现场可编程外围芯片在微机继电保护装置中的应用
引言
一个典型的微机继电保护装置通常由CPU模块、I/O模块、人机对话模块、电源模块，以及通信模块等组成。其中CPU模块是系统的核心部分，通常由微控制器、程序存储器、数据存储器、 A/D转换芯片、串行EEPROM、看门狗电路等组成。微控制器完成所有保护功能和保护算法，目前最常用的是80C196，当然也有用80c552、8031等芯片的。程序存储器存储保护程序；数据存储器作为数据缓存，保存保护算法中的各类中间结果；A/D转换器完成互感器输出模拟信号和微控制器处理用的数字信号的转换；串行EEPROM通常用来存储定值。继电保护产品的工作环境是非常恶劣的，干扰信号的频率高，幅度大，而且持续的时间短。因此设计微机继电保护装置的主要任务，除了完成保护功能外就是提高产品的抗干扰能力，保证装置不误动和不拒动。提高产品的可靠性有各种各样的方法，如采用冗余设计，精选元器件，软件自动检测等各种方法。但精简电路，用最简洁的电路完成同样的功能是提高装置可靠性的一个最有效的方法。很明显，电路简单了，数据总线和地址总线的长度短了，甚至不出线路板，不出芯片，那么受干扰的可能性就少了。本文介绍的PSD311芯片在微机继电保护装置中的应用，就提供了一种改进原有微机保护CPU模块，简化电路，提高装置可靠性的方法，
PSD311简介
PSD311是目前迅速崛起的现场可编程外围芯片家族中的一员，它是市场上第一个用于微控制器应用系统中的低电压、单片的接口芯片。它内部集成了高性能的用户可配置部件：EPROM、SRAM 和可编程逻辑。其主要功能块包括两个可编程逻辑阵列(PAD A和PAD B)、256KB EPROM、16KB SRAM 、输入锁存器以及输出端口。其中，两个可编程阵列共有40个乘积项，最多16个输入，24个输出，有高达1MB空间的地址译码；256KB的EPROM可配置为32K×8位，可分为8个相等的可映像块，120ns的存取时间；16KB的SRAM可配置为2K×8位，120ns的存取时间；I/O口共有19个，都可独立配置，可用于微控制器的I/O端口扩展，可编程地址译码器(PAD)I/O, 锁存的地址输出，并可分别设置为开漏或CMOS驱动。PSD311十分适合于要求低功耗与极小体积的应用系统。它们包括硬盘控制、无线或汽车产品、调制解调器、移动电话、仪表、计算机外围设备、军事以及类似的应用。采用PSD311组成的应用系统和常规系统相比具有以下优点：
?I/O重构(当微控制器访问外部资源时，至少损失两个I/O端口)，获得更多的I/O口；
?比微控制器内部存储器中可用空间更大的EPROM；
?提供芯片选择、控制或锁存地址线，用其它方法时，它们需要分散实现，要增加译码电路；
?扩展的微控制器地址空间。
另外，PSD311还具有内在的安全性，可对其配置单元和PAD译码器加锁。一个经过加密的PSD311能在系统中发挥正常的功能，即微控制器可以访问EPROM、SRAM、PAD和I/O口，但用外部硬件读取或验证PSD311内容的任何企图都将失败，只能得到无效的随机数据，从而保护了系统开发者的劳动不被侵犯。
图 1 硬件原理结构图
图 2 硬件接口电路
PSD311在微机继电保护装置中的接口电路
图1是某型微机继电保护装置的硬件原理结构图，该硬件结构同时适用于微机线路保护、变压器保护、电容器组保护、总线保护、系统接地保护和自动重合闸等多种类型保护。
从它的硬件结构图中可以看出，该系统和常规保护装置相比，用PSD311取代了EPROM、端口扩展电路、地址译码电路。在某些应用中还可以由PSD311取代 SRAM，但在系统考虑到其他保护程序硬件的通用性和保证全周付氏算法的精度和保护算法的复杂性时，需要较大容量SRAM，所以保留了对SRAM的扩展。与PSD311有关的详细接口电路如图2所示。
PSD311的软件配置
PSD311芯片的工作方式、总线宽度、端口配置以及地址译码等信息可以很容易地通过MAPLE软件来设置完成。首先进入MAPLE的CONFIGURATION菜单，配置地址总线和数据总线的使用方式、数据总线宽度、读写控制方式等，然后分别进入端口A、B、C的配置菜单分别配置各端口的功能，可将各端口的功能配置为传送地址、片选输出或I/O口。把端口配置为片选输出，还需要指定片选地址、把端口配置为I/O口，需要指定端口的驱动方式。进入ADDRESS MAP 菜单指定EPROM数据的地址，其中输入的文件名为程序编译后的目标代码。最后回到MAPLE的主菜单，用COMPILE选项对配置进行编译，生成供编程器使用的JEDEC文件。图2所示的硬件接口电路，配置为8位地址总线，多路复用地址/数据总线，RESET低电平有效。端口A配置为传送地址,端口B配置为I/O口,提供与人机对话模块键盘的接口,端口C配置为片选，用来选通外部RAM和AD1674。其中外部RAM的地址是8000-FFFFH，AD1674高位地址(ADH)是1000H,低位地址(ADL)是0800H。程序目标代码文件为wxl.hex。具体软件配置文件请见本刊网站。
结语
通过实际的运行情况来看，用PSD311芯片改造原有的微机继电保护装置，在理论上和实践上都是可行的。不仅大大简化了电路，而且提高了电路的抗干扰性能。文中所介绍的方法对于其他基于微控制器的系统智能仪器仪表也有很大的参考价值。
参考文献
1 陈德树.计算机继电保护原理与技术,北京：中国电力出版社.1992
2 孙涵芳.单片机现场可编程外围芯片PSD的原理与应用.北京：北京航空航天大学出版社.1998
3 PSD Programmable Peripherals Design and Applications Handbook.1994,WSI,U.S.A
作者简介: 郑海波，男，毕业于空军工程大学工程学院，信号与信息处理专业，获工学硕士学位，现为海军航空工程学院青岛分院电子工程系讲师，研究方向为航空电子对抗。
评论