机保护有的已采用了当前嵌入式系统设计开发的典型方案，具体表现在突破了以往只偏重于硬件上嵌入式设计，而在软件上采用了嵌入式操作系统与C语言开发工具等。嵌入式系统在电力系统中多用于底层的数据采集与控制，这一部分是实现电力系统正常安全稳定运行的基础，意义重大。,